Sabtu, 15 Desember 2012

PENGENDALIAN EKSPRESI GENETIK PADA PROKARYOT


Di dalam sel prokaryot, ada beberapa gen struktural yang diekspresikan secara bersama-sama dengan menggunakan satu promoter yang sama. Kelompok gen semacam ini disebut sebagai operon. Gen-gen semacam ini pada umumnya adalah gen-gen yang terlibat di dalam suatu rangkain reaksi metabolisme yang sama, misalnya metabolisme laktosa, arabinosa, dan lain-lain. Pengelompokan gen-gen semacam ini dalam suatu operon membuat sel menjadi lebih efisien, di dalam melakukan proses ekspresi. Sebaliknya, di dalam sistem jasad eukaryot, sistem organisasi operon semacam ini tidak ada karena setiap gen (struktural) di atur oleh satu promoter tersendiri.
            Secara umum dikenal dua sistem pengendalian ekpresi genetik yaitu pengendalian positif dan pengendalian negatif. Pengendalian (regulasi) pada suatu gen atau operon melibatkan aktivitas suatu gen regulator. Pengendalian positif pada suatu operon artinya operon tersebut dapat diaktifkan oleh produk ekpresi gen regulator. Sebaliknya, pengendalian negatif berarti operon tersebut dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Produk gen regulator ada dua macam yaitu aktivator, yang berperan dalam pengendalian secara positif, dan represor yang berperan dalam pengendalian negatif. Produk gen regulator (aktivator atau represor) bekerja dengan cara menempel pada sisi pengikatan protein regulator pada daerah promoter gen yang diaturnya. Pengikatan aktivator yang biasanya berupa molekul kecil, misalnya asam amino, gula, atau metabolit serupa lainnya. Molekul efektor yang mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut disebut induser (inducer), sedangkan yang bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut represor.         

Pengendalian Negatif Operon Laktosa (Iac)
Sistem operon lac adalah sistem pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam metabolisme laktosa. Sistem tersebut pertama kali ditemukan pada bakteri Escherichia coli oleh Francois Jacob dan Jacques Monod dibantu oleh Arthur Pardee pada akhir tahun 1950-an. Laktosa adalah disakarida yang tersusun atas glukosa dan galaktosa. Jika bakteri E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung sumber karbon glukosa dan laktosa secara bersama-sama, maka E. coli akan menunjukkan pola pertumbuhan yang spesifik. Setelah melalui fase adaptasi, E. coli memasuki fase eksponensial yang ditandai dengan fase stasioner. Setelah mencapai fase stasioner beberapa saat, kemudian bakteri akan tumbuh lagi memasuki fase eksponensial kedua sampai akhirnya mencapai fase stasioner akhir. Dalam fase pertumbuhan semacam ini ada dua fase eksponensial. Pada eksponensial pertama, E. coli menggunakan  glukosa sebagai sumber karbon sampai akhirnya glukosa habis dan E. coli mencapai fase stasioner yang pertama. Selanjutnya pada fase eksponensial kedua, E. coli menggunakan laktosa setelah glukosa benar-benar habis. Pada fase stasioner yang pertama sebenarnya yang terjadi adalah proses ‘adaptasi’ kedua karena pada saat inilah sebenarnya mulai terjadi proses induksi sistem operon laktosa yang akan digunakan untuk melakukan metabolisme laktosa. Pola pertumbuhan semacam ini disebut pola pertumbuhan diauksik (diauxic) yang berasal dari bahasa Latin auxillium yang berarti bantuan karena kedua macam gula tersebut membantu bakteri untuk tumbuh.
            Pada fase stasioner pertama, operon laktosa yang terdiri atas beberapa gen mulai diaktifkan. Operon laktosa terdiri atas 3 gen struktural utama yaitu gen lacZ (mengkode enzim β-galaktosidase), gen lacY (mengkode permease galaktosida), dan gen lacA (transasetilase thiogalaktosida). Ketiga gen struktural yang berbeda tersebut dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang sama dan menghasilkan satu mRNA yang bersifat polisistronik (polycistronic) karena dalam satu transkrip terdapat lebih dari satu cistron (sinonim dari kata gen). Masing-masing cistron tersebut ditranslasi menjadi tiga polipeptida yang berbeda tetapi semuanya terlibat di dalam metabolisme laktosa. Selain ketiga gen struktural tersebut, juga terdapat gen regulator lacl yang mengkode suatu protein represor (tersusun atas 360 asam amino) dan merupakan bagian sistem pengendalian operon laktosa. Operon laktosa dapat dikendalikan secara negatif maupun secara positif.
            Enzim β-galaktosidase (tetramerik dengan empat subunit identik berukuran 116,4 kDa) adalah enzim utama yang digunakan untuk memotong ikatan β-galaktosidik (ikatan β-1,4) yang ada pada molekul laktosa (disebut juga β-galaktosida) sehingga dihasilkan dua monosakarida, yaitu glukosa dan galaktosa. Enzim permease galaktosida (berukuran 46,5 kDa) adalah enzim yang berperanan di dalam pengangkutan laktosa dari luar ke dalam sel. Enzim yang ketiga, yaitu transasetilase thiogalaktosida (30 kDa), sampai sekarang belum diketahui secara jelas peranannya dalam metabolisme laktosa.
            Pengendalian operon  laktosa secara negatif dilakukan oleh protein represor yang dikode oleh gen lacl. Represor lacl adalah suatu protein tetramerik yang tersusun atas empat polipeptida yang identik. Represor ini menempel pada daerah operator (lacO) yang terletak di sebelah hilir dari prometer operator  lac berukuran sekitar 28 pasangan basa. Penempelan represor semacam ini menyebabkan RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural lacZ, lacY, dan lacA sehingga operon laktosa dikatakan mengalami represi. Proses penekanan atau represi semacam ini akan terjadi terus-menerus selama tidak ada laktosa di dalam sel. Inilah yang disebut sebagai mekanisme efisiensi selular karena sel tidak perlu mengaktifkan karena sel tidak perlu mengaktifkan operon laktosa jika memang tidak ada laktosa sehingga energy selular dapat dihemat. Sel akan cenderung untuk menggunakan sumber karbon yang lebih sederhana terlebih dahulu, misalnya glukosa, untuk memenuhi kebutuhan selularnya. Setelah tidak ada lagi glukosa di dalam sel, maka sel akan mencari alternatif sumber karbon yang tersedia. Jika sel E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung glukosa dan laktosa , maka setelah glukosa benar-benar habis sel akan melakukan metabolisme laktosa yang ada dengan cara mengaktifkan terlebih dahulu sistem operon laktosa. Proses pengaktifkan operon laktosa semacam ini disebut sebagai proses induksi.
            Induksi operon laktosa dapat terjadi jika ada laktosa di dalam sel.  Laktosa yang ada di dalam medium pertumbuhan sel diangkut ke dalam sel dengan menggunakan enzim permease galaktosida. Operon laktosa sebenarnya tidak sepenuhnya ketat karena di dalam sel selalu ada produk ekspresi operon ini meskipun pada aras paling dasar (basal level). Oleh karena itu, meskipun belum ada induksi sepenuhnya, di dalam sel sudah ada produk enzim permease galaktosida. Enzim inilah yang akan mengangkut laktosa ke dalam sel. Demikian pula dengan halnya dengan enzim β-galaktosidase di dalam sel yang selalu ada dalam jumlah terbatas, meskipun belum ada induksi sepenuhnya, sehingga dapat mengubah laktosa menjadi allolaktosa. Laktosa adalah disakarida glukosa-galaktosa yang terikat melalui ikatan β-1,4, sedangkan allolaktosa mempunyai ikatan β-1,6. Allolaktosa inilah yang sesungguhnya menjadi induser untuk mengaktifkan operon laktosa.        
            Selama tidak ada proses induksi, molekul represor yang dikode oleh lacl akan selalu menempel pada operon lac. Meskipun demikian, RNA polimerase tetap dapat menempel pada promoter lac, hanya saja tidak dapat melakukan transkripsi karena terhambat oleh molekul represor yang menempel pada daerah operator. Represor yang dikode oleh lacl merupakan molekul protein allosterik yang mempunyai sisi pengikatan yang berbeda untuk DNA dan molekul induser. Protein allosterik (allos (Latin) artinya lain, sedangkan sterik berasal dari kata stereo yang berarti bentuk) adalah protein yang mempunyai dua sisi pengikatan dengan molekul lain. Jika protein tersebut berikatan dengan suatu molekul, maka hal ini akan mengubah bentuk protein pada sisi yang lain sehingga mengubah interaksinya dengan molekul kedua. Molekul induser dapat terikat pada represor yang berada dalam keadaan bebas di dalam sel maupun pada saat represor terikat pada DNA. Dengan adanya induser (laktosa yang diubah menjadi allolaktosa) maka molekul induser akan menempel pada represor. Penempelan tersebut akhirnya mengubah secara allosterik konformasi molekul represor sehingga represor tidak dapat menempel lagi pada operator. Oleh karena itu, daerah operator berada dalam keadaan bebas sehingga dapat dilewati oleh RNA polimerase untuk melakukan transkripsi gen lacZ, lacY, dan lacA. Setelah ditranskripsi, transkrip yang membawa kodon-kodon untuk ketiga macam enzim tersebut selanjutnya ditranslasi menghasilkan enzim β-galaktosidase, permease galaktosida, dan transasetilase thiogalaktosida. Enzim β-galaktosidase dan permease galaktosida itulah yang akhirnya digunakan untuk metabolisme laktosa.


            Gambar Operon  Lac
Pengendalian Operon Triptofan (trp)
Operon trp berperan di dalam sintesis asam amino triptofan pada E. coli. Operon trp dikendalikan melalui dua macam mekanisme yaitu: (1) penekanan (represi) oleh produk akhir ekpresi, dan (2) pelemahan (attenuation). Operon ini dikendalikan secara negatif oleh suatu represor seperti pada operon lac. Meskipun demikian, ada perbedaan fundamental antara kedua operon tersebut. Operon lac adalah operon yang mengkode enzim-enzim katabolik, yaitu enzim yang digunakan untuk merombak suatu senyawa, sedangkan operon trp adalah operon yang mengkode enzim-enzim anabolik yang digunakan untuk sintesis suatu senyawa. Operon untuk enzim katabolik cenderung akan diaktifkan jika ada senyawa yang akan dirombak, misalnya laktosa. Sebaliknya, operon untuk enzim anabolik pada umumnya akan dinon-aktifkan jika tersedia senyawa yang akan disintesis, misalnya asam amino triptofan. Oleh karena itu, jika di dalam sel sudah tersedia cukup triptofan maka operon trp akan dinon-aktifkan. Selain dengan mekanisme pengendalian negatif semacam ini, operon trp juga mempunyai mekanisme pengendalian lain, yaitu mekanisme pelemahan yang tidak ada pada operon lac.
            Pengendalian negatif operon trp dilakukan dengan cara menekan ekspresi gen-gen dalam operon ini pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak. Operon trp terdiri atas 5 gen struktural, yaitu trpE, D,C,B, dan A. Promoter dan operator operon ini terletak pada daerah yang sama. Hal ini berbeda dengan operator lac yang terletak tepat pada sisi sebelah hilir promoter lac. Pada daerah hilir setelah promoter, tetapi sebelum daerah gen struktural, terdapat suatu urutan nukleotida (trpL) yang mengkode suatu polipeptida awal berukuran pendek (leader peptide) yang terdiri atas 14 asam amino dan tidak fungsional sebagai protein. Sekuens gen peptida awal tersebut mempunyai kodon inisiasi translasi AUG diikuti oleh 13 kodon asam amino dan kodon terminasi translasi UGA. Gen struktural trpE mempunyai kodon inisiasi translasi (AUG) tersendiri yang berbeda dari kodon inisiasi pada sekuens peptida awal. Setelah sekuens trpL terdapat suatu sekuens yang mempunyai fungsi khusus dalam pengendalian dengan mekanisme pelemahan (attenuation) yang disebut sebagai daerah attenuator. Selain itu, juga ada gen regulator operon trp yaitu trpR yang mengkode sintesis aporepresor yang tidak aktif jika tidak ada triptofan.
            Pada saat triptofan tidak tersedia, atau hanya tersedia dalam jumlah sangat terbatas, gen trpR hanya menghasilkan aporepresor yang tidak mampu menempel pada daerah operator sehingga RNA polymerase dapat dengan mudah melakukan transkripsi gen-gen structural trpE, D, C, B dan A setelah melewati daerah attenuator. Sebaliknya pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak, aporepresor yang dikode oleh trpR akan berikatan dengan molekul triptofan (disebut sebagai ko-represor) sehingga terjadi perubahan struktural pada protein aporepresor menjadi protein represor yang fungsional. Perubahan structural tersebut mengakibatkan represor dapat menempel pada daerah promoter operon trp sehingga RNA polymerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen structural. 
   Gambar  Operon trp
                        

1 komentar: