Pengaturan ekspresi genetik merupakan aspek yang sangat penting bagi jazad hidup baik pada prokariot maupun eukariot. Regulasi ekspresi gen merupakan proses pengaturan dalam penterjemahan informasi genetik. Regulasi ekspresi gen adalah suatu pengendalian gen yang berfungsi untuk memunculkan fenotipe dari genotipe. Proses pengaturan ini dilakukan dengan cara menghentikan produksi enzim, melalui penghentian gen penyandinya. Regulasi ekspresi gen pada bakteri dimulai dari proses transkripsi. Ini artinya jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) diperlukan, protein akan ditranskripsi. Sedangkan jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) tidak diperlukan, maka protein tidak akan ditranskripsi.
Sebuah pertanyaan tentang mengapa ekspresi gen harus dikendalikan ?, karena DNA penyusun atas ratusan ribu gen (tergantung dari jenis organismenya) dimana tidak semua sel yang bekerja untuk karakter yang sama walaupun mempunyai gen yang sama, karena tidak semua gen diekspresikan pada level yang sama pada setiap levelnya (Burns, 1980)Sel meregulasi gen dengan tujuan :
1. Sel hanya mengekspresikan gen yang dibutuhkan pada lingkungan tertentu, sehingga sel sangat efisien dan tidak membuang energi untuk membuat mRNA yang tidak diperlukan .
2. Sel dapat menon-aktifkan gen yang menghasilkan produk yang bertentangan atau menghambat proses lain yang berlangsung dalam sel pada waktu bersamaan.
3. Sel meregulasi gen-gen yang merupakan bagian dari proses perkembangan seperti embriogenesis dan sporulasi.
Pengendalian ekspresi gen merupakan aspek penting bagi jasad hidup. Tanpa sistem pengendalian yang efisien, sel akan kehilangan banyak energi yang justru merugikan jasad hidup. Bakteri E.coli merupakan salah satu contoh jasad hidup prokariotik yang paling banyak dipelajari aspek fisiologi dan molekulernya. Dalam sistem molekulernya bakteri ini mempunyai banyak sistem pengendalian ekspresi genetik yang menentukan kapan suatu gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi. Sistem pengaktifan ekspresi gen dibedakan:
1. Secara Konstitutif : Gen diekspresikan setiap saat, gennya disebut gen konstitutif, gen yang diekspresikan terus menerus sepanjang umur individu di
hampir semua jenis sel tanpa tergantung dengan kondisi lingkungan. Kelompok gen ini bertanggung jawab pada berbagai proses metabolisme dasar, misalnya : metabolisme energi atau sintesis komponen sellular. Produk gen antara lain:
Protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase dan enzim yang mengkatalis berbagai proses metabolisme yang berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel.
Gambar 4.1. Ekspresi gen konstitutif
b. Secara Induktif: Gen yang diekspresikan jika ada proses induksi, gennya disebut gen inducible. Gen ini ekspresinya ditentukan oleh kondisi lingkungan tertentu.
Sehingga diekspresikan pada waktu tertentu dan jenis sel tertentu. Ekspresi gen sejenis ini memerlukan pengaturan tertentu.
Gambar 4.2. Ekspresi Gen Inducible
Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi, prosesing mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi pada tahap transkripsi.
Regulasi yang berlangsung pada tahap transkripsi dari gen ke mRNA disebut regulasi transkripsional. Regulasi atau kontrol transkripsional adalah kontrol sintesis rantai polipeptida dari cetakan mRNA-nya. Kontrol transkripsional merupakan mekanisme utama dalam pengaturan ekspresi gen bakteri. Bentuk regulasi ini ini lebih efesien; mRNA yang tidak ditranslasi akan tidak berguna. Tidak semua gen yang ditranskripsi diregulasi, tidak bersifat ekslusif. Tiap regulasi yang terjadi setelah transkripsi disebut regulasi postranskripsional. Terdapat banyak tipe regulasi postranskripsional, yang paling utama adalah regulasi posttranlasi, Jika gen diregulasi pada tahap translasional, mRNA mungkin dapat dilanjutkan pada tahap transkripsi , tapi translasinya memungkinkan untuk dihambat.
Kontrol ekspresi gen lebih kompleks pada eukariotik daripada prokariotik.
Perbedaan utama dari kedua regulasi ini adalah adanya membran inti pada eukariotik, yang mencegah transkripsi dan translasi terjadi secara simultan (Brown, 1993). Pada eukariotik kontrol inisiasi transkripsi adalah titik utama regulasi sedangkan pada eukarioptik regulasi ekspresi gen dapat dikatakan ekuivalen dari banyak titik berbeda dari transkripsi sampai posttranslasi. Regulasi gen memungkinkan sel untuk mengatur struktur dan fungsi yang menjadi dasar dari diferensiasi, morfogenesis dan kemampuan adaptif setiap organisme.
Mekanisme pengaturan transkripsi, baik pada prokariot maupun pada eukariot, secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu :
1. Mekanisme yang melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan kondisi lingkungan dan
Mekanisme penyalapadaman sangat penting bagi mikroorganisme untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkali terjadi secara tiba-tiba. Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalu penting karena pada organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yang datang dari dalam tubuh, dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagi sel terhadap perubahan kondisi lingkungan yang mendadak tersebut.
Gambar 4.3. Mekanisme turn on and turn off.
2. Sirkuit ekspresi gen yang telah terprogram (preprogramed circuits).
Pada mekanisme sirkuit, 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. Ekspresi gen yang berurutan ini telah terprogram secara genetik sehingga gen-gen tersebut tidak akan dapat diekspresikan di luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya berupa sirkit, maka mekanisme tersebut dinamakan sirkit ekspresi gen.
Gambar 4.4. Sirkit ekspresi gen terprogram
Pengaturan Ekspresi Gen Pada Sel Prokariot
Pada bakteria, gen dikat pada satu operon. Operon adalah kelompok gen yang mengkode protein penting dalam fungsi metabolisme tertentu yang terkoordinasi seperti biosintesis asam amino tertentu. RNA yang ditranskripsi dari operon prokariotik berisifat polisistrinik yaitu terdiri atas gen-gen struktural yang mengkode beberapa protein dalam satu kali transkripsi. Operon bakteri adalah wilayah pada DNA yang meliputi gen-gen cotranskripsi menjadi RNA yang sama ditambah semua cis-acting sequences yang dibutuhkan untuk mentranskripsi gen-gen ini, termasuk gen promotor sebagai operator dan sequen lain yang termasuk pada regulasi transkripsi gen-gen ini. Karena gen-gen dari satu operon semua telah ditranskripsi dari promotor yang sama dan menggunakan sekuen regulator yang sama, semua gen pada satu operon dapat diregulasi transkripsinya secara simultan.
- Represor dan Aktivator
Regulasi transkripsi bakteri diregulasi oleh produk gen regulator, yang umumnya protein dan sebut represor atau aktivator. Protein regulator berikatan dengan operon promotor dan meregulasi transkripsi daru promotor. Kadang-kadang protein regulator dapat berperan rangkap dan dapat juga menunjukkan reaksi enzimatis pada jalur yang dikode oleh operon. Karena berikatan dengan DNA, represor dan aktivator sering memiliki helix-turn-helix motif shared oleh banyak ikatan DNA protein. (Helix-turn-helix motif of DNA binding proteins : adalah protein yang berikatan pada DNA termasuk represor dan aktivator, sering membagi motif struktur yang sama ditentukan oleh interaksi antara protein dan DNA helix.
Salah satu motif adalah helix-turn-helix motif). Represor dan aktivator bekerja berlawanan arah. represor berikatan pada sisi yang disebut operator dan menginkatifkan promotor, bertujuan mencegah transkripsi dari gen-gen operon.
Aktivator, sebaliknya berikatan pada sisi ikatan dan mengaktifkan promotor, untuk memfasilitasi proses transkripsi dari gen-gen pada operon.
Pengaturan Ekspresi Gen pada Eukariot
Pada eukariot tingkat tinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing mRNA, memegang peran yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel.
Pada sel eukariot gen yang mengkode protein yang berfungsi bersama-sama biasanya terletk pada kromosom yang berbeda. Situasi ini berbeda dari bakteri, dimana gen yang mengkode protein berfungsi bersama-sama berletak berdampingan satu sama lain dalam operan. operan tidak terdapat pada sel eukariot. Ekspresi gen pada sel eukariot, berlangsung di sejumlah tahapan yang berbeda yaitu : transkripsi, pasca transkripsi, translasi dan pasca translasi.
V. PENUTUP
Proses kehidupan dari suatu jazad hidup pada dasarnya sangat ditentukan oleh bahan (materi) genetik yang bertanggung jawab dalam sistem informasi genetik (pewarisan sifat). Dimana bahan genetik ini berfungsi untuk menyimpan informasi genetik dalam pewarisan sifat (fungsi genotipe/replikasi) dan mengendalikan organisme (fungsi fenotipe/ekspresi gen). Secara umum bahan genetik dari organisme hidup adalah DNA terkecuali pada beberapa Virus. DNA (asam nukleat) merupakan polimer yang terdiri dari 3 komponen utama yaitu : Gugus fosfat, gugus deoksiribosa dan basa nitrogen. Sebagian besar struktur DNA terdiri dari 2 untai yang dikenal dengan double helix.
Replikasi DNA yang merupakan fungsi genotipe merupakan proses penggandaan ganda DNA yang terdiri dari 3 model replikasi yaitu : Model konservatif, semikonservatif, dan dispersif. Dimana pada akhirnya model semi konservatif merupakan model yang dianggap paling sesuai dengan kondisi replikasi DNA. Sedang dalam fungsi fenotipe (ekspresi gen) merupakan proses dimana informasi dari gen digunakan untuk sintesis produk gen fungsional. Mekanisme ekspresi gen ini mengikuti aliran (transfer) yang dikenal dengan Dogma Sentra Biologi Molekuler, pada dasarnya ekspresi gen terdiri dari 2 proses pokok yaitu : Transkripsi dan Translasi. Dalam proses transkripsi dan translasi mempunyai tahapan yang relatif mempunyai kesamaan yaitu : Inisiasi, Elongasi dan Terminasi, baik pada sel prokariotik ataupun eukariotik.
Dalam ekspresi genetik diperlukan adanya pengaturan (regulasi) yang merupakan aspek penting bagi jazad hidup. Pada dasarnya regulasi ekspresi gen merupakan pengendalian gen yang berfungsi untuk memunculkan sifat fenotipe dari genotipe. Sistem pengaktifan ekspresi gen dibedakan menjadi 2 tipe yaitu : Secara konstitutif dan secara Induktif.
Regulasi ekspresi gen terdapat pada berbagai tahap tetapi sebagian besar terjadi pada tahapan transkripsi. Mekanisme pengaturan ekspresi gen dibedakan menjadi 2 katagori utama yaitu : Mekanisme Turn on and turn off (penyalapadaman) dan mekanisme Preprogrammed circuit (Sirkuit ekspresi gen terprogram).