1

2

Pengaturan (pengendalian) ekspresi genetik merupakan aspek yg Pengaturan (pengendalian) ekspresi genetik merupakan aspek yg

sangat penting bagi jasad hidup, baik pada prokariot maupun eukariotsangat penting bagi jasad hidup, baik pada prokariot maupun eukariot

Tanpa sistem pengaturan yg efisien, sel akan kehilangan banyak Tanpa sistem pengaturan yg efisien, sel akan kehilangan banyak

energienergi

Sebagai contoh : jika di dlm medium pertumbuhan Sebagai contoh : jika di dlm medium pertumbuhan E. coliE. coli terdapat gula terdapat gula

sederhana, misalnya glukosa (monosakarida), maka sel tidak perlu sederhana, misalnya glukosa (monosakarida), maka sel tidak perlu

menjalankan sistem ekspresi gen yg bertanggung jawab untuk menjalankan sistem ekspresi gen yg bertanggung jawab untuk

metabolisme gula yg lebih kompleks, misalnya laktosa (disakarida).metabolisme gula yg lebih kompleks, misalnya laktosa (disakarida).

Gen yg bertanggung jawab dlm metabolisme laktosa baru akan Gen yg bertanggung jawab dlm metabolisme laktosa baru akan

diaktifkan setelah melalui suatu rangkaian regulasi tertentudiaktifkan setelah melalui suatu rangkaian regulasi tertentu

3

Ada 2 sistem pengaktifan ekspresi gen, yaitu ekspresi gen secara Ada 2 sistem pengaktifan ekspresi gen, yaitu ekspresi gen secara

konstitutif dan induktifkonstitutif dan induktif

Secara konstitutif berarti selalu diekspresikan dalam keadaan apapunSecara konstitutif berarti selalu diekspresikan dalam keadaan apapun

Sebaliknya, bermakna gen yg hanya diekspresikan jika ada keadaan Sebaliknya, bermakna gen yg hanya diekspresikan jika ada keadaan

yg memungkinkan atau ada proses induksi yg memungkinkan atau ada proses induksi

Kelompok gen konstitutif merupakan kelompok gen yg bertanggung Kelompok gen konstitutif merupakan kelompok gen yg bertanggung

jawab terhadap metabolisme dasar, misalnya metabolisme energi atau jawab terhadap metabolisme dasar, misalnya metabolisme energi atau

sintesis komponen-komponen selular.sintesis komponen-komponen selular.

Sebaliknya, gen yang baru diaktifkan (diinduksi) menunjukkan adanya Sebaliknya, gen yang baru diaktifkan (diinduksi) menunjukkan adanya

efisiensi selularefisiensi selular

Gen yg bersifat konstitutif

• Gen yg menghasilkan protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase

• Gen yg menghslkan yg enzim-enzim yang mengkatalisis berbagai reaksi metabolisme yang berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel

4

Pada prokariot maupun eukariot

1.melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan kondisi lingkungan

2. ekspresi gen berupa siklus yang telah terprogram (preprogramed circuits). 

-- produk suatu gen akan menekan transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacu transkripsi gen kedua, produk gen kedua akan menekan transkripsi gen kedua dan memacu transkripsi gen ketiga, demikian seterusnya

5

6

Jadi, ekspresi genetik merupakan rangkaian proses kompleks yg Jadi, ekspresi genetik merupakan rangkaian proses kompleks yg

melibatkan banyak faktormelibatkan banyak faktor

Secara umum, dpt dikatakan bahwa proses ekspresi genetik dimulai Secara umum, dpt dikatakan bahwa proses ekspresi genetik dimulai

dan diatur sejak pra-inisiasi transkripsi. dan diatur sejak pra-inisiasi transkripsi.

Pada sel prokariot, telah dikenal kelompok gen yg disebut operon. Pada sel prokariot, telah dikenal kelompok gen yg disebut operon.

Eukariot tidak mengenal sistem operon karena diatur oleh satu Eukariot tidak mengenal sistem operon karena diatur oleh satu

promoter tersendiripromoter tersendiri

Pada prokariot, pengendalian ekspresi genetik hanya terjadi pada level Pada prokariot, pengendalian ekspresi genetik hanya terjadi pada level

transkripsi, sedangkan pd eukariot mulai dari transkripsi sampai transkripsi, sedangkan pd eukariot mulai dari transkripsi sampai

pasca-translasi.pasca-translasi.

Pengendalian ekspresi genetik pada jasad hidup (pro- dan eu-kariot) Pengendalian ekspresi genetik pada jasad hidup (pro- dan eu-kariot)

meliputi pengendalian positif dan pengendalian negatifmeliputi pengendalian positif dan pengendalian negatif

7

Pada prokariot, pengaturan (pengendalian) pd suatu gen atau operon Pada prokariot, pengaturan (pengendalian) pd suatu gen atau operon

melibatkan aktivitas suatu gen regulatormelibatkan aktivitas suatu gen regulator

Pengendalian positif pd suatu operon tsb dpt diaktifkan oleh produksi Pengendalian positif pd suatu operon tsb dpt diaktifkan oleh produksi

ekspresi gen regulatorekspresi gen regulator

Sebaliknya, apabila operon dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen Sebaliknya, apabila operon dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen

regulator merupakan pengendalian negatifregulator merupakan pengendalian negatif

Produk gen regulator ada 2, yaitu aktivator dan represorProduk gen regulator ada 2, yaitu aktivator dan represor

Aktivator berperanan dlm pengendalian positif, sedangkan represor Aktivator berperanan dlm pengendalian positif, sedangkan represor

dlm pengendalian negatifdlm pengendalian negatif

Produk keduanya bekerja dengan menempel pada sisi pengikatan Produk keduanya bekerja dengan menempel pada sisi pengikatan

protein regulator pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnya.protein regulator pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnya.

8

Pengikatan aktivator atau represor pada promoter ditentukan oleh Pengikatan aktivator atau represor pada promoter ditentukan oleh

keberadaan suatu molekul efektor yg biasanya berupa molekul kecil, keberadaan suatu molekul efektor yg biasanya berupa molekul kecil,

misalnya asam amino, gula atau metabolit serupa lainnyamisalnya asam amino, gula atau metabolit serupa lainnya

Molekul efektor yg mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut induser, Molekul efektor yg mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut induser,

sedangkan yg bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut represorsedangkan yg bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut represor

Gen represor

daerah promotor

daerah operator

Promotor represor

9

10

Gen represor

daerah promotor

daerah operator

Tiga gen struktural operon laktosa

Tiga gen struktural penyandi enzim-enzim pengurai laktosa tidak diekspresi

11

An Inducible Operon in the Absence of an Inducer(The Lactose Operon)

repressor gene

12

Gen represor

daerah promotor

daerah operator

Tiga gen struktural operon laktosa

Tiga gen struktural penyandi enzim-enzim pengurai laktosa diekspresi

13

An Inducible Operon in the Presence of an Inducer(The Lactose Operon)

repressor gene

14

lima gen struktural operon laktosadaerah

operatordaerah

promotorGen

represor

lima enzim yang diperlukan untuk sintesis triptofan

15

A Repressible Operon in the Absence of a Corepressor(The Tryptophan (trp) Operon)

Gen represor

16

lima gen struktural operon laktosadaerah

operatordaerah

promotorGen

represor

17

A Repressible Operon in the Presence of a Corepressor(The Tryptophan (trp) Operon)

Without the transcription of the five genes, the five enzymes needed for the bacterium to synthesize the amino acid tryptophan are not made.

repressor gene

18

Pengaturan ekspresi genetik pada eukariot dilakukan pada banyak titik Pengaturan ekspresi genetik pada eukariot dilakukan pada banyak titik

pengendalian.pengendalian.

Pengendalian ekspresi genetik dpt ditinjau dari 3 sisi, yaitu : Pengendalian ekspresi genetik dpt ditinjau dari 3 sisi, yaitu :

1)1) sinyal pengendali ekspresi; sinyal pengendali ekspresi;

2)2) level pengendalian ekspresi; level pengendalian ekspresi;

3)3) mekanisme pengendalianmekanisme pengendalian

Sinyal pengendali ekspresi meliputi semua molekul yg berperanan dlm Sinyal pengendali ekspresi meliputi semua molekul yg berperanan dlm

proses pengendalian ekspresi, misalnya faktor transkripsi dan protein proses pengendalian ekspresi, misalnya faktor transkripsi dan protein

regulator khususregulator khusus

Level pengendalian ekspresi terjadi pd tahapan : Level pengendalian ekspresi terjadi pd tahapan :

a)a) inisiasi transkripsi dan perpanjangan transkrip; inisiasi transkripsi dan perpanjangan transkrip;

b)b) pengakhiran (terminasi) transkripsi; pengakhiran (terminasi) transkripsi;

c)c) pengendalian pasca-transkripsi dan pengendalian pasca-transkripsi dan

d)d) pengendalian selama proses translasi dan pasca translasipengendalian selama proses translasi dan pasca translasi

19

20

Mekanisme pengendalian ekspresi membahas proses rinci Mekanisme pengendalian ekspresi membahas proses rinci

pengendalian ekspresi genetik yg meliputi interaksi antar sinyal pengendalian ekspresi genetik yg meliputi interaksi antar sinyal

pengendali ekspresipengendali ekspresi

Sinyal pengendali ekspresi genetik pada eukariotSinyal pengendali ekspresi genetik pada eukariot

Proses ekspresi genetik pd eukariot diatur oleh banyak molekul yg Proses ekspresi genetik pd eukariot diatur oleh banyak molekul yg

berinteraksi secara spesifikberinteraksi secara spesifik

Interaksi antar molekul tsb dpt terjadi melalui ikatan antara DNA Interaksi antar molekul tsb dpt terjadi melalui ikatan antara DNA

dengan protein, protein dengan protein maupun protein dengan dengan protein, protein dengan protein maupun protein dengan

molekul lain, misalnya hormonmolekul lain, misalnya hormon

21

Mekanisme pengendalian ekspresi membahas proses rinci Mekanisme pengendalian ekspresi membahas proses rinci

pengendalian ekspresi genetik yg meliputi interaksi antar sinyal pengendalian ekspresi genetik yg meliputi interaksi antar sinyal

pengendali ekspresipengendali ekspresi

Sinyal pengendali ekspresi genetik pada eukariotSinyal pengendali ekspresi genetik pada eukariot

Sinyal (molekul) pengendali ekspresi genetik dpt dikelompokkan Sinyal (molekul) pengendali ekspresi genetik dpt dikelompokkan

menjadi 2 yaitu menjadi 2 yaitu

a)a) RNA polimerase sebagai protein utama yg melakukan proses RNA polimerase sebagai protein utama yg melakukan proses

transkripsi; dan transkripsi; dan

b)b) protein-protein pembantu (auxilliary protein) yg meliputi protein-protein pembantu (auxilliary protein) yg meliputi

1)1) faktor transkripsi umum; faktor transkripsi umum;

2)2) protein yg berikatan dg urutan nukleotida spesifik dan protein yg berikatan dg urutan nukleotida spesifik dan

3)3) protein yg terlibat dlm proses translasiprotein yg terlibat dlm proses translasi

22

Secara umum, protein pengendali mempunyai 3 domain fungsional, Secara umum, protein pengendali mempunyai 3 domain fungsional,

yaitu : yaitu :

domain pengikat DNA, domain pengikat DNA,

domain yg mengaktifkan transkripsi dan domain yg mengaktifkan transkripsi dan

domain dimerisasidomain dimerisasi

Domain pengikat DNA adalah bagian protein yg berikatan Domain pengikat DNA adalah bagian protein yg berikatan

langsung dg DNAlangsung dg DNA

Domain yg mengaktifkan transkripsi adalah bagian struktur Domain yg mengaktifkan transkripsi adalah bagian struktur

protein yg berperanan dlm melakukan aktivasi transkripsiprotein yg berperanan dlm melakukan aktivasi transkripsi

Beberapa protein membentuk dimer baik dlm bentuk Beberapa protein membentuk dimer baik dlm bentuk

homodimer (2 monomer yg identik menjadi satu) atau dlm homodimer (2 monomer yg identik menjadi satu) atau dlm

bentuk heterodimer (2 monomer yg berbeda menjadi satu)bentuk heterodimer (2 monomer yg berbeda menjadi satu)

23

Protein yang membentuk dimer mempunyai domain yg Protein yang membentuk dimer mempunyai domain yg

merupakan tempat pengikatan antara satu monomer dengan merupakan tempat pengikatan antara satu monomer dengan

monomer yg lain. monomer yg lain.

Daerah inilah yg disebut dengan domain dimerisasiDaerah inilah yg disebut dengan domain dimerisasi

domain dimerisasidomain dimerisasi

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa gen kelas I pada eukariot Telah dijelaskan sebelumnya bahwa gen kelas I pada eukariot

mengkode sintesis rRNAmengkode sintesis rRNA

Faktor yg mempengaruhi laju sintesis pd gen kelas I adalah Faktor yg mempengaruhi laju sintesis pd gen kelas I adalah

jumlah enzim RNA polimerase, level fosforilasi RNA jumlah enzim RNA polimerase, level fosforilasi RNA

polimerase dan jumlah serta aktivitas faktor transkripsi.polimerase dan jumlah serta aktivitas faktor transkripsi.

Pada gen kelas II, pengendalian terjadi pd beberapa level, Pada gen kelas II, pengendalian terjadi pd beberapa level,

yaitu level metabolisme mRNA; level translasi mRNA menjadi yaitu level metabolisme mRNA; level translasi mRNA menjadi

polipeptida dan pasca-translasipolipeptida dan pasca-translasi

24

Pd level metabolisme, pengendalian dpt terjadi pd proses Pd level metabolisme, pengendalian dpt terjadi pd proses

stabilisasi/destabilisasi mRNA.stabilisasi/destabilisasi mRNA.

Stabilisasi/destabilisasi meliputi aktivasi atau represi transkripsi Stabilisasi/destabilisasi meliputi aktivasi atau represi transkripsi

terutama dlm pemrosesan transkrip primer (pre-mRNA) sehingga terutama dlm pemrosesan transkrip primer (pre-mRNA) sehingga

dpt menghasilkan polipeptida berbedadpt menghasilkan polipeptida berbeda

Contoh : Contoh :

regulasi gen GAL pd khamir. regulasi gen GAL pd khamir.

Gen GAL adalah serangkaian gen yg bertanggung jawab dlm Gen GAL adalah serangkaian gen yg bertanggung jawab dlm

metabolisme galaktosa. metabolisme galaktosa.

Sistim regulasinya melibatkan suatu rangkaian aktivasi dan Sistim regulasinya melibatkan suatu rangkaian aktivasi dan

represi transkripsi. represi transkripsi.

Secara umum, regulasi ekspresi ditentukan oleh dua protein Secara umum, regulasi ekspresi ditentukan oleh dua protein

utama, yaitu Gal4 (dikode oleh gen GAL4) dan protein Gal80. utama, yaitu Gal4 (dikode oleh gen GAL4) dan protein Gal80.

Gal4 berperan sbg aktivator transkripsi, sedangkan Gal80 Gal4 berperan sbg aktivator transkripsi, sedangkan Gal80

sebagai represorsebagai represor

25

Jika protein Gal4 dlm keadaan bebas maka protein ini akan Jika protein Gal4 dlm keadaan bebas maka protein ini akan

mengaktifkan gen-gen GAL1, GAL7 dan GAL10 (terletak pd mengaktifkan gen-gen GAL1, GAL7 dan GAL10 (terletak pd

kromosom II), gen GAL2 (kromosom XII) dan gen MEL1.kromosom II), gen GAL2 (kromosom XII) dan gen MEL1.

Dlm medium yg mengandung glukosa dan galaktosa untuk Dlm medium yg mengandung glukosa dan galaktosa untuk

menumbuhkan khamir, maka glukosa dpt bertindak sebagai ko-menumbuhkan khamir, maka glukosa dpt bertindak sebagai ko-

represor yang akan menekan masuknya galaktosa dari luar sel represor yang akan menekan masuknya galaktosa dari luar sel

Keadaan ini menyebabkan tidak dpt disintesisnya induser, Keadaan ini menyebabkan tidak dpt disintesisnya induser,

meskipun seandainya di dlm sel sudah ada induser (karena meskipun seandainya di dlm sel sudah ada induser (karena

glukosa akan mem-blok induser ini)glukosa akan mem-blok induser ini)

Sebaliknya, jika khamir ditumbuhkan dlm medium yg hanya Sebaliknya, jika khamir ditumbuhkan dlm medium yg hanya

mengandung galaktosa, maka gen GAL3 akan diekspresikan mengandung galaktosa, maka gen GAL3 akan diekspresikan

untuk menghasilkan enzim yg akan membentuk produk metabolik untuk menghasilkan enzim yg akan membentuk produk metabolik

galaktosa yg dpt berfungsi sebagai indusergalaktosa yg dpt berfungsi sebagai induser

26

Induser berperan untuk mem-blok Gal80 sehingga protein ini tidak Induser berperan untuk mem-blok Gal80 sehingga protein ini tidak

dpt menghalangi protein Gal4 untuk mengaktifkan rangkaian gen dpt menghalangi protein Gal4 untuk mengaktifkan rangkaian gen

GAL, jika di dlm medium pertumbuhan tsb ada glukosa dan GAL, jika di dlm medium pertumbuhan tsb ada glukosa dan

galaktosa. galaktosa.

Dg dmk., glukosa menghalangi pembentukan induser atau mem-Dg dmk., glukosa menghalangi pembentukan induser atau mem-

blok induser sehingga induser tidak dpt mem-blok Gal80.blok induser sehingga induser tidak dpt mem-blok Gal80.

Dlm keadaan ini, Gal80 akan bebas sehingga dpt memblok protein Dlm keadaan ini, Gal80 akan bebas sehingga dpt memblok protein

Gal4Gal4

27

Gen kelas III adalah gen yg mengkode sintesis tRNA dan 5SrRNAGen kelas III adalah gen yg mengkode sintesis tRNA dan 5SrRNA

Salah satu model pengendalian ekspresi gen ini adalah regulasi Salah satu model pengendalian ekspresi gen ini adalah regulasi

sintesis 5SRNA selama proses oogenesis dan embriogenesis sintesis 5SRNA selama proses oogenesis dan embriogenesis

Ada 2 tipe gen 5SrRNA, yaitu gen 5S somatik dan 5S pd oosit. Ada 2 tipe gen 5SrRNA, yaitu gen 5S somatik dan 5S pd oosit.

Laju sintesis keduanya berbedaLaju sintesis keduanya berbeda

Gen 5S somatik diketahui juga ditranskripsi di oosit dan tetap aktif Gen 5S somatik diketahui juga ditranskripsi di oosit dan tetap aktif

di dalam sel somatik. Sebaliknya, gen 5S oosit hanya ditranskripsi di dalam sel somatik. Sebaliknya, gen 5S oosit hanya ditranskripsi

di oosit.di oosit.

Faktor kunci yg menyebabkan perbedaan pengendalian ekspresi Faktor kunci yg menyebabkan perbedaan pengendalian ekspresi

keduanya adalah faktor transkripsi TFIIIAkeduanya adalah faktor transkripsi TFIIIA

TFIIIA mempunyai daya ikat (affinity) yg lebih besar thd gen 5S TFIIIA mempunyai daya ikat (affinity) yg lebih besar thd gen 5S

somatik daripada gen 5S oositsomatik daripada gen 5S oosit

28

Pengendalian ekspresi genetik juga terjadi pd saat transkripsi telah Pengendalian ekspresi genetik juga terjadi pd saat transkripsi telah

selesai dilakukan (pasca-transkripsi). Contoh : pengendalian selesai dilakukan (pasca-transkripsi). Contoh : pengendalian

stabilitas mRNAstabilitas mRNA

Faktor transkripsi adalah protein yg berperanan di dlm pengaturan Faktor transkripsi adalah protein yg berperanan di dlm pengaturan

ekspresi sehingga faktor transkripsi juga mengalami regulasi yg ekspresi sehingga faktor transkripsi juga mengalami regulasi yg

dpt mempengaruhi aktivitasnyadpt mempengaruhi aktivitasnya

29

Faktor transkripsi diatur dg melalui beberapa cara, yaitu :Faktor transkripsi diatur dg melalui beberapa cara, yaitu :

1.1.Regulasi temporal. Regulasi temporal.

Contoh : pengikatan mitogen atau faktor differensiasi, impuls Contoh : pengikatan mitogen atau faktor differensiasi, impuls

saraf dan kerusakan fisiksaraf dan kerusakan fisik

2.2.Regulasi dengan pengikatan ligan. Regulasi dengan pengikatan ligan.

Contoh : ikatan anggota reseptor hormon steroid dengan ligan Contoh : ikatan anggota reseptor hormon steroid dengan ligan

eksternal yang mengaktivasinya eksternal yang mengaktivasinya

3.3.Regulasi dengan sekuestrasi (pengasingan). Regulasi dengan sekuestrasi (pengasingan).

Contoh : protein NFк-B merupakan faktor transkripsi yg diatur dg Contoh : protein NFк-B merupakan faktor transkripsi yg diatur dg

mekanisme pengasinganmekanisme pengasingan

4.4.Regulasi dg modifikasi pasca-transkripsi. Regulasi dg modifikasi pasca-transkripsi.

Contoh : faktor transkripsi CREB difosforilasi oleh protein kinase Contoh : faktor transkripsi CREB difosforilasi oleh protein kinase

PKA yg tergantung pada cAmP. PKA yg tergantung pada cAmP.

Selain fosforilasi, mekanisme regulasi aktivitas dengan glikosilasi, Selain fosforilasi, mekanisme regulasi aktivitas dengan glikosilasi,

yaitu penambahan gugus karbohidrat pd struktur proteinyaitu penambahan gugus karbohidrat pd struktur protein

5.5.Regulasi dengan pengeblokan tempat ikatan pd DNARegulasi dengan pengeblokan tempat ikatan pd DNA

30

6.6. Regulasi dg pengeblokan aktivitas. Regulasi dg pengeblokan aktivitas.

Aktivitas faktor transkripsi dpt ditekan oleh protein lain yg Aktivitas faktor transkripsi dpt ditekan oleh protein lain yg

mengeblok domain aktivasinya, misalnya faktor transkripsi mengeblok domain aktivasinya, misalnya faktor transkripsi

Gal4 dpt ditekan aktivitasnya oleh protein Gal80Gal4 dpt ditekan aktivitasnya oleh protein Gal80

7.7. Regulasi dg mekanisme silencing. Regulasi dg mekanisme silencing.

Silencer adalah suatu sekuens yg berperanan sebagai faktor Silencer adalah suatu sekuens yg berperanan sebagai faktor

pengendali negatif ekspresi suatu gen. pengendali negatif ekspresi suatu gen.

Sebagai contoh, khamir Sebagai contoh, khamir Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae ada ada

elemen silencer yg dpt menekan aktivitas gen yg bertanggung elemen silencer yg dpt menekan aktivitas gen yg bertanggung

jawab dlm perubahan tipe kawin (mating type) yaitu gen HMR jawab dlm perubahan tipe kawin (mating type) yaitu gen HMR

dan HMLdan HML