Rabu, 01 Januari 2014

KONTROL GENETIK TERHADAP RESPON IMUN

(Komponen Sistem Imun, Antibody Diversity (Penyusunan Kembali Genom selama Diferensiasi Limfosit B; Jalur Alternatif pada Penyambungan Hasil Transkripsi ))
RESUME
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH
Genetika II
KONTROL GENETIK TERHADAP RESPON IMUN
            Ketika substansi asing yang disebut sebagai antigen (misalnya protein selubung virus) memasuki aliran darah mamalia, maka tubuh mamalia akan memicu mekanisme pertahanan, yaitu respon imun, yang mengakibatkan sintesis kelompok protein yang penting yaitu antibodi. Antibodi-antibodi tersebut mengikat antigen dengan spesifikasi dan memfasilitasi pengeluarannya dari sistem sirkulasi. Para ilmuan telah menemukan sekuen-sekuan DNA yang mengkode susunan antibodi yang dihasilkan oleh sistem imun mamalia yang terkait diferensiasi sel-sel penghasil antibodi dengan terjadinya suatu set baru dari penyusunan kembali genom (rearrangements genome).
1.        Komponen Sistem Imun
            Terdapat tiga tipe sel darah putih yang berperan dalam respon imun pada vertebrata. Yaitu:
  1. Limfosit B (disebut sel B karena diproduksi di dalam sumsum tulang (bone marrow))
  2. Limfosit T (disebut sel T karena di produksi dalam kelenjar timus)
  3. Makrofag
Antibodi-antibodi disintesis oleh limfosit B dan antibodi ini bisa disekresikan atau tetap terikat pada membran pada permukaan sel B, bergantung pada kondisinya. Selama respon imun humeral, antibodi-antibodi mengikat antigen bebas dalam sistem sirkulasi dan mengaglutinasi antigen-antigen tersebut. Kompleks antibodi-antigen yang dihasilkan kemudian diingesti dan didegradasi oleh makrofag. Limfosit T menengahi respon imun seluler. Limfosit T mensintesis reseptor-reseptor antigen yang mengenali antigen pada permukaan sel dan mengenali antigen melalui aktivasi sel-sel T. Limfosit T yang berbeda menunjukkan cara kerja yang berbeda, akan tetapi secara umum serangan sel T terhadap sel yang membawa antigen membutuhkan reseptor sel T yang spesifik dari satu atau lebih reseptor antigen histokompatibilitas (Gardner, 1991).


1.        Berbagai Kajian Antibodi
Aspek yang paling patut diperhatikan dari respon imun dari sudut genetik adalah nampaknya varietas antibodi yang bisa disintesis dalam merespon antigen yang sebelumnya belum diketahui pada hewan. Berapa macam antigen yang bisa dihasilkan oleh tikus dan manusia belum dapat diketahui bahwa jumlahya sangat besar, sampai jutaan. Genome manusia lengkap (misalnya satu dari 23 pasang kromosom manusia) mengandung kurang lebih 3 x 109 pasang nukleotida. Jika semua berada dalam bentuk gen-gen dengan urutan pengkodean terganggu yang masing-masing panjangnya 1000 pasang nukleotida, gen tersebut maksimum mengandung 3 juta gen.
2.        Beberapa Hipotesis Dasar Genetika Keanekaragaman Antibodi
Dasar geenetika mengenai keanekaragaman antibodi secara umum  dapat dikelompokkan menjadi tiga hipotesis, yaitu:
1.      Hipotesis germ line yang menyatakan bahwa terdapat germ line yang terpisah untuk setiap antibodi.
2.      Hipotesis mutasi tubuh, yang menyatakan bahwa terdapat satu atau beberapa germ line spesifik untuk setiap kelas antibodi, dan keanekaragamannya disebabkan karena tingginya frekuensi mutasi somatik, yaitu mutasi yang terjadi pada sel-sel somatik penghasil antibodi atau dalam garis sel yang mengarah pada penghasil antibodi.
3.      Hipotesis minigene. Keanekaragaman disebabkan oleh “suffling” (pengocokan) segmen-segmen kecil beberapa gen menjadi sejumlah besar kemungkinan kombinasi. Suffing akan terjadi melalui proses rekombinasi pada sel somatik (secara total ini memerlukan mekanisme untuk menyusun kembali segmen DNA).
Sekarang diketahui bahwa hipotesis minigen menjelaskan keanekaragaman yang dapat diketahui. Selain itu diketahui pula bahwa mutasi somatik memberikan kontribusi dalam keanekaragaman. Akhirnya dapat diketahui bahwa satu segmen dari setiap rantai antibodi ditentukan oleh gen atau segmen gen yang terdaat pada genome. Dengan demikian kesimpulannya adaah ketiga hipotesis tersebut adalah benar dalam hal tertentu.



4.        Struktur Antibodi
Antibodi termasuk kelas protein yang disebut immunoglobulin. Setiap antibodi adalah tetramer yang tersusun atas 4 polipeptida, 2 rantai ringan yang identik dan 2 rantai berat yang identik, tergabung oleh ikatan disulfida. Setiap rantai, berat maupun ringan mempunyai ujung amino daerah variabel, dimana sekuen asam amino  bervariasi di antara antibodi spesifik untuk antigen-antigen yang bebeda, dan suatu ujung karboksil daerah konstan, dimana sekuen asam aminonya sama untuk semua antibodi dari kelas immunoglobulin tertentu.
Daerah protein yang membawa fungsi khusus disebut domain. Setiap antibodi memiliki 2 domain, dimana setiap domain dibentuk oleh variable region dari satu rantai ringan dan satu rantai berat. daerah konstan dari 2 rantai berat  berinteraksi membentuk domain ketiga yang disebut effector function domain, yang dapat merespon interaksi yang sesuai dari antibodi dengan komponen-komponen lain dari sistem imun.
Terdapat 5 kelas antibody yaitu IgM, IgD, IgG, IgE, IgA. Pengelompokan antibodi tersebut dan fungsinya ditentukan oleh struktur rantai berat daerah konstan, yaitu struktur dan effector function domainnya. Sebagai contoh antibodi IgD biasanya tetap terikat pada permukaan sel tempat mereka disintesis, sedangkan antibodi IgG biasanya disekresikan dan disirkulasikan ke seluruh tubuh melalui aliran darah. Rantai ringan antibodi mempunyai dua tipe, yaitu kappa dan lambda. Tipe tersebut ditentukan oleh struktur rantai ringan daerah konstan. Antibodi memiliki spesifikasi antigen-binding yang sama, yang ditentukan oleh daerah variabel pada keempat rantai, tetapi fungsi imunoglobinnya berbeda yang ditentukan oleh daerah konstan pada dua rantai berat. Ketika mempelajari struktur antibodi dapat dilihat bahwa keanekaragamannya hampir seluruhnya terletak pada bervariasi daerah molekul daerah variabel suatu molekul.

Pertanyaan
  1. Jelaskan hipotesis-hipotesis yang digunakan sebagai dasar keanekaragaman antibodi!
Jawaban
Dasar geenetika mengenai keanekaragaman antibodi secara umum  dapat dikelompokkan menjadi tiga hipotesis, yaitu:
  1. Hipotesis germ line yang menyatakan bahwa terdapat germ line yang terpisah untuk setiap antibodi.
  2. Hipotesis mutasi tubuh, yang menyatakan bahwa terdapat satu atau beberapa germ line spesifik untuk setiap kelas antibodi, dan keanekaragamannya disebabkan karena tingginya frekuensi mutasi somatik, yaitu mutasi yang terjadi pada sel-sel somatik penghasil antibodi atau dalam garis sel yang mengarah pada penghasil antibodi.
  3. Hipotesis minigene. Keanekaragaman disebabkan oleh “suffling” (pengocokan) segmen-segmen kecil beberapa gen menjadi sejumlah besar kemungkinan kombinasi. Suffing akan terjadi melalui proses rekombinasi pada sel somatik (secara total ini memerlukan mekanisme untuk menyusun kembali segmen DNA).

  DAFTAR PUSTAKA

Gardner, E, J., Michael J. Simmons, D. Peter Snustad. 1991. Principles of Genetic Eighth Edition.
Lewin, B. 2004. Genes VIII Lewin. United States of America: Pearson Prentice Hall, PearsonEducation,Inc.

BEBERAPA HAL SPESIFIK TENTANG REKOMBINASI DAN
TRANSFORMASI BAKTERI

RESUME
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Genetika II
Rekombinasi Tidak Selalu Bersifat Resiprok pada Tapak Pindah Silang: Konversi Gen
            Kajian-kajian awal tentang pindah silang yang terjadi antara gen-gen yang berbeda menunjukkan bahwa tampaknya peristiwa itu bersifat resiprok. Namun demikian kemudian diketahui bahwa jika rekombinasi terjadi antara tapak-tapak berdekatan pada gen yang sama, maka dapat ditemukan perkecualian. Perkembangan lebih lanjut kemudian menunjukkan bahwa rekombinasi yang tidak resiprok sering ditemukan. Rekombinasi tidak resiprok yang terjadi antara dua tapak berdekatan dalam satu gen yang sama disebut konversi gen atau gen conversion (Gardner, 1991). Dinyatakan pula bahwa tampaknya konversi gen merupakan akibat pemotongan DNA dan sintesis perbaikan DNA yang terjadi pada daerah heterodupleks selama proses pemutusan dan penyambungan. Fenomena konversi gen paling baik dikaji pada khamir atau Neurospora (Watson, 1997; Gardner, 1991).
Bagan rekombinasi yang tidak resiprok
Dalam hal ini misalnya dilakukan persilangan antara dua mutan khamir Saccharomyses cerevisiae (jarak tapak kedua mutan itu sangat dekat dalam satu gen yang sama). Lebih lanjut jika askus-akus yang mengandung spora dianalisis, seringkali askus-askus tersebut tidak mengandung rekombinasi mutan ganda yang resiprok sebagaimana yang diharapkan. Sebagai contoh dilakukan persilangan dengan penanda mutan m1 dan m2. Jika persilangan tersebut adalah m1 m2+  ˃˂ m1+  m2 , maka askus-askus yang sering kali dijumpai adalah yang mengandung pasangan spora m1+  m2 , m1+ m2+  , dan m1 m2+  (Gardner, 1991). Dalam hal ini spora-spora mutan ganda m1 m2 yang merupakan hasil rekombinasi resiprok tidak ada dalam askus. Oleh karena itu rasio m2+ : m2 = 3: 1, dan bukan 2:2 seperti yang diharapkan. Kenyataan tersebut merupakan akibat rekombinasi yang tidak resiprok.

Rekombinasi Illegitimate (Illegitimate Rekombination)
            Rekombinasi Illegitimate adalah rekombinasi yang terjadi antara molekul-molekul DNA yang non homolog (Gardner, 1991). Seperti halnya rekombinasi spesifik tapak, mekanisme rekombinasi illegitimate juga tidak sama dengan mekanisme rekombinasi umum. Lebih lanjut pada E. coli macam rekombinasi itu juga tidak membutuhkan rec A, rec B, dan rec C (Ayala, 1984). Contoh rekombinasi illegitimate antara lain yang berkenaan dengan insersi elemen transposabel (misalnya elemen Is) ke dalam suatu lokus gen (Strickberger, 1985). Pada peristiwa tersebut memang urut-urutan DNA lokus tersebut tidak sama dengan urut-urutan DNA elemen Is. Sebagaimana diketahui akibat rekombinasi illegitimate yang melibatkan insersi elemen tersebut, fungsi gen akan terganggu atau hilang. Sebagai contoh misalnya insersi yang dilakukan oleh elemen Is ke dalam berbagai lokus (gen gal, E, K, dan T) pada genom E. coli yang terbukti menimbulkan mutasi-mutasi sehingga menggangu metabolisme galaktose.

Rekombinasi Independen terhadap Replikasi DNA
            Berdasar telaah rekombinasi yang dilakukan selama ini dapat diketahui bahwa kejadian rekombinasi independen  atau tidak terkait dengan peristiwa replikasi DNA. Dalam hal ini bilamana dua genotip fag misalnya a+ dan b+, dalam jumlah besar secara serempak menginfeksi suatu sel inang yang tumbuh pada medium ringan, pengamatan terhadap genotip partikel fag-fag yang tidak bereplikasi menunjukkan bahwa beberapa diantaranya bergenotip ++, dan ini merupakan bukti bahwa rekombinasi genotip-genotip induk dapat berlangsung secara independen terhadap replikasi DNA.


TRANSFORMASI BAKTERI
            Transformasi adalah suatu proses transfer informasi genetik dengan bantuan potongan DNA ekstarseluler (Russel, 1992). Jika bakteri donor dan resipien berbeda secara genetik, maka akan dihasilkan rekombinasi genetik yag terbentuk melalui peristiwa pindah silang yang melibatkan fragmen DNA dari donor dan DNA atau kromosom resipien. Sel-sel yang mengalami transformasi disebut sebagai transforman.
            Transformasi bakteri pertama kali diamati oleh F. Griffith pada 1928 dan pada 1944 Oswald Avery dkk membuktikan bahwa DNA bertanggung jawab terhadap perubahan genetik yang terjadi akibat transformasi (Gardner, 1991; Russel, 1992).

Transformasi Alami dan Transformasi Buatan
            Berdasar sifat kejadiannya dikenal adanya transformasi alami dan transformasi buatan (transformasi yang direkayasa) (Russel, 1992). Pada transformasi alami, bakteri memang mampu mengambil fragmen DNA secara alami sehingga mengalami transformasi secara genetik. Lain halnya dengan transformasi yang direkayasa, secara genetik bakteri memang dirubah dahulu secara genetik agar memungkinnya mengalami transformasi; dalam hal ini memungkinkannya mampu mengambil fragmen DNA sehingga akhirnya secara genetik mengalami transformasi. Contoh bakteri yang biasanya mengalami transformasi secara alami adalah Bacillus subtilis, dan contoh bakteri yang mengalami transformasi yang direkayasa adalah E. coli.
            Pengambilan molekul DNA oleh bakteri resipien adalah suatu proses aktif yang membutuhkan energi (Gardner, 1991). Pada kenyataannya memang tidak seluruh spesies bakteri  mengalami transformasi secara alami. Spesies yang dapat mengalami transformasi adalah yang memiliki mekanisme enzimatik yang terlibat pada peristiwa pengambilan fragmen DNA maupun pada proses rekombinasi.
            Dikalangan spesies-spesies yang dapat mengalami transformasi secara alami, tidak semua sel pada suatu populasi mampu secara aktif mengambil fragmen DNA. Sel-sel yang mampu secara aktif mengambil fragmen DNA sehingga memugkinkan terjadinya proses transformasi disebut sebagai sel-sel kompeten. sel-sel kompeten tersebut memiliki faktor kompeten, yang diduga merupakan suatu protein permukaan sel atau suatu enzim yang terlibat pada proses pengikatan atau pengambilan DNA. Jelas dapat diketahui bahwa sel-sel kompeten tersebut merupakan sel-sel resipien. Berkenaan dengan sel-sel kompeten yang memiliki faktor kompeten tersebut, telah diketahui pula bahwa proporsi sel-sel kompeten pada suatu kultur berubah mengikuti kondisi pertumbuhan maupun tingkat kurva pertumbuhan. Dalam hal ini dapat diketahui bahwa jumlah sel-sel kompeten paling banyak diketahui pada bagian akhir fase log.
DAFTAR PUSTAKA
Duran, Corebima. Tanpa Tahun. Beberapa Hal Spesifik tentang Rekombinasi dan Transformasi Bakteri. Malang: Universitas Negeri Malang 
REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOTIK
(Induksi dan Represi pada Prokaryot, Model Operon, dan
 lac, Suatu Operon yang Dapat Diinduksi (Inducible Operon) )

RANGKUMAN
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Genetika II
REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOTIK

Bakteri seperti Escherichia coli tersebar di berbagai kondisi lingkungan. Sel Escherichia coli mengalami perubahan kondisi pertumbuhan yang cepat pada saat melewati tractus intestinalis ke sistem pembuangan kemudian ke sungai, danau, dll. Bakteri ini dapat beradaptasi terhadap kondisi lingkungan yang beragam. Kemampuan adaptasi organisme bergantung pada kemampuannya untuk ‘turn on’  (menyalakan) dan ‘turn off’ (mematikan) ekspresi set-set gen yang spesifik bergantung pada lingkungan. Ekspresi gen tertentu akan dinyalakan apabiila diperlukan dan akan dimatika apabila sudah tidak diperlukan. Dengan memiliki kemampuan untuk meregulasi ekspresi gen maka organisme dapat tumbuh dan berkembangbiak pada berbagai kondisi lingkungan (Gardner, 1991).
            Gen-gen tertentu, seperti gen-gen yang spesifik untuk RNA ribosom, protein ribosom, dan RNA transfer diperlukan setiap saat tanpa memperhatikan kondisi lingkungan. Namun beberapa produk gen tertentu hanya diperlukan untuk pertumbuhan pada kondisi lingkungan tertentu, ekspresi gen diregulasi dan produknya disintesis hanya bila diperlukan (Gardner, 1991)
            Berdasarkan regulasi transkripsi pada eukaryot dan prokaryot yang diketahui saat ini, berbagai mekanisme dapat dikelompokkan ke dalam dua kategori umum yaitu sebagai berikut:
1.      Mekanisme yang terlibat dala ‘turn on’ dan ‘turn off’ yang cepat pada ekspresi gen dalam respon terhadap perubahan lingkungan.
2.      Mekanisme yang disebut preprogrammed circuits of gene expression
(Gardner, 1991).

A.      Induksi dan Represi pada Prokaryot
            Produk gen tertentu seperti molekul tRNA, molekul rRNA, protein ribosom, komponen RNA polimerase (polipeptida), dan enzim pengkatalis dalam proses metabolik yang sering berfungsi sebagai ‘housekeeping’ merupakan komponen esensial bagi sebagian besar sel hidup. Gen spesifik untuk produk tersebut tergolong continually beng expressed pada sebagian besar sel. Gen tersebut diekspresikan secara konstitutif dan disebut dengan gen-gen konstitutif (gen dasar/ gen pokok) (Gardner, 1991).
            Beberapa gen lain diperlukan untuk pertumbuhan sel dalam kondisi lingkungan tertentu. Sintesis konstitutif dari produk gen tersebut akan memboroskan energi yang semestinya dapat digunakan untuk pertumbuhan yang lebih cepat dan reproduksi di bawah kondisi lingkungan tersebut. Evolusi dari mekanisme regulasi menyebabkan sintesis produk gen hanya, jika, dan dimana produk tersebut diperlukan. Organisme yang memiliki mekanisme tersebut mempunyai kelebihan dibandingkan dengan organisme lain, karena sangat efisien dalam kontrol ekspresi gen (Gardner, 1991).
            Escherichia coli dan sebagian besar bakteri lain mampu menggunakan salah satu dari beberapa macam karbohidrat (glukosa, sukrosa, galaktosa, arabinosa, laktosa) sebagai sumber energi. Apabila glukosa tersedia di lingkungan, maka Escherichia coli akan lebih memilihnya untuk bahan metabolisme. Apabila glukosa tidak tersedia, Escherichia coli masih tetap dapat tumbuh dengan baik dengan menggunakan karbohidrat lain. Sel-sel yang tumbuh di dalam laktosa akan mensintesis β-galaktosida dan β-galaktosida permease yang merupakan enzim katabolisme laktosa. β-galaktosidase yang berperan dalam proses pemecahan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, dan β-galaktosida permease yang berperan dalam pemompaan β-galaktosida ke dalam sel. Sintesis enzim-enzim tersebut memerlukan energi dalam bentuk ATP dan ADP (Gardner, 1991).
            Pada lingkungan yang alami (tractus intestinal dan sistem pembuangan), terkadang Escherichia coli menghadapi keadaan dimana tidak tersedianya glukosa, melainkan tersedianya laktosa. Pada keadaan tersebut, gen Escherichia coli yang terlibat dalam penggunaan laktosa tidak terekspresi. Apabila sel bakteri yang tumbuh dalam karbohidrat selain laktosa dipindahkan ke medium yang mengandung laktosa sebagai satu-satunya sember karbon, maka sel bakteri tersebut akan mensintesis enzim yang diperlukan untuk penggunaan laktosa. Proses ekspresi gen yang ‘turn on’ oleh respon substansi dalam lingkungan disebut induksi.Gen yang terekspresi disebut inducible genes, produk yang dihasilkan disebut inducible enzymes bila produk berupa enzim. Substansi lain yang dapat direspon disebut inducer (Gardner, 1991).
            Enzim yang terlibat di dalam lintasan katabolik (degradasi) seperti dalam penggunaan arabinosa, galaktosa, dan laktosa dapat diinduksi. Proses induksi tersebut terjadi pada tahapan transkripsi. Induksi akan mengubah kecepatan sintesis enzim.
            Bakteri memiliki kapasitas metabolik untuk sintesis sebagian besar molekul organik, misalnya Escherichia coli, bakteri ini memiliki lima gen pengkode enzim yang diperlukan dalam sintesis triptofan. Kelima gen tersebut akan diekspresikan ketika Escherichia coli berada dalam lingkungan tanpa triptofan. Apabila di lingkungan tersedia cukup triptofan untuk pertumbuhan yang optimal, maka sintesis triptofan lebih lanjut dapat memboroskan energi karena  bakteri tersebut dapat menganbil triptofan eksternal. Sintesis enzim biosistematik triptofan di ‘turn off’ apabila triptofan tersedia di lingkungan eksternal. Proses ‘turn off’ tersebut disebut dengan represi. Suatu gen yang ekspresinya di’turn off’ disebut direpresi dan apabila ekspresi tersebut di’turn on’ gen dikatakan diderepresi. Enzim yang merupakan komponen lintasan anabolik sering direpresi. Represi terjadi pada tahap transkripsi (Gardner, 1991).

B.       Model Operon
Pada tahun 1965 F. Jacob dan J. Monod mengemukakan model operon untuk menjelaskan regulasi gen yang mengkode enzim untuk pemanfaatan laktosa pada E coli. Keduanya mengusulkan bahwa transkripsi satu atau satu set gen struktual yang berdampingan/bersebelahan/berdekatan, diregulasi oleh elemen-elemen engendali, salah satunya yaitu gen regulator yang mengkode suatu protein yang disebut represor, dibawah kondisi tertentu represor mengikat elemen kedua yaitu operator. Jika represor diikat operator, transkripsi gen-gen struktual tidak dapat terjadi. Saat ini telah diketahui bahwa pengikatan represor pada operator mencegah RNA polimerase dari pengikatan promotorsite, yang terletak bersebelahan dengan urutan operator. Operator biasanya terletak diantara promoter dan gen-gen struktural. Suatu unit bersebelahan yang lengkap terdiri dari gen struktural, operator dan promoter disebut  operon (Gardner, 1991).
Perbedaan essensial antar ‘inducible operon’ dan ‘repressible operon’ adalah:
1.      Pada fenomena inducible operon, reseptor bebas mengikat operator, transkripsi ‘turn off’.
2.      Pada fenomenan repressible operon, reseptor bebas tidak dapat menikat operator. Hanya kompleks molekul represor-efektor yang aktif mengikat operator.
Suatu transkripsi mRNA tunggal membawa kode informasi suatu keseluruhan eperon. Jadi mRNA pada operon terdiri atas lebih dari satu gen struktural atau poligenik. Sebagai contoh, mRNA operon triptofan pada  E. coli adalah makromolekul besar yang membawa urutan pengkode lima polipeptida berbeda yang spesifik. Oleh karena adanya ko-trankripsi, semua gen struktural dalam suatu operon terekspresi secara terkoordinasi (Gardner, 1991).

C.      lac, Inducible Operon
            Jacob dan Monod mengusulkan model operon yang sebagian besar dihasilkan dari hasil studi mereka pada operon lac E. coli. Operon lac terdiri dari sebuah promotor, operator dan 3 gen struktural, z, y, dan a, yang mengkode enzim β-galaktosidase, β-galaktosida permease, dan β-galaktosida transasetilase secara berurutan. β-galaktosida permease memompa laktosa ke dalam sel, β-galaktosidase memecah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Fungsi β-galaktosida belum jelas.
Gen regulator lac disimbolkan dengan gen i, yang mengkode suatu represor yaitu 360 asam amino. Bentuk aktif represor lac adalah tetramer yang mengandung 4 copi produk gen i. Apabila tidak terdapat inducer, represor akan mengikat urutan operator lac, mencegah polimerase RNA dari pengikatan pada promotor dan transkripsi gen-gen struktural. Beberapa molekul produk gen z, y, dan a disintesis dalam keadaan tidak terinduksi, menyebabkan ektivitas enzim dalam tingkatan lemah. Tingkatan aktivitas tersebut penting untuk induksi operon lac karena induser dari operon, allolaktosa, merupakan derivat dari laktosa dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh β-galaktosidase. Segera setelah terbentuk, allolactosa mengikat represor, menyebabkan represor terlepas dari operator. Hal tersebut menginduksi transkripsi gen struktural z, y, dan a (Gardner, 1991).
Gen i lac, operator, dan promotor pada awalnya diidentifikasi secara genetik melalui isolasi dari mutasi dalam genetik unit-unit ini yang menyebabkan unit-unit tersebut tidak berfungsi. Mutasi dalam gen i dan operator seringkali menghasilkan sintesis laktosa, dengan memanfaatkan enzim. Mutasi ini didesain i- dan oc , secara berturut. Mutasi i- dan oc bisa dibedakan tidak hanya oleh posisi map, tetapi juga oleh kelakuan mereka pada F’ merozigot dimana mereka berlokasi pada konfigurasi cis dan trans relatif pada mutasi dai struktur gen lac.
            Beberapa mutasi gen i, yang didesain i-d adalah alel wild type dominan. Dominansi ini ruanya dihasilkan dari ketidakmampuan heteromultimer (lac operator yang berfungsi sebagai tetromer), yang berisi polipeptida wild-type dan mutan, yang mnegikat urutan operator. Mutasi gen i lain, yang didesain i-s , menyebabkan operon lac menjadi uninducible. Ketika dikaji secara in vitro, mutan i-s bentuk tetramer polipeptida yang mengikat operator lac DNA (Gardner, 1991).
Ketika sel-sel dari E. coli ditumbuhkan tanpa β-galactosidase, tidak memerlukan β-galactosidase, dan sel-sel tersebut berisi beberapa molekul enzim. Ketika substrat yang cocok ditambahkan, maka tampak aktivitas enzim cepat dalam bakteri tersebut. Dalam 2-3 menit setelah enzim dihadirkan, segera ada 5000 molekul enzim dari setiap bakteri. Ketika substrat dipindahkan dari medium, maka sintesis enzim akan berhenti dengan cepat seperti keadaan semula (Lewin, 2004).

(Sumber: Lewin, 2004, p: 284)
Gambar diatas menunjukkan kebutuhan induksi. Kontrol transkripsi dari gen lac merespon dengan cepat pada inducer seperti ditunjukkan pada bagian atas gambar. Ketidakhadiran inducer menyebabkan operon ditranskripsi pada level sangat lemah. Transkripsi berhenti segera setelah inducer dimatikan.                  
Promotor lac mengandung dua komponen yang secara fungsional berbeda:
  1. RNA polimerase binding site
  2. Suatu binding site untuk protein lain yang disebut CAP (Catabolite Activator Protein), yang berfungsi seperti operon lac, yaitu tidak ditranskripsikan apabila terdapat glukosa pada konsentrasi yang cukup untuk pertumbuhan yang optimal.
Pertanyaan:
1.      Apabila pada suatu lingkungan hanya tersedia laktosa (tidak ada glukosa), bagaimana cara Escherichia coli beradaptasi dan mempertahankan dirinya agar tetap mampu tumbuh dan berkembangbiak?
2.      Jelaskan perbedaan essensial antar ‘inducible operon’ dan ‘repressible operon’.
  1. Jelaskan fungsi enzim β-galaktosidase, β-galaktosida permease, dan β-galaktosida transasetilase serta jelaskan komponen penyusun promotor lac.
Jawaban:
1.      Apabila berada dalam lingkungan yang hanya mengandung laktosa, agar mampu terus tumbuh dan berkembangbiak Escherichia coli akan melakukan suatu mekanisme ‘turn on’. Bakteri ini akan mensintesis enzim β-galaktosida dan β-galaktosida permease yang merupakan enzim katabolisme laktosa, β-galaktosidase yang berperan dalam proses pemecahan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, dan β-galaktosida permease yang berperan dalam pemompaan β-galaktosida ke dalam sel.
2.      Pada fenomena inducible operon, reseptor bebas mengikat operator, transkripsi ‘turn off’ apabila terdapat molekul efektor 9inducer), akan mengikat represor, melepaskan represor dari operator sehingga kompleks represor-inducer tidak mengkat operator.
Pada fenomenan repressible operon, reseptor bebas tidak dapat menikat operator. Hanya kompleks molekul represor-efektor yang aktif mengikat operator.
  1. β-galaktosida permease memompa laktosa ke dalam sel, β-galaktosidase memecah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Fungsi β-galaktosida belum jelas.
Promotor lac terdiri dari dua komponen, yaitu: (1) RNA polimerase binding site, (2) Suatu binding site untuk protein lain yang disebut CAP (Catabolite Activator Protein), yang berfungsi seperti operon lac, yaitu tidak ditranskripsikan apabila terdapat glukosa pada konsentrasi yang cukup untuk pertumbuhan yang optimal.


DAFTAR PUSTAKA

Gardner, E, J., Michael J. Simmons, D. Peter Snustad. 1991. Principles of Genetic Eighth Edition.
Lewin, B. 2004. Genes VIII Lewin. United States of America: Pearson Prentice Hall, PearsonEducation,Inc.
REGULASI EKSPRESI GEN DAN PERKEMBANGANNYA
PADA EUKARIOTIK


RANGKUMAN
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Genetika II
Regulasi dengan Splicing Alternatif Transkripsi
            Seperti yang telah diketahui pada bagian sebelumnya bahwa regulasi transkripsi memiliki peranan penting dalam mengontrol perkembangan pada organisme eukariot. Hal ini tidak berarti bahwa cara regulasi lain tidak penting. Proses regulasi transkripsi terjadi pada banyak sistem dan terjadi dengan beberapa mekanisme. Regulasi terjadi dengan merubah stabilitas transkripsi, diferensiasi transpot ke sitoplasma, dan dengan diferensiasi translasi dari proses transkripsi (Gardner,1991).
            Gen dengan intron yang banyak dapat memberi masalah yang rumit pada mesin splicing. Intron-intron tersebut dapat dihapus secara terpisah maupun kombinasi, bergantung pada interaksi mesin splicing dengan RNA. Jika dua intron berturut-turut dihapus bersamaan, ekson yang terletak diantara intron-intron tersebut juga akan terhapus. Disinilah, mesin splicing memiliki kesempatan untuk mengubah urutan pengkodean RNA dengan menghapus
beberapa eksonnya. Fenomena transkrip splicing RNA dengan cara yang berbeda
merupakan cara penghematan informasi genetik. Splicing alternatif transkrip membuat kemungkinan bagi sebuah gen tunggal untuk mengkodekan polipeptida yang berbeda (Snustad, 2012).
            Sejumlah contoh dari splicing alternatif telah diketahui. Salah satunya adalah transkripsi dari antena Drosophila yang diketahui mengalami splicing alternatif pada fase embrio dan pupa.
Contoh lain dari splicing alternatif terjadi pada kasus gen tropomiosin dari Drosophila dan hewan verterbrata. Tropomiosin adalah protein yang menengahi interaksi antara aktin dan troponin dan membantu regulasi kontraksi otot. Pada jaringan yang berbeda, otot maupun nonotot, dicirikan dengan kehadiran isoform tropomiosin yang berbeda. Hal ini dapat diartikan bahwa banyak isoform diproduksi dari gen yang sama oleh splicing alternatif (Gardner,1991).
            Contoh lain dari splicing alternatif tejadi selama ekspresi gen troponin T, yaitu suatu protein yang ditemukan pada otot skeletal dari vertebrata. Ukuran dari protein ini antara 150-250 asam amino. Pada tikus, gen troponin T terdiri dari 18 exon yang berbeda. Transkripsi pada gen ini displicing dengan cara yang berbeda untuk menghasilkan sejumlah mRNA. Ketika ditranslasi banyak polipeptida troponin T yang dihasilkan. Semua polipeptida membagi asam amino dari ekson 1-3, 9-15, dan 18. Daerah yang tidak dikodekan (4-8) oleh ekson mungkin di berikan atau dihilangkan, bergantung kepada pola splicing dan juga pada banyaknya kombinasi. Susunan mRNA dimediasi oleh spliceosomes (organel inti) (Snustad, 2012).


(Sumber: Snustad, 2012)

Beberapa tipe dari sistem splicing (Lewin,2004):
  1. Intron dihapus dari pre-mRNA inti dari eukariot tingkat tinggi oleh sebuah sistem yang hanya mengenal urutan konsensus pada batas intron-ekson dan dalam intron. Reaksi ini memerlukan sejumlah alat splicing (spliceosome).
  2. RNAs tertentu memiliki kemampuan untuk menghilangan intron mereka.
  3. Penghapusan intron dari prekursor inti tRNA yeast melibatkan
    kegiatan enzimatik yang menangani substrat dengan cara yang mirip dengan enzim pemrosesan tRNA yang memiliki fitur penting yang sesuai dengan prekursor tRNA.

Saat ini kita belum dapat mengetahui bagaimana pentingnya penggunaan alternatif splicing yang bisa merubah keseluruhan ekspresi gen. Yang dapat diketahui hanyalah contoh-contoh baru dari penggunaan alternatif splicing transkipsi yang ditemukan hampir setiap hari. Jelasnya, regulasi ekspresi gen oleh control jalan alternatif splicing memiliki mekanisme yang signifikan dalam regulasi pada eukariot tingkat tinggi (Gardner,1991).

Regulasi Ekspresi Gen Jalur Kompleks Pada Eukaryote
Menurut R.J. Britten dan E.H Davidson regulasiekspresi gen pada eukaryote melibatkan banyak gen. Menurut model tersebut sensor  gen memilki binding site yang bersifat spesifik pada satu signal. Ketika suatu sensor gen menerima signal, maka sensor gen akanberinteraksidengan integrator gen menghasilkan activator RNA yang akan berinteraksi dengan sequence khusus pada reseptor gen yang dapat memicu transkripsi yang dekat dengan producer gen.
Model menggunakan lebih dari 1 reseptor gen
(a)
 
Model menggunakan lebih dari 1 integrator gen
Pembentukan RNAd pada model 2 Davidson dan Britten adalah di mulai dari gen struktural yang terletak di constitutive transcription units yang akan di transkripsikan pada level basal pada semua sel. Namun transkripsi ini hanya akan di proses pada sel. Transkripsi konstritutif ini hanya di proses pada sel yang mengandung intergrating regulatory transcript. Pada akhirnya akan di transkripsikan sel dengan yang spesifik dan harus ada sebelum hasil transkripsi konstitutif dari gen struktural tersebutdapat di proses menjadi RNAd.
Intergrating regulatory transcript mengandung sekuen repetitif yang berinteraksi dengan hasil transkripsi gen struktural yang berbeda seperti gen intergrator repetitif yang berinteraksi dengan gen-gen reseptor yang berbeda pada model Davidson-Britten yang asli.







Pertanyaan:
1.      Jelaskan kapan terjadi proses splicing alternatif serta bagaimana mekanisme terjadinya?
2.      Jelaskan mekanisme ekspresi gen jalur kompleks menurut R.J. Britten dan E.H Davidson (model 1), dan apa perbedaan kedua jalur dari model 1?
3.      jelaskan mengenai pembentukan RNAd dalam model Davidson dan Britten pada model 2!

Jawaban:
1.    Splicing alternatif terjadi pada tahap pasca-transkripsi (jeda waktu antara transkripsi dan translasi). Ekson yang telah mengalami transkripsi pada tahap pasca-transkripsi tersebut displicing dengan alternatif yang berbeda sehingga menghasilkan banyak mRNA yang berbeda. Susunan mRNA yang berbeda-beda yang dihasilkan tersebut bergantung kepada tipe splicing RNA. Berikut ini beberapa tipe dari sistem splicing yang menentukan susunan mRNA yang dihasilkan:
a.       Intron dihapus dari pre-mRNA inti dari eukariot tingkat tinggi oleh sebuah sistem yang hanya mengenal urutan konsensus pada batas intron-ekson dan dalam intron. Reaksi ini memerlukan sejumlah alat splicing (spliceosome).
b.      RNAs tertentu memiliki kemampuan untuk menghilangan intron mereka.
c.       Penghapusan intron dari prekursor inti tRNA yeast melibatkan
kegiatan enzimatik yang menangani substrat dengan cara yang mirip dengan enzim pemrosesan tRNA yang memiliki fitur penting yang sesuai dengan prekursor tRNA.
(Lewin,2004)
2.    Ketika suatu sensor gen menerima signal, maka sensor gen akan berinteraksi dengan integrator gen menghasilkan activator RNA yang akan berinteraksi dengan sequence khusus pada reseptor gen yang dapat memicu transkripsi yang dekat dengan producer gen. Pada model 1 terdapat dua jalur yang berbeda, yang membedakan pada kedua jalur tersebut adalah: pada jalur a integrator gen yang berinteraksi dengan sensor hanya satu dan reseptor gen pada struktur gen ada lebih dari satu. Sedangkan pada jalur b, integrator gen yang berinteraksi dengan sensor lebih dari satu dan reseptor gen pada stuktur gen hanya satu macam. Meskipun integrator gen yang berinteraksi dengan sensor lebih dari satu, tetapi masing-masing integrator akan menghasilkan aktivator RNA yang berbeda.
3.    Pembentukan RNAd pada model 2 Davidson dan Britten adalah di mulai dari gen struktural yang terletak di constitutive transcription units yang akan di transkripsikan pada level basal pada semua sel. Transkripsi konstritutif ini hanya di proses pada sel yang mengandung intergrating regulatory transcript. Pada akhirnya akan di transkripsikan sel dengan yang spesifik dan harus ada sebelum hasil transkripsi konstitutif dari gen struktural tersebut dapat di proses menjadi RNAd.



DAFTAR PUSTAKA

Gardner, E, J., Michael J. Simmons, D. Peter Snustad. 1991. Principles of Genetic Eighth Edition.
Lewin, B. 2004. Genes VIII Lewin. United States of America: Pearson Prentice Hall, PearsonEducation,Inc.
Snustad and Simmons. 2012. Principles of Genetic Sixth Edition. United States of America: John Wiley and Sons, Inc