REGULASI EKSPRESI GEN PROKARYOT Resume 1
DISUSUN UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH Genetika II
yang dibina oleh Bapak Mohamad Amin
Disusun Oleh: Kelompok 1
Destik Widiyawati (120341421959) Khoirum Mawarti (120341421965)
UNIVERSITAS NEGERI MALANG
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN BIOLOGI
Regulasi Ekspresi Gen pada Prokaryot
Bakteri seperti E.colliadalah mikroorganisme yang secara langsung terekspos dalam lingkungan yang berbeda-beda dan memiliki kemampuan yang luar biasa untuk beradaptasi. Cara mereka beradaptasi bergantung pada kemampuan untuk mengaktifkan dan mematikan ekspresi set gen yang spesifik sebagai suatu respon spesifik terhadap perubahan tertentu pada lingkungan ekstraselulernya. Dalam hal ini dapat dinyatakan bahwa organisme prokaryotik (E.colli) memiliki kemampuan untuk mengatur ekspresi gen tertentu sebagai respon dari sinyal perubahan lingkungan. Dalam kondisi tertentu, ekspresi dari gen tertentu akan diaktifkan hanya ketika produk dari ekspresi gen tersebut diperlukan untuk tumbuh pada lingkungan yang ditempatinya. Kebalikannya adalah apabila produk dari ekspresi suatu gen spesifik tidak lagi diperlukan untuk tumbuh pada lingkungan yang ditempatinya, maka ekspresi dari gen tersebut akan dimatikan (dihentikan). Kemampuan ini akan sangat meningkatkan daya tahan hidup dari suatu (koloni) bakteri. Dengan mematikan ekspresi suatu gen pada saat produk dari ekspresi gen tersebut tidak lagi dibutuhkan, maka organisme prokaryotik dapat menghemat energi yang dimilikinya dan dapat menggunakan jumlah energi yang seharusnya digunakan untuk ekspresi gen tersebut ke aktivitas seluler lain, misalnya untuk pertumbuhan.
Proses ekspresi gen organisme prokaryotik diregulasi menggunakan mode regulasi transkrispsi (regulation of transcription mode). Terdapat dua tipe mekanisme yang termasuk ke dalam mode regulasi transkripsi, yaitu:
1. Hidup-mati ekspresi gen sebagai respon cepat terhadap perubahan lingkungan (rapid
turn-on and turn-off of gene expressions in response to environmental changes)
merupakan mekanisme dimana suatu set protein regulator dapat berperan secara instan sebagai saklar yang menghidupkan atau mematikan ekspresi suatu gen berdasarkan rangsang kimawi atau fisis yang diterimanya dari lingkungan ekstraseluler.
2. Sirkuit pra-pemprograman ekspresi gen (preprogrammed circuit of gene expression) adalah mekanisme dimana produk ekspresi dari suatu gen secara bergantian saling mematikan dan menyalakan transkripsi gen yang lain.
Pada prokaryot hal ini sering terjadi apabila prokaryot tersebut terinfeksi oleh virus, sedangkan pada eukaryotik khususnya yang multiseluler, hal ini merupakan hal yang normal dan biasa terjadi.
Induksi dan Represi pada Prokaryotik
Pada tubuh suatu organime prokaryotik terdapat gen-gen yang secara terus menerus terekspresi dan ada pula gen yang terekspresi pada saat-saat tertentu saja. Gen yang terekspresi secara terus menerus disebut sebagai gen “penjaga rumah” (housekeeping genes). Sedangkan gen yang terekspresi pada saat-saat tertentu atau secara konstitutif disebut sebagai gen konstitutif (constitutive genes). Gen konstitutif ini mengkodekan produk gen yang hanya dibutuhkan pada saat-saat tertentu saja.Melalui evolusi alam, organisme prokaryotik telah dapat meregulasi gen-gen konstitutif ini sehingga gen tersebut hanya akan terekspresi pada saat dibutuhkan saja.
Organisme prokaryotik ini mengembangkan dua cara untuk mengendalikan ekspresi gen konstitutif ini secara alami, yaitu melalui mekanisme indusibel dan mekanisme represibel. Mekanisme indusibel adalah peristiwa dimana ekspresi suatu gen dinyalakan sebagai akibat adanya suatu senyawa substrat tertentu pada lingkungan ekstraseluler, demikian sehingga ekspresi gen tersebut akan dimatikan jika dan hanya jika senyawa substrat yang dimaksud telah hilang dari lingkungan ekstraseluler. Sedangkan mekanisme represibel adalah peristiwa ekspresi suatu gen diaktifkan sebagai akibat dari tidak adanya suatu senyawa substrat tertentu pada lingkungan ekstraseluler,d emikian sehingga ekspresi gen tersebut akan dimatikan jika dan hanya jika senyawa substrat yang dimaksud telah ditemukan (terdapat/ditambahkan) pada lingkungan ekstraseluler. Sebagai contoh dari mekanisme indusibel adalah operon lac (lactose) sedangkan mekanisme represibel dicontohkan oleh operon trp (tryptophan).
Model Operon
Suatu set sekuens gen yang saling berdekatan dan tersusun dalam urutan spesifik telah ditemukan F.Jacob dan J.Monod pada tahun 1961. Set sekuens gen ini berfungsi untuk mengatur ekspresi gen konstitutif. Set sekuens gen tersebut disebut sebagai operon. Secara umum operon ini tersusun atas empat sekuens gen yakni regulator, promoter, operator, gen structural. Regulator merupakan sequens gen yang mengkodekan protein repressor, protein repressor ini jika berikatan dengan operator dari suatu gen maka proses transkripsi gen tersebut tidak akan terjadi. Hal ini dikarenakan ikatan antara protein repressor dengan sekuens gen operator akan menyebabkan RNA Polimerase tidak dapat menempel pada promoter, sehingga RNA polymerase tidak akan dapat mentraskripsi gen struktural. Operator ini biasanya terletak diantara promoter dan gen struktural.
Ketika protein repressor berikatan dengan operator maka menyala dan matinya proses trankripsi suatu gen ditentukan oleh ada dan tidaknya molekul kecil yang disebut sebagai molekul efektor. Keberadaan dan ketiadaan molekul efektor pada lingkungan intra maupun ekstraseluler akan sangat berpengaruh terhadap aktif atau tidaknya protein repressor. Apabila repressor ditemukan dalam kondisi aktif jika tidak ada molekul efektor pada lingkungan intra dan ekstraseluler, maka protein repressor tersebut bekerja dengan prinsip indusibel. Artinya protein repressor hanya mampu berikatan dengan operator jika dia ditemukan dalam kondisi bebas (tidak berikatan dengan molekul efektor), apabila ia ditemukan berikatan dengan molekul efektor maka ia tidak dapat berikatan dengan operator. Operon yang memiliki protein repressor yang bekerja secara indusibel disebut sebagai operon indusibel.Sedangkan apabila repressor ditemukan dalam kondisi aktif jika ada molekul efektor pada lingkungan intra dan ekstraseluler, maka protein repressor tersebut bekerja dengan prinsip represibel. Artinya protein repressor hanya mampu berikatan dengan operator jika dia diketemukan dalam kondisi berikatan dengan molekul efektor, apabila ia ditemukan tidak berikatan dengan molekul efektor maka ia tidak dapat berikatan dengan operator. Operon yang memiliki protein repressor yang bekerja secara represibel disebut sebagai operon represibel.Contoh dari operon indusibel adalah operon lac (lactose), sedangkan contoh dari operon represibel adalah operon trp (tryptophan).
Operon Lac, Sebuah Operon Indusibel
Jacob dan Monod melakukan penelitian mengenai operon lac pada E.colli. Operon lac tersusun atas sebuah promoter, sebuah operator dan tiga buah gen struktural yakni gen z, y, dan a, dimana ketiga gen ini mengkodekan enzim β-galaktosidase, β-galaktosidase permease dan β-galaktosidase transasetilase.β-galaktosidase berfungsi untuk memecah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, β-galaktosidase permease merupakan pompa protein yang memasukkan laktosa kedalam sel, sedangkan β-galaktosidase transasetilase, memiliki fungsi yang belum diketahui. Operon lac ini memiliki gen regulator yang disebut dengan gen i. Protein represor dari operon lac yang dikodekan oleh gen I akan menjadi inaktif apabila berikatan dengan allolactosa sebagai molekul efektornya (induser). Allolactosa merupakan derivat laktosa yang dihasilkan dari reaksi pemecahan laktosa oleh enzimβ-galaktosidase. Saat berikatan dengan alolactosa protein repressor akan inaktif dan melepaskan ikatannya dengan operator sehingga proses transkripsi gen struktural operon lac dapat dilakukan.
Regulasi kompleks dari ooperon ara.
Arabinose operon pada E. Coli memiliki regulasi yang lebih kompleks dibanding dua
operon lain. Protein regulasi pada operon ara merangsang baik regulasi positif maupun negative, tergantung kondisi lingkungan. Operon pada E.Coli mencakup tiga gen structural (araA, araB, araD) mengkodekan tiga enzim yang berperan dalam katabolisme dari
arabinose. Ketiga gen ini diproduksi dari transkrip yang menginisiasi promoter c. araC
adalah regulator negative dari AraA, ara B.sebaliknya araD adalah positive regulatornya ketika camp dan arabinose hadir. Induksi positif dari operon ara bergantung dari dua hal,
araC protein dan CAP. Kedua hal ini terletak pada araI.Reppresi terjadi apabila araC protein
berikatan sebagai dimer dengan araI dan araO2.
Reppresi lambda prophageny selama proses lysogeny
Reppresi pada lambda phage yang mengkontrol lytic dengan ikatan antara CI produk gen (reppresor) dengan dua sequence operator (Or dan Ol) yang mengkontrol transkripsi kearah kiri maupun kanan. Transkripsi dari C1 sendiri kearah kiri.
Control pada operon trp dengan attenution
Attenuation adalah mekanisme untuk mengatur ekspresi gen dengan penghentian transkripsi sebelum waktunya dalam Wilayah bagian yang ditranskripsi transkrip. Dalam kasus triptofan (trp) operon E. coli, misalnya, ada atau tidaknya dari produk akhir, triptofan, menentukan ada atau tidaknya attenuation yang terjadi. Rantai wilayah mRNA yang memiliki urutan yang dapat berikatan dengan basa untuk membentuk struktur hairpin alternatif, salah satunya adalah transcription- khas sinyal terminasi. Ada atau tidaknya hairpin tergantung pada terjemahan dari rantai peptida yang mengandung dua residu triptofan. Ketika rendahnya tingkat tryptophan hadir, terjemahan berhenti di kodon Trp, yang mencegah pembentukan transkripsi terminasi hairpin. Ketika triptofan yang cukup, hasil terjemahan melewati kodon Trp ke kodon terjemahan terminasi, mengganggu hairpin pertama. Selanjutnya, memungkinkan hairpin transkripsi terminasi untuk membentuk dan attenuation (terminasi transkripsi pada attenuator) terjadi. Attenuation mengurangi sintesis dari biosintesis triptofan enzim sepuluh kali lipat. Pelemahan ini mungkin di prokariota karena transkripsi dan translasi yang digabungkan, sehingga peristiwa yang terjadi selama penerjemahan dapat mempengaruhi transkripsi
Inhibisi feedback dan allosteric enzim
Kehadiran konsentrasi produk akhir dari jalur biosintesis yang cukup, sering menyebabkan penghambatan enzim pertama dalam jalur. Fenomena ini disebut umpan balik inhibitionor-inhibisi produk akhir. Umpan balik penghambatan terjadi hampir seketika dari
sintesis produk akhir ketika ditambahkan ke media. Jalur biosintesis triptofan di E. coli menyediakan ilustrasi yang baik untuk inhibisi umpan balik. produk akhir triptofan-anthranilate dan benar-benar menahan kegiatannya, menghentikan sintesis triptofan dengan segera. Umpan inhibisi sensitif enzim berisi daerah yang berikatan dengan produk akhir .pada kasus enzimm multimeric, regulator tempat berikatan produk akhir bebeda dengan tempat berikatan substrat.bergantung pada tempat berikatan substrat akhir, beberapa enzim melakukan traansisi allosteric.
transisi allosteric mengaktifkan enzim, yang terjadi ketika sebuah enzim berikatan dengan beberapa substrat. beberapa enzim mengakibatkan pengaktivan maupun penghambatan tergantung pada molekul efektor.
Sequence sementara ekspresi genetic selama proses infeksi bakteriophage
Regulasi dari ekspresi gen selama daur litik dalam bakteri-fae berbeda dengan karakteristik operon on-off. Namun gen berekspresi dengan perintah yang hamper sama dengan pada bakteri. Produk dari ekspresi gen yang lebih awal, bertnggung jawab untuk menghentikan ekspresi gen terdahulu dan mengaktifkan ekspresi gen yang selanjutnya.
Pertanyaan :
1. Bagaimanakah kemungkinan yang terjadi apabila terjadi mutasi pada sekuens operator dan sekuens gen regulator dari suatu operon?
2. Bagaimana mekanisme pengaturan positif dan negatif dapat dibedakan? Jawaban :
1. Mutasi pada sekuens gen operator pada suatu operon akan mengakibatkan sekuens tersebut tidak dapat dikenali oleh protein repressor sehingga transkripsi dari gen struktural yang dimiliki oleh operon tersebut berlangsung secara terus menerus.Mutasi pada sekuens gen regulator dapat menyebabkan dua kemungkinan. Kemungkinan pertama yakni mutasi pada gen regulator tersebut akan menyebabkan terbentuknya protein repressor dengan struktur konfigurasi dan konformasi yang tidak berligan komplemen dengan sekuens operator sehingga protein repressor tidak dapat berikatan dengan operator dan menyebabkan gen struktural dari suatu operon terus- menerus terekspresi. Kemungkinan kedua adalah protein repressor memiliki ligan yang berkomplemen dengan sekuens operator, namun demikian protein repressor tersebut tidak memiliki ligan yang berkomplement dengan molekul efektor sehingga molekul efektor tidak dapat berikatan dengan protein reseptor, yang mengakibatkan operon tersebut selalu dalam kondisi inaktif.
2. Mutasi pada gen regulator yang menghasilkan nonfungsional produk akan memiliki efek yang sangat berbeda dalam kontrol positif dan kontrol negatif. Dalam rangkaian kontrol positif, mutasi akan membuat tidak mungkin untuk mengaktifkan ekspresi gen pengatur, sedangkan pada kontrol negatif sirkuit, mutasi ini akan membuat tidak mungkin untuk mematikan ekspresi gen pengatur
