BAB V. EKSPRESI GENSalah satu fungsi dasar yang harus dijalankan oleh DNA sebagai materi genetikadalah fungsi fenotipik. Artinya, DNA harus mampu mengatur pertumbuhan dandiferensiasi individu organisme sehingga dihasilkan suatu fenotipe tertentu.Fenotipe organisme sangat ditentukan oleh hasil interaksi protein-protein di dalamsel. Setiap protein tersusun dari sejumlah asam amino dengan urutan tertentu, dan setiapasam amino pembentukannya disandi (dikode) oleh urutan basa nitrogen di dalammolekul DNA. Rangkaian proses ini, mulai dari DNA hingga terbentuknya asam amino,dikenal sebagai dogma sentral biologi molekuler.Gambar 1. Diagram dogma sentral biologi molekulerPerubahan urutan basa di dalam molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNAdinamakan transkripsi, sedangkan penerjemahan urutan basa RNA menjadi urutan asamamino suatu protein dinamakan translasi. Jadi, proses tanskripsi dan translasi dapatdilihat sebagai tahap-tahap ekspresi urutan basa DNA. Namun, tidak semua urutan basaDNA akan diekspresikan menjadi urutan asam amino. Urutan basa DNA yang padaakhirnya menyandi urutan asam amino disebut sebagai gen. Dengan demikian, secarakimia gen adalah urutan basa nitrogen tertentu pada molekul DNA yang dapatdieskpresikan melalui tahap-tahap transkripsi dan translasi menjadi urutan asam aminotertentu.2Tahap-tahap transkripsiTranskripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi,elongasi, dan teminasi. Masing-masing akan dijelaskan sebagai berikut.1. Enzim RNA polimerase mengikat untai DNA cetakan pada suatu daerah yangmempunyai urutan basa tertentu sepanjang 20 hingga 200 basa. Daerah ini dinamakanpromoter. Baik pada prokariot maupun eukariot, promoter selalu membawa suatuurutan basa yang tetap atau hampir tetap sehingga urutan ini dikatakan sebagaiurutan konsensus. Pada prokariot urutan konsensusnya adalah TATAAT dan disebutkotak Pribnow, sedangkan pada eukariot urutan konsensusnya adalah TATAAATdan disebut kotak TATA. Urutan konsensus akan menunjukkan kepada RNApolimerase tempat dimulainya sintesis. Kekuatan pengikatan RNA polimerase olehpromoter yang berbeda sangat bervariasi. Hal ini mengakibatkan perbedaan kekuatanekspresi gen.2. Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan terikat padasuatu tempat di dekat daerah promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi.Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tempat ini dan sintesis RNA punsegera dimulai.3. Selama sintesis RNA berlangsung RNA polimerase bergerak di sepanjang molekulDNA cetakan sambil menambahkan nukleotida demi nukleotida kepada untai RNAyang sedang diperpanjang.4. Molekul RNA yang baru saja selesai disintesis, dan juga enzim RNA polimerase,segera terlepas dari untai DNA cetakan begitu enzim tersebut mencapai urutan basapengakhir (terminasi). Terminasi dapat terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasiyang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi diri) danterminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antarakeduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basapalindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan palindrom adalah urutanyang sama jika dibaca dari dua arah yang berlawanan. Oleh karena urutan palindomini biasanya diselingi oleh beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yangdihasilkan akan mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop) sepertipada Gambar 2.3urutan penyela5 3A T T A A A G G C T C C T T T T G G A G C C T T T T T T T T DNAT A A T T T C C G A G GA AA A C C T C G G A A AAA A AA3 5transkripsiU UU UC GC GU AC GG C RNAG CA UA U5 A U 3Gambar 2 Terminasi sintesis RNA menghasilkan ujung berbentuk batang dan kalaInisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal inikarena begitu RNA polimerase telah melakukan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida,promoter dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsidengan cepat reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebutakan terselubungi oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat penyelesaian yangberbeda-beda.Secara umum mekanisme transkripsi pada prokariot dan eukariot hampir sama.Hanya saja, pada prokariot produk langsung transkripsi atau transkrip primernya adalahmRNA (akan dijelaskan di bawah), sedangkan pada eukariot transkrip primernya harusmengalami prosesing RNA terlebih dahulu sebelum menjadi mRNA. Prosesing RNA inimencakup dua peristiwa, yaitu modifikasi kedua ujung transkrip primer dan pembuangan4urutan basa pada transkrip primer yang tidak akan ditranslasi (disebut intron). Ujung 5dimodifikasi dengan penambahan guanosin dalam ikatan 5-5 yang tidak umum hinggaterbentuk suatu gugus terminal yang dinamakan cap, sedangkan ujung 3 dimodifikasidengan urutan poliadenosin (poli A) sepanjang lebih kurang 200 basa. Sementara itu,panjang intron yang harus dibuang dapat mencapai 50% hingga 90% dari panjangtranskrip primer, tetapi segmen yang mengandung ujung 5 (gugus cap) tidak pernahdibuang. Setelah intron dibuang, segmen-segmen sisanya (disebut ekson) segeradigabungkan menjadi mRNA. Pembuangan intron dan penggabungan ekson menjadimolekul mRNA dinamakan penyatuan RNA atau RNA splicing.Macam-macam RNATranskripsi DNA menghasilkan molekul RNA yang kemudian akan mengalamidiferensiasi struktur sesuai dengan fungsinya masing-masing. Kita mengenal tiga macamRNA, yaitu1. RNA duta atau messenger RNA (mRNA), yang mempunyai struktur linier kecualibagian ujung terminasinya yang berbentuk batang dan kala (Gambar 10.3). MolekulmRNA membawa urutan basa yang sebagian di antaranya akan ditranslasi menjadiurutan asam amino. Urutan basa yang dinamakan urutan penyandi (codingsequences) ini dibaca tiga demi tiga. Artinya, tiap tiga basa akan menyandipembentukan satu asam amino sehingga tiap tiga basa ini dinamakan triplet kodon.Daftar triplet kodon beserta asam amino yang disandinya dapat dilihat pada Tabel 1.Pada prokariot bagian mRNA yang tidak ditranslasi terletak di depan urutan penyandi(disebut pengarah atau leader) dan di antara dua urutan penyandi (disebut spacersequences atau noncoding sequences). Sementara itu, pada eukariot di sampingkedua bagian tadi ada juga bagian di dalam urutan penyandi yang tidak ditranslasi.Bagian inilah yang dinamakan intron seperti telah dijelaskan di atas. Molekul mRNApada prokariot sering kali membawa sejumlah urutan penyandi bagi beberapapolipeptida yang berbeda. Molekul mRNA seperti ini dinamakan mRNApolisistronik. Dengan adanya mRNA polisistronik, sintesis beberapa protein yangmasih terkait satu sama lain dapat diatur dengan lebih efisien karena hanyadibutuhkan satu sinyal. Pada eukariot hampir tidak pernah dijumpai mRNApolisistronik.52. RNA pemindah atau transfer RNA (tRNA), yang strukturnya mengalami modifikasihingga berbentuk seperti daun semanggi. Seperti halnya struktur ujung terminasimRNA, struktur seperti daun semanggi ini terjadi karena adanya urutan palindromyang diselingi oleh beberapa basa (Gambar 3). Pada salah satu kalanya, tRNAmembawa tiga buah basa yang komplemeter dengan triplet kodon pada mRNA.Ketiga basa ini dinamakan antikodon. Sementara itu, pada ujung 3-nya terdapattempat pengikatan asam amino tertentu. Pengikatan yang membentuk molekulaminoasil-tRNA ini terjadi dengan bantuan enzim aminoasil-tRNA sintetase.Dalam hal ini gugus hidroksil (OH) pada ujung 3 tRNA terikat sangat kuat dengangugus karboksil (COOH) asam amino. Macam asam amino yang dibawa ditentukanoleh urutan basa pada antikodon. Jadi, ada beberapa macam aminoasil-tRNA sesuaidengan antikodon dan macam asam amino yang dibawanya.Gambar 3. Diagram struktur tRNA3. RNA ribosomal atau ribosomal RNA (rRNA), yang strukturnya merupakan bagianstruktur ribosom. Lebih kurang separuh struktur kimia ribosom berupa rRNA danseparuh lainnya berupa protein. Molekul rRNA, dan juga tRNA, dapat dikatakan6sebagai RNA struktural dan tidak ditranslasi menjadi asam amino/protein. Akantetapi, mereka adalah bagian mesin sel yang menyintesis protein (lihat uraian tentangtranslasi di bawah ini).TranslasiBila dibandingkan dengan transkripsi, translasi merupakan proses yang lebih rumitkarena melibatkan fungsi berbagai makromolekul. Oleh karena kebanyakan di antaramakromolekul ini terdapat dalam jumlah besar di dalam sel, maka sistem translasimenjadi bagian utama mesin metabolisme pada tiap sel. Makromolekul yang harusberperan dalam proses translasi tersebut meliputi1. Lebih dari 50 polipeptida serta 3 hingga 5 molekul RNA di dalam tiap ribosom2. Sekurang-kurangnya 20 macam enzim aminoasil-tRNA sintetase yang akanmengaktifkan asam amino3. Empat puluh hingga 60 molekul tRNA yang berbeda4. Sedikitnya 9 protein terlarut yang terlibat dalam inisiasi, elongasi, dan terminasipolipeptida.Translasi, atau pada hakekatnya sintesis protein, berlangsung di dalam ribosom,suatu struktur organel yang banyak terdapat di dalam sitoplasma. Ribosom terdiri atasdua subunit, besar dan kecil, yang akan menyatu selama inisiasi translasi dan terpisahketika translasi telah selesai. Ukuran ribosom sering dinyatakan atas dasar lajupengendapannya selama sentrifugasi sebagai satuan yang disebut satuan Svedberg (S).Pada kebanyakan prokariot ribosom mempunyai ukuran 70S, sedangkan pada eukariotbiasanya sekitar 80S.Tiap ribosom mempunyai dua tempat pengikatan tRNA, yang masing-masingdinamakan tapak aminoasil (tapak A) dan tapak peptidil (tapak P). Molekulaminoasil-tRNA yang baru memasuki ribosom akan terikat di tapak A, sedangkanmolekul tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang diperpanjang terikat ditapak P.Gambaran penting sintesis protein adalah bahwa proses ini berlangsung denganarah tertentu sebagai berikut.1. Molekul mRNA ditranslasi dengan arah 5 3, tetapi tidak dari ujung 5 hinggaujung 3.72. Polipeptida disintesis dari ujung amino ke ujung karboksil dengan menambahkanasam-asam amino satu demi satu ke ujung karboksil. Sebagai contoh, sintesis proteinyang mempunyai urutan NH2-Met-Pro- . . . -Gly-Ser-COOH pasti dimulai denganmetionin dan diakhiri dengan serin.Mekanisme sintesis protein secara skema garis besar dapat dilihat pada Gambar 4.Sebuah molekul mRNA akan terikat pada permukaan ribosom yang kedua subunitnyatelah bergabung. Pengikatan ini terjadi karena pada mRNA prokariot terdapat urutan basatertentu yang disebut sebagai tempat pengikatan ribosom (ribosom binding site) atauurutan Shine-Dalgarno. Sementara itu, pada eukariot pengikatan ribosom dilakukanoleh ujung 5 mRNA. Selanjutnya, berbagai aminoasil-tRNA akan berdatangan satu demisatu ke kompleks ribosom-mRNA ini dengan urutan sesuai dengan antikodon dan asamamino yang dibawanya. Urutan ini ditentukan oleh urutan triplet kodon pada mRNA.Ikatan peptida terbentuk di antara asam-asam amino yang terangkai menjadi rantaipolipeptida di tapak P ribosom. Penggabungan asam-asam amino terjadi karena gugusamino pada asam amino yang baru masuk berikatan dengan gugus karboksil pada asamamino yang terdapat pada rantai polipeptida yang sedang diperpanjang. Penjelasantentang mekanisme sintesis protein yang lebih rinci disertai contoh, khususnya padaprokariot, akan diberikan di bawah ini.arah gerakan ribosomribosom5 CUG GGG 3 mRNAGACtRNA aminoasil-tRNAaa aaNH2 NH2 COOHikatan peptidaGambar 4. Skema garis besar sintesis proteinInisiasi sintesis protein dilakukan oleh aminoasil-tRNA khusus, yaitu tRNA yangmembawa metionin (dilambangkan sebagai metionil-tRNAiMet). Hal ini berarti bahwasintesis semua polipeptida selalu dimulai dengan metionin. Khusus pada prokariot akanAUC ACCUAG UGGaa aa aa COOHP A8terjadi formilasi gugus amino pada metionil-tRNAiMet (dilambangkan sebagai metioniltRNAfMet) yang mencegah terbentuknya ikatan peptida antara gugus amin tersebutdengan gugus karboksil asam amino pada ujung polipetida yang sedang diperpanjangsehingga asam amino awal pada polipeptida prokariot selalu berupa f-metionin. Padaeukariot metionil-tRNAiMet tidak mengalami formilasi gugus amin, tetapi molekul iniakan bereaksi dengan protein-protein tertentu yang berfungsi sebagai faktor inisiasi(IF-1, IF-2, dan IF-3). Selain itu, baik pada prokariot maupun eukariot, terdapat pulametionil-tRNA yang metioninnya bukan merupakan asam amino awal (dilambangkansebagai metionil-tRNAMet).Kompleks inisiasi pada prokariot terbentuk antara mRNA, metionil-tRNAfMet, dansubunit kecil ribosom (30S) dengan bantuan protein IF-1, IF-2, dan IF-3, serta sebuahmolekul GTP. Pembentukan kompleks inisiasi ini diduga difasilitasi oleh perpasanganbasa antara suatu urutan di dekat ujung 3 rRNA berukuran 16S dan sebagian urutanpengarah (leader sequence) pada mRNA. Selanjutnya, kompleks inisiasi bergabungdengan subunit besar ribosom (50S), dan metionil-tRNAfMet terikat pada tapak P.Berpasangannya triplet kodon inisiasi pada mRNA dengan antikodon pada metioniltRNAfMet di tapak P menentukan urutan triplet kodon dan aminoasil-tRNAfMet berikutnyayang akan masuk ke tapak A. Pengikatan aminoasil-tRNAfMet berikutnya, misalnya alaniltRNAala,ke tapak A memerlukan protein-protein elongasi EF-Ts dan EF-Tu.Pembentukan ikatan peptida antara gugus karboksil pada metionil-tRNAfMet di tapak Pdan gugus amino pada alanil-tRNAala di tapak A dikatalisis oleh enzim peptidiltransferase, suatu enzim yang terikat pada subunit ribosom 50S. Reaksi inimenghasilkan dipeptida yang terdiri atas f-metionin dan alanin yang terikat pada tRNAaladi tapak A.Langkah berikutnya adalah translokasi, yang melibatkan (1) perpindahan f-met-alatRNAaladari tapak A ke tapak P dan (2) pergeseran posisi mRNA pada ribosomsepanjang tiga basa sehingga triplet kodon yang semula berada di tapak A masuk ketapak P. Dalam contoh ini triplet kodon yang bergeser dari tapak A ke P tersebut adalahtriplet kodon untuk alanin. Triplet kodon berikutnya, misalnya penyandi serin, akanmasuk ke tapak A dan proses seperti di atas hingga translokasi akan terulang kembali.9Translokasi memerlukan aktivitas faktor elongasi berupa enzim yang biasa dilambangkandengan EF-G.Pemanjangan atau elongasi rantai polipeptida akan terus berlangsung hingga suatutripet kodon yang menyandi terminasi memasuki tapak A. Sebelum suatu rantaipolipeptida selesai disintesis terlebih dahulu terjadi deformilisasi pada f-metioninmenjadi metionin. Terminasi ditandai oleh terlepasnya mRNA, tRNA di tapak P, danrantai polipeptida dari ribosom. Selain itu, kedua subunit ribosom pun memisah. Padaterminasi diperlukan aktivitas dua protein yang berperan sebagai faktor pelepas ataureleasing factors, yaitu RF-1 dan RF-2.Sesungguhnya setiap mRNA tidak hanya ditranslasi oleh sebuah ribosom. Padaumumnya sebuah mRNA akan ditranslasi secara serempak oleh beberapa ribosom yangsatu sama lain berjarak sekitar 90 basa di sepanjang molekul mRNA. Kompleks translasiyang terdiri atas sebuah mRNA dan beberapa ribosom ini dinamakan poliribosom ataupolisom. Besarnya polisom sangat bervariasi dan berkorelasi dengan ukuran polipeptidayang akan disintesis. Sebagai contoh, rantai hemoglobin yang tersusun dari sekitar 150asam amino disintesis oleh polisom yang terdiri atas lima buah ribosom (pentaribosom).Pada prokariot translasi seringkali dimulai sebelum transkripsi berakhir. Hal inidimungkinkan terjadi karena tidak adanya dinding nukleus yang memisahkan antaratranskripsi dan translasi. Dengan berlangsungnya kedua proses tersebut secarabersamaan, ekspresi gen menjadi sangat cepat dan mekanisme nyala-padam (turn on-turnoff) ekspresi gen, seperti yang akan dijelaskan nanti, juga menjadi sangat efisien.Namun, tidak demikian halnya pada eukariot. Transkripsi terjadi di dalam nukleus,sedangkan translasi terjadi di sitoplasma (ribosom). Pertanyaan yang muncul adalahbagaimana mRNA hasil transkripsi dipindahkan dari nukleus ke sitoplasma, faktor-faktorapa yang menentukan saat dan tempat translasi? Sayangnya, hingga kini kita belum dapatmenjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut dengan memuaskan. Kita baru mengetahuibahwa transkripsi dan translasi pada eukariot jauh lebih rumit daripada proses yang adapada prokariot. Salah satu di antaranya seperti telah kita bicarakan di atas, yaitu bahwamRNA hasil transkripsi (transkrip primer) pada eukariot memerlukan prosesing terlebihdahulu sebelum dapat ditranslasi.10Kode genetikPenetapan triplet kodon pada mRNA sebagai pembawa informasi genetik atau kodegenetik yang akan menyandi pembentukan suatu asam amino tertentu berawal daripemikiran bahwa macam basa nitrogen jauh lebih sedikit daripada macam asam amino.Basa nitrogen pada mRNA hanya ada empat macam, sedangkan asam amino ada 20macam. Oleh karena itu, jelas tidak mungkin tiap asam amino disandi oleh satu basa.Begitu juga, kombinasi dua basa hanya akan menghasilkan 42 atau 16 macam duplet,masih lebih sedikit daripada macam amino yang ada. Kombinasi tiga basa akanmenghasilkan 43 atau 64 triplet, melebihi jumlah macam asam amino. Dalam hal ini, satumacam asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu macam triplet kodon.Sifat-sifat kode genetikKode genetik mempunyai sifat-sifat yang akan dijelaskan sebagai berikut.1. Kode genetik bersifat universal. Artinya, kode genetik berlaku sama hampir di setiapspesies organisme.2. Kode genetik bersifat degenerate atau redundant, yaitu bahwa satu macam asamamino dapat disandi oleh lebih dari satu triplet kodon. Sebagai contoh, treonin dapatdisandi oleh ACU, ACC, ACA, dan ACG. Sifat ini erat kaitannya dengan sifatwobble basa ketiga, yang artinya bahwa basa ketiga dapat berubah-ubah tanpa selaludisertai perubahan macam asam amino yang disandinya. Diketahuinya sifat wobblebermula dari penemuan basa inosin (I) sebagai basa pertama pada antikodon tRNAalaragi, yang ternyata dapat berpasangan dengan basa A, U, atau pun C. Dengandemikian, satu antikodon pada tRNA dapat mengenali lebih dari satu macam kodonpada mRNA.3. Oleh karena tiap kodon terdiri atas tiga buah basa, maka tiap urutan basa mRNA, atauberarti juga DNA, mempunyai tiga rangka baca yang berbeda (open readingframe). Di samping itu, di dalam suatu segmen tertentu pada DNA dapat terjaditranskripsi dan translasi urutan basa dengan panjang yang berbeda. Dengan perkataanlain, suatu segmen DNA dapat terdiri atas lebih dari sebuah gen yang saling tumpangtindih (overlapping). Sebagai contoh, bakteriofag X174 mempunyai sebuah untaitunggal DNA yang panjangnya lebih kurang hanya 5000 basa. Seandainya dari urutan11basa ini hanya digunakan sebuah rangka baca, maka akan terdapat sekitar 1700 asamamino yang dapat disintesis. Kemudian, jika sebuah molekul protein rata-ratatersusun dari 400 asam amino, maka dari sekitar 1700 asam amino tersebut hanyaakan terbentuk 4 hingga 5 buah molekul protein. Padahal kenyataannya, bakteriofagX174 mempunyai 11 protein yang secara keseluruhan terdiri atas 2300 asam amino.Dengan demikian, jelaslah bahwa dari urutan basa DNA yang ada tidak hanyadigunakan sebuah rangka baca, dan urutan basa yang diekspresikan (gen) dapattumpang tindih satu sama lain.Tabel 1. Kode genetikBasa I(5)Basa II Basa III(3)U C A GUUPhe Ser Tyr CysPhe Ser Tyr Cys CLeu Ser Stop Stop ALeu Ser Stop Trp GCLeu Pro His Arg ULeu Pro His Arg CLeu Pro Gln Arg ALeu Pro Gln Arg GAILe Thr Asn Ser UIle Thr Asn Ser CILe Thr Lys Arg AMet Thr Lys Arg GGVal Ala Asp Gly UVal Ala Asp Gly CVal Ala Glu Gly AVal Ala Glu Gly GKeterangan :phe = fenilalanin ser = serin his = histidin glu = asam glutamatleu = leusin pro = prolin gln = glutamin cys = sisteinile = isoleusin thr = treonin asn = asparagin trp = triptofanmet = metionin ala = alanin lys = lisin arg = argininval = valin tyr = tirosin asp = asam aspartat gly = glisinAUG (kodon metionin) dapat menjadi kodon awal (start codon)stop = kodon stop (stop codon)12Pengaturan Ekspresi GenProduk-produk gen tertentu seperti protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNApolimerase, dan enzim-enzim yang mengatalisis berbagai reaksi metabolisme yangberkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel merupakan komponen esensial bagi semua sel.Gen-gen yang menyandi pembentukan produk semacam itu perlu diekspresikan terusmenerussepanjang umur individu di hampir semua jenis sel tanpa bergantung kepadakondisi lingkungan di sekitarnya. Sementara itu, banyak pula gen lainnya yangekspresinya sangat ditentukan oleh kondisi lingkungan sehingga mereka hanya akandiekspresikan pada waktu dan di dalam jenis sel tertentu. Untuk gen-gen semacam iniharus ada mekanisme pengaturan ekspresinya.Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi,prosesing mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkanbahwa pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi padatahap transkripsi.Mekanisme pengaturan transkripsi, baik pada prokariot maupun pada eukariot,secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu (1) mekanismeyang melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai responterhadap perubahan kondisi lingkungan dan (2) sirkit ekspresi gen yang telah terprogram(preprogramed circuits). Mekanisme penyalapadaman sangat penting bagimikroorganisme untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkaliterjadi secara tiba-tiba. Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalupenting karena pada organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yangdatang dari dalam tubuh, dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagisel terhadap perubahan kondisi lingkungan yang mendadak tersebut. Pada mekanismesirkit, produk suatu gen akan menekan transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacutranskripsi gen kedua, produk gen kedua akan menekan transkripsi gen kedua danmemacu transkripsi gen ketiga, demikian seterusnya. Ekspresi gen yang berurutan initelah terprogram secara genetik sehingga gen-gen tersebut tidak akan dapat diekspresikandi luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya berupa sirkit, maka mekanisme tersebutdinamakan sirkit ekspresi gen.13Induksi dan represi pada prokariotEscherichia coli merupakan bakteri yang sering dijadikan model untuk mempelajariberbagai mekanisme genetika molekuler. Bakteri ini secara alami hidup di dalam ususbesar manusia dengan memanfaatkan sumber karbon yang umumnya berupa glukosa.Apabila suatu ketika E. coli ditumbuhkan pada medium yang sumber karbonnya bukanglukosa melainkan laktosa, maka enzim pemecah laktosa akan disintesis, sesuatu yangtidak biasa dilakukannya. Untuk itu, gen-gen penyandi berbagai enzim yang terlibatdalam pemanfaatan laktosa akan diekspresikan (turned on). Sebaliknya, dalam keadaannormal, yaitu ketika tersedia glukosa sebagai sumber karbon, maka gen-gen tersebuttidak diekspresikan (turned off). Proses yang terjadi ketika ekspresi gen merupakanrespon terhadap keberadaan suatu zat di lingkungannya dikenal sebagai induksi,sedangkan zat atau molekul yang menyebabkan terjadinya induksi disebut sebagaiinduser. Jadi, dalam contoh ini laktosa merupakan induser.Induksi secara molekuler terjadi pada tingkat transkripsi. Peristiwa ini berkenaandengan laju sintesis enzim, bukan dengan aktivitas enzim. Pada pengaktifan enzim suatumolekul kecil akan terikat pada enzim sehingga akan terjadi peningkatan aktivitas enzimtersebut, bukan peningkatan laju sintesisnya.Selain mempunyai kemampuan untuk memecah suatu molekul (katabolisme),bakteri juga dapat menyintesis (anabolisme) berbagai molekul organik yang diperlukanbagi pertumbuhannya. Sebagai contoh, Salmonella typhimurium mempunyai sejumlahgen yang menyandi enzim-enzim untuk biosintesis triptofan. Dalam mediumpertumbuhan yang tidak mengandung triptofan, S. typhimurium akan mengekspresikan(turned on) gen-gen tersebut. Akan tetapi, jika suatu saat ke dalam mediumpertumbuhannya ditambahkan triptofan, maka gen-gen tersebut tidak perlu diekspresikan(turned off). Proses pemadaman (turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadapkeberadaan suatu zat di lingkungannya dinamakan represi, sedangkan zat yangmenyebabkan terjadinya represi disebut sebagai korepresor. Jadi, dalam contoh initriptofan merupakan korepresor.Seperti halnya induksi, represi juga terjadi pada tahap transkripsi. Represi seringdikacaukan dengan inhibisi umpan balik (feedback inhibition), yaitu penghambatan14aktivitas enzim akibat pengikatan produk akhir reaksi yang dikatalisis oleh enzim itusendiri. Represi tidak menghambat aktivitas enzim, tetapi menekan laju sintesisnya.Model operonMekanisme molekuler induksi dan represi telah dapat dijelaskan menurut modelyang diajukan oleh F. Jacob dan J. Monod pada tahun 1961. Menurut model yang dikenalsebagai operon ini ada dua unsur yang mengatur transkripsi gen struktural penyandienzim, yaitu gen regulator (gen represor) dan operator yang letaknya berdekatandengan gen-gen struktural yang diaturnya. Gen regulator menyandi pembentukan suatuprotein yang dinamakan represor. Pada kondisi tertentu represor akan berikatan denganoperator, menyebabkan terhalangnya transkripsi gen-gen struktural. Hal ini terjadi karenaenzim RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter yang letaknya berdekatan, ataubahkan tumpang tindih, dengan operator.Secara keseluruhan setiap operon terdiri atas promoter operon atau promoter bagigen-gen struktural (PO), operator (O), dan gen-gen struktural (GS). Di luar operonterdapat gen regulator (R) beserta promoternya (PR), molekul protein represor yangdihasilkan oleh gen regulator, dan molekul efektor. Molekul efektor pada induksi adalahinduser, sedangkan pada represi adalah korepresor.Pada Gambar 5 terlihat bahwa terikatnya represor pada operator terjadi dalamkeadaan yang berkebalikan antara induksi dan represi. Pada induksi represor secaranormal akan berikatan dengan operator sehingga RNA polimerase tidak dapat memasukipromoter operon. Akibatnya, transkripsi gen-gen struktural tidak dapat berlangsung.Namun, dengan terikatnya represor oleh induser, promoter operon menjadi terbuka bagiRNA polimerase sehingga gen-gen struktural dapat ditranskripsi dan selanjutnyaditranslasi. Dengan demikian, gen-gen struktural akan diekspresikan apabila terdapatmolekul induser yang mengikat represor.Operon yang terdiri atas gen-gen yang ekspresinya terinduksi dinamakan operoninduksi. Salah satu contohnya adalah operon lac, yang terdiri atas gen-gen penyandienzim pemecah laktosa seperti telah disebutkan di atas.Sebaliknya, pada represi secara normal represor tidak berikatan dengan operatorsehingga RNA polimerase dapat memasuki promoter operon dan transkripsi gen-genstruktural dapat terjadi. Akan tetapi, dengan adanya korepresor, akan terbentuk kompleks15represor-korepresor yang kemudian berikatan dengan operator. Dengan pengikatan ini,RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter operon sehingga transkripsi gen-genstruktural menjadi terhalang. Jadi, ekspresi gen-gen struktural akan terepresi apabilaterdapat molekul korepresor yang berikatan dengan represor.operonPR R PO O GS1 GS2 GS3represor efektor (induser atau korepresor)a)RNA polimeraseinduserRNA polimerase berjalantranskripsikompleks represor-indusertranslasib)RNA polimerase berjalantranskripsikorepresortranslasikompleks represor-korepresorc)Gambar 5. Model operon untuk pengaturan ekspresi gena) komponen operon b) induksi c) represi16Gen-gen yang ekspresinya dapat terepresi merupakan komponen operon yangdinamakan operon represi. Operon trp, yang terdiri atas gen-gen penyandi enzim untukbiosintesis triptofan merupakan contoh operon represi.Pengaturan ekspresi gen pada eukariotHingga sekarang kita baru sedikit sekali mengetahui mekanisme pengaturanekspresi gen pada eukariot. Namun, kita telah mengetahui bahwa pada eukariot tingkattinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal inimenunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesingmRNA, memegang peran yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel.Operon, kalau pun ada, nampaknya tidak begitu penting pada eukariot. Hanya padaeukariot tingkat rendah seperti jamur dapat ditemukan satuan-satuan operon atau miripoperon. Semua mRNA pada eukariot tingkat tinggi adalah monosistronik, yaitu hanyamembawa urutan sebuah gen struktural. Transkrip primer yang adakalanya menyerupaipolisistronik pun akan diproses menjadi mRNA yang monosistronik.Selain itu, terindikasi juga bahwa diferensiasi sel sedikit banyak melibatkanekspresi seperangkat gen yang telah terprogram (preprogramed). Berbagai macam sinyalseperti molekul-molekul sitoplasmik, hormon, dan rangsangan dari lingkungan memicudimulainya pembacaan program-program dengan urutan tertentu pada waktu dan tempatyang tepat selama perkembangan individu. Bukti paling nyata mengenai adanyakeharusan urutan pembacaan program pada waktu dan tempat tertentu dapat dilihat padakasus mutasi yang terjadi pada lalat Drosophila, misalnya munculnya sayap di kepala ditempat yang seharusnya untuk mata. Dengan mempelajari mutasi-mutasi semacam inidiharapkan akan diperoleh pengetahuan tentang mekanisme pengaturan ekspresi genselama perkembangan normal individu.Pada eukariot tingkat tinggi kurang dari 10 persen gen yang terdapat di dalamseluruh genom akan terepresentasikan urutan basanya di antara populasi mRNA yangtelah mengalami prosesing. Sebagai contoh, hanya ada dua hingga lima persen urutanDNA mencit yang akan terepresentasikan pada mRNA di dalam sel-sel hatinya.Demikian pula, mRNA di dalam sel-sel otak katak Xenopus hanya merepresentasikandelapan persen urutan DNAnya. Jadi, sebagian besar urutan basa DNA di dalam genomeukariot tingkat tinggi tidak terepresentasikan di antara populasi mRNA yang ada di17dalam sel atau jaringan tertentu. Dengan perkataan lain, molekul mRNA yang dihasilkandari perangkat gen yang berbeda akan dijumpai di dalam sel atau jaringan yang berbedapula.Pengaturan pada tahap prosesing mRNADua jenis sel yang berbeda dapat membuat protein yang sama tetapi dalam jumlahyang berbeda meskipun transkripsi di dalam kedua sel tersebut terjadi pada gen yangsama. Fenomena ini seringkali berkaitan dengan adanya molekul-molekul mRNA yangberbeda, yang akan ditranslasi dengan efisiensi berbeda pula.Pada tikus, misalnya, ditemukan bahwa perbedaan sintesis enzim -amilase olehberbagai mRNA yang berasal dari gen yang sama dapat terjadi karena adanya perbedaanpola pembuangan intron. Kelenjar ludah menghasilkan -amilase lebih banyak daripadayang dihasilkan oleh jaringan hati meskipun gen yang ditranskripsi sama. Jadi, dalam halini transkrip primernya sebenarnya sama, tetapi kemudian ada perbedaan mekanismeprosesing, khususnya pada penyatuan (splicing) mRNA.Pengaturan translasiBerbeda dengan translasi mRNA pada prokariot yang terjadi dalam jumlah yanglebih kurang sama, pada eukariot ada mekanisme pengaturan translasi. Macam-macampengaturan tersebut adalah (1) kondisi bahwa mRNA tidak akan ditranslasi sama sekalisebelum datangnya suatu sinyal, (2) pengaturan umur (lifetime) molekul mRNA, dan (3)pengaturan laju seluruh sintesis protein.Telur yang tidak dibuahi secara biologi bersifat statis. Akan tetapi, begitu fertilisasiterjadi, sejumlah protein akan disintesis. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam sel teluryang belum dibuahi akan dijumpai sejumlah mRNA yang menantikan datangnya sinyaluntuk translasi. Sinyal tersebut tidak lain adalah fertilisasi oleh spermatozoon, sedangkanmolekul mRNA yang belum ditranslasi itu dinamakan mRNA tersembunyi (maskedmRNA).Pengaturan umur mRNA juga dijumpai pada telur yang belum dibuahi. Sel telur iniakan mempertahankan diri untuk tidak mengalami pertumbuhan atau perkembangan.Dengan demikian, laju sintesis protein menjadi sangat rendah. Namun, hal ini bukanakibat kurangnya pasokan mRNA, melainkan karena terbatasnya ketersediaan suatu18unsur yang dinamakan faktor rekrutmen. Hingga kini belum diketahui hakekat unsurtersebut, tetapi rupanya berperan dalam pembentukan kompleks ribosom-mRNA.Sintesis beberapa protein tertentu diatur oleh aktivitas protein itu sendiri terhadapmRNA. Sebagai contoh, konsentrasi suatu jenis molekul antibodi dipertahankan konstanoleh mekanisme inhibisi atau penghambatan diri dalam proses translasi. Jadi, molekulantibodi tersebut berikatan secara khusus dengan molekul mRNA yang menyandinyasehingga inisiasi translasi akan terhambat.Sintesis beberapa protein dari satu segmen DNAPada prokariot terdapat mRNA polisistronik yang menyandi semua produk gen.Sebaliknya, pada eukariot tidak pernah dijumpai mRNA polisistronik, tetapi ada kondisiyang dapat disetarakan dengannya, yakni sintesis poliprotein. Poliprotein adalahpolipeptida berukuran besar yang setelah berakhirnya translasi akan terpotong-potonguntuk menghasilkan sejumlah molekul protein yang utuh. Tiap protein ini dapat dilihatsebagai produk satu gen tunggal.Dalam sistem semacam itu urutan penyandi pada masing-masing gen tidak salingdipisahkan oleh kodon stop dan kodon awal, tetapi dipisahkan oleh urutan asam aminotertentu yang dikenal sebagai tempat pemotongan (cleavage sites) oleh enzim proteasetertentu. Tempat-tempat pemotongan ini tidak akan berfungsi serempak, tetapi bergantianmengikuti suatu urutan.Referensi:Susanto, A.H (2002) Bahan Ajar Genetika Dasar, Fakultas Biologi UNSOED,Purwokerto