tim penyusun: aris tjahjoleksono, muhammad jusuf, alex...

Tim Penyusun: Aris Tjahjoleksono, Muhammad Jusuf, Alex Hartana, Suharsono

Home -- Reproduksi Sel -- Hereditas -- Struktur Gen -- Regulasi Ekspresi Gen –Teknologi DNA -- Genom Manusia

Regulasi Ekspresi Gen Oleh: Muhammad Jusuf

Jurusan Biologi FMIPA, Institut Pertanian Bogor Kampus IPB Baranangsiang, Jalan Raya Pajajaran. Bogor

Tel/Fax: (0251) 345011. E-mail: [email protected]

Pada modul terdahulu telah dijelaskan proses ekspresi gen, yaitu proses

transformasi informasi genetik melalui transkripsi dan translasi, untuk

pembentukan protein atau enzim. Karena protein dan enzim sangat berperan dalam

menjalankan metabolisme maka ekspresi gen sebenarnya merupakan proses

pengendalian metabolisme oleh gen. Pada modul ini akan dijelaskan bahwa

ekspresi gen atau sintesis protein dapat diatur, dihidupkan atau dimatikan,

sebagaimana layaknya aliran listrik. Enzim merupakan katalisator yang berperan

menjalankan proses reaksi metabolisme, keberadaan enzim akan menentukan

berjalannya proses metabolisme. Bila suatu produk metabolisme di dalam sel

sudah mencapai kuantitas yang mencukupi maka reaksi metabolisme tersebut

harus dihentikan. Proses pengaturan ini dilakukan dengan cara menghentikan

produksi enzim, melalui penghentian ekspresi gen penyandinya. Mekanisme

pengaturan ekspresi gen disebut regulasi ekspresi gen.

Halaman 1

mailto:[email protected]


Masih termasuk kedalam regulasi ialah proses diferensiasi sel pada eukariot

multiselular. Semua mahluk hidup termasuk manusia berasal dari satu sel,

sehingga semua sel yang berasal dari sel awal ini akan mempunyai kandungan

genetik yang sama. Melalui proses diferensiasi dihasilkan berbagai jaringan dan

organ yang mempunyai bentuk dan fungsi yang berbeda-beda. Dalam suatu organ

disintesis suatu produk, sedangkan pada organ lain disintesis produk yang lain.

Jadi walaupun semua sel tersebut mempunyai kandungan genetik yang sama,

ternyata terdapat gen-gen yang diekspresikan hanya pada organ tertentu.

Regulasi pada prokariot

Regulasi ekspresi gen banyak dimengerti melalui mekanisme yang

dipelajari pada bakteri. Sistem regulasi yang pertama dimengerti ialah sistem

regulasi operon laktosa pada bakteri E. coli oleh Jacob dan Monod. Regulasi ini

berperan dalam mengatur produksi enzim β−galaktosidase, ketika bakteri harus

memilih menggunakan laktosa atau glukosa sebagai sumber karbonnya.

Berikut ini akan dijelaskan dua sistem regulasi yang paling umum dilakukan

pada bakteri, yaitu sistem operon laktosa (operon lac) dan sistem operon triptopan

(operon trp). Pada operon lac ekspresi gen diatur pada tingkat promotor, yaitu

mengatur kontak antara promotor dengan enzim transkriptase (pengendali

transkripsi). Pada operon trp ekspresi diatur dengan cara menghentikan transkripsi

bila produk trankripsi, yaitu triptofan, sudah mencapai kuantitas yang dibutuhkan.

Halaman 2


Sistem Regulasi Operon laktosa

Laktosa adalah gula bisakarida, yaitu gula yang tersusun atas dua molekul

gula sederhana, yaitu glukosa dan galaktosa. Laktosa dapat diuraikan menjadi

glukosa dan galaktosa dengan bantuan enzim β−galaktosidase.

Bakteri E. coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik laktosa maupun

glukosa tergantung gula mana yang tersedia dilingkungan. Bakteri E. coli

mempunyai kemampuan mensisntesis β−galaktosidase sehingga bila laktosa yang

dimanfaatkan sebagai sumber karbon maka bakteri tersebut akan mampu

mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Namun bila tersedia laktosa dan

glukosa maka bakteri akan memilih glukosa sebagai sumber karbon, karena

glukosa merupakan gula yang lebih langsung dimanfaat dalam proses

metabolisme.

Kemampuan bakteri untuk memilih laktosa dan glukosa sebagai sumber

karbon telah memunculkan pertanyaan apakah bakteri akan tetap mensintesis

β−galaktosidase seandainya glukosa yang jadi pilihan. Jawabannya ialah bahwa

bakteri mampu mengatur ekspresi gen penyandi β−galaktosidase sesuai dengan

pilihan sumber karbon yaitu laktosa atau glukosa.

Halaman 3


Pengaturan ekspresi gen ini disebut sistem regulasi ekspresi gen; dan sistem

ini pertama kali dijelaskan oleh Jacob dan Monod. Sistem regulasi yang

ditemukan oleh mereka sekarang dikenal sebagai sistem regulasi operon laktosa,

Sistem regulasi ini merupakan sitem regulasi pada tingkat inisiasi transkripsi atau

regulasi pada tingkat promotor.

Dalam penjelasannya Jacob dan Monod memperkenalkan istilah operon,

yang mempunyai pengertian sekelompok gen yang diapit secara bersamaan oleh

sepasang promotor dan terminator. Gen-gen pada satu operon akan diekspresikan

secara bersamaan melalui inisiasi transkripsi pada promotor yang sama dan

berakhir pada terminator yang sama. Pada operon laktosa terdapat tiga gen yaitu

lac-Z, lac- Y, dan lac-A, yang masing-masing menyandikan β−galaktosidase,

permease, dan transasetilase. Gen-gen yang berada pada satu operon mempunyai

hubungan fungsi dalam metabolisme.

Pengaturan ekspresi operon laktosa dilakukan oleh suatu protein regulator

yang akan berinteraksi dengan promotor. Protein regulator tersebut akan

menentukan inisiasi translasi yang dilakukan oleh transkriptase. Protein pengatur

dihasilkan oleh gen regulator, yaitu gen yang produk ekspresinya berperan

mengatur ekspresi gen lain. Dalam kasus operon laktosa terdapat dua gen

regulator yaitu gen lac-i dan gen crp. Gen lac-i berhubungan dengan kehadiran

laktosa, sedangkan gen crp berhubungan dengan kehadiran glukosa. Gen yang

diatur tersebut dinamakan gen struktural, sebagai contoh gen lac-Z, lac-Y, dan

lac-A pada operon laktosa. Jadi gen regulator berperan mengatur ekspresi gen

struktural.

Halaman 4


Gen lac-i akan menghasilkan suatu polipeptida, yang kemudian setiap

empat polipeptida akan membentuk satu molekul protein tetramer yang berperan

sebagai regulator. Dalam proses regulasi protein tetramer ini akan menempel pada

suatu wilayah promotor yang disebut operator. Penempelan itu terjadi karena ada

kecocokan tertentu antara runtunan basa operator dengan protein regulator. Akibat

adanya protein regulator yang menempati wilayah operator maka transkriptase

tidak dapat melakukan inisiasi translasi, sehingga gen-gen yang terdapat di

belakang promotor menjadi tidak terekspresi. Protein regulator seperti di atas

bersifat menghalangi atau menekan terjadinya transkripsi, maka disebut inhibitor.

Lawan sifat dari represor disebut aktivator, yaitu yang bersifat mendorong

terjadinya ekspresi gen.

Kehadiran laktosa pada media tumbuh akan mendorong terjadinya ekspresi

operon laktosa atau terjadi sintesis β−galaktosidase. Berarti kehadiran laktosa

harus mampu melepaskan protein regulator dari promotor agar terjadi ekspresi gen

lac-Z, untuk menghasilkan β−galaktosidase. Dalam sistem regulasi ini laktosa

yang diambil oleh bakteri dapat berinteraksi dengan protein regulator dan asosiasi

yang akan mengubah konfigurasi molekul protein regulator. Perubahan

konfigurasi pada protein represor menyebabkan protein tersebut menjadi tidak

mampu berasosiasi dengan operator. Dengan tidak adanya inhibitor pada promotor

maka transkriptase menjadi tidak terhalang untuk melakukan inisiasi transkripsi,

dan terjadi ekspresi gen-gen pada operon laktosa.

Halaman 5


Selain oleh kehadiran laktosa ekspresi operon lac juga diatur oleh

keberadaan glukosa. Bila bakteri telah mengkonversi laktosa menjadi glukosa, dan

bila kuantitas glukosa sudah mencukupi maka β−galaktosidase harus dihentikan

sintesisnya. Regulasi oleh glukosa ini disebut represi katabolit atau represi

glukosa. Proses regulasi ini melibatkan tiga komponen yaitu glukosa, cAMP

(cyclic AMP), dan CAP (protein aktivator/ represor). CAP merupakan protein

yang berperan mengaktifkan enzim transkriptase, protein ini disandikan oleh gen

regulator crp. Asosisasi antara CAP dengan transkriptase menyebabkan

transkriptase menjadi aktif dan mampu mengkatalisis proses transkripsi; tanpa

CAP transkriptase menjadi tidak aktif.

Glukosa mengatur aktivitas CAP melalui pengaturan cAMP. Antara CAP

dan cAMP dapat terbentuk asosiasi, dan asosiasi ini akan menyebabkan CAP aktif

berperan sebagai aktivator; CAP yang terbebas dari cAMP tidak dapat berperan

sebagai aktivator. Kuantitas cAMP berbanding terbalik dengan kuantitas glukosa.

Saat glukosa di dalam sel berjumlah kecil cAMP ditemukan berada dalam jumlah

yang besar, dan bila kuantitas glukosa dalam sel meningkat maka cAMP akan

menurun. Dalam keadaan kuantitas rendah cAMP tidak dapat berasosiasi dengan

CAP, akibatnya CAP tidak dapat menjadi aktivator. Jadi pada saat glukosa rendah

cAMP berada dalam jumlah besar dan membentuk asosiasi cAMP-CAP yang

berperan menjadi aktivator enzim transkriptase, sehingga terjadi transkripsi

operon laktosa. Ketika glukosa meningkat sampai jumlah tertentu cAMP menurun

sehingga tidak terbentuk asosiasi cAMP-CAP, dan CAP tidak dapat berperan

sebagai aktivator dan transkripsi operon laktosa tidak berlangsung

Halaman 6


Pada kenyataannya regulasi oleh laktosa dan glukosa atau oleh lac-i dan crp

berjalan secara simultan. Protein inhibitor dan aktivator bekerja secara bersamaan

dalam mempengaruhi kerja transkriptase. Pada Tabel diperlihatkan hasil

kombinasi kerja antara kedua gen tersebut. Terlihat bahwa β−galaktosidase akan

disintesis hanya pada kondisi kehadiran laktosa dan tidak ada glukosa.

Laktosa Represor/ Lac-i

Glukosa cAMP cAMP-CAP β-galaktosidase

hadir tidak aktif hadir rendah tidak terbentuk tidak terekspresi hadir tidak aktif tidak hadir tinggi terbentuk tereskpresi

tidak hadir aktif hadir rendah tidak terbentuk tidak terekspresi tidak hadir aktif tidak hadir tinggi terbentuk tidak terekspresi

Sistem Regulasi Operon trp

Pada operon trp terdapat lima gen struktural yaitu trp-E, trp-D. trp-C, trp-B,

dan trp-A, dan satu gen pengawal yaitu trp-L yang berfungsi dalam regulasi. Gen

trp-E sampai trp-A keseluruhannya menyandikan enzim yang berperan dalam satu

lintasan metabolisme triptofan. Trp-L merupakan gen yang paling dekat pada

promotor.

Regulasi ekspresi operon trp berbeda dengan regulasi operon lac; pada

operon lac regulasi dilakukan pada tingkat inisiasi atau pada tingkat promotor,

sedangkan regulasi operon trp berlangsung pada tingkat RNA hasil transkripsi.

Pada operon trp satu gen pengawal (trp-L) yang terletak tepat di belakang

promotor, berfungsi sebagai regulator. Inisiasi transkripsi, pada promotor, akan

berjalan tanpa hambatan dan transkriptase masuk ke ruas trp-L.

Halaman 7


Regulasi berlangsung pada saat enzim transkriptase berada pada ruas trp-L, yang

akan menentukan apakah transkripsi akan berhenti pada trp-L atau dilanjutkan ke

ruas gen yang ada di belakangnya (trp-E sampai trp-A).

Dalam keadaan sel kekurangan triptofan dengan adanya ekspresi gen-gen

pada operon trp maka akan terjadi peningkatan kuantitas triptofan dalam sel.

Kuantitas tiptofan dalam sel akan mengendalikan ekspresi gen-gen pada operon

ini, yaitu pada konsentrasi tertentu triptofan akan menghentikan ekspresi gen-gen

tersebut. Regulasi oleh triptofan berhubungan dengan ruas trp-L. Pada ruas trp-L

terdapat dua kodon yang berhubungan dengan asam amino triptofan yaitu kodon

yang terletak pada basa 54 sampai 59. Saat transkripsi sedang berjalan pada ruas

gen trp-L, RNA yang dihasilkan transkripsi tersebut juga mulai dibaca oleh

ribosom atau ditranslasikan. Ribosom akan berjalan membaca kodon-kodon yang

terdapat RNA tersebut dan merangkaikan berbagai asam amino yang sesuai.

Pergerakan ribosom akan berjalan lancar selama tersedia amino-asil-tRNA yang

cocok dengan kodon yang dibaca ribosom tersebut. Pada saat kuantitas triptofan

dalam sel belum mencukupi tidak akan terbentuk triptofal-tRNA (amino-asil-

tRNA untuk triptofan), sehingga ketika ribosom mencapai kodon trp, basa 54

sampai basa 59, tidak akan ada tRNA yang berasosisasi pada ribosom, dan

ribosom akan berhenti pada kodon tersebut. Ketika jumlah triptofan sudah

mencukupi maka akan terbentuk triptofal-tRNA dan ribosom dapat membaca

kedua kodon trp tersebut (basa 54 sampai basa 59) dan melanjutkan translasi

kodon-kodon selanjutnya. Kejadian berhenti atau berjalannya ribosom pada kodon

trp akan menentukan apakah proses transkripsi operon trp akan berjalan masuk ke

gen trp-E atau berhenti pada ruas gen trp-L.

Halaman 8


Ruas gen pengawal trp-L terbagi atas 4 ruas. Keempat ruas tersebut

homolog satu dengan yang lainnya, sehingga ruas-ruas RNA yang

ditranskripsikannya dapat membentuk pasangan satu sama lain. Ruas-2 dapat

berpasangan dengan ruas-1 dan ruas-3, sedangkan ruas-3 selain berpasangan

dengan ruas-2 juga dapat berpasangan dengan ruas-4. Ruas-3 dan ruas-4

merupakan bentuk dari terminator dari gen trp-L, sehingga bila pada RNA kedua

ruas ini berpasangan (pasangan 3-4) maka akan terbentuk struktur jepit rambut,

yang merupakan signal akhir transkripsi, yang akan berakibat transkripsi berhenti.

Regulasi pada tingkat RNA berlangsung melalui pengaturan pembentukan

pasangan 3-4 (struktur jepit rambut terminator). Terjadinya perpasangan 3-4 dapat

dicegah seandainya ruas-3 berpasangan dengan ruas-2.

Telah dijelaskan pada alinea terdahulu bahwa keberadaan ribosom pada

basa 54-59 (pada trp-L) akan menentukan apakah transkripsi operon trp akan

berhenti pada ruas trp-L atau berlanjut ke trp-E.. Bila kuantitas triptofan di dalam

sel belum mencukupi maka tidak akan terbentuk triptofal-tRNA, sehingga ribosom

akan berhenti pada basa 54-59, ruas-2 akan terbebas dari ribosom sehingga dapat

berpasangan dengan ruas-3 (pasangan 2-3). Pada kondisi ini tidak akan terbentuk

pasangan 3.4 atau struktur jepit rambut terminator, sehingga transkripsi tidak

berhenti pada ujung trp-L; melainkan terus dilanjutkan ke ruas gen trp-E dan

seterusnya. Bila triftofan dalam sel telah mencukupi maka ribosom tidak akan

berhenti pada basa 54-59, karena akan tersedia triptofal-tRNA; ribosom akan

bergerak masuk ke ruas-2.

Halaman 9


Akibat kehadiran ribosom pada ruas-2 maka ruas-3 terbebas dari

perpasangan dengan ruas-3, dan akan berpasangan dengan ruas-4 membentuk

pasangan 3-4 atau struktur jepit rambut. Dalam kondisi ini maka transkripsi akan

berakhir pada ujung trp-L, sehingga ruas trp-E dan yang lainnya tidak akan

tertranskripsikan.

Regulasi pada eukariot bersel ganda

Bagian terbesar dari eukariot adalah mahluk bersel banyak. Regulasi ekspresi

gen berjalan pada berbagai tingkatan, mulai dari tingkat gen sampai tingkat

jaringan. Regulasi ini berjalan sehubungan dengan proses diferensiasi sel, dalam

rangka pembentukan berbagai jaringan dan organ, dan juga berjalan karena ada

kebutuhan tertentu, yang berhubungan dengan siklus biologi.

Diferensiasi sel

Pada tingkat dewasa eukariot tingkat tinggi mengandung banyak jenis sel dan

organ yang berbeda bentuk dan fungsi. Karena berawal dari satu sel zigot yang

sama Sel-sel tersebut akan mempunyai total genom yang sama. Namun ditemukan

bahwa pada masing-masing sel tidak keseluruhan gen dari genom tersebut dapat

berekspresi; terdapat gen yang secara spesifik berekspresi pada jaringan tertentu.

Sebagai contoh: gen penyandi insulin berekspresi hanya pada pankreas.

Proses diferensiasi sel berjalan bersamaan dengan proses pertumbuhan dan

perkembangan individu. Bersamaan dengan proses mitosis, saat membentuk sel

baru, terjadi proses pengkhususan sel anak dengan cara membedakan gen-gen

yang akan berekspresi pada kedua sel anak tersebut. Terjadi pemilihan gen yang

secara permanen berkspresi dan gen yang secara permanen tidak berkepresi.

Halaman 10


Inti sel hasil diferensiasi ini sulit atau tidak mungkin berbalik ke kondisi sel awal.

Namun demikian inti sel tersebut tidak kehilangan total potensi dari gen-gennya.

Potensi ini yang tidak muncul kembali dalam proses perkembangan sel atau

jaringan, masih dapat muncul melalui proses rekayasa lingkungan. Sebagai contoh

dalam perbanyakan vegetatif dengan pembuatan cangkok tanaman, para petani

berhasil merangsang pertumbuhan akar pada sel batang yang telah terdiferensiasi,

dengan cara memotong jaringan pada kulit luar dahan tanaman.

Dalam rangka mempelajari potensi genetik dari sel yang telah terdiferensiasi

Gurdon pada tahun 1962, telah melakukan percobaan dengan menyuntikkan inti

dari sel yang terdiferensiasi yaitu jaringan epithelium intestinal, kedalam sel telur

berudu. Ternyata dari sel telur yang membawa inti sel terdiferensiasi tersebut

dapat dihasilkan kodok yang sempurna. Percobaan ini menunjukan bahwa inti sel

yang telah terdiferensiasi tidak kehilangan potensinya, semua sel dalam ekspresi

gennya mempunyai potensi yang sama dengan sel awal. Kemampuan tersebut

dinamakan totipotensi. Percobaan ini juga memperlihatkan bahwa inti sel

dipengaruhi oleh lingkungan sitoplasma. Penerapan percobaan pada kambing telah

berhasil dilakukan dengan menghasilkan domba yang diberi nama Doly. Anak

domba ini merupakan hasil injeksi inti sel dari jaringan kelenjar susu ke dalam sel

telur.

Regulasi pada tingkat struktrur kromosom

Di atas dijelaskan bahwa diferensiasi sel merupakan hasil pemilihan gen-gen

yang diekspresikan atau tidak diekspresikan pada sel. Munculnya sel yang

terspesialisasi merupakan hasil dari pemilihan gen-gen yang harus berekspresi

dang gen-gen yang tidak diaktifkan.

Halaman 11


Regulasi ekspresi gen pada eukariot berlangsung pada beberapa tingkat, mulai dari

tingkat struktur kromosom sampai pada tingkat pascatranslasi.

Kromosom eukariot tersusun atas dua komponen: DNA dan protein histon.

DNA merupakan bahan dasar gen yang mengandung informasi untuk

mengendalikan kehidupan, dan histon berfungsi untuk melindungi DNA dari

kerusakan mekanik, misal putus saat bergerak pada waktu mitosis atau meiosis.

Kromosom yang nampak di bawah mikrosokop cahaya pada saat mitosis atau

meiosis merupakan hasil penggulungan DNA pada histon. Penggulunangan ini

berlangsung melalui beberapa tingkat. Kromosom yang berada dalam keadaan

aktif, yaitu pada fase di luar mitosis atau meiosis secara umum berada dalam

keadaan tidak tergulung. Sedangkan komosom yang berada dalam keadaan

tergulung, gennya tidak akan berekspresi. Gen-gen yang secara permanen tidak

diekspresikan pada suatu jaringan kemungkinan besar DNAnya (bersama denagn

histon) berada dalam keadaan tergulung.

Studi morfologi kromosom di bawah mikroskop cahaya memperlihatkan

adanya pita-pita pada suatu kromosom sebagai akibat perbedaan intensitas

penyerapan warna pada berbagai wilayahnya. Wilayah yang menyerap warna

sangat pekat disebut heterokromatin, sedangkan yang berwarna lebih terang

disebut eukromatin. Heterokromatin merupakan wilayah dengan DNA tergulung

sangat kompak, sehingga berwarna pekat, sedang pada eukromatin gulungannya

lebih longgar. Pada wilayah heterokromatin, terdapat gen-gen yang tidak aktif

berekspresi, sedangkan gen-gen yang aktif berekspresi terdapat pada wilayah

eukromatin.

Halaman 12


Studi perbandingan morfologi kromosom dari jaringan yang berbeda dan dari

tahapan perkembangan yang berbeda menunjukan bahwa wilayah heterokromatin

dapat berubah menjadi eukromatin. Sebaliknya eukromatin dapat berubah menjadi

heterokromatin. Hal ini menunjukan bahwa antar jaringan terdapat perbedaan gen

yang aktif berekspresi, dan juga menujukan bahwa diferensiasi sel merupakan

tahapan penentuan jenis gen yang secara permanen diekspresikan atau tidak

diekspresikan pada setiap jenis sel.

Penginaktifan gen dengan pembentukan heterokromatin dapat berlangsung

tidak hanya pada wilayah tertentu, tetapi juga dapat terjadi pada keseluruhan

kromosom. Sebagai contoh: penginaktifan satu kromosom-X yang terjadi pada

individu betina. Telah diketahui bahwa pada lalat buah (Drosophila) jantan

terdapat satu kromosom-X dan pada betina terdapat dua kromosom X. Namun satu

dari dua kromosom-X pada betina diinaktifkan melalui proses penggulungan yang

kompak, sehingga jumlah gen yang aktif pada jantan dan betina menjadi sama.

Kromosom-X yang terkondensasi tersebut dikenal sebagai Barr-body. Namun

demikian, kromosom yang inaktif akibat terkondensasi masih dapat terurai

kembali dalam pembelahan sel (mitosis). Proses penginaktifan berjalan pada awal

perkembangan sel.

Pemilihan satu dari dua kromosom-X yang di-inaktifkan berjalan secara acak,

sehingga bila pada kromosom-X terdapat satu lokus dengan alel heterozigot maka

pada satu jaringan akan terdapat sel-sel dengan alel yang berbeda-beda. Sebagai

contoh warna bulu kucing dikendalikan oleh sepasang alel dominan resesif yang

terpaut kromosom X. adanya alel yang berbeda-beda menghasilkan bulu kucing

yang bercampur pada suatu jaringan antara hitam dan coklat.

Halaman 13


Regulasi ekspresi pada tingkat transkripsi.

Penggulungan dan pengudaran gulungan DNA pada kromosom

memberikan arahan penentuan gen-gen mana yang akan diekspresikan dan gen

mana yang tidak akan diekspresikan. Namun demikian masih ada sistem

berikutnya yang mengatur berjalannya proses ekspresi. Hanya persentase kecil

gen-gen pada sel-sel tipikal pada tanaman dan hewan yang diekspresikan. yaitu

gen-gen yang diperlukan untuk fungsi yang telah terspesialisasi. Namun gen-gen

yang produknya secara rutin dimanfaatkan oleh semua sel, seperti glikolisis, akan

selalu dalam keadaan terekspresi setiap saat.

Sebagaimana pada prokariot pengaturan ekspresi berjalan mulai dari tingkat

inisiasi ekspresi gen. Para peneliti telah menemukan, sebagaimana yang terjadi

pada prokariot, adanya sejumlah protein regulator yang mengatur ekspresi gen

dengan cara berinteraksi dengan ruas DNA. Pada euakriot tidak dikenal adanya

operon sebagaimana yang terdapat pada prokariot, setiap gen mempunyai

promotor dan terminator masing-masing. Pada eukariot terdapat lebih banyak

protein dan lebih banyak ruas DNA yang terlibat dalam regulasi ini, protein-

protein ini disebut faktor transkripsi. Lebih lanjut pada eukariot protein-protein

tersebut kelihatannya lebih banyak yang berperan sebagai aktivator ketimbang

sebagai represor.

Aktivator dalam kegiatannya akan berinteraksi dengan ruas-ruas DNA yang

disebut ruas pemacu (enchancer). Berbeda dengan operator prokariot, ruas pemacu

mempunyai jarak yang cukup jauh dari promotor, mungkin berada di sebelah hilir

atau sebelah hulu dari gen. Aktivator mungkin juga berinteraksi dengan protein

yang lain, ramuan besar dari protein ini meningkatkan ketepatan penempelan

transkriptase pada promotor dan insisasi transkripsi.

Halaman 14


Beberapa ruas pemacu ikut terlibat dalam proses regulasi. Faktor transkripsi

lainnya yaitu represor berperan menghambat atau mencegah terjadinya transkripsi.

Proses kerjanya mirip dengan activator berinteraksi dengan ruas pengendali yang

disebut silencer, dan mencegah traskriptase melakukan inisisasi transkripsi.

Pada eukariot tidak terdapat operon seperti pada prokariot. Lalu

bagaimanakah eukariot mengatur transkripsi gen-gen yang protein hasil transkripsi

berhubungan erat dalam metabolisme, yang harus diekspresikan atau dimatikan

secara bersama-sama. Sering terjadi gen-gen penyandi enzim untuk lintasan

metabolisme yang sama terdapat secara terpencar pada berbagai kromosom.

Koordinasi ekspresi gen kelihatannya sangat bergantung pada asosiasi antara ruas-

ruas pemacu dengan gen-gen yang tesebar tersebut Sejumlah factor translasi yang

mengenali runtunan basa dari ruas tersebut akan menempel pada ruas-ruas

tersebut dan secara serempak menjalankan transkripsi dari gen-gen tersebut.

Regulasi Tingkat Pascatranskripsi

Telah dijelaskan terdahulu, pada modul ekspresi gen, bahwa struktur

mRNA eukariot tidak sama dengan struktur RNA hasil langsung proses trankripsi.

Pada hnRNA sebagai molekul hasil transkripsi terdapat ruas intron dan ekson.

Bagian intron akan dipotong dan hanya bagian ekson yang dipertahankan untuk

membentuk mRNA. Mekanisme pemrosesan pascatranskripsi dapat dilihat pada

modul ekspresi gen.

Pemilihan ruas intron dan ekson dapat merupakan salah satu cara regulasi.

Dengan cara memilih ruas hnRNA mana yang akan diambil (sebagai ekson) atau

akan dibuang (sebagai intron), maka dari satu ruas gen yang sama dapat

disandikan dua jenis mRNA atau polipeptida.

Halaman 15


Sebagai contoh pada tikus enzim amilase yang dihasilkan oleh kelenjar

ludah dengan yang dihasilkan pada hati. Pada lalat buah perbedaan antara lalat

jantan dan betina ditentukan oleh dua gugus protein, yang satu khas pada jantan

dan yang lain pada betina. Kedua protein ini disandikan oleh gen yang sama, yang

berbeda hanya pada cara pemilihan intron dan eksonnya.

Regulasi pada tingkat translasi.

Setelah mRNA masuk kedalam sitoplasma akan terjadi proses translasi

menghasilkan protein. Regulasi dapat terjadi pada tahapan ini, yang meliputi

berbagai cara termasuk pendegradasian mRNA, inisiasi translasi, pengaktifan

protein, dan degradasi protein.

Regulasi tingkat mRNA. Panjang pendeknya umur mRNA akan

menentukan kuantitas protein yang disintesis, mRNA yang berumur panjang akan

menghasilkan protein lebih banyak ketimbang yang dihasilkan mRNA yang

berumur pendek. Bakteri mempunyai mRNA berumur sangat pendek, dalam

beberapa menit akan didegradasi oleh enzim. Oleh karena itu, bakteri sangat

mudah mengubah proteinnya sehubungan dengan penyesuaian diri dengan

perubahan lingkungan. Berbeda dengan bakteri, mRNA eukariot berumur

beberapa jam bahkan sampai beberapa minggu. Contoh mRNA yang berumur

panjang adalah mRNA yang terdapat pada sel darah merah vertebrata. Pada sel

darah merah vertebrata, mRNA berperan sebagai pabrik pembuat protein

hemoglobin. Pada sebagian besar spesies vertebrata, mRNA hemoglobin sangat

stabil, mungkin berumur sama dengan sel darah merah yang mengandungnya.

Pada burung, mRNA berumur sekitar satu bulan. Lebih panjang lagi pada reptil,

amfibi, dan ikan dimana mRNAnya dipakai berulang kali untuk translasi.

Halaman 16


Regulasi pada inisiasi translasi. Terdapat sejumlah protein yang berfungsi

mengatur jalannya translasi. Sebagai contoh, sel darah merah mempunyai protein

yang berfungsi sebagai inhibitor terhadap inisiasi translasi mRNA hemoglobin.

Protein inhibitor ini akan menjadi tidak aktif bila ada senyawa heme. Senyawa

heme yaitu senyawa penyusun hemoglobin yang berfungsi mengikat Fe. Bila ada

heme maka polipeptida penyusun hemoglobin dapat disintesis, dan kemudian

akan berasosiasi dengan heme membentuk molekul hemoglobin.

Regulasi pascatranslasi. Sebelum menjadi protein aktif atau fungsional,

polipeptida hasil transkripsi akan mengalami suatu pemrosesan agar dapat

membentuk struktur fungsionalnya. Pemrosesan ini melibatkan pemotongan rantai

polipeptida atau penambahan asam amino baru atau senyawa lain seperti

karbohidrat pada rantai polipeptida. Sebagai contoh polipeptida yang akan

ditranspor melewati membran akan mengandung ruas signal transpor dibagian

hulu rantainya. Ruas signal transpor akan berperan membawa polipeptida

melewati pori-pori membran. Ruas signal ini akan dipotong setelah polipeptida

melewati membran. Insulin aktif mengandung dua rantai asam-amino; namun

kedua rantai tersebut berasal dari satu polipeptida hasil transkripsi. Translasi

menghasilkan prapreinsulin yang mengandung ruas signal dan ruas preinsulin.

Insulin akan ditranspor melewati membran. Setelah melalui membran, ruas signal

dipotong sehingga menyisakan ruas preinsulin. Selanjutnya preinsulin dipotong

kembali manghasilkan dua rantai insulin fungsional.

Halaman 17


Kontrol Genetik pada Perkembangan Embrio

Tangga Ekspresi Gen serta Signal antar sel yang menuntun perkem-bangan

embrio.

Perkembangan embrio sampai menjadi mahluk dewasa merupakan hasil

suatu program genetik yang berjalan secara teratur dan rapih. Embrio berkembang

dari zigot bersel tunggal. Dalam proses perkembangan embrio, terjadi berbagai

tahapan pembelahan serta diferensiasi sel. Setiap tahapan ini akan regulasi. Satu

gen yang diekspresikan pada satu tahapan akan mengendalikan ekspresi gen pada

tahapan berikutnya.

Contoh: tahapan perkembangan embrio lalat buah, yang dimulai dari

tahapan perkembangan sel telur sebelum dibuahi. Pada tahapan sel telur ketika

masih dalam kantong telur (folicle) terjadi ekspresi yang menentukan bagian mana

yang akan berkembang menjadi kepala, atau ekor, atau bagian atas, atau bawah.

Tahapan tersebut adalah sebagai berikut: (1) Ekspresi pertama dari gen sel telur

akan menghasilkan protein yang akan ditranspor ke luar dari sel telur masuk ke sel

folicle; (2) Protein tersebut akan direspons oleh sel-sel folicle dengan

mengekspresikan gen yang menghasilkan protein yang berperan menentukan

posisi calon kepala pada telur tersebut; (3) Protein tersebut akan masuk kedalam

telur dan meregulasi ekspresi gen-gen yang menghasilkan mRNA penentu kepala,

mRNA tersebut akan terkumpul pada sisi yang akan menjadi calon kepala. Setelah

terjadi pembuahan sel telur berubah menjadi zigot, dan terjadi serangkaian mitosis

dan ekspresi gen. Mula-mula (4) mRNA kepala akan ditranslasikan menghasilkan

protein, yang akan menyebar keseluruh sel embrio, tetapi karena mRNA kepala

lebih terkonsentrasi pada ujung bagian kepala maka protein yang dihasilkan pun

akan lebih banyak terdapat pada sel-sel bagian kepala.

Halaman 18


Protein ini akan meregulasi ekspresi gen pada sel-sel embrio, tetapi adanya

perbedaan konsentrasi protein ini menyebabkan terjadinya perbedaan jumlah dan

jenis gen yang diekspresikan pada sel-sel yang sesuai dengan deretan embrio

tersebut. Dari kasus ini akan terlihat adanya ekprsei gen-gen yang spesifik

sepanjang sumbu dari bagian depan ke belakang. (5) Dari ekspresi gen-gen

tersebut akan dihasilkan sejumlah protein yang menjalankan metabolisme pada

sel-sel; Karena adanya perbedaan ekspresi gen-gen sepesifik sepanjang sumbu dari

depan ke belakang maka akan terjadi perbedaan metabolisme dalam sel-sel

berdasarkan posisi menurut sumbu muka belakang. Antar sel terjadi signal untuk

membantu berlangsungnya proses perkembangan sel-sel tetangganya. (6) Hasil

dari diferensiasi proses pada sel-sel tersebut menghasilkan sel-sel yang berbeda

dan juga sel yang mirip, dan akhirnya terbentuk segmen-segmen tubuh yang

mengelompokan sel yang sama.

Proses pembentukan segmen merupakan dasar untuk diferensiasi

berikutnya. Dari setiap segmen tersebut pada perkembangan lebih lanjut akan

terbentuk organ tubuh seperti kaki dan sayap. Gen-gen yang secara spesifik

berekspresi pada masing-masing segmen selanjutnya akan membangkitkan

ekspresi gen-gen lainnya, yang tentunya menjadi khas untuk setiap segmen. Gen-

gen tersebut dinamakan gen homeotik, yaitu gen utama yang menentukan bagian

tubuh apa yang akan terbentuk dari masing-masing segmen. Gen homeotik

merupakan gen pengontrol utama yang akan mengotrol ekspresi suatu rentetan gen

yang sesungguhnya menciptakan identitas anatomis dari bagian tubuh. Sebagai

contoh satu gugus gen hometik pada Drosophila, yang disebut kompleks

antennapedia, akan mengontrol pembentukan antena serta kaki pada bagian kepala

dan toraks. Gugus gen ini tidak akan berekspresi pada bagian tubuh yang lain.

Halaman 19


Adanya tangga ekspresi gen, protein yang disintesis oleh suatu gen akan

mengotrol ekspresi gen yang lain dan secara berurutan mengontrol ekspresi gen

untuk tahap berikutnya, merupakan aliran yang terjadi pada pertumbuhan dan

perkembangan. Banyak pula protein yang tidak berperan secara langsung terhadap

gen dalam sel tersebut melainkan berperan sebagai signal molekular yang

berinterkasi memicu ekspresi gen pada sel tetangganya.

Transduksi Signal

Signal dari satu sel ke sel lain merupakan mekanisme kunci dalam

pertumbuhan dan perkembangan, juga dalam koordinasi aktivitas selular pada

organisme dewasa. Secara umum kita dapat memandang adanya sel pemberi

signal dan sel target. Sel signal berperan untuk menangkap suatu tanda atau gejala

yang muncul dari sekitarnya, dan bereaksi terhadap gejala tersebut dengan

memproduksi protein yang menjadi signal untuk ekspresi gen pada sel-sel target.

Dalam sebagian besar kasus molekul signal beraksi dengan menempel pada

suatu protein reseptor dalam membran plasma sel target dan menginisiasi memulai

lintasan signal transduksi dalam sel. Lintasan transduksi signal ialah sederetan

perubahan molekular yang mengkonversi signal pada permukaan sel target

kedalam respons spesifik di dalam sel. Protein yang terakhir dari litasan tersebut

akanmengaktifkan transkriptase untuk melakukan transkripsi gen target. Pada

Gambar diperlihatkan lintasan transduksi signal, dimulai dengan produksi protein

signal pada sel signal, penempelan protein reseptor signal pada membran plasma

sel target, selanjutnya signal tersebut akan dikirimkan melalui sederetan protein

dan terakhir akan ditangkap oleh transkriptase yang akan membimbing transkripsi

gen tertentu pada sel terget.

Halaman 20


Gen kunci penentu perkembangan

Pada tahun-tahun terakhir telah ditemukan bahwa sekelompok gen yang

mirip (gen homeotik) menolong membimbing perkembangan embrio berbagai

mahluk hidup. Dari hasil penelitian gen homeotik pada lalat buah ditemukan

gambaran suatu kesamaan struktur umum : terdapat suatu ruas dengan runtunan

180 nukleotida yang ditemukan pada setiap gen homeotik. Suatu runtunan

nukleotida yang sangat mirip ditemukan dari penelitian pada khamir, tumbuhan,

cacing, katak, ayam, tikus, dan manusia. Ruas nukleotida ini disebut kotak-homeo

(homeo boxes), yang akan ditranslasikan kedalam suatu runtunan asam-amino (60

asam-amino) protein gen homeotik. Polipeptida kotak homeo ini akan menempel

pada ruas spesifik pada DNA, yang memberi kemampuan untuk menghidupkan

atau mematikan sekelompok gen selama perkembangan.

Pada Gambar diperlihatkan gen-gen yang mengandung kotak homeo yang

terdapat pada tikus dan lalat buah. Pita-pita berwarna menunjukan gen homeotik

yang mirip pada kedua organisme. Perlu diperhatikan bahwa terdapat kesamaan

posisi gen homeotik pada kromosom lalat dengan posisi gen yang sama pada

empat kromosom tikus. Kelinearan juga ditemukan antara posisi gen pada

kromosom dengan wilayah tubuh yang dikontrolnya baik pada tubuh lalat maupun

pada tikus.

Halaman 21


Dasar Genetik Kanker. Kanker merupakan hasil mutasi gen yang

mengendalikan pembelahan sel.

Kanker merupakan suatu penyakit yang mengerikan, dan sering

menyebabkan kematian. Kanker adalah sutu pertumbuhan sel atau jaringan yang

menyimpang dari pola awal dan mempunyai kecepatan lebih besar dari

pertumbuhan normal. Penyimpangan dari pertumbuhan ini diakibatkan oleh

adanya ekspresi gen yang tidak terkendalikan oleh sistem yang ada.

Penjelasan pertama mengenai penyebab kanker ditemukan, pada tahun

1911, berkat penemuan virus penyebab kanker pada ayam. Perlu diingat bahwa

virus merupakan DNA atau RNA yang terbungkus oleh mantel protein serta

membran. Jadi dapat dipandang sebagai suatu paket gen. DNA virus dapat

berintegrasi dengan kromosom inang sehingga menjadi seperti bagian dari genom

inang. Salah satu gen asal virus tersebut dapat menyebabkan terjadinya

pertumbuhan sel yang tidak terkendali. Gen yang menyebabkan kanker tersebut

dinamakan onkogen, yang berarti gen yang menyebabkan terjadinya kanker.

Penjelasan molekular tentang kanker dikemukakan pertama kali (1976) oleh

J. Michael Bishop dan Harold Vermus. Mereka menemukan bahwa kanker yang

disebabkan oleh virus yang mengandung onkogen terjadi karena terjadinya

pergantian peran suatu gen yang terdapat pada ayam normal oleh onkogen dari

virus. Pada kenyataannya virus-virus tersebut memperoleh onkogen dari gen inang

yang mengalami kerusakan. Jadi sebenarnya pada ayam terdapat gen-gen yang

berpotensi menyebabkan kanker bila terjadi mutasi pada gen tersebut.

Halaman 22


Gen yang berpotensi menyebabkan kanker disebut proto-onkogen. Mutasi

yang mengenai onkogen akan memunculkan kanker pada suatu jaringan. Suatu sel

dapat memperoleh kanker melalui dua cara, yaitu melalui serangan virus pembawa

onkogen, atau melalui mutasi proto-onkogen yang dipunyainya.

Dari hasil penelitian Bishop dan Vermus diperoleh informasi tentang fungsi

proto-onkogen pada sel normal. Dari hasil penelitian berbagai proto-onkogen

diketahui bahwa gen ini berhubungan dengan faktor pertumbuhan (protein yang

merangsang terjadinya pembelahan sel), atau protein lain yang mempengaruhi

fungsi faktor pertumbuhan, atau aspek lain dari siklus sel. Mutasi yang terjadi

pada proto-onkogen dapat menyebabkan terjadinya kelainan dalam pertumbuhan

sel, menjadi pertumbuhan yang tidak terkendali.

Di samping mutasi pada proto-onkogen kanker dapat juga terjadi akibat

mutasi pada gen lain. Terdapat gen yang dalam keadaan normal protein yang

disandikannya berfungsi menekan terjadinya pembelahan sel. Gen ini akan

menekan pembelahan sel yang terlalu cepat akibat adanya perubahan di atas, oleh

karena itu gen ini dinamakan gen supresor tumor. Mutasi yang terjadi pada gen ini

akan menyebabkan sel kehilangan kemampuan untuk menekan pembelahan sel

yang terlalu cepat akibat adanya onkogen, sehingga akan muncul kanker.

Protein onkogen dan protein mutan gen-supresor-tumor dapat berhubungan

dengan transduksi signal

Untuk mengerti lebih dalam mengenai sumbangan onkogen dan mutan gen

supresor tumor terhadap pertumbuhan kanker, sebaiknya kita lihat peranan kedua

gen ini dalam keadaan normal. Kedua kelompok gen ini dapat menyandikan

protein yang berperan dalam lintasan transduksi signal.

Halaman 23

Halaman 24

Sel pemberi signal akan mengirimkan protein signal yang akan diterima

oleh protein reseptor yang terdapat di membran sel, yang selanjutnya signal akan

dikirimkan kedalam sel melalui lintasan transduksi untuk mengekspresikan gen

penyandi protein yang berperan dalam proses mitosis. Dalam kasus proto-onkogen

protein yang dikirim sel signal akan berperan mendorong mitosis pada sel target,

sedangkan pada kasus gen-supresor-tumor protein dari sel signal berperan untuk

menghambat pembelahan sel. Salah satu dari gen yang berperan dalam transduksi

signal baik dalam sel pemberi signal maupun pada sel target dapat berfungsi

sebagai proto-onkogen atau gen-supresor tumor. Mutasi pada proto-onkogen,

menghasilkan onkogen, menyebabkan dihasilkannya protein yang hiperaktif,

sehingga akan terjadi peningkatan ekspresi gen penentu mitosis pada sel sasaran.

Hal sebaliknya terjadi pad kasus gen-supresor tumor, mutasi pada gen tersebut

menyebabkan tidak aktifnya protein yang mencegah terjadinya mitosis yang

berlebihan pada sel sasaran.



tim penyusun: aris tjahjoleksono, muhammad jusuf, alex...

Documents