EKSPRESI GEN

1. EKSPRESI GEN

2. Pengaturan (pengendalian) ekspresi genetik merupakan aspek yg sangat penting bagi jasad hidup, baik pada prokariot maupun eukariot • Tanpa sistem pengaturan yg efisien, sel akan kehilangan banyak energi • Sebagai contoh : jika di dlm medium pertumbuhan E. coli terdapat gula sederhana, misalnya glukosa (monosakarida), maka sel tidak perlu menjalankan sistem ekspresi gen yg bertanggung jawab untuk metabolisme gula yg lebih kompleks, misalnya laktosa (disakarida). • Gen yg bertanggung jawab dlm metabolisme laktosa baru akan diaktifkan setelah melalui suatu rangkaian regulasi tertentu

3. Ada 2 sistem pengaktifan ekspresi gen, yaitu ekspresi gen secara konstitutif dan induktif • Secara konstitutif berarti selalu diekspresikan dalam keadaan apapun • Sebaliknya, bermakna gen yg hanya diekspresikan jika ada keadaan yg memungkinkan atau ada proses induksi • Kelompok gen konstitutif merupakan kelompok gen yg bertanggung jawab terhadap metabolisme dasar, misalnya metabolisme energi atau sintesis komponen-komponen selular. • Sebaliknya, gen yang baru diaktifkan (diinduksi) menunjukkan adanya efisiensi selular

4. Gen yg bersifat konstitutif • Gen yg menghasilkan protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase • Gen yg menghslkan yg enzim-enzim yang mengkatalisis berbagai reaksi metabolisme yang berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel

5. Pada prokariot maupun eukariot 1.melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan kondisi lingkungan 2. ekspresi gen berupa siklus yang telah terprogram (preprogramed circuits).  -- 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

6. Jadi, ekspresigenetikmerupakanrangkaianproseskompleksygmelibatkanbanyakfaktor • Secaraumum, dptdikatakanbahwaprosesekspresigenetikdimulaidandiatursejakpra-inisiasitranskripsi. • Padaselprokariot, telahdikenalkelompok gen ygdisebutoperon. Eukariottidakmengenalsistemoperonkarenadiaturolehsatu promoter tersendiri • Padaprokariot, pengendalianekspresigenetikhanyaterjadipada level transkripsi, sedangkan pd eukariotmulaidaritranskripsisampaipasca-translasi. • Pengendalianekspresigenetikpadajasadhidup (pro- daneu-kariot) meliputipengendalianpositifdanpengendaliannegatif

7. Pada prokariot, pengaturan (pengendalian) pd suatu gen atau operon melibatkan aktivitas suatu gen regulator • Pengendalian positif pd suatu operon tsb dpt diaktifkan oleh produksi ekspresi gen regulator • Sebaliknya, apabila operon dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator merupakan pengendalian negatif • Produk gen regulator ada 2, yaitu aktivator dan represor • Aktivator berperanan dlm pengendalian positif, sedangkan represor dlm pengendalian negatif • Produk keduanya bekerja dengan menempel pada sisi pengikatan protein regulator pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnya.

8. sisi pengenal RNA polimerase • Pengikatan aktivator atau represor pada promoter ditentukan oleh keberadaan suatu molekul efektor yg biasanya berupa molekul kecil, misalnya asam amino, gula atau metabolit serupa lainnya • Molekul efektor yg mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut induser, sedangkan yg bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut represor OPERON Promotor represor Gen represor daerah promotor daerah operator kelompok gen struktural GS1 GS2 GS3 efektor RNA polimerase (induser/korepresor) represor

9. PENGATURAN EKSPRESI GEN PROKARIOT INDUKSI REPRESI S. typhimurium Esherichia coli triptofan laktosa tidak ada tidak ada ada ada ekspresi ekspresi ON ON OFF OFF glukosa triptofan triptofan = korepresor laktosa = induser

10. Tiga gen struktural operon laktosa Gen represor daerah promotor daerah operator transkripsi translasi transkripsi translasi represor aktif RNA polimerase OPERON INDUKSI (LAKTOSA) Jika tidak ada induser (laktosa) RNA polimerase tidak dapat mengikat promotor Tiga gen struktural penyandi enzim-enzim pengurai laktosa tidak diekspresi

11. repressor gene An Inducible Operon in the Absence of an Inducer(The Lactose Operon)

12. Tiga gen struktural operon laktosa Gen represor daerah promotor daerah operator transkripsi translasi transkripsi translasi represor aktif -galaktosidase (lacZ)  lactosa premease(lacY) represor gagal mengikat operator laktosa (induser) transasetilase (lacA) represor tidak aktif RNA polimerase OPERON INDUKSI (LAKTOSA) Jika ada induser (laktosa) RNA polimerase mengikat promotor Tiga gen struktural penyandi enzim-enzim pengurai laktosa diekspresi

13. repressor gene An Inducible Operon in the Presence of an Inducer(The Lactose Operon)

14. OPERON REPRESI (TRIPTOFAN) Gen represor daerah promotor daerah operator lima gen struktural operon laktosa Jika tidak ada korepresor (triptofan) transkripsi translasi represor tidak aktif transkripsi translasi represor gagal mengikat operator RNA polimerase RNA polimerase mengikat promotor lima enzim yang diperlukan untuk sintesis triptofan

15. A Repressible Operon in the Absence of a Corepressor(The Tryptophan (trp) Operon) Gen represor

16. OPERON REPRESI (TRIPTOFAN) Gen represor daerah promotor daerah operator lima gen struktural operon laktosa Jika ada korepresor (triptofan) transkripsi translasi transkripsi represor tidak aktif represor aktif translasi represor aktif triptofan RNA polimerase represor mengikat operator RNA polimerase tidak mengikat promotor

17. repressor gene A Repressible Operon in the Presence of a Corepressor(The Tryptophan (trp) Operon) Without the transcription of the five genes, the five enzymes needed for the bacterium to synthesize the amino acid tryptophan are not made.

18. Pengaturan ekspresi genetik pada eukariot dilakukan pada banyak titik pengendalian. • Pengendalian ekspresi genetik dpt ditinjau dari 3 sisi, yaitu : • sinyal pengendali ekspresi; • level pengendalian ekspresi; • mekanisme pengendalian • Sinyal pengendali ekspresi meliputi semua molekul yg berperanan dlm proses pengendalian ekspresi, misalnya faktor transkripsi dan protein regulator khusus • Level pengendalian ekspresi terjadi pd tahapan : • inisiasi transkripsi dan perpanjangan transkrip; • pengakhiran (terminasi) transkripsi; • pengendalian pasca-transkripsi dan • pengendalian selama proses translasi dan pasca translasi

20. Mekanisme pengendalian ekspresi membahas proses rinci pengendalian ekspresi genetik yg meliputi interaksi antar sinyal pengendali ekspresi • Sinyal pengendali ekspresi genetik pada eukariot • Proses ekspresi genetik pd eukariot diatur oleh banyak molekul yg berinteraksi secara spesifik • Interaksi antar molekul tsb dpt terjadi melalui ikatan antara DNA dengan protein, protein dengan protein maupun protein dengan molekul lain, misalnya hormon

21. Mekanisme pengendalian ekspresi membahas proses rinci pengendalian ekspresi genetik yg meliputi interaksi antar sinyal pengendali ekspresi • Sinyal pengendali ekspresi genetik pada eukariot • Sinyal (molekul) pengendali ekspresi genetik dpt dikelompokkan menjadi 2 yaitu • RNA polimerase sebagai protein utama yg melakukan proses transkripsi; dan • protein-protein pembantu (auxilliary protein) yg meliputi • faktor transkripsi umum; • protein yg berikatan dg urutan nukleotida spesifik dan • protein yg terlibat dlm proses translasi

22. Secara umum, protein pengendali mempunyai 3 domain fungsional, yaitu : • domain pengikat DNA, • domain yg mengaktifkan transkripsi dan • domain dimerisasi • Domain pengikat DNA adalah bagian protein yg berikatan langsung dg DNA • Domain yg mengaktifkan transkripsi adalah bagian struktur protein yg berperanan dlm melakukan aktivasi transkripsi • Beberapa protein membentuk dimer baik dlm bentuk homodimer (2 monomer yg identik menjadi satu) atau dlm bentuk heterodimer (2 monomer yg berbeda menjadi satu)

23. Protein yang membentuk dimer mempunyai domain yg merupakan tempat pengikatan antara satu monomer dengan monomer yg lain. • Daerah inilah yg disebut dengan domain dimerisasi • domain dimerisasi • Telah dijelaskan sebelumnya bahwa gen kelas I pada eukariot mengkode sintesis rRNA • Faktor yg mempengaruhi laju sintesis pd gen kelas I adalah jumlah enzim RNA polimerase, level fosforilasi RNA polimerase dan jumlah serta aktivitas faktor transkripsi. • Pada gen kelas II, pengendalian terjadi pd beberapa level, yaitu level metabolisme mRNA; level translasi mRNA menjadi polipeptida dan pasca-translasi

24. Pd level metabolisme, pengendalian dpt terjadi pd proses stabilisasi/destabilisasi mRNA. • Stabilisasi/destabilisasi meliputi aktivasi atau represi transkripsi terutama dlm pemrosesan transkrip primer (pre-mRNA) sehingga dpt menghasilkan polipeptida berbeda • Contoh : • regulasi gen GAL pd khamir. • Gen GAL adalah serangkaian gen yg bertanggung jawab dlm metabolisme galaktosa. • Sistim regulasinya melibatkan suatu rangkaian aktivasi dan represi transkripsi. • Secara umum, regulasi ekspresi ditentukan oleh dua protein utama, yaitu Gal4 (dikode oleh gen GAL4) dan protein Gal80. • Gal4 berperan sbg aktivator transkripsi, sedangkan Gal80 sebagai represor

25. Jika protein Gal4 dlm keadaan bebas maka protein ini akan mengaktifkan gen-gen GAL1, GAL7 dan GAL10 (terletak pd kromosom II), gen GAL2 (kromosom XII) dan gen MEL1. • Dlm medium yg mengandung glukosa dan galaktosa untuk menumbuhkan khamir, maka glukosa dpt bertindak sebagai ko-represor yang akan menekan masuknya galaktosa dari luar sel • Keadaan ini menyebabkan tidak dpt disintesisnya induser, meskipun seandainya di dlm sel sudah ada induser (karena glukosa akan mem-blok induser ini) • Sebaliknya, jika khamir ditumbuhkan dlm medium yg hanya mengandung galaktosa, maka gen GAL3 akan diekspresikan untuk menghasilkan enzim yg akan membentuk produk metabolik galaktosa yg dpt berfungsi sebagai induser

26. Induser berperan untuk mem-blok Gal80 sehingga protein ini tidak dpt menghalangi protein Gal4 untuk mengaktifkan rangkaian gen GAL, jika di dlm medium pertumbuhan tsb ada glukosa dan galaktosa. • Dg dmk., glukosa menghalangi pembentukan induser atau mem-blok induser sehingga induser tidak dpt mem-blok Gal80. • Dlm keadaan ini, Gal80 akan bebas sehingga dpt memblok protein Gal4

27. Gen kelas III adalah gen yg mengkode sintesis tRNA dan 5SrRNA • Salah satu model pengendalian ekspresi gen ini adalah regulasi sintesis 5SRNA selama proses oogenesis dan embriogenesis • Ada 2 tipe gen 5SrRNA, yaitu gen 5S somatik dan 5S pd oosit. Laju sintesis keduanya berbeda • Gen 5S somatik diketahui juga ditranskripsi di oosit dan tetap aktif di dalam sel somatik. Sebaliknya, gen 5S oosit hanya ditranskripsi di oosit. • Faktor kunci yg menyebabkan perbedaan pengendalian ekspresi keduanya adalah faktor transkripsi TFIIIA • TFIIIA mempunyai daya ikat (affinity) yg lebih besar thd gen 5S somatik daripada gen 5S oosit

28. Pengendalian ekspresi genetik juga terjadi pd saat transkripsi telah selesai dilakukan (pasca-transkripsi). Contoh : pengendalian stabilitas mRNA • Faktor transkripsi adalah protein yg berperanan di dlm pengaturan ekspresi sehingga faktor transkripsi juga mengalami regulasi yg dpt mempengaruhi aktivitasnya

29. Faktor transkripsi diatur dg melalui beberapa cara, yaitu : • Regulasi temporal. Contoh : pengikatan mitogen atau faktor differensiasi, impuls saraf dan kerusakan fisik • Regulasi dengan pengikatan ligan. Contoh : ikatan anggota reseptor hormon steroid dengan ligan eksternal yang mengaktivasinya • Regulasi dengan sekuestrasi (pengasingan). Contoh : protein NFк-B merupakan faktor transkripsi yg diatur dg mekanisme pengasingan • Regulasi dg modifikasi pasca-transkripsi. Contoh : faktor transkripsi CREB difosforilasi oleh protein kinase PKA yg tergantung pada cAmP. Selain fosforilasi, mekanisme regulasi aktivitas dengan glikosilasi, yaitu penambahan gugus karbohidrat pd struktur protein • Regulasi dengan pengeblokan tempat ikatan pd DNA

30. Regulasi dg pengeblokan aktivitas. Aktivitas faktor transkripsi dpt ditekan oleh protein lain yg mengeblok domain aktivasinya, misalnya faktor transkripsi Gal4 dpt ditekan aktivitasnya oleh protein Gal80 • Regulasi dg mekanisme silencing. Silencer adalah suatu sekuens yg berperanan sebagai faktor pengendali negatif ekspresi suatu gen. Sebagai contoh, khamir Saccharomyces cerevisiae ada elemen silencer yg dpt menekan aktivitas gen yg bertanggung jawab dlm perubahan tipe kawin (mating type) yaitu gen HMR dan HML