KONTROL EKSPRESI GEN

A.      Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen

Produk-produk gen tertentu seperti protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase, dan enzim-enzim yang mengatalisis berbagai reaksi metabolisme yang berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel merupakan komponen esensial bagi semua sel. Gen-gen yang menyandi pembentukan produk semacam itu perlu diekspresikan terus-menerus sepanjang umur individu di hampir semua jenis sel tanpa bergantung kepada kondisi lingkungan di sekitarnya. Sementara itu, banyak pula gen lainnya yang ekspresinya sangat ditentukan oleh kondisi lingkungan sehingga mereka hanya akan  diekspresikan pada waktu dan di dalam jenis sel tertentu. Untuk gen-gen semacam ini harus ada mekanisme pengaturan ekspresinya.

Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi, prosesing mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi pada tahap transkripsi.

Mekanisme pengaturan transkripsi, baik pada prokariot maupun pada eukariot, secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu (1) mekanisme yang melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan kondisi lingkungan dan (2) sirkit ekspresi gen yang telah terprogram (preprogramed circuits). Mekanisme penyalapadaman sangat penting bagi mikroorganisme untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkali terjadi secara tiba-tiba. Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalu penting karena pada organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yang datang dari dalam tubuh, dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagi sel terhadap perubahan kondisi lingkungan yang mendadak tersebut. Pada mekanisme sirkit, 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. Ekspresi gen yang berurutan ini telah terprogram secara genetik sehingga gen-gen tersebut tidak akan dapat diekspresikan di luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya berupa sirkit, maka mekanisme tersebut dinamakan sirkit ekspresi gen.

B.       Mengapa Ekspresi Gen Harus Dikontrol

DNA terdiri atas ribuan bahkan ratusan ribu gen tergantung pada jenis organisme apakah uniseluler atau multiseluler. Tidak semua sel bekerja untuk karakter yang sama walaupun memiliki gen-gen yang sama karena tidak semua gen diekspresikan pada level yang sama pada tiap sel. Proses kontrol suatu gen terekspresi atau tidak pada waktu berbeda dan pada kondisi yang berbeda disebut regulasi ekspresi gen.

Sel meregulasi gen-gen karena banyak alasan. Suatu sel mungkin hanya mengekspresikan gen yang yang dibutuhkan pada lingkungan tertentu, sel sangat efesien sehingga tidak membuang energi untuk membuat mRNA yang tidak dibutuhkan pada waktu tersebut. Atau sel dapat menginaktifkan gen yang menghasilkan produk yang bertentangan/menghambat proses lain yang berlangsung dalam sel pada waktu tersebut. Sel juga meregulasi gen-gen yang merupakan bagian dari proses perkembangan sepertii embriogenesis dan sporulasi. Ekspresi gen melalui banyak tahap, tiap gen memiliki kesempatan diregulasi. Pertama RNA ditranskripsi dari gen (segmen DNA tertentu). walaupun RNA adalah produk akhir dari gen, molekul RNA tersebut membutuhkan proses-proses untuk dapat menjadi aktif (pasca transkripsi dan paca translasi). mRNA akan ditranslasi menjadi protein. Protein kemudian membutuhkan proses atau transpor untuk dapat melakukan aktifitas biologis secara aktif. Walaupun setelah produk gen telah disintesis dalam bentuk final, aktivitasnya juga dimodulasi pada kondisi lingkungan  yang sesuai.   

Regulasi yang berlangsung pada tahap transkripsi dari gen ke mRNA disebut regulasi transkripsional. Regulasi atau kontrol transkripsional adalah kontrol sintesis rantai polipeptida dari cetakan mRNA-nya. Kontrol transkripsional merupakan mekanisme utama dalam pengaturan ekspresi gen bakteri. Bentuk regulasi ini ini lebih efesien; mRNA yang tidak ditranslasi akan tidak berguna. Tidak semua gen yang ditranskripsi diregulasi, tidak bersifat ekslusif. Tiap regulasi yang terjadi setelah transkripsi disebut regulasi postranskripsional. Terdapat banyak tipe regulasi postranskripsional, yang paling utama adalah regulasi posttranlasi, Jika gen diregulasi pada tahap translasional, mRNA mungkin dapat dilanjutkan pada tahap transkripsi , tapi translasinya memungkinkan untuk dihambat. 

Kontrol ekspresi gen  lebih kompleks pada eukariotik daripada prokariotik. Perbedaan utama dari kedua regulasi ini adalah adanya membran inti pada eukariotik, yang mencegah transkripsi dan translasi terjadi secara simultan. Pada eukariotik kontrol inisasi transkripsi adalah titik utama regulasi sedangkan pada eukarioptik regulasi ekspresi gen dapat dikatakan ekuivalen dari banyak titik berbeda dari transkripsi sampai posttranslasi. Regulasi gen memungkinkan sel untuk mengatur struktur dan fungsi yang menjadi dasar dari diferensiasi, morfogenesis dan kemampuan adaptif setiap organisme.

C.      Kontrol Ekspersi Gen Pada Sel Prokariot

Pada bakteria, gen dikat pada satu operon. Operon adalah kelompok gen yang mengkode protein penting dalam fungsi metabolisme tertentu yang terkoordinasi seperti biosintesis asam amino tertentu. RNA yang ditranskripsi dari operon prokariotik berisifat polisistrinik yaitu terdiri atas gen-gen struktural yang mengkode beberapa protein dalam satu kali transkripsi. Operon bakteri adalah wilayah pada DNA yang meliputi gen-gen cotranskripsi menjadi RNA yang sama ditambah semua cis-acting sequences yang dibutuhkan untuk mentranskripsi gen-gen ini, termasuk gen promotor sebagai operator dan sequen lain yang termasuk pada regulasi transkripsi gen-gen ini. Karena gen-gen dari satu operon semua telah ditranskripsi dari promotor yang sama dan menggunakan sekuen regulator yang sama, semua gen pada satu operon dapat diregulasi transkripsinya secara simultan.

Represor dan Aktivator

Regulasi transkripsi bakteri  diregulasi oleh produk gen regulator, yang umumnya protein dan sebut represor atau aktivator. Protein regulatur berikatan dengan operon promotor dan meregulasi transkripsi daru promotor. Kadang-kadang protein regulator dapat berperan rangkap dan dapat juga menunjukkan reaksi enzimatis pada jalur yang dikode oleh operon. Karena berikatan dengan DNA, represor dan aktivator sering memiliki helix-turn-helix motif shared oleh banyak ikatan DNA protein.  (Helix-turn-helix motif of DNA binding proteins : adalah protein yang berikatan pada DNA termasuk represor dan aktivator, sering membagi motif struktur yang sama ditentukan oleh interaksi antara protein dan DNA helix. Salah satu motif adalah helix-turn-helix motif).  Represor dan aktivator bekerja berlawanan arah. represor berikatan pada sisi yang disebut operator dan menginkatifkan promotor, bertujuan mencegah transkripsi dari gen-gen operon. Aktivator, sebaliknya berikatan pada sisi ikatan dan mengaktifkan promotor, untuk memfasilitasi proses transkripsi dari gen-gen pada operon.

D.      Pengaturan Ekspresi Gen pada Eukariot

Pada eukariot tingkat tinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing mRNA, memegang peran yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel.

Pada sel eukariot gen yang mengkode protein yang berfungsi bersama-sama biasanya terletk pada kromosom yang berbeda. Situasi ini berbeda dari bakteri, dimana gen yang mengkode protein berfungsi bersama-sama berletak berdampingan satu sama lain dalam operan. operan tidak terdapat pada sel eukariot. Ekspresi gen pada sel eukariot, berlangsung di sejumlah tahapan yang berbeda yaitu : transkripsi, pasca transkripsi, translasi dan pasca tarnslasi.

1)      Pengaturan di tingkat transkripsi

kontrol utama dari ekspresi gen terjadi pada tingkat awal transkripsi. Transkripsi di awali oleh pada unsur promotor proksimal yang membentuk sekitar 30 nukelotida di hulu dari tempat start transkripsi. daerah ini mengandung yang disebut sebagai books TATA dengan rangkaian TATA atau rangkaian yang serupa. Struktur ini mengikat suatu kompleks protein yang dikenal sebagai faktor books TATA, dalam hal ini termasuk protein-protein pengikatan books TATA (TBP atau TFIID). Faktor lain seperti TFII, TFIII dan polimerase RNA. Beberapa promotor tidak mengandung kotak TATA dan mengawali transkripsi melalui faktor-faktor yang sama. Secara umum faktor-faktor ini diesbut faktor piranti umum dan basal.

Protein lain dapat berikatan dengan faktor basal pada regio promotor dan enhancer DNA untuk bertindak bersama dengan RNA polimerase untuk dapat mengatur awal transkripsi. Protein ini disebut sebagai faktor transkripsi.

Transkivator adalah protein yang digabungkan dengan protein lain (koaktivator) ke kompleks protein yang terikat ke promotor basak books TATA. Apabila terjadi interaksi yang sesuai antara transkivator, koaktivator, dan kompleks promotor basal, RNA polimerase lebih sering berikatan dengan promotor basal sehingga kecepatan transkripsi gen meningkat. Interaksi protein pengatur ini dengan DNA melibatkan gamabaran struktural motif helix-turn-helix atau zink finger. Banyak dari protein ini membentuk dimer melalui gamabaran struktural misalnya leucine zipper.

Pengaktifan gen spesifik

Ditingkat transkripsi gen spesifik, elemen di dalam urutan DNA (disebut elelemen sis) berikatan dengan faktor lain yang dikenal sebagai elemen trans (biasanya protein) yang mendorong atau menghambat pengikatan RNA plimerase ke gen. Senyawa, misalnya hormon steroid dapat berfungsi sebagai inducer, merangsang pengikatan elemen trans ke elemen sis DNA. Inducer seperti hormon steroid yang masuk ke dalam sel dan berikatan dengan protein reseptor. Reseptor ini juga memiliki domain yang mengikat elemen respon spesifik (elemen sis). Apabila kompleks inducer-reseptor berikatan dengan DNA, gen mungkin menjadi aktif, atau pada beberapa kasus menjadi tidak aktif.

Hormon polipeptida dan faktor pertumbuhan juga mengatur ekspresi gen, walaupun senyawa ini tidak masuk ke dalam sel. Senyawa tersebut bereaksi dengan reseptor yang terletak di permukaan sel, merangsang reaksi yang menghasilkan second messenger di dalam sel, yang akhirnya mengaktifkan gen. Inducer yang sama dapat mengaktifkan banyak gen yang berbeda apabila setiap gen tersebut memiliki elemen respon yang umum di regio pengaturnya.

Pada kenyataannya sebuah inducer dapat mengaktifkan serangakaian gen dalam suatu cara yang terprogram dan teratur. Inducer mula-mula mengaktifkan satu kumpulan gen. Salah satu protein produk kumpulan gen tersebut kemudian dapat berfungsi sebagai inducer bagi kumpulan gen yang lain. Aapabila proses ini di ulang-ulang, hasil akhirnya adalah bahwa satu inducer dapat merangsang serangakain proses yang mengaktifkan banyak kumpulan gen yang berlainan. Selain serangkain gen yang berespon terhadap hormon, serangakaian gen yang lain, disebut heat shock genes, berespon terhadap peningkatan suhu, menghasilkan protein yang melindungi sel dari kerusakan akibat panas.

Dengan demikian masing-masing gen memiliki banyak elemen respon yang berbeda di regio pengaturnya. Setiap gen tidak memiliki protein khusus yang mengatur transkripsinya. Namun terdapat sejumlah kecil protein pengatur yang bekerja bersama-sama untuk menghasilkan berbagai respon dari gen yang berlainan

2. Pengaturan di tingkat pasca transkripsi

Meruapakan pengaturan setelah terbentuknya mRNA dan selama transport RNA dari inti ke sitoplasma.

a.      Penyuntingan RNA

Pada beberapa keadaan, RNA mengalami beberapa perubahan setelah transkripsi. Pada semua jaringan urutan gen adalah sama. Namun mRNA yang di transkripsikan dari gen tersebut berbeda. Walaupun belum sepenuhnya di pahami, tampaknya mekanisme yang digunakan melibatkan perubahan basa, penambahan atau pengurangan sebuah nukleotida setelah transkrip disintesa.

salah satu contoh penyuntingan RNA terjadi pada pembentukan apoprotein B (apo B) yang di sintesa di sel hati dan usus dan berfungsi sebbagai lipoprotein yang dihasilkan oleh jaringan tersebut. Walaupun apoprotein tersebut di kode oleh gen yang sama, versi protein yang dibentuk di hati (B-100) mengandung 4563 residu asam amino, sedangkan yang dibentuk di sel usus (B-48) hanya memiliki 2152 asam amino.

b.      Transport mRNA

Pada sel eukariot, mRNA harus berpindah dari inti melalui pori-pori inti ke sitoplasma agar dapat di translasikan. Nuklease menguraikan mRNA, mencegah pembentukan protein yang di kode oleh mRNA. selama transportasi ini mRNA terikat pada protein yang membantu penguraiannya.

3. Pengaturan tingkat translasi

Pengaturan pada pembentukan protein. Faktor inisiasi untuk translas, teruta ma faktor inisiasi eukariotik 2 (elF2) merupakan pusat mekanisme pengatur ini. Kerja elF2 dapat di hambat oleh fosforilasi. mRNA lain memiliki lengking tajam yang menghambat inisiasi translasi.

4. Pengaturan di tingkat post translasi

Pengaturan setelah terbentuknya protein. Setelah di sintesis, lama hidup protein di atur oleh degradasi proteolitik. Protein memiliki waktu apruh yang berbeda-beda. sebagian hanya bertahan beberapa jam atau hari, sementara yang lain menetap sampai beberapa bulan atau tahun. Sebagian protein mengalami degradasi oleh enzim lisosom sementara protein yang lain di degradasi oleh protease di dalam sitoplasma. Sebagian protein ini tampaknya mengalami degradasi melalui pengikatan suatu protein yang dikenal dengan nama ubikuitin. Ubikuitin adalah protein yang sangat hemat. Urutan asam aminonya hanya memiliki sedikit variasi antara berbagai organisme.