REGULASI EKSPRESI GEN PADA PROKARIOTBanyak prokariota sepertiE.colimenunjukkan kapasitas yang luar biasa untuk beradaptasi dengan kondisi lingkungan yang beragam. Adaptasi dari bakteri dan prokariota lain tergantung pada kemampuan mereka untuk "menghidupkan" dan "mematikan" ekspresi khusus dari gen dalam menanggapi tuntutan spesifik dari lingkungan. Ekspresi gen tertentu "dihidupkan" ketika produk dari gen-gen ini dibutuhkan untuk pertumbuhan di lingkungan yang ada. Dengan "mematikan" ekspresi gen ketika produk mereka tidak diperlukan, suatu organisme dapat menghindari pemborosan energi dan dapat memanfaatkan energi kekal untuk mensintesis produk yang memaksimalkan tingkat pertumbuhan dalam lingkungan yang ada.Ekspresi gen dapat (dan) diatur pada beberapa tingkat yang berbeda-misalnya,transkripsi, pemrosesan mRNA, pergantian mRNA, translasi, dan fungsi enzim. Data menunjukkan bahwaregulasi transkripsi adalah cara yang paling penting dari pengontrolan ekspresi gen,setidaknya pada prokariot. Regulasi transkripsi pada prokariot dan eukariot, mekanisme regulasinya digolongkan menjadi dua kategori umum. Yang pertama, kategori yang mencakup mekanisme yang terlibat dalam mekanisme turn-on dan turn-off ekspresi gen sebagai respons terhadap perubahan lingkungan. Yang kedua, mekanisme regulasi yang disebutsirkuit terprogram ekspresi gen.Induksi dan Represi pada Prokariot

Produk gen tertentu, seperti molekul tRNA, molekul rRNA, protein ribosom, komponen protein polimerase RNA (polipeptida), dan enzim pengkatalis proses metabolisme yang sering disebut fungsi sel rumah tangga, yang merupakan komponen penting hampir pada semua sel hidup. Gen yang menentukan produk jenis ini secara terus menerus diekspresikan di sebagian besar sel. Gen tersebut dikatakan diekspresikan secara konstitutif dan sering disebut gen konstitutif.

Escherichia coli dan bakteri lain dapat tumbuh dengan menggunakan salah satu dari beberapa karbohidrat (misalnya, glukosa, sukrosa, galaktosa, arabinosa, laktosa) sebagai sumber energi. Jika terdapat glukosa di lingkungan, maka glukosa akan dimetabolisme oleh sel E. coli. Walaupun, glukosa tidak ada, sel E. coli dapat tumbuh dengan baik pada karbohidrat lainnya. Sel tumbuh pada medium yang mengandung gula laktosa, misalnya sebagai sumber karbon tunggal mensintesis dua enzim, -galaktosidase dan -galactoside permease.

Di dalam lingkungan yang alami (saluran usus dan saluran pembuangan), sel E. coli tidak akan menemukan glukosa dan jarang juga ditemukan laktosa. Maka, E. coli akan mengkode enzim yang terlibat dalam penggunaan laktosa yang tidak diekspresikan. Jika sel tumbuh pada karbohidrat selain laktosa, maka akan dipindahkan ke medium yang mengandung laktosa sebagai satu-satunya sumber karbon, maka laktosa yang tidak diekspresikan akan dengan cepat mensintesis enzim yang dibutuhkan untuk pemanfaatan laktosa. Proses dimana ekspresi gen diaktifkan dalam menanggapi suatu zat dalam lingkungan, disebut induksi. Ekspresi gen yang diregulasi disebut gen terinduksi, jika produknya berupa enzim disebut enzim terinduksi. Zat atau molekul yang bertanggung jawab untuk induksi disebut induser.

Ketika E. coli berada dalam lingkungan yang memiliki kosentrasi triptofan yang cukup untuk mendukung pertumbuhan optimal, sintesis lanjutan dari enzim biosintesis triptofan akan membuang energi, karena bakteri ini memiliki kapasitas untuk mengambil triptofan eksternal. Maka, sintesis enzim biosintesis triptofan dimatikan ketika triptofan berada dalam lingkungan eksternal. Proses mematikan perangkat ekspresi gen disebut represi. Gen ekspresi yang dimatikan dengan cara ini disebut repres, ketika ekspresi dihidupkan, gen jenis ini disebut derepres. Baik induksi maupun represi terjadi pada transkripsi.Model Operan

Model operon berhubungan dengan regulasi gen yang mengkode enzim yang dibutuhkan untuk penggunaan laktosa pada E. coli. Transkripsi dari satu set gen yang berdekatan diatur oleh dua elemen. Salah satu elemen disebut regulator gen, mengkode protein yang disebut repressor. Pada kondisi yang cocok, repressor berikatan dengan elemen kedua yang disebut operator. Letak operator selalu berdekatan dengan struktur gen yang dimana ekspresinya diatur. Ketika represor berikatan dengan operator, transkripsi tidak dapat terjadi. Hal ini karena ikatan antara represor dan operator menghalangi RNA polymerase untuk berikatan dengan sisi promoter. Kesatuan unit dari gen, operator, dan promoter inilah yang disebut operon. Mengikat atau tidaknya represor pada operator, ditentukan oleh ada atau tidaknya molekul efektor. Transkrip mRNA membawa informasi yang mengkode seluruh operon. mRNA dari operon mengandung lebih dari satu struktur gen sehingga disebut poligenik. lac, Operan yang Tidak TerinduksiSeperti operon yang lain, lac operon memiliki promoter, operator, dan gen struktural. Hanya saja gen struktural pada lac operon adalah z, y, dan a yang mengkode -galaktosidase, -galaktosid permease, -galaktoside transacetylase. -galaktosid permease memompa laktosa ke dalam sel. Sedangkan -galaktosidase memecahnya menjadi glukosa dan galaktosa. Gen regulator lac mendesain gen i untuk mengkode represor yang panjangnya 360 asam amino. Jika tidak ada penginduksi, represor berikatan dengan sekuen operator lac dan mencegah RNA polimerase untuk berikatan dengan promoter. Promoter lac mengandug dua komponen fungsional yang berbeda. Yang pertama yaitu sisi yang berikatan dengan RNA polimerase dan sisi yang berikatan dengan protein lain yang disebut catabolite activator protein (CAP).

trp, Operon yang Represibel

Operon trp dari E. colimungkin yang paling baik dikenal sebagai operon yang represibel. Operon represor trp merupakan dari gen trpR, yang mana tidak secara tertutup berhubungan dengan operon trp. Pada saat triptofan tidak ada, RNA polimerase terikat pada wilayah promoter dan mentranskrib gen struktur dari operon. Pada saat triptofan ada, penekan kompleks terikat pada wilayah operon dan mencegah ikatan dari RNA polimerase pada promoter. Sekuen penghubung dari operon trp berada seluruhnya dalam wilayah promoter. Kecepatan transkripsi dari operon trp pada keadaan derepresi (tidak ada triptofan) adalah 70 kali dari nilai yang terjadi pada keadaan represi (terdapat triptofan). Pada mutan trpR yang tidak dapat membuat represor, kecepatan dari sintesis enzim biosintetik triptofan (produk dari gen struktural dari operon trp) masih berkurang sekitar 10 lipatan dengan penambahan triptofan pada medium. Pengurangan ini seharusnya merupakan sebuah level regulasi kedua dari ekspresi operon trp yang disebut dengan atenuasi. Atenuasi terjadi dari terminasi triptofan mediasi pada transkripsi wilayah trpL (mRNA leader) pada operon.Kontrol Positif Operon lac dengan CAP dan AMP Siklik

Model operon ini diajukan oleh Jacob dan Monod untuk menjelaskan induksi dari biosintesis enzim yang terlibat dalam pemanfaatan laktosa ketika gula tersebut ditambahkan dalam medium sel-sel E. coli yang sedang tumbuh. Keberadaan glukosa, walaupun telah lama diketahui untuk mencegah induksi operon lac, yang lebih baik daripada operon-operon lainnya yang mengontrol enzim yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat (contohnya arabinosa dan operon glukosa). Fenomena ini dikenal sebagai represi katabolit (atau efek glukosa), yang rupanya berkembang untuk menjamin bahwa glukosa dimetabolisme ketika ada, yang lebih disukai dari yang lain, paling sedikit efisien sumber energi.Represi katabolit dari operon lac sekarang dikenal menjadi penghubung melalui kontrol positif trankripsi dengan sebuah protein regulatori yang disebut CAP (Catabolite Activator Protein) dan sebuah molekul efektor kecil yang disebut AMP siklik (adenosin-3, 5-fosfat) (CAP juga kadang-kadang disebut protein reseptor AMP siklik). Seperti yang telah disebutkan diawal, promoter lac terdiri dari dua tempat ikatan terpisah : (1) satu untuk RNA polimerase, (2) satu untuk kompleks CAP-cAMP.Kompleks CAP-cAMP harus meloncat pada tempat perikatan dari promoter lac dalam perintah untuk diinduksi. Kompleks CAP-cAMP menggunakan kontrol positif melalui transkripsi operon lac. Itu mempunyai sebuah efek yang tepatnya berlawanan dari ikatan penekan pada sebuah operator. Walaupun mekanisme yang tepat dari CAP-cAMP menstimulasi ikatan RNA polimerase ke promoter masih tidak pasti. Kontrol positif dari transkripsi operon lac dengan kuat dibentuk dengan eksperimen in vivo dan in vitro. CAP dikenal berfungsi sebagai sebuah dimer, seperti represor lac, multimerik pada tempat fungsional.Hanya kompleks CAP-cAMP terikat pada promoter lac, pada saat cAMP tidak ada, CAP tidak berikatan. cAMP berperan sebagai molekul efektor, menentukan efek dari CAP pada transkripsi operon lac. Konsentrasi dari camp peka terhada keberadaan ataupun ketidakberadaannya glukosa. Konsentrasi glukosa yang tinggi menyebabkan penurunan yang tajam dari konsentrasi cAMP. Ada kemungkinan glukosa atau beberapa metabolit yang dibentuk dari keberadaan konsentrasi glukosa yang cukup, mencegah aktivitas dari adenilsiklase, enzim yang mengkatalisis formasi cAMP dari ATP. Pengaturan Kompleks pada Operon ara

Pada operon lac dan trp, gen regulator dan repressornya berfungsi secara negatif (menghentikan proses transkripsi pada operon) dan CAP pada operon lac yang berfungsi secara positif (merangsang transkripsi pada operon), sedangkan pada operon ara menunjukkan keduanya (menghentikan dan merangsang transkripsi) yang tergantung pada kondisi lingkungannya.

Operon arabinose (ara) pada E. coli terdiri dari tiga gen yang struktural (araB, araA, araD) dimana pada transkripsi mRNA tunggal dimulai pada promotor yang disebut PBAD. Protein regulator utama pada operon ara (araC) dihasilkan dari transkripsi yang dimulai pada promotor yang disebut PC dimana PC memiliki arah yang berlawanan dengan PBAD. Protein araC sebagai represor transkripsi dari araB, araA, araD ketika arabinose dan cAMP tidak ada.

Sisi berikatan antara 2 protein dalam semua polimerase RNA terletak di daerah operon ara yang disebut araI, yang berada diantara araB, araA, araD, araC. Daerah araI merupakan daerah operon ara yang digunakan sebagai araC dan kompleks cAMP-CAP berikatan. Repressi pada operon ara tergantung pada ikatan protein araC pada daerah yang disebut araO2, sehingga repressi operon ara terjadi jika protein araC berperan sebagai dimer harus berikatan pada kedua daerah, araI dan araO2 dan kemudian protein ini berikatan sehingga membentuk loop DNA. Jadi, ketika lima pasangan nukleotida dimasukkan atau dihapus pada antara araI dan araO2, represi yang normal pada operon tidak dapat terjadi.

Repressi Profage Lambda Selama Lisogenik

Gen C1 pada fage lambda mengkodekan repressor dengan cara dimer atau tetramernya berikatan pada dua daerah operator yang mengontrol transkripsi gen lambda serta terlibat dalam pertumbuhan litik. Kedua daerah operator, OL (untuk transkripsi ke arah kiri) dan OR (untuk transkripsi ke arah kanan), tumpang tindih dengan serangkaian promoter yang mengikat polimerase RNA dan memulai transkripsi pada gen yang mengendalikan perkembangan litik, sehingga polimerase RNA tidak dapat mengikat dua promoter dan menyebabkan tidak dapat memulai transkripsi. Oleh karena itu, gen fage yang terus ditekan, memungkinkan tidak aktifnya profage untuk diturunkan dari sel induk ke sel generasi keturunan selanjutnya. Mekanisme perkembangan litik dan lisogenik setelah infeksi sel E. coli dengan fage lambda jauh lebih kompleks yang melibatkan interaksi antara gen regulasi lambda lainnya.

Pengendalian Operon trp dengan Atenuasi (Penipisan)

Repressi dan derepressi dapat mengubah tingkat ekspresi gen pada operon trp sehingga ada tahap kedua pada regulasi ekspresi operon trp yang disebut atenuasi (penipisan) dan serangkaian dalam trpL yang mengontrol fenomena ini disebut attenuator. Atenuasi terjadi dengan mengatur pemberhentian transkripsi di daerah dekat ujung serangkaian awal mRNA.

Daerah attenuator memiliki urutan basa nukleotida yang identik dengan sinyal pada pemberhentian transkripsi yang ditemukan di ujung kebanyakan operon bakteri. Sinyal pemberhentian ini kaya pasangan basa GC dan beberapa pasangan basa AT. Transkripsi pada sinyal pemberhentian ini menghasilkan RNA dengan ikatan hidrogen berbentuk penjepit rambut yang diikuti beberapa basa U. Sehingga menyebabkan perubahan konformasional yang berhubungan dengan RNA polimerase berupa terminasi transkripsi dimana terdapat daerah dengan ikatan hidrogen lebih lemah pada pasangan basa DNA-RNA. Hal ini dapat diatur oleh ada atau tidaknya triptofan. Karena translasi pada prokariotik dapat berpengaruh pada transkripsinya, adanya attenuator transkripsi terminasi berbentuk jepit rambut dimana hal ini tidak dapat terbentuk jika terdapat pasangan basa pada serangkaian nukleotida 74-85 dan 108-119, terdapat kodon AUG (sebagai kodon permulaan translasi) dan kodon UGA (sebagai kodon pemberhentian translasi) sehingga terdapat dua triptofan residu yang bersebelahan menyebabkan ribosom akan terhenti sebelum membentuk pasangan basa 74-85 dan 108-119. Jadi, tanpa adanya triptofan, transkripsi akan terus melewati attenuator ke gen trpE.

Umpan Balik Inhibisi dan Allosterik pada Enzim

Adanya konnsentrasi yang cukup pada hasil akhir (seperti histidin atau triptofan) pada jalur biosintesis akan sering mengakibatkan penghambatan pada enzim pertama pada jalur itu, sehingga fenomena ini disebut umpan balik inhibisi atau hasil akhir inhibisi, hal ini berbeda dengaan represi (inhibisi pada sintesis enzim). Umpan balik inhibisi-sensitivitas enzim menunujukkan adanya hasil akhir pada daerah yang berikatan selain penambahan substrat pada sisi/daerah yang berikatan. Biasanya daerah hasil akhir itu mempunyai perbedaan subunit (polipeptida) dari daerah substrat. Setelah hasil akhir seperti enzim mengalami perubahan (konformasi) yang disebut transisi allosterik dimana terjadi pengurangan afinitas pada substrat. Sedangkan protein yang mengalami perubahan (konformasi) disebut protein allosterik.

Rangkaian Sementara pada Ekspresi Gen selama Infeksi Fage

Pengaturan serangkaian ekspresi gen selama infeksi fage terjadi terutama saat transkripsi. Hal ini telah diamati pada virus bakteri E, coli T4 dan T7 fage serta Bacillus subtilis SP01 fage.

Pertanyaan

1. Bagaimana pengaturan tentang atenuasi tidak berpengaruh pada ada atau tidaknya triptofan?

Jawaban:

Karena translasi pada prokariotik dapat berpengaruh pada transkripsinya, adanya attenuator transkripsi terminasi berbentuk jepit rambut dimana hal ini tidak dapat terbentuk jika terdapat pasangan basa pada serangkaian nukleotida 74-85 dan 108-119, terdapat kodon AUG (sebagai kodon permulaan translasi) dan kodon UGA (sebagai kodon pemberhentian translasi) sehingga terdapat dua triptofan residu yang bersebelahan menyebabkan ribosom akan terhenti sebelum membentuk pasangan basa 74-85 dan 108-119. Jadi, tanpa adanya triptofan, transkripsi akan terus melewati attenuator ke gen trpE.

2. Mengapa hanya kompleks CAP-cAMP yang dapat berikatan dengan promoter lac, sedangkan pada saat cAMP tidak ada, CAP tidak berikatan?Jawaban

cAMP berperan sebagai molekul efektor, menentukan efek dari CAP pada transkripsi operon lac. Konsentrasi dari camp peka terhada keberadaan ataupun ketidakberadaannya glukosa. Konsentrasi glukosa yang tinggi menyebabkan penurunan yang tajam dari konsentrasi cAMP. Ada kemungkinan glukosa atau beberapa metabolit yang dibentuk dari keberadaan konsentrasi glukosa yang cukup, mencegah aktivitas dari adenilsiklase, enzim yang mengkatalisis formasi cAMP dari ATP. Sehingga, tanpa ketika cAMP tidak ada, maka CAPtidak bisa terikat dengan propmoter lac.