Induksi pada Aktivitas Transkripsi dengan Faktor Lingkungan dan Biologi Ekspresi gen pada eukariotik dapat diinduksi dengan faktor lingkungan seperti suhu dan molekul signal seperti hormon dan faktor pertumbuhan Dalam penelitian mereka tentang operon laktosa pada E. coli, Jacob dan Monod menemukan bahwa gen untuk metabolisme laktosa secara khusus ditranskrip ketika laktosa masuk ke dalam sel. Dengan demikian, mereka menunjukkan bahwa laktosa adalah inducer transkripsi gen. Mengikuti jejak Yakub dan Monod, banyak peneliti telah berusaha untuk mengidentifikasi inducer spesifik transkripsi gen eukariotik. Meskipun upaya ini telah ditemukan dengan cukup sukses, sejauh keseluruhan yang gen eukariotik diinduksi oleh faktor lingkungan dan nutrisi tampaknya masih kurang jika dibandingkan dengan prokariota. Di sini kita akan mempertimbangkan dua contoh dari ekspresi gen yang diinduksi di eukariota. Temperatur : Gen heat-shock Ketika organisme dikenakan pada suhu tinggi, mereka merespon oleh sintesis sekelompok protein yang membantu untuk menstabilkan sel internal terhdap lingkungan. Protein heat-shock ini, ditemukan di prokariota dan eukariota, antara polipeptida yang biasa ditemukan. Perbandingan dari urutan asam amino dari protein heat-shock dari organisme yang beragam seperti E. coli dan Drosophila menunjukkan bahwa mereka 40 sampai 50 persen identik. Ekspresi protein heat-shock diatur pada tingkat transkripsi; yaitu, stres panas khusus yang menginduksi transkripsi gen yang untuk mengkode protein. Pada Drosophila misalnya, salah satu protein heat-shock disebut HSP70 (untuk protein heat-shock, molekul dengan berat 70 kilodaltons) dikodekan oleh kelompok gen yang terletak di dua cluster terdekat di salah satu autosom. Secara keseluruhan, ada lima sampai enam salinangen hsp70 ini dalam dua kelompok. Bila suhu melebihi 33oC, sama halnya pada hari-hari musim panas, masing-masing gen ditranskripsi menjadi RNA, yang kemudian diproses dan diterjemahkan untuk menghasilkan polipeptida HSP70. Transkripsi dengan inksi panar ini dari gen HSP70 dimediasi oleh polipeptida disebut faktor transkripsi heat-shock, atau HSTF, yang hadir dalam inti sel Drosophila. Ketika Drosophila yang terkena stress panas, HSTF secara kimiawi diubaholeh fosforilasi. Dalam keadaan yang berubah ini, ia mengikat secara khusus urutan nukleotida ujung dari gen HSP70 dan membuat gen lebih mudah diakses oleh RNA polimerase II, enzim yang mentranskripsi gen yang paling sering mengkode protein. Transkripsi gen HSP70 kemudian
dengan tenaga penuh dirangsang. Urutan dimana terfosforilasi HSTF mengikat disebut elemen respon panas-shock (HSES).
Molekul Sinyal: Gen yang Respon Terhadap Hormon Pada eukariotik multiseluler, salah satu jenis sel mendapat sinyal lain dengan mengeluarkan hormon. Hormon yang beredar melalui tubuh, melakukan kontak dengan sel target mereka, dan kemudian menginisiasi serangkaian peristiwa yang mengatur ekspresi gen tertentu. Pada hewan ada dua bagian umum hormone. Bagian pertama adalah hormon steroid yang kecil, molekul lipid larut yang berasal dari kolestrol. Karena sifat lipid mereka, mereka memiliki sedikit atau tidak ada kesulitan untuk melewati membrane sel. Contohnya pada esterogen dan progesteron, yang memainkan peran penting dalam siklus reproduksi wanita, testosterone yang merupakan hormon perubahan dan perilaku laki-laki, glukotiroid yang terlibat dalam pengaturan kadar gula darah, dan ecdysone yang merupakan hormon yang mengontrol peristiwa perkembangan pada serangga. Hormon yang telah memasuki sel, mereka akan berinteraksi dengan protein sitoplasma atau protein inti sehingga disebut reseptor protein. Reseptor/hormon
kompleks dibentuk kemudian akan berinteraksi dengan DNA, dan bertindak sebagai faktor transkripsi untuk regulasi ekspresi gen-gen tertentu. (Gambar 19.4). Bagian kedua dari hormon adalah hormon peptida yang merupakan rantai linier asam amino. Seperti kebanyakan polipetida yang lain, molekul ini dikode oleh gen. Contohnya adalah insulin, yang meregulasi tingkatan gula darah, somatotropin yang merupakan hormone pertumbuhan, dan prolactin yang menargetkan jaringan di payudara mamalia betina. Karena hormon peptida biasanya terlalu besar untuk melewati membrane sel, maka sinyal yang mereka sampaikan harus dikirim ke bagian dalam sel dengan ikatan membran protein reseptor (Gambar 19.5). Ketika hormon peptide berinteraksi dengan reseptor, hal itu menyebabkan perubahan konformasi pada reseptor yang akhirnya mengubah protein lain didalam sel. Melalui cara perubahan tersebut, maka sinyal hormone akan ditransmisi melalui sitoplasma sel dan masuk dalam nukleus, dimna akhirnya hormone tersebut berdampak pada regulasi ekspresi gen tertentu. Proses mentrasmisi sinyal hormon melalui sel dan masuk kedalam nukleus disebut transduksi sinyal.
Gambar 19.4 Regulasi ekspresi gen oleh hormone steroid. Hormon berinteraksi dengan reseptor didekat sel target. Pada contoh ini, reseptor pada sitoplasma, reseptor hormone steroid yang lain terletak pada nukleus. Kompleks hormon steroid/reseptor berpindah kedalam nukleus dimana terjadi aktivitas transkripsi partikel gen.
Gambar 19.5. Regulasi ekspresi gen oleh hormone peptide. Hormon (sinyal ekstraseluler) berinteraksi dengan reseptor pada membran di sel target. Aktivitas kompleks hormon/ reseptor yang dihasilkan mengaktifkan protein sitoplasma yang memicu perubahan intraseluler. Perubahan ini merupakan transmisi sinyal kedalam nukleus, dimana faktor transkripsi memicu ekspresi gen tertentu. Hormon penginduksi ekspresi gen dimediasi oleh sekuen tertentu pada DNA. Sekuen ini, disebut elemen respon hormone (HREs), yang sejalan dengan respon elemen panas yang dibahas sebelumnya. Mereka terletak dekat dengan gen mereka yang mengatur dan melayani untuk mengikat protein tertentu, ketika bertidak sebagai faktor transkipsi. Dengan hormon steroid seperti esterogen, HERs akan diikat oleh kompleks hormon/ reseptor ketika stimulasi transkpisi. Kekuatan respon transkripsi tergantung pada angka HREs yang tersaji. Ketika ada elemen respon ganda, kompleks hormon/ reseptor akan mengikat secara kooperatif satu sama lain, secara
signifikan akan meningkatkan tingkat transkripsi, bahwa gen dengan dua elemen respon yang ditranskripsi lebih dari dua kali dianggap sebagai kekuatan gen hanya satu. Dengan hormon peptide, reseptor biasanya tersisa didalam membrans sel, bahkan setelah membentuk kompleks dengan hormone. Sinyal hormon yang disampaikan untuk nukleus dengan protein lain, beberapa diantaranya mengikat urutan yang dekat dengan gen yang diatur oleh hormon. Protein kemudian bertindak sebagai faktor transkripsi untuk mengontrol ekspresi gen. Aktivitas transkripsi dapat diinduksi oleh banyak jenis protein yang bukan merupakan hormon atau dalam arti lain tidak diproduksi oleh kelenjar tertentu atau organ. Ini termasuk berbagai disekresikan, molekul faktor pertumbuhan saraf, faktor pertumbuhan epidermal, dan faktor penurunan platelet, dan molekul noncirculating lain yang terkait dengan permukaan sel atau dengan matriks antara sel-sel. Meskipun masing-masing dari protein ini memiliki kekhasan sendiri, mekanisme umum dimana mereka menginduksi transkripsi menyerupai hormon peptida. Interaksi antara protein signaling dan reseptor membran-terikat memulai rantai peristiwa di dalam sel yang akhirnya menghasilkan faktor transkripsi spesifik yang mengikat gen tertentu, yang kemudian ditranskripsi.
