EKSPRESI GEN DAN REGULASI GEN

Tim Dosen Biologi Molekuler FFS-UHAMKA

EKSPRESI GEN DAN

REGULASI GEN

Kuliah 8 - 9

Questions?

 Apakah itu Gen?

 Apa pengertian dari ekspresi Gen dan kapan Gen harus

diekspresikan?

 Bagaimana Gen diekspresikan?

 Bagaimana Gen harus dikendalikan?

Pendahuluan: Prokariot dan eukariot

Materi inti (DNA) prokariot tersebar di sitoplasma

Materi inti (DNA) eukariot

terkumpul di dalam inti sel yang bermembran (membran nukleus)

Pendahuluan : Gen pada Prokariot

Protein

Pendahuluan : Gen

Protein

Pendahuluan: Kromosom, DNA dan Gen

 Kromosom mengandung DNA.

 Total informasi genetik yang disimpan di dalam DNA suatu sel

disebut Genom.

 Genom DNA tersusun atas gen-gen.

 Satu gen dapat mengkode satu protein tertentu.  Gen merupakan fragmen DNA di dalam kromosom.

Pendahuluan: Aliran Informasi Genetik

8

Pendahuluan : DOGMA MOLEKULER

DOGMA MOLEKULER (2)

Gene expression?

- Translasi: formasi

sebuah protein

(rangkaian asam

amino) dari RNA

- Transkripsi: sintesis

RNA dari DNA

template

Dogma molekuler: Gene expression dari Gen ke

Protein (Gen – mRNA - Protein)

11

Berlaku di semua sel baik

prokariot maupun eukariot

1 tempat: semua berlangsung di sitoplasma 2 tempat: Nukleus Sitoplasma

Ekspresi Gen di Prokariot vs Eukariot

Ekspresi Gen

 Ekspresi gen dimulai dengan proses transkripsi dan diakhiri dengan

proses translasi

 Transkripsi: perubahan gen (DNA) menjadi mRNA ---- RNA

polymerase

 Translasi: perubahan dari mRNA ke protein ---- Ribosom

A. Ekspresi Gen pada Prokariot

 Salah satu ciri dari prokariot adalah adanya struktur Operon.  Operon adalah organisasi beberapa gen yang ekspresinya

dikendalikan oleh satu promotor.

Ekspresi gen pada Prokariot (Cont.)

 Operan lac merupakan salah satu organisasi gen pada prokariot untuk

menghasilkan enzim β-galaktosidase.

 Operon lac terdiri dari 3 gen struktural: lac Z, lac Y, lac A.

 Proses transkripsi pada prokariot akan menghasilkan satu mRNA yang

membawa kode genetik untuk polipeptida yang berbeda beda, disebut mRNA polisistik.

Ekspresi gen pada Prokariot (Cont.)



Struktur gen prokariot: regulatory sekuens (promotor +

operator) dan struktural sekuens (coding region).

Promotor

 Promotor adalah urutan DNA

spesifik yang berperan dalam mengendalikan transkripsi gen struktural

 Berada pada bagian upstream.  Fungsi promotor? Tempat awal

pelekatan RNA polimerase

 Pada prokariot, bagian penting

promotor disebut Pribnow box pada urutan nukleotida 10 dan -35. Biasanya berupa TATA box.

18 Promoter _Terminator Coding Strand Template Strand +1 Upstream Downstream a b c d

Operator

19

 Operator merupakan urutan nukleotida yang terletak di antara

promotor dan bagian struktural dan merupakan tempat pelekatan protein represor (penekan atau penghambat ekspresi gen). Jika ada represor yang melekat di operator maka RNA polimerase tidak bisa melakukan transkripsi sehingga ekspresi gen tidak berlangsung.

Coding region

20

 Gen struktural merupakan bagian yang mengkode urutan nukleotida

RNA.

 Transkripsi dimulai dari sekuens inisiasi ATG sampai kodon stop (TAA/

TGA/ TAG).

 Pada prokariot tidak ada sekuens intron sehingga semuanya adalah

Terminator dan RNA polimerase

21

 Terminator dicirikan sebagai struktur hairpin dan lengkungan yang

kaya akan urutan GC yang terbentuk pada molekul RNA hasil transkripsi.

• RNA polimerase merupakan enzim yang mengkatalisis proses transkripsi

B. Ekspresi Gen pada Eukariot

 Perbedaan paling mencolok dengan prokariot adalah produk mRNA

pada transkripsi gen eukariot umumnya mengkode satu macam protein (disebut mRNA monosistik).

Ekspresi Gen pada Eukariot Overview

 Gen pada eukariot terdiri dari: enhancer – promotor – transcribed

region - terminator

Ekspresi Gen pada Eukariot Overview

1. Proses transkripsi dimulai dengan

menempelnya RNA polimerase II kepada promotor

2. mRNA terbentuk masih

mengandung intron

3. Pemrosesan mRNA dengan capping

dan polyadenylation

4. Splicing intron

5. mRNA terbentuk dan baru bisa

tertransport dari nukleus ke ribosom

Promotor eukariot

 Sama seperti prokariot, promotor gen eukariot umumnya adalah

TATA box yang terletak antara -35 sampai -10.

Enhancer

 Enhancer adalah sekuens nukleotida tempat faktor transkripsi (TF)

berikatan, dan menyebabkan transkripsi dari gen menjadi meningkat.

 Enhancer bisa terletak di arah upstream atau downstream, sebagian besar

upsteam.

 Enhancer pada eukariot terletak jauh dari promotor, sementara enhancer

dari prokariot umumnya terletak sangat dekat.

Silencer



Elemen yang mirip seperti enhancer kecuali dari fungsinya

yang mengikat protein dan menghambat transkripsi.

1. Inisiasi proses transkripsi

 RNA polymerase akan mengenali sekuens awal transkripsi, dengan

menempel pada daerah promotor.

 Pada tahapan ini RNA polymerase mulai membentuk basa RNA

pertama pada titik awal (start site) sesuai jarak yang ditetapkan dari sekuens promotor.

2. Pemanjangan RNA (Elongasi)

 Pada tahap ini RNA Polymerase bergerak sepanjang utas ganda

DNA, sambil melanjutkan sintesis RNA, sesuai dengan utas template, sehingga mencapai titik terminasi.

 Daerah tempat DNA dikode menjadi RNA disebut sebagai

transcribed region

3. Terminasi (Termination)

 Pengenalan titik akhir transcribed region, dimana setelah itu tidak ada

lagi penambahan basa pada utas RNA yang terbentuk.

 Terminasi ditandai dengan pembentukan loop pada mRNA, signal ini

akan dikenali oleh RNA polimerase. Sehingga mRNA akan terlepas.

d.

Terminasi (Termination)

Pengenalan titik akhir transcribed

region, dimana setelah itu tidak

ada lagi penambahan basa pada

utas RNA yang terbentuk.

Termination site

TATA EXON INTRON EXON AAUAA Transcribed region Start site promoter regulator ORF UTR UTR AUG UGA,UAA,UAG

Poly A tailing site

Where do Gen Start and Stop?

Sama halnya dengan prokariot, terminasi gen eukariot terjadi ketika proses transkripsi

membentuk pola hairpin

4. Pemrosesan RNA

a. Penambahan Cap pada ujung 5’ (Capping) b. Penambahan basa Adenin (Polyadenilation) c. Pemotongan intron (Splicing)

Tahapan Pemrosesan RNA

a. Penambahan Cap pada ujung 5’

(Capping)

b. Penambahan basa Adenine

(Polyadenilation)

c. Pemotongan intron (Splicing)

a

c

b

a. Penambahan Cap pada ujung 5’ (Capping)

 Pada tahapan ini dilakukan penambahan basa G yang sudah

mengalami metilasi (penambahan CH3 pada unsur N) pada ujung 5’ untuk menghambat perusakan RNA oleh RNAse (enzim pengurai

RNA).

a. Penambahan Cap pada ujung 5’

(Capping)

Pada tahapan ini dilakukan

penambahan basa G yang sudah

mengalami metilasi (penambahan

CH3 pada unsur N) pada ujung 5’,

untuk menghambat perusakan RNA

oleh RNAse (enzim pengurai RNA)

b. Penambahan basa Adenine (Polyadenilate)

 Pada tahapan ini dilakukan penambahan banyak basa (10-30)

Adenine pada ujung 3’, yang dimaksudkan untuk meningkatkan stabilitas RNA

b. Penambahan basa Adenine

(Polyadenilation)

Pada tahapan ini dilakukan

penambahan banyak basa (10-30)

Adenine pada ujung 3’, yang

dimaksudkan untuk meningkatkan

stabilitas RNA.

AA AAAA

34

c. Pemotongan intron (Splicing)



Pada tahap ini enzim restriksi memotong bagian

intron, selanjutnya bagian exon disatukan dengan

enzim ligasi menjadi messenger RNA.



Intron yang sudah dipotong diurai lagi menjadi basa,

dan digunakan untuk pembentukan RNA berikutnya.

c. Pemotongan intron (Splicing)

Pada tahap ini enzim restriksi

memotong bagian intron, selanjutnya

bagian exon disatukan dengan enzim

ligasi menjadi messenger RNA. Intron

yang sudah dipotong diurai lagi

menjadi basa, dan digunakan untuk

pembentukan RNA berikutnya.

Pemrosesan RNA Overview

Coding Strand Template Strand hnRNA Strand a. Capping mGppp b. Polyadenilation mGppp AAAAAA c. Splicing mGppp AAAAAA Intron Exon Exon mRNA Strand 36

Sintesis Protein/Translasi

 Tahapan Ekspresi Gen yang terakhir: Sintesa protein  mRNA akan diproses menjadi protein

Perbandingan mRNA Prokariot dan Eukariot

 mRNA mengandung untranslated region (UTRs 5’, 3’)

 mRNA Eukariot umumnya mengkode satu protein (one polypeptide) – Monocistronic

 mRNA Prokariot dapat mengkode beberapa macam protein (many

polypeptide) -- Polycstronic

Penerjemahan mRNA (Translasi mRNA)

39

 Satu asam amino dikode oleh 3 basa, disebut sebagai kodon.

 Jumlah asam amino adalah 20, sehingga ada beberapa asam amino

dikode oleh lebih dari 1 codon.

 Ujung awal rantai asam amino (M) disebut ujung Nitrogen (N-terminal),

sedangkan ujung asam amino oleh stop kodon (S) disebut ujung karboksil (C-terminal).

MWNDCEQHKFYIAGPTVRLS

Ujung awal rantai asam amino

(M) disebut ujung Nitrogen

sedangkan ujung asam amino

sebelum terhenti oleh stop

 mRNA yang berikatan dengan ribosome, memulai dengan penempelan

tRNA pembawa methionine (M-tRNA) dari 3 basa pembawa kodon AUG

 Translasi berlangsung sepanjang ORF hingga berhenti pada kodon

Stop

 Daerah yang tidak diterjemahkan disebut sebagai UTR

UTR

_ORF

UTR

M-tRNA

AUG

UGA, UAA, UAG

Regulasi Gen pada Bakteri

 Bakteri mempunyai beribu-ribu gen

 Tidak semua ditranskripsi pada waktu yang sama

 Bila itu dilakukan maka akan membuang energi yang banyak

 Namun beberapa gen ditranskripsi sepanjang waktu → Siapa dia ?

“housekeeping” genes

 Gen lain diekspresikan sebagai tanggapan (respon) akibat

terjadinya perubahan lingkungan

Regulasi Gen pada Bakteri



Regulasi transkripsi

Jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) diperlukan, maka

gen akan ditranskripsi

Jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) Tidak diperlukan,

maka gen akan Tidak akan ditranskripsi

Unit Transkripsi pada Bakteri

45

Operon

promoter

operator

-35 TTGACA

Regulasi Gen pada Bakteri



Regulasi transkripsi



Regulasi translasi



Regulasi post translasi (protein modification)

46



Regulasi transkripsi



Jika

suatu protein

(yang dikodekan oleh gen)

diperlukan

, maka gen akan

ditranskripsi



Jika

suatu protein

(yang dikodekan oleh gen)

Tidak

Regulasi pada Transkripsi



Kontrol Positif atau Negatif



Positif

- membutuhkan suatu protein untuk terjadinya

transkripsi



Negatif

- protein dibutuhkan untuk mem block

transkripsi



Model operon pada bakteri



Lac operon



Trp operon

47

Regulasi Lac operon

48



Merupakan Kontrol Negatif



Repressor protein (lac I gene product)



Berikatan pada operator region dari Lac operon



Mencegah terjadinya proses transkripsi

Induksi repressed operon

49

o

(can’t bind)

(lac repressor)

(allolactose)

Regulasi Lac operon

50



Repressor berikatan pada operator

TIDAK terjadi transkripsi



Effector berikatan pada Repressor

Repressor tidak dapat berikatan dengan operator Terjadi Transkripsi



Berkurangnya konsentrasi Effector

Repressor akan bebas untuk berikatan dengan operator TIDAK terjadi transkripsi

Repressi Operon Bakteri

51

co-repressor

(tryptophan)

Repressor

complex

Biosynthetic

Operons

(Trp Operon)

Aktivasi & Deaktivasi Operon

52

Activator

effector

inactive

complex

Lac Operon

53

Regulation Gene

Operon Lac

Trp Operon

Regulasi Eukariot

Regulasi Transkripsi Eukariotik

56

 Lebih kompleks dibanding bakteri

 Pengendalian dimediasi oleh protein-protein yang diklasifikasikan

sebagai Transcription Factors - TF :

Basal TF - diperlukan oleh semua gen Specific TF - menentukan spesifitas ekspresi Activator - meningkatkan ekspresi Repressor - menurunkan ekspresi

Model for Enhancer/ Silencer action (Regulasi Eukariot)

Regulasi eukariot: aktivasi (TF + aktivator)

Regulasi eukariot: aktivasi (TF + aktivator)

Silencer

Penerapan

63

 Merekayasa promoter yang berbeda di depan coding sequences yang

diinginkan, dapat menghasilkan:

a. Regulasi yang berbeda b. Meningkatkan laju ekspresi c. Mengubah waktu ekspresi

d. Ekspresi terjadi di jaringan yang berbeda e. Ekspresi pada organisme yang berbeda

Regulasi Transkripsi Eukariotik

64

 Beberapa gen ditranskripsi pada hampir semua sel

“housekeeping” genes

 Sifat unik dari sel itu disebabkan oleh ekspresi gen-gen spesifik yang

terkandung dalam sel tersebut

cell-specific expression tissue-specific expression

Levels of Control of Gene Expression in

Eukaryotes

1.Prokaryotes respond quickly to their environments mainly by

transcriptional (regulatory proteins bind DNA) control. Translational

control also occurs, mediated by stability of the mRNAs.

2.Eukaryotes have more complex means to regulate gene expression,

because they have compartments (e.g., nucleus) within cells, and

often multicellular structures that require differentiation of cells.

3.Levels at which expression of protein-coding genes is regulated in

eukaryotes:

a.Transcription.

b.mRNA processing and transport. c. Translation.

d.Degradation of mRNA. e.Protein processing. f. Protein degradation.

Regulasi Gen Eukariot

How is gene expression regulated? (p. 180)



Control can happen at several

points in the process



Control to turn on/turn off protein

production



Control amount of protein

production

Figure 10-11 Biology: Life on Earth 8/e ©2008 Pearson Prentice Hall, Inc. 1 transcription 5 degradation 3 translation 4 modification mRNA pre-mRNA 2 mRNA processing product substrate active protein amino acids inactive protein DNA

Cells can regulate

a protein’s activity

by modifying it.

Cells can

regulate the

activity of

enzymes.

Cells can control

the frequency of

transcription.

Different mRNAs

may be produced

from a single gene.

Cells can control the

rate of translation of

particular mRNAs.

Cells can regulate

a protein’s activity

by degrading it.

How are genes controlled in eukaryotes?

1)

Regulation of Chromatin Structure

2)

Pre and post Transcriptional Regulation

3)

Pre and Post Translational Regulation

Regulation of Chromatin Structure

Regulation of Chromatin Structure

N-terminus (amino group) of

histone proteins face outwards

from nucleosome

Tails are thus able to be

modified chemically

Regulation of Chromatin Structure



Histone Acetylation – neutralizes (+) charges on tails,

which prevents binding to adjacent nucleosome →

loose chromatin structure results, allowing for

increased transcription

• Methylation → Promotes condensation

• Phosphorylation → can prevent condensation, if

phosphorylation is adjacent to methyl group

Pre-Transcriptional Regulation

 Similar to methods used in bacterial operons, using proteins that inhibit or

promote binding of RNA pol.

Distal and Proximal Control Elements Proteins involved include:

◼Transcription factors ◼Activators

◼Mediator Proteins

Post-Transcriptional Regulation

RNA Processing

– differential/alternative splicing can produce different 20 _mRNA transcript

Differential splicing redefines which RNA segments are

considered introns and which are exons

Post-Transcriptional Regulation

 Time of mRNA degradation can vary

Pre-Translational Regulation

Initiation of Translation

- can be blocked by regulatory proteins that prevent ribosome binding

- shortened polyA tails in mRNA prevents translation (polyA tails can be added during appropriate time)

- global regulatory control of all mRNAs in cell

Post-Translational Regulation

 During protein processing, folding

 Timing of protein degredation can vary

 Proteasomes degrade proteins that are tagged by ubiquitine

molecules