Regulasi Ekspresi Gen

(1)

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: m.jusuf@telkom.net

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.

(2)

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.

(3)

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.

(4)

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

(5)

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.

(6)

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

(7)

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.

(8)

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

(9)

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.

(10)

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.

(11)

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.

(12)

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.

(13)

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.

(14)

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-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.

(15)

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.

(16)

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.

(17)

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.

(18)

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.

(19)

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-gen homeotik, yaitu Gen-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.

(20)

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.

(21)

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.

(22)

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.

(23)

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.

(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.