Alif Rosyidah El Baroroh Faiza Nur Imawati N. Offering I Regulasi Ekspresi Gen Dan Perkembangan Pada Eukariot Diferensiasi sel pada eukariot yang lebih tinggi Selama pengembangan eukariot yang lebih tinggi, sel memberikan sinyal pada zigot dengan pembagian sel mitoptik ke rangkaian tipe sel yang luas, dengan morfologi dan komposisi makromolekul yang sangat berbeda. Jenis sel yang berbeda ini seringkali sangat khusus hanya melakukan beberapa fungsi metabolik tertentu. Misalnya sel darah merah yang khusus untuk sintesis dan penyimpanan hemoglobin. Lebih dari 90 persen molekul protein yang disintesis dalam sel darah merah selama periode aktivitas biosintesis maksimal adalah rantai hemoglobin. Sel saraf ternyata satu-satunya sel yang mampu mensintesis neurotransmiter. Lalu bagaimana mekanisme diferensiasi berbagai sel ini. Hal ini telah ditunjukkan oleh berbagai teknik perkembangan transkripsi 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, analisis biokimia DNA dari nukleus dari berbagai sel yang terdiferensiasi hampir di semua kasus menunjukkan bahwa genom mengandung urutan pasangan nukleotida yang sama. Pengecualian yang jarang diketahui. Sel darah merah Mamalia misalnya mengekstrusi nukleus selama tahap terakhir diferensiasi Selama pengembangan tanaman atau hewan yang kompleks, ekspresi gen telah untuk diatur dalam proses transkripsi, mempersiapkan mRNA, pengolahan mRNA, transportasi mRNA, stabilitas terjemahan protein post translational, pengolahan protein, dan fungsi enzim. Namun data ekstensif sekarang menunjukkan bahwa ekspresi gen diatur terutama pada tingkat pemrosesan transkripsi dan pra mRNA. Pengaturan pada tingkat translasi jelas penting dalam pengendalian keseluruhan proses metabolisme organisme hidup. Namun mekanisme pengatur dengan efek terbesar pada fenotip telah ditunjukkan untuk bertindak pada tingkat pemrosesan transkripsi dan RNA. Banyak proses perkembangan pada eukariota yang lebih tinggi tampaknya dikendalikan oleh rangkaian ekspresi gen yang terprogam. Dalam kasus ini beberapa kejadian seperti pelepasan hormon dalam aliran darah atau pemupukan telur memicu ekspresi satu set gen. Produk dari salah satu fungsi gen ini dengan mematikan transkripsi set gen pertama dan atau mengaktifkan transkripsi set gen kedua. Pada gilirannya satu atau lebih produk dari set kedua bertindak dengan menyalakan set ketiga, dan seterusnya. Dalam kasus ini, ekspresi gen diprogram secara genetis dan gen biasanya tidak dapat dihilangkan secara berurutan. Dalam eukariot kita tahu bahwa hormon dapat memicu ekspresi sekuensial kumpulan gen. Selain itu kita tahu bahwa gen pengatur terlibat dalam pengendalian pola
diferensiasi. Dalam beberapa kasus, kita tahu bahwa elemen peraturan yang disebut enhancer dan silencer memodulasi tingkat ekspresi gen dari promotor terdekat. Contoh neoklasikal perkembangan diregulasi ekspresi gen Transkripsi pada kromosom lampbrush pada oosit ampibi, 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 tipe sel yang berbeda Pada eukariot hanya sebagian kecil genom yang di representasikan antara molekul RNA pada banyak jenis sel. Hal ini di demontrasikan oleh RNA-DNA saturation hybrodation experiment “eksperimen hibridasi kejenuha RNA-DNA ” RNA di ekstrak dari sel-sel tertentu dan dibolehkan untuk dihibridasi dengan DNA inti total (denaturated). RNA di tambahkan pada reaksi hibridasi yag berlebih (relative pada kosentrasi DNA) sehingga semua squens komplementari DNA pada sequence direpresentasikan antara populasi RNA yang membentuk RNA-DNA hybrid. Penyediaan bagian genom yang ditunjukkan oleh squens populasi mRNA pada jenis sel tertentu. Hasilnya : kurang dari 10 % dari DNA pada genom di representasikan antara molekul mRNA pada sitoplasme dari satu jenis sel. Perbedaan set gen yang dijelaskna dan perbedaan transkrip primer diproses dalam mRNA pada perbedaan jenis diferensiasi sel. Biasanya beberapa gen yang sama dan beberapa gen yang berbeda dijelaskan pada perbedaan jaringan. Pada eksperimen RNA-DNA hibridasi kompetitif “RNA-DNA competitive hybridation experiment ”. Jika kedua jenis terdiri dari populasi RNA yang berbeda, jumlah yang sama dari populasi RNA yang diberi label akan bersilangan dengan DNA dengan ada tidaknya RNA pelengkap. Jika keduanya overlap, jumlah dari RNA hidrib akan dukurangi pada bagian tingkat overlap (pengurangan pada bagian equal ke bagian dari sequence RNA yang diberikan). Eksperimen ini mengindikasikan bahwa sequence RNA ada ada populasi RNA yang diambil dari jaringan yang berbeda atau jeni sel yang berbeda (10-100%). E.davidson dan koleganya mendeteksi tdak adanya mRNA pada oosit dan blastula dari xenopus leavis. Pada hati mencit, dan sel-sel ginjal terdiri dari kelompok mRNA diperkirakan berbeda pada komposis sequence antara 15-70 %. Mereka mengindikasikan bahwa perbedaan set-set gen dijelaskan dan perbedaan transkrip diproses dalam mRNA pada jenis sel yang berbeda. Terdapat hipotesis bahwa gen eukariot dikemas dalam kromatin pada representasi nonspesifik, dan bahwa regulasi transkripsi dan atau proses traskrip terjadi oleh mekanisme positif activator gen tertentu. Aktiavtor ini dipicu untuk mengatur transkrip gen tertentu. Pada beberapa kasus, aktivasi diketahui melibatkan sequence cis-acting regulator yang disebut enhancers. Bukti-bukti mengindikasikan bahwa protein kromosomal nonhiston
berfungsi sebagai activator transkripsi. Pada kasus lain proses regulasi pada RNA transkripsi penting untuk pengontrolan pada diferensiasi mengendalikan pada eukariot. Histon bertanggung jawab pada kekurangan pada represi nonspesifik dari gen eukariot, protein histon tersebut tidak termasuk dalan histon H1, diketahui menjadi komplek dengan DNA pada nukelosom. Histon-komplexed DNA ditrnaskrip kurang efisien pada sisten trnaskrip in vitro daripDNA sama stelah removal dari histon. Histon yang sama ada pada kromatin jenis yang berbeda dari diferensiasi sel-sel, jadi scientist tpercaya bahwa histon tidak berfungsi sebagai repressor atu activator transkripsi. Belum lam ini scientist percaya bahwa modifokasi histon seperti phophorilation dan acylation dari kunci asam amino dimasukkan dalam regulasi transkripsi. Mekanisme regulasi transkripsi pada eukariot yang lebih tinggi Transkripsi pada eukariot diinisiasi oleh protein pengkode. Protein ini hanya bisa menginisiasi pada proses transkripsi, yang 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 yang lebih tinggi ini tidak ditemukan mRNA pada eukariot 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 Peningkat bertujuan untuk meningkatkan gen yang di atur pada proses transkripsi, 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, sehingga meningkatkan proses transkripsi pada target saja, tidak yang lain.
Regulasi pada Tahap Transkripsi Melalui Metilasi DNA Pada tanaman dan hewan tingkat tinggi, DNA selalu dimodifikasi setelah sintesis melalui pengubahan enzimatik basa sitosin menjadi 5-methylcytosine (metilasi). Peristiwa metilasi ini bervariasi antar spesies; pada mamalia, dari 2-7% residu sitosin mengalami metilasi. Hingga saat ini, belum ada bukti pasti terkait peranan metilasi pada regulasi ekspresi gen eukariot. Meskipun demikian, pendapat-pendapat tentang metilasi pada kontrol regulasi gen pada organisme eukariot didasarkan pada 3 bukti secara tidak langsung: a. Banyak kajian telah mendemonstrasikan hubungan antara level ekspresi gen dan tingkat metilasi; misalnya metilasi rendah maka ekspresi gen akan tinggi, atau sebaliknya. b. Pola metilasi bersifat spesifik pada setiap jaringan c. Obat-obatan (analog basa) 5-azacytidine, yang tidak dapat termetilasi setelah bergabung dengan DNA suatu sel menunjukkan hasil ekspresi gen pada jaringan yang awalnya tidak terekspresi menjadi terekpresi. Aspek penting dari pola metilasi yaitu bahwa mereka terwariskan secara klonal. Lebih dari 90% metilasi DNA pada sebagian besar eukariot terjadi pada sekuen di nukleotida CG dan sekuen ini termetilasi secara simetris. Replikasi semikonservatif atas sekuen yang termetilasi secara simetris akan menghasilkan dua sekuen yang termetilasi sebagian. Kunci utama model regulasi ekspresi gen atau diferensiasi melalui metilasi DNA melibatkan pembentukan pola metilasi yang spesifik pada suatu jaringan. Hipotesis yang paling populer yaitu bahwa pola tersebut terbentuk selama perkembangan melalui tissuespecific demethylases, yang mengakibatkan hilangnya gugus metil dari situs kritis suatu gen yang secara terencana/terjadwal akan diekspresikan pada tipe sel tertentu. tetapi kita harus menyadari bahwa ini hanyalah “sebuah model”. Apakah Z DNA Memegang Peran Regulatori? DNA adalah bentuk DNA dengan left handed double helix untuk jalur zig zag gula fosfat suatu molekul. Bentuk Z dari sekuen DNA purin dan pirimidin yang saling bergantian hanya terjadi pada konsentrasi garam yang tinggi. Ketika beberapa basa pada sekuens bentuk Z termetilasi, konformasi Z ini akan stabil pada konsentrasi garam yang lebih rendah sehingga komposisi Z-DNA yang terdiri dari sekuen purin pirimidin yang saling bergantian yang di dalamnya mengandung basa-basa termetilasi mungkin stabil dalam keadaan in vivo. Selain itu, kestabilan Z-DNA dapat ditingkatkan oleh kation, meliputi poliamin misalnya spermine. Kestabilan Z-DNA juga dapat ditingkatkan oleh negative supercoiling dan DNA binding protein yang spesifik untuk Z-DNA. Sementaran itu ketika purin dan pirimidin yang saling bergantian dilengkapi dengan histon, sekuens tersebut tidak akan mengalami transisi dari bentuk B menjadi bentuk Z. Penghubung transisi tersebut merupakan nuclease sensitive yang dekat dengan daerah promotor gen yang aktif dalam transkripsi. Z DNA ditemukan pada kromosom raksasa drosophila dan protozoa S.mytilus.indikasi dari Z DNA berpengaruh adalah protein aktivator tertentu hanya menempel pada bentuk B-DNA.
Struktur Kromatin: Tempat Sensitif Nuklease Dekat Pada Gen Aktif Dalam nukleosom, frekuensi gen yang aktif ditranskripsi dan gen yang inaktif sama walaupun keduanya tidaklah identik. DNA yang berada di nukleosom tidak di degradasi oleh nuklease. Sensitivitas nuklease dari gen-gen yang aktif tergantung pada keberadaan dua protein kromosomal non histon, yaitu HMG14 dan HMG17 (HMG: High Mobility Group). Saat protein ini dipindahkan dari kromatin yang aktif, sensitivitas nukleasenya hilang. Saat protein tersebut ditambahkan kembali, sensitivitasnya akan kembali. Daerah hypersensitive berlokasi di ujung promotor gen yang ditranskripsi. Daerah hypersensitive juga bisa berada di enhancer atau dekat dengan promotor. DNA tidaklah selalu berbentuk sama karena dapat mengalami modifikasi ke bentuk lain pada daerah hypersensitive. Kontrol Hormonal Ekspresi Gen Ada dua macam sistem sinyal oleh hormon dalam komunikasi intraselular, yakni sinyal yang ditimbulkan oleh hormon melalui membran sel karena ukuran molekulnya yang besar sehingga tidak dapat masuk ke dalam sel dan sinyal yang ditimbulkan oleh masuknya hormon ke dalam plasma sel karena ukuran molekulnya yang kecil. Aktivasi Transkripsi Oleh Hormon Steroid Kompleks protein reseptor hormon mengaktifkan transkripsi gen target dengan berikatan pada sekuens DNA spesifik yang ada pada daerah regulatori cis-acting gen tersebut. Hal ini tanpa adanya daerah promotor dan enhancer yang meregulasi transkripsi gen target, misalnya pada glucocorticoid, esterogen dan tiroid pada hewan tingkat tinggi. Perkiraan lainya kompleks protein reseptor berinteraksi dengan protein kromosomal nonhiston spesifik (di kromatin sel target). Interaksi ini menstimulasi transkripsi pada gen yang tepat. Secara umum, kompleks protein reseptor hormon berfungsi sebagai regulator positif atau activator
transkripsi. Secara singkatnya karena adanya protein histon termodifikasi kemudian akan terjadi ekpresi gen. Aktivasi Hormon Glucocorticoid Melalui Element Enhacer Hormon steroid seperti glukokortikoid (misalnya kortisol) dan esterogen (misalnya βestradiol) mampu mengaktifkan gen-gen sel target spesifik dengan protein sebagai perantara terjadinya interaksi dengan sekuen regulatori cis-acting. Sekuen cis-acting inilah yang biasanya disebut enhancer. Hormon glukokortikoid pada awalnya mengikatkan diri ke
protein reseptor yang ada di sitoplasma sel-sel target. Kompleks reseptor-hormon glukokortikoid mengaktifkan gen-gen target dengan cara mengikatkan diri pada sekuen GREs (glucocorticoid response elements )di enhancer yang terletak berdekatan dengan gen tersebut. Ikatan reseptor-hormon ke enhancer kemudian akan mengaktifkan promoter dari gen-gen target yang berdekatan sehingga promoter terbuka dan mengakibatkan RNA polimerase melekat pada binding site nya dan terjadilah transkripsi.
Ecdison dan kromosom “Puffs” Pada Lalat Puff merupakan pita kromosom yang memiliki struktur berwarna dengan tingkat kerapatan yang rendah, dan mekanisme pembentukannya disebut dengan puffing. Puff ini menunjukkan segmen kromosom yang melebar; berperan untuk memfasilitasi transkripsi sekelompok gen. Puff mengandung sekuen DNA yang komplementer dengan sekuen RNA yang dijumpai pada mRNA sitoplasmik. Selama perkembangan lalat diptera, Edison dilepaskan dan menrangsang molting. Edison menginduksi bagian Puffing sequensial sebagai efek dari hormone steroid pada ekspresi gen. pada daerah puff ini menandakan terjadinya transkripsi gen. Regulasi Melalui Jalur Pemotongan-Penyambungan Hasil Transkripsi Pada lalat Antp, transkrip adalah jalur pemotongan alternatif pada embrio dan pupa. Misalnya yang terjadi pada gen tropomiosin Drosophila dan hewan vertebrata. Tropomiosin adalah kelompok protein yang memperantarai antara aktin dan troponin yang membantu regulasi kontraksi otot. Pada jaringan yang berbeda yaitu antara otot dan bukan otot ditandai
dengan adanya isoform tropomiosin. Isoform tropomiosin dihasilkan dari gen yang sama sebagai pemotongan alternatif. Regulasi sirkuit kompleks Gen pada eukariot Ada beberapa model yang telah dikemukakan oleh beberapa ahli dan salah satu yang terkenal adalah model yang dikemukakan oleh R.J. Britten dan E.H. Davidson. Model tersebut mengemukakan bahwa integritas regulasi sekelompok gen-gen structural oleh gengen regulator kompetitif. Model tersebut menghitung sekun DNA kopi tunggal penyela dan sekuen DNA repetitif. Berdasarkan model Britten dan Davidson, gen-gen sensor spesifik menunjukkan sekuen pengikatan spesifik. Ketika gen sensor menerima sinyal yang sesuai, mereka akan mengaktifkan transkripsi gen-gen yang berdekatan.menurut Britten dan Davidson menyatakan bahwa produk gen integrator merupakan activator RNA yang berintrraksi secara langsung dengan gen-gen reseptor yang merangsang
transkripsi contiguous producer genes (analog dengan gen structural pada operon prokariotik). Pembuatan gen-gen reseptor atau gen integrator secara redundan, berbagai macam gengen produser dapar diaktifkan sebagai respon terhadap sinyal yang berbeda. Apabila gen integrator dan reseptor memang redundan,complex integrated circuits ekspresi gen dapat mudah ditemukan. Gambaran yang menarik terhadap model Britten dan Davidson bahwa model ini memberikan alas an yang logis terhadap pola penyela sekuen DNA repetitive dan sekuen DNA kopi tunggal. Bukti langsung mengindikasikan bahwa sebagian gen sruktural (gen-gen produser) merupakan sekuen DNA kopi tunggal. Berdasarkan model Britten dan Davidson, sekuen DNA repetitive yang berdekatan mengandung berbagai macam gen-gen regulator (sensor, integrator, dan gen-gen reseptor). Kajian selanjutnya tentang perbadingan kompleksitas antara populasi hnRNA (Heterogenous nuclear DNA) dan populasi RNAd [ada tipe sel yang berbeda menunjukkan bahwa hnRNA lebih kompleks daripada RNAd. Hal tersebut menunjukkan bahwa regulasi terjadi pasca transkripsi selama pemrosesan RNA, yaitu pada tahap hnRNA menjadi RNAd. Model kedua yang dikemukakan oleh Britten dan Davidson mengemukakan bahwa ekspresi gen diregulasi pada tingkat pemrosesan RNA. Berdasarkan model ini sebagian gen struktural berada di constitutive transcription units yang akan ditranskripsikan pada level basal pada semua sel. Hasil transkripsi konstritutif ini hanya akan diproses pada sel yang mengandung integrating regulatory transcript yanga akan ditranskripsikan sel dengan cara yang spesifik. Dan harus ada sebelum hasil transkripsi kontitutif dari gen structural tersebut diproses menjadi RNAd. Iintegrating regulatory transcript mengandung sekuen repetitive yang berinteraksi dengan hasil transkripsi gen structural yang berbeda seperti gen integrator spesifik yang berinteraksi gengan gen gen reseptor berbeda pada model Britten dan Davidson yang asli. Perbedaan utama yaitu bahwa regulasi terjadi pada post transkripsi selama pemrosesan RNA pada model Britten-Davidson dan bukan pasa saat transkripsi seperti yang telah dikemukakan pada model yang pertama.
Pertanyaan 1. Mengapa eukariot memiliki mekanisme ekspresi gen yang lebih rumit, apakah setiap sel dari organisme ini memiliki gen yang sama? Sebab sel eukariot mengandung lebih banyak informasi genetic dan tersimpan dalam beberapa kromosom sedangkan pada prokariot hanya pada satu kromosom. Serta kebanyakan eukariot adalah organisme multiseluler dengan tipe sel berbeda. Setiap sel menggunakan seperangkat gen yang berbeda untuk mensintesis protein yang berbeda. Dalam semua jaringan organisme ini seperti dalam jaringan otot, jaringan tulang, dan semuabagian tubuh memiliki gen yang sama, namun dalam setiap jaringan tersebut ekspresi dari gen yang ada akan berbeda beda. 2. Puff pada kromosom lalat mengapa mengempis setelah terjadi pembentukan puff baru di kromosom tersebut? Pada puff terjadi transkripsi gen, kemudian puff pertama akan hilang setelah hadirnya puff kedua karena hasil dari transkripsi (produk) puff pertama akan menonaktifkan transkripsi yang terjadi pada puff pertama juga mengkatifkan puff lain setelahnya atau mengaktifkan transkripsi gen lain pada puff selanjutnya. 3. Proses apa saja yang dapat mengendalikan ekspresi genetik eukariot sehingga diperoleh interaksi antarmolekul? RNA polimerase sebagai protein utama selama proses transkripsi. Protein-protein pembantu yang dapat berikatan dengan nukleotida dan protein yang terlibat selama proses translasi menjadi poliptida. 4. Mengapa pada pengendalian ekspresi genetik eukariot tidak ditemukan operon seperti pada prokariot? Karena pada eukariot memiliki sifat monogenic yang mengandung sekuen pengkode gen struktural. Transkrip utama bersifat poligenik, tetapi kemudian akan membelah untuk menghasilkan monogenik sedangkan pada prokariot proses transkrip dibutuhkan pemicu untuk aktivitas gen regulator untuk diaktifkan dan penonaktivan.
