REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOTIK
RESUME MATERI 2
Diferensiasi pada
Eukaryot yang Lebih Tinggi
Diferensiasi
pada prokariot yang lebih tinggi terjadi karena ekspresi gen yang telah
dikontrol pada saat transkripsi dan proses transkrip. Misalnya hemoglobin,
molekul ini terkekspresi pada sel darah merah manusia tetapi tidak pada sel
yang lain. Contoh lain yaitu inti sel telur katak yang diambil dan dimasukkan
ke dalam sel telur yang lain. Inti tadi tidak akan mengalami kehilangan materi
genetik. Kebanyakan proses perkembangan pada eukaryot yang lebih tinggi itu
terkontrol, paling tidak sebagian, oleh sirkuit preprogram ekspresi gen. Pada keadaan
ini, satu set gen pertama menghasilkan produk, kemudian setelah itu dia
non-aktif. Produk yang telah dihasilkan tadi diaktifkan oleh set gen kedua.
Kemudian set kedua menghasilkan produk, dan menjadi non-aktif. Produknya
diaktifkan oleh set ketiga. Begitu seterusnya. Pada ekpresi gen eukariot ini
hormon juga berperan dalam memicu terjadinya ekspresi dari suatu gen.
KONTROL
GENETIK PADA PERKEMBANGAN DROSOPHILA
Perkembangan
pada Drosophila dikontrol oleh aliran gen regulator yang bekerja pada sekuen
spesifik untuk menghasilkan ekspresi gen yang berbeda pada tempat yang berbeda.
Perkembangan ebriogenesis awal pada Drosophila sangatlah cepat, tanpa
pertumbuhan sel. Telur mengandung dua pronukleus, jantan dan betina. Kemudian
keduanya bergabung untuk menghasilkan nukleus diploid pada zigot. Setelah itu
zigot ini membelah 9 kali untuk menghasilkan satu sel syncytium yang mengandung
sekitar 521 nukleus. Nukleus ini akan menuju ke permukaan telur dan melakukan 4
pembelahan tambahan. Kemudian terbentuklah mebran sel dan akhirnya terbentuk
blastula yang mengandung sekitar 4000 sel. Kesimpulannya, perkembangan
i=tersebut dikontrol oleh gen dan dipicu oleh hormon. Hormon yang menjadi
pemicu disini adalah steroid ecdison. Ecdison ini bekerja saat proses
transkripsi.
Cakram Khayalan dan
Determinasi
Persiapan
untuk metamorfosis serangga dilakukan selama proses embriogenesis awal. Sel
blastoderm drosopila berdiferensiasi menjadi dua macam sel: (1) yang akan
berperan dalam perkembangan jaringan larva dan (2) yang akan berkembang menjadi
bermacam organ dan jaringan pada lalat dewasa. Beberapa kelompok dari sel yang
tidak terdeferensiasi membentuk struktur yang disebut cakram khayalan. Terdapat
17 bentuk cakram khayal. Masing-masing cakram itu berfungsi untuk perkembangan
organ selanjutnya pada lalat dewasa. Cakram-cakram itu adalah sepasang cakram
antena, cakram mata, cakram labial, cakram sayap, cakram halter, tiga pasang
yang berbeda dari cakram kaki dan cakram genital. Dalam perkembangannya setiap
cakram akan berduplikat kecuali cakram genital. Semua cakram ini telah
ditentukan takdirnya. Maksudnya dia akan menjadi apa dalam perkembangan
selannjutnya. Proses ini merupakan suatu hal yang berbeda dari diferensiasi
yang disebut determinasi. Faktanya, determinasi dari cakram khayal ini terjadi
pada fase blastoderm.
Mutan homeotic
Untuk
mengerti bagaimana diferensiasi pada lalat, kita harus mengerti dimana letak
sel yang mengalami determinasi. Ini ditunjukkan dengan adanya mutasi homeotic.
Mutasi ini mengubah keberadaan dari imaginal disc. Seperti misalnya pada Antennapedia, cakram yang seharusnya
menjadi antenna termutasi dan menjadi bagian tubuh tambahan yang menyerupai
kaki. Sehingga di kepala lalat itu terdapat organ yang menyerupa kaki. Setelah
dipelajari, terdapat dua kelompok yaitu ANT-C dan BX-C. ANT-C mempengaruhi
perkembangan daerah kepala dan toraks. Sedangkan BX-C mempengaruhi perkembangan
toraks dan abdomen pada tubuh lalat. Kebanyakan lalat yang mengalami mutasi ini
tidak akan bertahan, meskipun mampu bertahan akan mengalami cacat fisik. ANT-C
memiliki setidaknya 4 gen, sedangkan BX-C memiliki tiga gen. Prosesnya mirip
dengan saklar. Ada suatu bagian yang mematikan ekspresi gen, ada bagian lain
yang mengaktifkan. Satu gen hanya menyebabkan satu mutasi saja pada lalat.
Mutasi tunggal pada lalat dapat merubah kaki menjadi antena, tetapi tidak
antena menjadi mata.
Transdeterminasi
Pada
kejadian ini, peneliti mengadakan pengamatan dengan mengimplan cakram dari fase
larva ke tubuh lalat dewasa yang sedang bermetamorfosis. Beberapa dari cakram
genital akan tumbuh menjadi struktur kaki pada lalat tersebut. Peristiwa itu
disebut transdeterminasi karena memasukkan sel yang sedang mengalami
determinasi ke tubuh lalat lain. Transdeterminasi ini tidak terjadi secara
acak. Satu gen selektor hanya bisa mengalihkan satu cakram menjadi satu bagian
tubuh. Sehingga dibutuhkan lebih dari satu gen selektor untuk mengalihkan
menjadi beberapa bagian tubuh.
Morfogenesis lalat:
peristiwa segmentasi sekuen anterior-posterior
Saat
morfogenesis, pada tahap oogenesis pembentukan sumbu anterior-posterior
dikontrol oleh setidaknya 20 gen. Gen-gen ini mengkode untuk membuat proses
perkembangan lalat itu semakin baik setiap tahapnya. Polaritas dari
anterior-posterior dikode oleh gen yang bernama gen maternal efek. Terdapat 8
gen maternal yang berbeda. Disini hanya dibahas dua saja yaitu bicoid dan oscar
(bcd dan osk). Jika bcd ini diimplan pada embrio yang telah memiliki
sitoplasma, maka embrio ini akan memiliki badan dan toraks yang normal. Dan
jika osk yang diimplan, embrio ini akan memiliki bagian posterior yang normal.
Meskipun demikian, dibutuhkan 20 gen untuk menyusun tubuh lalat yang normal.
Gen segmentasi dibagi menjadi tiga kelompok: (1) gen pemisah, (2) gen yang
bekerja berpasangan, dan (3) gen yang mengatur polaritas segment. Gen pemisah ini dibutuhkan untuk
membentuk set dari segmen yang berdekatan. Jika lalat atau larva tidak memiliki
gen tersebut, maka akan memiliki kekurangan segmen anggota tubuh. Gen ini
disifatkan menjadi tiga yaitu Kruppel (Kr), bunchback (bb), dan knirps (kni).
Gen yang berperan berpasangan terekspresi dalam tujuh daerah yang berbeda
sepanjang sumbu anterior-posterior. Efeknya adalah membelah embrio menjadi 15
segment. Jika pasangan gen tersebut mengalami mutan, maka tubuh lalat akan
mengalami kekurangan segmen. Untuk menghasilkan polaritas anterior-posterior
dibuthkan sepuluh set gen polaritas-segmen. Gen itu diekspresikan oleh gen yang
berpasangan tadi.
Aliran sementara yang
tersusun dari gen pengatur
Kebanyakan
regulasi gen dikendalikan oleh aliran yang tersusun. Misalnya saja gen pemisah
bunchback tidak akan terekspresi pada embrio bikoid. Hal ini berkaitan dengan
protein. Beberapa protein berikatan dengan sekuen yang berdekatan. Ada yang
menstimulasi transkripsi, ada juga yang merepresi transkripsi. Setiap gen yang
berperan dalam regulasi itu terhubung melalui aliran tadi. Jadi, jalannya regulasi dari gen itu tidak akan
keluar dari aliran yang sudah ada. Setelah melalui satu tahap dia akan ke tahap
selanjutnya. Dan itu sudah dapat ditentukan dengan adanya teori aliran ini.
Bithorax complex (BX-C)
Kompleks
bitoraks meliputi variasi dari mutan homeotic yang mempengaruhi segmen kedua
dan ketiga dari toraks dan abdomen. BX-C ini mengandung tiga kelompok gen
pelengkap yaitu Ubx, abd-A dan Abd-B. Setiap dari gen itu mengandung mutan
homeotic yang berbeda. Ubx berdampak pada mutasi bagian toraks, sedangkan abd-A
dan Abd-B berdampak pada segmen abdomen. Mutasi pada abd-A dan Abd-B disebut
infraabdominalis. Salah satu komponen yang berperan penting dalam regulasi BX-C adalah peran cis. Cis ini berperan dalam pengikatan produk dari gen regulator
lain. Terdapat dua hal penting dalam regulasi BX-C, (1) banyak regulator trans
and (2) jalur alternatif dari penggabungan transkrip. Lokus dari kompleks
bitorak ini memiliki tiga kelompok gen pelengkap dan 300.000 jengkal pasangan
nukleotida pada kromosom 3 D.melanogaster.
Mutasi dari BX-C ini mempengaruhi segmen T2 dan T3 dan segmen abdomen A1
sampai A8.
Peran homeobox pada
pengaturan transkripsi
Homeobox
adalah kumpulan gen homeotic yang memanjang dalam 180 pasangan basa. Pada
kebanyakan kasus, homeobox terletak dalam daerah pengkode dari gen dan
mensifatkan segmen asam amino sebanyak 60. Hal itulah yang disebut homeodomain.
Homeobox ini dapat digantikan oleh homeobox dari gen lain dengan menggunakan
teknik DNA rekombinan. Hasil dari proses tersebut adalah gen hibrid.
CAENORHABDITIS ELEGANS:
SEBUAH SISTEM MODEL UNTUK BELAJAR PERKEMBANGAN
Caenorhabditis elegans
adalah seekor cacing yang digunakan untuk mempelajari perkembangan eukariot.
Keuntungan dari penggunaan Caenorhabditis
elegans ini adalah ukurannya yang kecil, hidupnya pendek, kondisi
pertumbuhannya sederhana, memiliki dua kelamin, banyak progeni, genome yang
kecil, tubuh transparan, dan progaram prekembangannya tepat.
CONTOH
NEOKLASIKAL PERKEMBANGAN DIREGULASI EKSPRESI GEN
Contoh
klasik dari perkembangan adalah transkripsi pada kromosom lampbrush pada oosit
ampibi. Sebagian transkrip gen dan atau produk gen lainnya terletak pada area
khusus pada sitoplasma telur selama oogenesis. Ini membuktikan bahwa sitoplasma
menetukan perkembangan telur. Selain itu, contoh lainnya adalah pengerasan gen
rRNA pada oosit ampibi. Ketika banyak protein yang dibtuhkan, pengerasan dapat
terjadi pada tingkat translasi. Setiap molekul mRNA dapat ditranslasikan
berkali-kali.
POPULASI
TRANSKRIP GEN ADALAH DIVERGEN PADA TIPER SEL YANG BERBEDA
Set
yang berbeda ditranskrib dan tanskrip yang berbeda itu diproses menuju mRNA
pada sel yang terdiferensiasi. Biasanya, beberepa gen yang sama dan beberapa
gen yang tidak sama ditranskrip pada jaringan yang berbeda. Ini dapat
dibuktikan melalui eksperimen hibridisasi. Eksperimen ini membuktikan bahwa
sekuen RNA berada pada populasi RNA dari jaringan yang berbeda sebanyak 10-100
persen.
MEKANISME
REGULASI TRANSKRIPSI PADA EUKARIOT YANG LEBIH TINGGI
Transkripsi
pada eukariot di inisiasi oleh protein pengkode. Protein ini hanya bisa
menginisiasi transkripsi jika terdapat 4 protein asesori atau faktor
transkripsi umum.
Unit Transkripsi
eukariot kebanyakan monogenic
Jika
pada eukariot yang lebih rendah ditemukan opreon atau model mirip operon, di
eukariot yanglebih tinggi ini tidak ditemukan. mRNA pada neukariot yang lebih
tinggi adalah bersifat monogenic yang mengandung sekuen pengkode dari satu gen
struktural. Dalam beberapa kasus, transkrip utama memang poligenik, tetapi
kemudian membelah untuk menghasilkan monogenik.
Peningkat dan
Pembungkam Memodulasi Transkripsi Pada Eukariot
Sesuai
dengan namanya, peningkat meningkatkan transkripsi pada gen yang di atur,
pembungkam menurunkan transkripsi pada gen yang di atur. Ciri khas dari
peningkat yang membedakannya dengan promoter adalah (1) dapat bekerja pada
jarak yang relatif panjang hingga ribuan nukleotida, (2) berorientasi
independen, (3) posisi yang independen. Sebagian besar bekerja hanya pada
target tertentu. Artinya dia akan meningkatkan proses transkripsi pada target
saja, tidak yang lain. Saat ini telah banyak yang diketahui. Penignkat ini
berperan penting dalam proses transkripsi. Dan peningkat ini bekerja dengan
pengkhususan jaringan. Sebenarnya, promoter dan peningkat ini bekerja secara
kooperatif.
Pengaturan tingkat
transkripsi oleh metilasi DNA
Pada
kebanyakan tumbuhan tingkat tinggi, DNA sering dimodifikasi setelah sintesis
oleh perubahan enzimatik. Yang berperan disini adalah gugus metil 5 pada DNA.
Sampai saat ini belum diketahui ada bukti definitif peran metilasi dalam
regulasi ekspresi gen eukariotik apapun. Tetapi ada bukti yang tidak langsung
seperti, (1) hubungan antara tingkat ekspresi gen dengan derajat metilasi. Jika
metilasi rendah, ekspresi gen tinggi. Jka metilasi tinggi, ekspresi gen rendah
(2) bentuk metilasi adalah pengkhususan jaringan (3) metilasi dapat menimbulkan
ekspresi gen yang tidak ada pada DNA menjadi ada. Langkah kunci dalam setiap
model untuk regulasi ekspresi gen atau diferensiasi melalui metilasi DNA
melibatkan pembentukan jaringan pola mathylation tertentu. Hipotesis yang
paling popuar adalah bahwa pola yang terbentuk selama pengembangan oleh
jaringan demethylase tertentu, yang menghapus kelompok methyl dari situs
penting dalam gen yang dijadwalkan akan disajikan dalam jenis sel tertentu.
Apakah
Z DNA memainkan peran regulasi?
Salah
satu penemuan yang lebih menarik pada dekade terakhir adalah bahwa segmentasi
DNA yang memiliki urutan di mana purin dan pyrimidin alternatif sepanjang
masing-masing untai dapat dari bandead kiri double helix. The watshon-krek
B-bentuk DNA adalah heliks ganda kanan banded. Novel kiri-banded heliks ganda
dari DNA dinobatkan Z-DNA untuk jalur berkelok-kelok dari gula-fosfat kembali
tulang molekul.
Ada
bukti bahwa z-DNA ada di wilayah interband raksasa kromosome kelenjar ludah
Drosophila melanogaster dan di macronucleus transcriptionally aktif bersilia
protozoa Stylonychia Mytilus. Petunjuk lain dari kemungkinan keterlibatan Z-DNA
dalam mengatur ekspresi gen adalah bahwa struktur protein regulator tertentu
menunjukkan bahwa mereka dapat mengikat dalam alur utama kidal helix ganda,
tetapi tidak benar-tangan helix.
Struktur Kromatin: Sisi
Sensitif Nuklease Berdekatan dengan Gen Aktif
Studi
subsequence telah menunjukkan sensitivitas nuklease dari transcriptionally
aktif gen di beberapa organisme lainnya. Selain itu, sensitivitas nuklease
bahan aktif gen telah ditemukan untuk tergantung pada keberadaan ot dua protein
histon kromosom non disebut HMG 14 dan HMG 17 (HMG untuk kelompok mobilitas
tinggi, protein-protein kecil dengan mobilitas tinggi selama elektroforesis gel
poliakrilamida).
Ketika
kromatin diisolasi mengandung gen transcriptionally aktif diperlakukan dengan
konsentrasi yang sangat rendah dari DNAse I, molekul DNA yang dibelah di situs
tertentu saja. Beberapa situs hipersensitif telah menunjukkan untuk berbohong
"hulu" (berdekatan dengan ujung gen homolog ke 5 ujung mRNA) dari gen
transcriptionally aktif.
KONTROL
HORMON PADA EKSPRESI GEN
Hormon
peptida seperti insulin dan hormon steroid seperti estrogen dan testosteron
merupakan dua jenis sistem sinyal yang digunakan dalam komunikasi antar sel.
Pada hewan tingkat tinggi, hormon disintesis dalam berbagai sel sekretori
khusus dan dilepaskan ke dalam aliran darah. Hormon steroid di sisi lain adalah
molekul kecil yang mudah memasuki sel melalui membran plasma. Setelah bagian
dalam sel-sel sasaran yang tepat, hormon steroid menjadi erat terikat pada
protein reseptor spesifik.
Aktifasi transkripsi
oleh hormon steroid
Histone
disintesis, seperti DNA, selama fase S dari siklus sel. Ketika kromatin dari
S-fase (fase sintesis DNA) sel ditranskripsi in vitro, histone mRNA disintesis.
Ketika kromatin dari fase G1 (periode setelah selesainya mitosis, tetapi
sebelum S) digunakan, tidak ada Histon mRNA disintesis. Ketika non Histon ere
dihapus dari fase G1 kromatin dan diganti dengan protein kromosom non Histon
dari S-fase kromatin dan kromatin dilarutkan ini menuliskan in vitro histone
mRNA disintesis.
Hormon Glukokortikoid
Bekerja Melalui Elemen Peningkat
Efek
hormon glukokortikoid telah dianalisis dengan menggunakan hormon sintetis yang
disebut dexamethasome. Hormon glukokortikoid bertindak dengan terlebih dahulu
mengikat protein reseptor yang hadir dalam sitoplasma sel target.
Hormon-reseptor kompleks protein kemudian accumulatesin inti sel dan mengikat
urutan DNA tertentu disebut elemen respon glukokortikoid (Gres). Dengan tidak
adanya hormon, protein reseptor dikaitkan dengan protein cytoplaasmic lain dan
memiliki afinitas rendah untuk DNA. Kompleks hormon-reseptor glukokortikoid
mengaktifkan transkripsi gen target dengan mengikat urutan GRE di enhancer
berlokasi dekat masing-masing gen tersebut (gbr. 15.28). Pengikatan
hormon-reseptor untuk penambah pada gilirannya mengaktifkan promotor gen target
yang berdekatan.
Ecdison dan “gumpalan”
kromosom pada lalat
Gumpalan
ini sebenarnya adalah pita dari kromosom yang memanjang. Fenomena itu disebut
menggumpal. Selama perkembangan lalat diptera, hormon ecdison disekresikan dan
memicu pergantian kulit. Proses penggumpalan kromosom tadi terjadi pada saat
molting. Jika pada saat molting lalat disuntik dengan hormon ecdison, maka
gumpalan kromosom yang terjadi adalah identik dengan yang terjadi pada molting
alami.
REGULASI
MELALUI JALUR ALTERNATIF PENGGABUNGAN TRANSKRIP
Salah
satu contoh yang paling spektakuler mode alternatif transkrip splicing terjadi
dalam kasus gen tropomyosin Drosophila dan vertebrata hewan. Tropomyosins
adalah keluarga protein yang terkait erat yang memediasi interaksi antara aktin
dan troponin dan dengan demikian membantu mengatur otot dan Nonmuscle, yang ditandai
dengan adanya isoform tropomyosin berbeda. Banyak contoh lain dari jalur alternatif
dari penggabungan transkrip diketahui.
REGULASI
SIRKUIT KOMPLEKS EKSPRESI GEN PADA EUKARIOT
Menurut
model Britten-davidson, gen sensor spesifik merupakan situs mengikat-urutan
tertentu yang merespon sinyal tertentu. Ketika gen sensor menerima sinyal yang
tepat, mereka mengaktifkan transkripsi gen integrator yang berdekatan.
Integrator gen-produk kemudian berinteraksi dengan cara-urutan tertentu dengan
gen reseptor. Britten dan Davidson mengusulkan agar integrator gen-produk yang
RNA aktivator yang berinteraksi langsung dengan gen reseptor untuk memicu
transkripsi gen-gen penghasil bersebelahan. Namun, mereka menunjukkan bahwa,
secara resmi, itu akan membuat perbedaan apakah integrator gen-produk aktif
yang molekul RNA atau protein.
Jika
kedua gen integrator dan gen reseptor yang berlebihan, sirkuit terpadu kompleks
ekspresi gen dapat dengan mudah dibuat. Sayangnya, pengujian validitas model
tersebut adalah jauh lebih sulit daripada menyusun mereka. Fitur yang paling
menarik dari model Britten dan Davidson adalah bahwa ia menyediakan alasan yang
masuk akal untuk pola diamati interspresion urutan DNA cukup repetitif dan
urutan DNA tunggal copy. Bukti langsung menunjukkan bahwa sebagian besar gen
struktural memang urutan DNA tunggal copy. Urutan DNA cukup berulang berdekatan
akan berisi berbagai macam gen regulator, menurut model Britten dan Davidson.
Pertanyaan:
1. Mengapa
inti sel telur yang dipindahkan dari sel telur satu ke sel telur lain
berkembang secara normal?
Karena
perkembangan dikontrol oleh gen. Sehingga apabila gen yang berada pada sel telur tidak dirusak, maka
perkembangannya akan normal.
2. Mengapa
ada keterkaitan hormon dalam regulasi gen?
Dalam
regulasi gen, hormon berfungsi sebagai peningkat. Disini hormon bisa memicu
beberapa proses seperti transkripsi dan translasi. Sehingga keberadaanya
diperlukan.
Daftar Rujukan
Tidak ada komentar:
Posting Komentar