EKSPRESI GEN
D. Lac Operon
Sistem lac operon pertama kali ditemukan pada bakteri
Escherichia coli oleh Francois Jacob dan Jaques Monod pada akhir
tahun 1950-an. Sistem lac operon adalah sistem pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam metabolism laktosa. Laktosa adalah gula disakarida yang tersusun atas glukosa dan galaktosa. Laktosa dapat diuraikan menjadi glukosa dan
galaktosa dengan bantuan enzim β-galaktosidase. Bakteri E. coli
mempunyai kemampuan mensintesis β-galaktosidase sehingga bila laktosa yang dimanfaatkan sebagai sumber karbon maka bakteri tersebut akan mampu mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Glukosa merupakan gula yang dapat langsung dimanfaatkan dalam proses metabolisme.
Jika bakteri E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung sumber karbon glukosa dan laktosa secara bersama-sama maka E. coli akan menunjukkan pola pertumbuhan yang spesifik. Setelah melalui fase adaptasi, E.coli memasuki fase eksponensial yang ditandai dengan laju pertumbuhan yang meningkat secara eksponensial, kemudian akan mencapai fase stasioner. Setelah mencapai fase stasioner beberapa saat, kemudian bakteri akan tumbuh lagi memasuki fase eksponensial kedua sampai akhirnya mencapai fase stasioner akhir. Dalam fase pertumbuhan semacam ini ada dua fase eksponensial. Pada fase eksponensial
pertama, E. coli menggunakan glukosa sebagai sumber karbon sampai akhirnya glukosa habis dan E. coli mencapai fase stasioner yang pertama. Selanjutnya pada fase eksponensial kedua E. coli menggunakan laktosa setelah glukosa benar-benar habis. Pada fase stationer yang pertama sebenarnya yang terjadi adalah proses induksi sistem operon laktosa yang akan digunakan untuk melakukan metabolisme laktosa.
Operon adalah 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 lacZ, lacY, dan lacA, yang masing-masing menyediakan β-galaktosidase, permease, dan transasetilase. Gen-gen yang berada pada satu operon mempunyai hubungan fungsi dalam metabolisme.
Operon terdiri dari 4 komponen dasar DNA :
1. Promotor - urutan nukleotida yang memungkinkan gen untuk ditranskripsi.
2. Regulator - sebuah gen ini mengontrol gen operator bekerja sama dengan senyawa tertentu yang disebut induser dan co-represor di dalam sitoplasma.
3. Operator - segmen DNA yang mengikat represor.
4. Gen struktural - gen yang diatur oleh operon. Merupakan bagian yang mengkode urutan nukleotida RNA.
Gen lac Z mengkode enzim β-galaktosidase yang menghasilkan dua monosakarida yaitu glukosa dan galaktosa, gen lac Y mengkode
permease galaktosida, yaitu enzim yang berperan dalam
pengangkutan laktosa dari luar ke dalam sel, dan gen lac A mengkode enzim transasetilase thiogalaktosida yang perannya belum diketahui secara jelas. Ketiga gen struktural tersebut dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang sama dan menghasilkan satu mRNA yang bersifat polisistronik. Selain ketiga gen structural tersebut, juga terdapat gen regulator lac I yang mengkode suatu protein repressor dan merupakan bagian sistem pengendalian operon laktosa.
Gen untuk ß-galaktosidase merupakan bagian dari sebuah operon, operon lac (lac untuk metabolism laktosa), yang mencakup dua gen lain yang mengkode protein yang berfungsi di dalam metabolisme laktosa. Keseluruhan unit transkripsi ini berada di bawah perintah satu operator dan satu promoter. Gen pengatur, lacl, terletak di luar operon, mengkode protein repressor alosterik yang dapat mengubah operon lac ke keadaan off dengan cara mengikatkan diri pada operator. Dalam keadaan ini, suatu molekul kecil yang spesifik, disebut induser, menginaktifkan represor. Untuk operon lac, indusernya adalah alolaktosa, sebuah isomer dari laktosa yang terbentuk dalam jumlah kecil dari laktosa yang masuk ke dalam sel.
Pada keadaan tidak ada laktosa (sehingga alolaktosa juga tidak ada), repressor lac akan berada dalam konfigurasi aktifnya, dan gen-gen operon lac akan berada dalam keadaan diam. Jika laktosa ditambahkan ke medium nutrient sel tersebut, alolaktosa akan mengikatkan diri pada repressor lac dan mengubah konformasinya, menghilangkan kemampuan repressor untuk mengikatkan diri pada operator. Sekarang, karena dituntut oleh kebutuhan, operon lac menghasilkan mRNA untuk enzim-enzim jalur laktosa. Dalam konteks pengaturan gen, enzim-enzim ini dipandang sebagai enzim indusibel, karena sintesisnya dipengaruhi oleh sinyal kimiawi (alolaktosa, dalam kasus ini).
Pengaturan Gen Yang Bersifat Positif
Lac operon inducer
Agar enzim yang memecah laktosa dapat disintesis dalam jumlah layak, tidak cukup dengan hanya adanya laktosa di dalam sel bakteri. Persyaratan lainnya adalah pasokan gula glukosa sederhana harus rendah. Apabila harus memilih antara substrat-substrat untuk glikolisis dan jalur katabolic lain, E.Coli lebih senang menggunakan glukosa, gula yang biasanya selalu ada di lingkungan.
Bagaimana sel E. coli mengetahui konsentrasi glukosa ini, dan bagaimana informasi ini disampaikan ke genom? Sekali lagi, mekanisme tersebut mengandalkan interaksi antara protein pengatur alosterik dengan suatu molekul organic yang berukuran kecil. Molekul kecil itu adalah AMP siklik (cAMP), yang berakumulasi bila glukosa tidak ada. Protein pengaturnya adalah protein repressor cAMP (cAMP receptor protein atau CRP), dan protein ini merupakan activator transkripsi. Ketika cAMP mengikatkan diri ke lokasi alosterik pada CRP, protein akan berubah ke bentuk aktifnya, dan dapat mengikatkan diri pada suatu tempat tertentu di sebelah promoter lac. Penempelan CRP pada DNA ini membuat RNA polymerase lebih mudah mengikatkan diri pada promoter di dekatnya dan memulai proses transkripsi operon. Karena CRP merupakan protein pengatur yang langsung menstimulasi ekspresi gen, mekanisme ini dapat disebut sebagai pengaturan positif.
Jika jumlah dari glukosa di dalam sel meningkat, konsentrasi cAMP menurun, dan CRP akan lepas dari operon lac. Oleh karena itu, operon lac berada di bawah control ganda; control negative oleh repressor lac dan kontrol positif oleh CRP. Kondisi repressor lac (dengan atau tanpa alolaktosa) menentukan terjadi atau tidaknya transkripsi dari gen-gen operon lac, kondisi CRP (dengan atau tanpa cAMP) mengontrol laju transkripsi jika operonnya bebas dari repressor. Yang tampak adalah operon seakan-akan memiliki saklar on-off dan kontrol volume kedua-duanya sekaligus.
Jadi secara umum dapat dijelaskan bahwa pengikatan CAP-cAMP pada promoter menyebabkan RNA polimerase dapat terikat pada promoter membentuk kompleks promoter tertutup (clossed promoter complex) yang selanjutnya akan menjadi kompleks promoter terbuka yang siap melakukan transkripsi. Pengikatan RNA polimerase pada promoter tersebut difasilitasi oleh CAP-cAMP
melalui interaksi protein-protein, pembengkokan DNA, atau
RINGKASAN
Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik (dalam bentuk urutan basa pada DNA atau RNA) menjadi protein. 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. Tahapan dalam proses transkripsi pada dasarnya terdiri dari 3 tahap, yaitu Inisiasi (pengawalan), Elongasi (pemanjangan),
Terminasi (pengakhiran).
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. yang dibutuhkan dalam proses penerjemahan adalah: mRNA, ribosom, tRNA, dan asam amino.
Sistem lac operon adalah sistem pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam metabolism laktosa. Operon adalah 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 lacZ, lacY, dan lacA, yang masing-masing menyediakan β-galaktosidase, permease, dan transasetilase. Operon terdiri dari 4 komponen dasar DNA yaitu Promotor, Regulator, Operator, Gen structural.
LATIHAN
1. Apa yang dimaksud dengan ekspresi gen
2. Jelaskan faktor-faktor yang memmpengaruhi ekspresi gen 3. Bagaimana cara suatu gen diekspresikan
4. Jelaskan Lac operon