REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOTIK

(Induksi dan Represi pada Prokaryot, Model Operon, dan

 lac, Suatu Operon yang Dapat Diinduksi (Inducible Operon) )

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 o^c , secara berturut. Mutasi i^- dan o^c 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’.

3. 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.

3. 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.