regulasi ekspresi gen pada prokariot

REGULASI EKSPRESI GEN PADA PROKARIOTIK

Pada bakteri dan prokariot lainnya, keberadaan gen sangat berpengaruh dalam adaptasi terhadap lingkungan. Seperti contoh yang digunakan saat ini, yakni bakteri E. coli. Bakteri E.coli ini biasanya hidup pada usus mamalia. Mereka berpindah dari usus ke saluran pembuangan melalui feses. Dalam menghadapi lingkungan yang baru itu, bakteri E. coli mengaktifkan atau menonaktifkan ekspresi dari satu set gen yang khusus. Bisa atau tidaknya E. coli bertahan pada suatu lingkungan yang baru tergantung bagaimana kemampuannya dalam mengatur ekspresi gen tersebut. Saat E. coli membutuhkan suatu bahan untuk pertumbuhan di tempat yang baru, dia mengaktifkan ekspresi dari satu set gen. Kemudian apabila bahan itu sudah tercukupi, dia akan menonaktifkan ekspresi gen tersebut agar tidak mengahbiskan energi. Hal itu terus dilakukan setiap ada perubahan lingkungan. Pada setiap proses tersebut, pengaturan dari proses transkripsi sangatlah penting. Pada umumnya, mekanisme regulasi terbagi menjadi dua kategori umum. Pertama, mekanisme meliputi aktif dan non-aktif secara berturut-turut dari ekspresi gen terhadap perubahan lingkungan. Kedua, mekanisme regulasi meliputi apa yang disebut preprogrammed circuit of gene expressions.

Induksi Dan Represi

Seperti kebanyakan prokariot lain, E. coli mampu tumbuh dengan beberapa karbohidrat sebagai energi. Keberadaan karbohidrat seperti glukosa dan laktosa mempengaruhi pertumbuhan bakteri tersebut. E. coli tumbuh secara pesat jika ada laktosa. Meskipun galaktosa juga bisa digunakan sebagai energi untuk pertumbuhan. Saat E. coli yang awalnya berada di media yang tidak mengandung laktosa kemudian dipindah ke media yang mengandung laktosa, bakteri ini akan mensintesis enzim yang dibutuhkan untuk penggunaan laktosa. Proses pengaktifan ekspresi gen ini disebut induksi. Gen yang ekspresinya menagtur kejadian ini disebut indusibel gen. Sedangkan enzimnya disebut indusibel enzim. Induksi mengubah kecepatan sintesis enzim, tidak mengubah aktifitas dari molekul enzim yang sudah ada. Kebalikan dari induksi adalah represi. Represi adalah proses menahan atau menghentikan ekspresi gen yang telah aktif. Represi ini dilakukan ketika sumber makanan telah tercukupi.

Model Operon

Model operon berhubungan dengan regulasi gen yang mengkode enzim yang dibutuhkan untuk penggunaan laktosa pada E. coli. Transkripsi dari satu set gen yang berdekatan diatur oleh dua elemen. Salah satu elemen disebut regulator gen, mengkode protein yang disebut repressor. Pada kondisi yang cocok, repressor berikatan dengan elemen kedua yang disebut operator. Letak operator selalu berdekatan dengan struktur gen yang dimana ekspresinya diatur. Ketika represor berikatan dengan operator, transkripsi tidak dapat terjadi. Hal ini karena ikatan antara represor dan operator menghalangi RNA polymerase untuk berikatan dengan sisi promoter. Kesatuan unit dari gen, operator, dan promoter inilah yang disebut operon. Mengikat atau tidaknya represor pada operator, ditentukan oleh ada atau tidaknya molekul efektor. Transkrip mRNA membawa informasi yang mengkode seluruh operon. mRNA dari operon mengandung lebih dari satu struktur gen sehingga disebut poligenik.

Lac, Operon yang Terinduksi.

Seperti operon yang lain, lac operon memiliki promoter, operator, dan gen struktural. Hanya saja gen struktural pada lac operon adalah z, y, dan a yang mengkode β-galaktosidase, β-galaktosid permease, β-galaktoside transacetylase. β-galaktosid permease memompa laktosa ke dalam sel. Sedangkan β-galaktosidase memecahnya menjadi glukosa dan galaktosa. Gen regulator lac mendesain gen i untuk mengkode represor yang panjangnya 360 asam amino. Jika tidak ada penginduksi, represor berikatan dengan sekuen operator lac dan mencegah RNA polimerase untuk berikatan dengan promoter. Promoter lac mengandug dua komponen fungsional yang berbeda. Yang pertama yaitu sisi yang berikatan dengan RNA polimerase dan sisi yang berikatan dengan protein lain yang disebut catabolite activator protein (CAP).

Trp, Operon Yang Terrepresi

Trp adalah salah satu operon dari E. coli yang mengalami represi. Jika tryptophan tidak ada, RNA polimerase akan berikatan dengan promoter dan mentranskrip gen dari operon tersebut. Tetapi jika terdapat tryptophan, represor berikatan dengan operator dan mecegah RNA polimerase untuk berikatan dengan promoter.

Kontrol Positif Operon Lac Oleh CAP Dan AMP

Represi katabolit pada operon lac dilakukan melalui kontrol positif transkripsi oleh protein regulator yang disebut CAP dan molekul efektor yang disebut cAMP. Baik CAP maupun cAMP ini harus berikatan pada sisi ikatan promoter lac agar operon bisa terinduksi. Jika cAMP tidak ada, maka CAP tidak akan mengikat. Sehingga cAMP disini berperan sebagai molekul efektor yang menentukan transkripsi operon lac. cAMP ini diperlukan dalam jumalh yang cukup untuk membuat CAP berikatan. Selain itu, kehadiran glukosa juga mempengaruhi ikatan tersebut. Kontrol positif oleh gabungan CAP dan cAMP ini dapat terjadi bila terdapat glukosa. Jika tidak terdapat glukosa, maka transkripsi dari operon lac tidak akan pernah melebihi 2 persen.

Pengaturan Kompleks Pada Operon Ara

Operon ara pada E. coli mengandung tiga gen struktural (araB, araA, dan araD) yang mengkode tiga enzim yang terlibat dalam katabolisme arabinose. Ketiga gen tersebut bertranskripsi pada mRNA tunggal yang berfung si sebagai promoter yang disebut Pbad. Regulasi protein pada operon ara (protein araC) diproduksi dari sebuah transkripsi yang dimulai pada sebuah promoter yang disebut Pc. Keberadaan molekul efektor arabinose dan cAMP sangat berpengaruh.

Represi Prophage Lambda Selama Fase Lisogeni

Bakteri lambda melakukan represi selama fase lisogeni agar tidak memasuki fase litik. Hal ini dilakukan agar tidak terdeteksi dalam tubuh inang. Pada bakteriofag memiliki gen C1 yang melakukan transkripsi dan translasi untuk menghasilkan represor. Represor ini nantinya akan berikatan dengan operator sehingga menyebabkan promoter yang berikatan dengan RNA polimerase. Sehingga RNA polimerase dan promoter tidak bisa bergabung dengan operator dan proses transkripsi tidak bisa dilanjutkan. Sehingga bakteri ini tetap dalam fase lisogenik, tidak akan memasuki fase lisis.

Kontrol pada Operon Trp oleh Redaman

Redaman adalah regulasi tingkat kedua pada operon trp. Sekuen yang mengatur kejadian ini disebut peredam. Redaman terjadi melalui kontrol pada proses penghentian transkripsi. Pada proses redaman ini, transkripsi dihentikan secara lebih cepat. Penghentian yang lebih cepat ini terjadi hanya saat ada tRNAtrp dan menghasilkan sekuen transkrip sepanjang 140 nukleotida.

Penghambat Umpan Balik dan Enzim Alosterik

Adanya konsentrasi yang cukup dari produk akhir alur biosintesis akan secara berkala dihasilkan pada penghambatan enzim pertama alur tersebut. Fenomena ini disebut feedback inhibition atau end product inhibition.Sebenarnya hal ini sama dengan represi, yaitu menghambat sintesis enzim. Sisi produk akhir ini berbeda dengan sisi substrat. Ketika mengikat produk akhir, beberapa enzim melakukan perubahan dalam konformasi yang disebut transisi alosterik yang mengurangi afinitasnya terhadap substrat.

Sekuen Sementara Ekspresi Gen Selama Infeksi Fag

Regulasi pada sekuen ekspresi gen selama infeksi fag terjadi paling utama pada tingkat transkripsi. Bakteri yang paling banyak dipelajari adalah fag E. coli T4, T7 dan fag Bacillus subtilisSP01. Sekuen ekspresi gen di kontrol oleh modifikasi promoter khusus dari RNA polimerase. Bisa dengan sintesis RNA polimerase baru atau perubahan dari RNA polimerase inang yang terinduksi. Pada sel fag T7 yang terinfeksi gen “awal” di transkripsi oleh RNA polimerase E. coli. Untuk Bacillus subtilisSP01 menunjukkan alur yang lebih kompleks, melibatkan tiga set gen. Set tersebut adalah “awal”, “tengah”, dan “akhir”.

Pertanyaan

1.      Mengapa bakteri lambda melakukan represi?

Hal itu dikarenaka bakteri lambda tidak ingin berada pada fase lisis. Sehingga bakteri ini akan mempertahankan fase lisogeninya. Cara mempertahankannya yaitu dengan menghadirkan represor yang berikatan dengan operator. Hal itu akan menyebabkan promoter yang berikatan dengan RNA polimerase tidak bisa bergabung dengan operator. Sehingga proses transkripsi tidak bisa dilakukan.

2.      Mengapa perlu adanya redaman?

Redaman dilakukan agar tidak terjadi transkripsi lebih lanjut dari operon yang ada. Proses transkripsi yang sebenarnya belum selesai, saat itu diberhentikan secara “prematur”.

Daftar rujukan

Gardner. 2012. Principle of Genetics. New York. hal 391-407.