504-517 Regulasi Ekspresi Gen pada Prokariot Mikroorgani Mikroorganisme sme menunjukkan menunjukkan kapasitas yang luar biasa untuk beradaptasi beradaptasi dengan kondisi kondisi lingkungan lingkungan yang beragam. Adaptasi Adaptasi ini sebagian tergantung tergantung pada kemampuan mereka untuk mengaktifkan mengaktifkan dan menonaktifkan menonaktifkan ekspresi gen tertentu dalam menanggapi perubahan lingkungan. Ekspresi gen tertentu diaktifkan ketika produk dari gen ini dibutuhkan untuk pertu mbuhan. Ekspresi gen dinonaktifkan ketika produk gen yang tidak lagi diperlukan. Sintesis transkrip transkrip gen dan produk terjemahan terjemahan memerlukan pengeluaran pengeluaran energi yang cukup besar. Dengan menonaktifkan menonaktifkan ekspresi ekspresi gen ketika produk mereka mereka tidak diperlukan, organisme dapat menghemat energi dan dapat memanfaatkan energi kekal untuk mensintesis mensintesis produk yang memaksimalkan memaksimalkan laju pertumbuhan. pertumbuhan. Kemu Kemudi dian an,, meka mekani nism sme e sepe sepert rtii apa apa yang ang meng mengat atur ur eksp ekspre resi si gen gen pada pada mikroorganisme dalam menanggapi perubahan lingkungan?
AM!A" AM!A" #$.# Sebuah jalur singkat ekspresi gen, menampilkan menampilkan lima tahapan penting dari regulasi pada prokariota Ekspresi Ekspresi gen pada prokariota diregulasi diregulasi pada tingkat tingkat yang berbeda% transk transkrip ripsi, si, pengola pengolahan han m"&A, m"&A, m"&A m"&A omset, omset, transl translasi asi,, dan pascatr pascatransl anslasi asi 'ambar #$.#(. &amun, mekanisme regulasi dengan efek terbesar pada tindakan fenotip pada tingkat transkripsi. !erdasa !erdasarka rkan n apa yang yang diketah diketahui ui tentang tentang regulas regulasii transk transkrip ripsi, si, mekani mekanisme sme berbagai regulasi dapat dibagi menjadi dua kategori umum% #. Mekani Mekanisme sme yang melibatk melibatkan an kecepa kecepatan tan mengaktif mengaktifkan kan dan menonak menonaktif tifkan kan ekspresi gen dalam menanggapi perubahan lingkungan. Mekanisme regulasi jenis ini penting dalam mikroorganisme karena sering adanya paparan pada organisme ini terhadap perubahan yang mendadak di lingkungan. ). Mekanisme Mekanisme disebut disebut sebagai sebagai rangkai rangkaian an praprogram praprogram atau atau urutan urutan dari ekspresi ekspresi gen. Dalam kasus ini, beberapa peristi*a memicu ekspresi dari satu set gen. +roduk dari satu atau lebih dari fungsifungsi fungsifungsi gen dengan menonaktifkan menonaktifkan transkripsi dari set pertama dari gen atau mengaktifkan transkripsi set kedua gen. Kemudian, Kemudian, satu satu atau lebih lebih produk produk dari set kedua kedua bertin bertindak dak dengan dengan mengaktifkan set ketiga, dan seterusnya. Ekspresi Gen Konstitutif, diinduksi, dan Direpresi en merupakan komponen seluler yang spesifik yang melakukan fungsi housekeeping housekeeping 'penataan( misalnya, misalnya, "&A ribosom ribosom dan protein yang terlibat dalam dalam sintesi sintesis s protei proteiny nyang ang dieksp diekspres resika ikan n secara secara konsti konstituti tutif. f. beberap beberapa a en sering sering kali diekspresikan diekspresikan hanya ketika ketika produk mereka diperlukan diperlukan untuk pertumbuhan.
!eberapa produk gen seperti molekul t"&A, molekul r"&A , protein "&A ribosom, subunit "&A polimerase, dan en-im yang mengkatalisis proses metabolisme yang sering disebut sebagai selular housekeeping merupakan komponen penting dari hampir semua sel hidup. en yang menentukan produk jenis ini terusmenerus diekspresikan dalam sel secara umum. beberapa en tersebut dikatakan diekspresikan secara konstitutif dan disebut sebagai beberapa en konstitutif. Dalam lingkungan alami 'saluran usus dan selokan(, E. coli sel mungkin menemukan ketiadaan glukosa dan kehadiran laktosa relatif jarang. /leh karena itu, gen E. coli pengkodean en-im yang terlibat dalam pemanfaatan laktosa mungkin dimatikan pada *aktu itu. 0ika selsel tumbuh p ada karbohidrat selain laktosa yang ditransfer ke laktosa mengandung media sebagai sumber karbon saja, mereka dengan cepat mulai mensintesis en-im yang diperlukan untuk pemanfaatan laktosa 'ambar #$.)a(. +roses menyalakan ekspresi gen dalam menanggapi suatu -at dalam lingkungan disebut induksi. Ekspresi gen yang diatur dalam cara ini disebut diinduksi gen, produk mereka, jika en-im, disebut en-im terinduksikan. Ketika selsel E. coli yang hadir di lingkungan yang mengandung triptofan yang cukup untuk mendukung pertumbuhan yang optimal, sintesis lanjutan dari biosintesis triptofan en-im akan membuangbuang energi. Dengan demikian, mekanisme peraturan telah berkembang dalam E. coli yang mematikan sintesis dari en-im biosintesis triptofan ketika triptofan eksternal tersedia 'ambar #$.)b?(. Sebuah gen yang ekspresinya telah dimatikan dengan cara ini dikatakan ditekan, proses ini disebut represi. Ketika ekspresi gen ini diaktifkan, maka dikatakan derepressed, respon tersebut disebut derepression.
Kontrol Ekspresi Gen Positif dan Negatif Dalam beberapa kasus, produk dari pengaturan gen adalah diperlukan untuk memulai ekspresi dari satu atau lebih gen. Dalam kasus lain, produk dari gen peraturan adalah diperlukan untuk mematikan ekspresi dari satu atau lebih gen. "egulasi ekspresi geninduksi, atau menyalakan gen, dan represi, atau gen mematikandapat dicapai oleh kedua mekanisme kontrol positif dan mekanisme kontrol negatif. Kedua mekanisme melibatkan partisipasi regulator gengen produk encoding yang mengatur ekspresi gen lainnya. Dalam mekanisme kontrol positif, produk dari gen regulator diperlukan untuk menghidupkan ekspresi dari satu atau lebih gen struktural 'gen menentukan sekuens asam amino dari en-im atau protein struktural(, sedangkan pada mekanisme kontrol negatif, produk dari gen regulator diperlukan untuk mematikan ekspresi gen struktural. "egulasi positif dan negatif yang diilustrasikan untuk kedua diinduksi dan sistem direpresi dalam ambar #$.1.
ambar #$.1 kontrol negati2e dan positif pada 'a( system induksi dan 'b( system penekanan dari ekspresi gen. regulasi produk gen yang diperlukan untuk mengaktifkan ekspresi gen pada system kontrol positif dan menghentikan 'menonaktifkan( ekspresi gen pada system kontrol negetif. KES3M+45A& Ekspresi gen dikendalikan oleh mekanisme regulasi positif dan negati2e. • •
Dalam mekanisme kontrol positif, produk gen regulator, acti2ator, yang diperlukan untuk mengaktifkan ekspresi dari gen struktural.
•
•
•
•
Dalam mekanisme kontrol negatif, produk gen regulasi, repressor, yang dibutuhkan untuk menghentikan ekspresi dari gen struktural. Acti2ator dan repressor mengatur ekspresi gen melalui mengikat sisi dekat promoter gen struktural. !isa atau tidak protein regulator bisa mengikat binding site dipengaruhi oleh ada atau tidaknya molekul efektor yang membentuk kompleks dengan protein regulator. Molekul efektor disebut dengan inducer pada system induksi dan co repressor pada system penekanan.
OPERON !N"# KOORD"N$%" PENG$#!R EK%PRE%" GEN +ada prokaryotic, gengen dengan fungsi yang sama sering kali memperlihatkan unit koordinasi pengaturan genetik yang disebut dengan operon. Model operon, mekanisme kontrol negati2e, dikembangkan pada #67# oleh 8rancois 0acob dan 0ac9ues Monod untuk menjelaskan regulasi gen yang dibutuhkan untuk penggunaan laktosa pada E. coli :..
Ga&'ar 1()4 "egulasi espresi gen dengan mekanisme operon a( komponen operon % terdiri dari satu atau lebih gen struktural 'terlihat tiga gen
struktural,yakni S#, S), S1( dan bergabung dengan urutan operator '/( dan promotor '+(. terlihat satu operator dan promotor, meskipun beberapa operon mempunyai banyak operator dan promotor. en regulasi transkripsi '"( dikenali oleh "&A polymerase, dengan mengikat promotor '+"(. Saat represor terikat pada operator, hal ini menghalangi "&A polymerase untuk mengenali gen struktural transkripsi. +erbedaan antara kemampuan induksi operon 'b( dan kemampuan represi operon 'c( pengikatan represor bebas pada operator 's( adalah kemampuan induksi operon, sedangkan molekul represor atau efektor kompleks yang terikat pada operator 's( adalah kemampuan represi operon. 3nduksi operaon tidak aktif etika tidak ada molekul efektor 'penginduksi(, dan represor akan aktif jika tidak ada molekul efektor 'co represor( Operon koordinasi unit regulasi pada ekspresi gen Model operon, adalah kontrol mekanisme negatif, yang berkembang pada tahun #67# oleh 8rancois 0acb dan 0ac9ues Mnod untuk menjelasakan regulasi pada gen yang digunakan untuk memanfaatkan laktosa pada E coli. 4sulan 0acob dan Monod bah*a kelengkapan transkripsi pada gen struktural pendamping yang teregulasi melalui dua elemen kontrol. 'gambar #$.;a(. satu dari elemen tersebut adalah gen represor yang mengandung kode represor, yang terikat pada elemen kedua pada operator 'ketika kondisi sesuai(. /perator selalu berdampingan dengan gen struktual yang mengekspresikan regulasi ini. dari daerah kode pada gen struktural. Saat represor terikat pada operator, akan menghalangi "&A polymerase dari gen struktural yang tertulis pada operon. Daerah operator berdampngan dengan daerah promotor, terkadang operator dan promotor saling tumpang tindih, berupa bagian urutan pendek D&A. Daerah operator hampir selalu berada di antara promotor dan gen struktural yang meregulasinya. 4nit yang berdampingan, meliputi gen struktural, promotor dan operator disebut operon. 'gambar #$.; a(. Ketika represor terikat pada operator , gen struktural dalam operon tidak aktif pada transkripsi, ini tergantung pada ada atau tidaknya molekul efektor . induksi operon dan represi operon dapat dibedakan antara satu dengan lainnya melalui represor atau molekul efektor yang aktif berikatan dengan operator. #. Dalam hal induksi operon, represor bebas terikat pada operator, maka transkripsi tidak aktif ). 0ika terjadi represi operon, maka sebaliknya. "epresor bebas tidak dapat terikat pada operator. anya kompleks molekul efektor yang aktif berikatan dengan operator. 'gambar #$.;c( +erkecualian pada kondisi tertentu, saat ikatan operator pada represor bebas dan komplek molekul efektor, dapat terjadi induksi dan represi operon yang identik. asil m"&A tunggal yang terba*a berupa kode informasi pada operon. M "&A pada operon terdiri dari satu atau lebih gen struktural yang multigenik. Sebagai contoh, tryptopan pada m"&A operon E.coli terdiri dari urutan kode dengan lima gen yang berbeda. Karena merupakan cotranscribe, yaitu gen sruktural yang diekspresikan. Kata kunci
•
•
•
+ada bakteri, gen dengan fungsi yang berhubungan pada koordinasi unit regulasi disebut operon Setiap operon merupakan gen struktural yang berdampingan, berupa promotor ' bagian yang terikat dengan "&A polymerase(, dan operator 'bagian yang terikat untuk regulasi protein yang disebut represor( Ketika represor terikat pada operator, "&A polymerase tidak dapat mentranskrib gen struktural pada operon. Saat operator berupa represor bebas, "&A polymerase dapat mentraskrib operon.
Operon *a+tose di E) +oli Respirasi "nduksi dan Kata'olit 0acob dan Monad mengusulkan model operon yang didasarkan pada penelitian operon laktosa 'lac( di E. coli '5ihat A Milestone dalam enetics% 0acob, Monod, dan Model /peron di situs lembaga mahasis*a(. /peron lacberisi promotor '+(, tiga operator '/#, /), /1(, dan tiga struktur gen, 5ac@, 5ac, dan 5acA, beruturutturut mengkode en-in Bgalaktosid permease, dan Bgalaktosid transacetylase 'ambar #$.=(. Bgalaktosid permease Cmemompa lactose ke dalam sel, dimana Bgalaktosidase memotong lactose menjadi glukosa dan galaktosa 'gambar #$.7(. +eran !iologi dari transacetylase tidak diketahui.
ambar #$.= 5ac operon E. coli. /peron lac tersusun atas tiga struktur gen, @, , dan A, plus promotor '+( dan tiga operator '/#, /), /1(. en regulator '3( berdekatan dengan operon dalam kondisi lac dan mempunyai promotor '+3(. 0umlah 2ariasi elemen genetik menunjukkan ukuran nukleotida berpasangan. Dalam model 0acob dan Monod, operon lac mengandung operator tunggal 'sekarang ditunjuk /#(. &amun, dua operator tambahan '/), /1( kemudian ditemukan. A*alnya, /) dan /1 disangka mempunyai peran yang sangat kecil. Kemudian !enno Mullerhill dan rekan kerjanya mendemonstrasikan bah*a delesi dari kedua operator Cminor mempunyai dampak yang besar pada tingkat transkripsi dari operon. +enelitian yang baru telah menunjukkan respirasi efisien dari operon lac membutuhkan operator utama '/#( dan setidaknya salah satu operator minor '/) atau /1( dan respirasi maksimum membutuhkan semua dari ketiga operator. &amun demikian, terlebih
dulu kita akan mendiskusikan model 0acob dan Monod operon lac, yang hanya melibatkan satu operator, yang sekarang dinamai/#. Kemudian kita akan memperluas model dan memeriksa fungsi semua ketiga operator di bagian yang berjudul 3nteraksi +roteinD&A yang mengontrol
ambar #$.7 Dua reaksi fisiologis penting dikatalisis oleh Bgalactosidase% '#( kon2ersi laktosa menjadioperon lac inducer allolactose, dan ')( pemecahan laktosa untuk menghasilkan monosakarida glukosa dan galaktosa.
"ND!K%" /peron lac adalah control negatif diinduksi operon genlac@, lac, dan lacA diekspresikan hanya dengan laktosa. en regulator lac, menunjukkan gen 3, mengkode repressor yang panjangnya 17F asam amino. &amun, bentuk aktif repressor lac adalah tetramer yang mengandung empat salinan produk gen 3. Ketidakadaan inducer, repressor berikatan dengan operator lac, yang pada gilirannya mencegah "&A polimerase dari katalisasi transkripsi dari tiga struktural gen '5ihat gambar #$.;b(. 'Gatatan% hanya operator original '/#(
ditemukan oleh 0acob dan Monod yang ditunjukkan dalam gambar #$.;, #$.H dan #$.$(. Sedikit molekul dari produkproduk gen lac@, lac, dan lacA disintesis di bagian noninduksi, yang menyediakan tingkat background rendah dari akti2itas en-im. Akti2itas background ini sangat penting untuk induksioperon lac karena operon inducer, allolactose, berasal dari laktosa pada reaksi yang dikatalisis oleh Bgalactosidase 'gambar #$.7(. Sekali terbentuk, allolactose diikat oleh repressor, menyebabkan pelepasan repressor dari operator. Dengan cara ini, allolactose menginduksi transkripsi struktural gen lac@, lac, dan lacA '5ihat gambar #$.;b(.
AM!A" #$,H Studi E. coli diploid parsial telah menunjukkan bah*a gen LacI+ dominan untuk alel LacI- 'a( dan mengontrol operator lac yang terletak pada cis 'b( atau trans 'c( untuk dirinya sendiri. Efek ini menunjukkan bah*a produk gen LacI adalah diffusible. Meskipun bentuk fungsional dari represor lac adalah tetramer, dua molekul di belakang tetramer tersebut tidak akan ditampilkan demi kesederhanaan.
Represi Kata'olit Adanya glukosa telah lama dikenal untuk mencegah induksi operon lac, serta operon lainnya mengendalikan en-im yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat. 8enomena ini, yang disebut represi katabolit 'atau efek glukosa(, menjamin glukosa yang dimetabolisme saat ini, dalam preferensi selain efisien, kurang efisiensi, energi represi katabolit sources. dari operon lac dan beberapa operon dimediasi oleh protein yang disebut regulator GA+ 'untuk protein akti2ator katabolit( dan molekul efektor kecil yang disebut siklik AM+ 'adenosine1>, => monofosfat disingkat cAM+( +ertanyaan '"egulasi Ekspresi en pada +rokariot( #. !agaimanakah peran represor dan akti2ator dalam mekanisme induksi kontrol negatif dan mekanisme kontrol positif? 0a*aban +ada mekanisme induksi kontrol negati2e, repressor bebas terikat pada "+!S dan mencegah transkripsi gen struktural sehingga tidak ada inducer. Ketika inducer itu ada, inducer terikat oleh repressor, dan repressorIinducer tidak bisa mengikat "+!S. Dengan tanpa repressor yang terikat pada "+!S, "&A polymerase mengikat promoter dan mentranskripsi gengen struktural. +ada mekanisme induksi kontrol positif, acti2ator tidak bisa mengikat "+!S, kecuali kompleks inducer ada, dan "&A polymerase tidak bisa mentranskripsi gengen struktural, kecuali komplek acti2atorIinducer terikat pada "+!S. Kemudian, transkripsi gengen struktural diaktifkan bila inducer itu ada.
+ertanyaan '"egulasi Ekspresi en pada Eukariotik( #. !agaimana pengaruh protein pengikat enhancer dengan konrol transkripsi? 0a*aban asil dari banyak studi menunjukkan bah*a protein yang mengikat enhancer mempengaruhi aktifitas protein yang mengikat promotor, termasuk factorfaktor transkripsi basal dan "&A polymerase. Dua jenis protein yang diba*a dalam kontak fisik dengan komplek multimerik terdiri setidaknya )F protein yang berbeda. Kompleks mediator menekuk D&A dengan sedemikian rupa sehingga proteinprotein terikat pada enhancer disejajarkan dengan protein yang terikat pada promotor. Dengan cara ini, maka, protein terikat pada enhancer menekan kontrol transkripsi, yang dimulai pada promotor
