EKSPRESI GEN
A. Gen dan Ekspresinya
Gen adalah sepotong kecil materi genetik ditulis dalam kode dan disebut DNA. Setiap gen memiliki di dalamnya satu set instruksi untuk membuat molekul yang organisme butuhkan untuk bertahan hidup. Gen itu sendiri tidak dapat digunakan oleh organisme. Sebaliknya mereka harus berubah menjadi produk gen. Ekspresi gen adalah proses dimana informasi yang terkandung dalam gen menjadi produk yang bermanfaat.
Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik (dalam bentuk urutan basa pada DNA atau RNA) menjadi protein. Di dalam gen, urutan nukleotida di sepanjang untaian DNA menentukan protein, yang akan dihasilkan oleh organisme disebut sebagai ekspresi gen. Dimana dalam ekspresi gen terjadi proses transkripsi materi genetik (DNA) di dalam sel menjadi RNA dan selanjutnya di translasi menjadi polipeptida yang spesifik.
Kontrol utama ekspresi gen terjadi pada tingkat awal transkripsi. Transkripsi diawali oleh pada unsur promotor proksimal yang membentuk sekitar 30 nukleotida di hulu dari tempat start transkripsi. Pengaturan pada tahap transkripsi merupakan pengaturan utama pada ekspresi gen. Pengaturan pada tingkat translasi merupakan mekanisme tambahan yang berlangsung di sitoplasma. Untuk suatu gen spesifik, pengaturan dapat terjadi secara bersamaan untuk merangsang atau menghambat ekspresi suatu gen.
Dalam tubuh manusia terdapat banyak gen (unit dasar hereditas dalam kehidupan organisme) yang nantinya akan terekspresi menjadi fenotip (sifat yang tampak), misalnya rambut hitam, kulit sawo matang, hidung mancung, dan sebagainya. Dalam istilah biologi molekuler kita kenal dengan istilah Dogma Sentral Biologi Molekuler. Dogma di sini adalah suatu kerangka kerja untuk dapat memahami urutan transfer informasi antara biopolymer (DNA, RNA, protein) dengan cara yang paling umum dalam organisme hidup. Sehingga secara garis besar, dogma sentral maksudnya adalah semua
informasi terdapat pada DNA, kemudian akan digunakan untuk menghasilkan molekul RNA melalui transkripsi, dan sebagian informasi pada RNA tersebut akan digunakan untuk menghasilkan protein melalui proses yang disebut translasi.
1. Transkripsi
Tahapan awal dalam proses sintesis protein yang nantinya proses tersebut akan berlanjut pada ekspresi sifat-sifat genetik yang muncul sebagai fenotip. Dan untuk mempelajari biologi molekuler tahap dasar yang harus kita ketahui adalah bagaimana mekanisme sintesis protein sehingga dapat terekspresi sebagai fenotip. Transkripsi merupakan proses sintesis molekul RNA pada DNA template. Proses ini terjadi pada inti sel/nukleus pada organisme eukariotik. Sedangkan pada organisme prokariotik berada di sitoplasma karena tidak memiliki inti sel tepatnya pada kromosom.
Komponen yang terlibat dalam proses transkripsi yaitu: DNA templat (cetakan) yang terdiri atas basa nukleotida Adenin (A), Guanin (G), Timin (T) Sitosin (C); Enzim RNA polymerase; Faktor-faktor transkripsi; Prekursor (bahan yang ditambahkan sebagai penginduksi). Hasil dari proses sintesis tersebut adalah tiga macam RNA, yaitu : mRNA (messeger RNA), tRNA (transfer RNA) dan rRNA (ribosomal RNA). Tahapan dalam proses transkripsi pada dasarnya terdiri dari 3 tahap, yaitu :
a. Inisiasi (pengawalan)
Transkripsi tidak dimulai di sembarang tempat pada DNA, tapi di bagian hulu (upstream) dari gen yaitu promoter. Salah satu bagian terpenting dari promoter adalah kotak Pribnow (TATA box). Inisiasi dimulai ketika holoenzim RNA polimerase
menempel pada promoter. Tahapannya dimulai dari
pembentukan kompleks promoter tertutup, pembentukan
kompleks promoter terbuka, penggabungan beberapa
nukleotida awal, dan perubahan konformasi RNA polimerase karena struktur sigma dilepas dari kompleks holoenzim.
b. Elongasi (pemanjangan)
Pemanjangan di sini adalah pemanjangan nukleotida. Setelah RNA polimerase menempel pada promoter maka enzim tersebut akan terus bergerak sepanjang molekul DNA, mengurai dan meluruskan heliks. Dalam pemanjangan, nukleotida ditambahkan secara kovalen pada ujung 3’ molekul RNA yang baru terbentuk. Misalnya nukleotida DNA cetakan A, maka nukleotida RNA yang ditambahkan adalah U, dan seterusnya. Laju pemanjangan maksimum molekul transkrip RNA berrkisar antara 30–60 nukleotida per detik. Kecepatan elongasi tidak konstan.
c. Terminasi (pengakhiran)
Terminasi juga tidak terjadi di sembarang tempat. Transkripsi berakhir ketika menemui nukleotida tertentu berupa STOP kodon. Selanjutnya RNA terlepas dari DNA template menuju ribosom.
2. Translasi
Tahap selanjutnya setelah transkripsi adalah terjemahan (translasi). Penerjemahan adalah suatu proses penerjemahan urutan nukleotida molekul mRNA yang ada dalam rangkaian asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein. Apa yang dibutuhkan dalam proses penerjemahan adalah: mRNA, ribosom, tRNA, dan asam amino. Ribosom terdiri atas subunit besar dan kecil. Ketika dua subunit digabungkan untuk membentuk sebuah monosom. subunit kecil berisi peptidil (P), dan Aminoasil (A). Sedangkan subunit besar mengandung Exit (E), P, dan A. Kedua subunit mengandung satu atau lebih molekul rRNA. rRNA sangat penting untuk mengidentifikasi bakteri pada tingkat biologi molekuler, pada prokariotik dan eukariotik 16 S 18 S. Proses terjemahan (translasi) dibagi menjadi tiga tahap yaitu :
a. Inisiasi
Pertama tRNA mengikat asam amino, dan ini
menyebabkan acara diaktifkan atau tRNA disebut asilasi-amino. Amino-asilasi proses dikatalisis oleh enzim tRNA
sintetase. Kemudian ribosom mengalami pemisahan menjadi subunit besar dan kecil.Selanjutnya molekul mRNA subunit kecil menempel pada tongkat dengan kodon awal: 5 ‘- AGGAGG – 3′. Situs order dimana subunit kecil disebut urutan Shine-Dalgarno. Subunit kecil dapat menempel pada mRNA
bila IF-3. IF-3/mRNA-fMet IF-2/tRNA-fMet pembentukan
kompleks dan asam amino yang disebut N-formylmethionine dan memerlukan banyak GTP sebagai sumber energi.
tRNA-fMet, melekat pada kodon pembuka P subunit
kecil.Selanjutnya, subunit besar menempel pada subunit kecil. Dalam proses ini IF-1 dan IF-2 dilepas dan GTP dihidrolisis terhadap GDP, dan siap untuk perpanjangan.
b. Pemanjangan
Perbedaan dalam proses transkripsi, terjemahan dari asam amino diperpanjang. Langkah-langkah yang diambil dalam proses perpanjangan, yang pertama adalah pengikatan tRNA ke sisi A pada ribosom. Transportasi akan membentuk ikatan peptida.
c. Penghentian
Terjemahan akan berakhir pada satu waktu dari tiga kodon terminasi (UAA, UGA, UAG) yang berada dalam posisi A pada mRNA mencapai ribosom. Pada E. coli ketiga sinyal penghentian proses translasi diakui oleh protein yang disebut faktor rilis (RF).Anil RF pada kodon terminasi mengaktifkan enzim transferase peptidil yang menghidrolisis ikatan antara polipeptida dng tRNA pada P dan menyebabkan tRNA kosong translokasi ke sisi memiliki E (exit). Itulah mekanisme transkripsi dan proses penerjemahan. Proses selanjutnya adalah protein tersebut akan diekspresikan oleh tubuh kita dalam bentuk fenotipe.