bagaimana gen berekpresi

Jumlah total gen (genom) yang ada pada manusia sekitar 30.000 tidak jauh berbeda dengan gen yang diketahui pada tanaman Arabidopsis thaliana sebanyak 25.000. Timbul pertanyaan bagaimana kompleksitas gen dapat terjadi? jawabannya ada pada sistem pengaturan gen, bagaimana gen tersebut berhenti bekerja (switching on) dan berhenti bekerja (swithching off). Sistem ini juga secara tepat mengatur seberapa jumlah produk gen yang harus dibuat. Oleh karena itu sistem ini membutuhkan sejumlah pengatur (regulatory input point). Setiap pengaturan terjadi saat transkripsi DNA, dengan demikian setiap mRNA akan memproduksi gen yang dibutuhkan saja. Sel juga mengatur pada ekpresi gen melalui post-transcriptional modification, yaitu dengan hanya memperbolehkan sejumlah set mRNA utuk melakukan translasi, atau menghalagi spesifik set mRNA yang lain ketika produk yang diinginkan akan dibuat.
Pada level yang lain, sel mengatur ekpresi gen melalui pemecahan DNA, pemodifikasi basa nukleotida dan pemprosesan umpan balik yang rumit, dimana setiap gen yang memproduksi spesifik protein akan menghentikan pembentukan protein lebih lanjut.
Untuk membahas hal tersebut lebih lanjut, ada baiknya kita mengetahui proses bagaimana gen membentuk protein seperti dalam teori gen sentral dogma (gambar 1).

Transkripsi
Transkripsi adalah proses dimana RNA dibuat dari DNA. Proses ini dimulai ketika enzim RNA polymerase, menempel pada bagian DNA yang dinamakan rangkai promoter (promoter sequence). Tanpa adanya promoter proses transkripsi tidak akan terjadi. Sebagai contoh promoter pada bakteri berupa rangkaian 5’-TTGACA dipisahkan oleh 17 basa dan diakhiri TATATT-3’. Padas sel eukariot komponen promoternya adalah TATA atau disebut kotak TATA (TATA box) setiap spesies berbeda jumlah basa neukleotida pemisahnya (gambar 2).
Pada beberapa kasus, RNA polimerase dibantu oleh group protein, yaitu faktor transkripsi (transciption factor) dan faktor aktifator (activator factor), dan faktor repressor (repressor factor). Fungsi khusus faktor transkripsi adalah mengenali rangkain DNA dan mengatur aktivitas enzim RNA polimerase. Faktor transkripsi bekerjasama dengan fakor activator yang menempel pada rangkain ‘enhancer’ yang kemudian menginisiasi RNA polimerase untuk melakukan proses transkripsi. Faktor lainnya adalah repressor yang kemudian menempel pada bagian “non coding DNA” yang disebut “silencer”. Bagian ini overlapping atau berlawanan dengan promoter kemudian repressor menghentikan RNA polimerase bekerja dan menghentikan proses ekpresi gen.
Setelah DNA berhasil membuat RNA dalam proses transkripsi disebut RNA copy, proses berikutnya adalah capping, splicing dan penambahan poly(A)tail (gambar 3).
1. Capping adalah proses perubahan lima primer mRNA menjadi tiga primer mRNA melalui pautan 5’-5’. Proses ini berguna agar mRNA dapat menempel pada ribosom dan menghindari terdegradasinya mRNA oleh enzim 5’ exonulcease.
2. Splicing adalah membuang intron, bagian yang tidak memiliki kode (non coding region), sehingga mRNA hanya terdiri dari exon saja, yaitu bagian yang memiliki kode (coding region). Terdapat perbedaan sistem transkripsi pada sel prokariot dan eukario. Sel prokariot umumnya mentranskripsi dari satu promoter yang berlangsung secara kontinu, sedangkan pada sel eukariot biasanya transkripsi terjadi satu kali dan mengkode sejumlah rangkaian mRNA yang tidak mempunyai intron. Proses ini dibantu oleh splicesome yang menempel pada intron, menjadikan intron melingkar dan memotongnya. Dengan demikian dua exon dapat bergabung.
3. Penambahan poly(A)tail atau disebut polyadenilation adalah penambahan rangkaian mRNA pada bagian ujung 3’. Maksud penambahan ini untuk menghindari degradasi oleh 3’exonuclese, sehingga umur mRNA bertanbah panjang.

Translasi
Proses translasi terjadi pada ribosom yang menempel pada reticulum endoplasma. mRNA yang membawa kode genetik berupa sejumlah huruf codon, yang digunakan untuk menyeleksi asam amino tertentu yang spesifik dengan jenis codon. Proses translasi terdiri dari tiga tahap, yaitu inisiasi,elongasi dan terminasi.
1. Inisiasi selalu dimulai dengan codon AUG, yang mengkode asam amino metheionin (met). Pada saat mRNA mendekati ribosom ujung 5’ menangkap molekul 7-methyl-guanyl atau disebut cap binding protein (CBP). Protein ini mengatur mRNA untuk berada pada bagian permukaan ribosom yang disebut 40S ribosomal unit. Pada waktu yang sama tRNA mengikat asam amino methionin dengan bantuan enzim amino acyl t RNA transferase. Setiap codon yang dibawa mRNA mempunyai mempunya masing-masing tRNA, kecuali untuk stop codon. Spesifikasi codon untuk tRNA ditentukan oleh rangkain tiga basa yang menjadi komplementer codon mRNA, yang disebut anti codon. Menempelnya asam nukleat methionin bersama dengan terbentuknya anti-codon merupakan akhir dari tahap inisiasi.
2. Elongasi dikatalisasi oleh sejumlah rRNA (ribosomal RNA) bersama dengan serangkaian faktor protein elongasi yang membawa seri tRNA selanjutnya yang berasosiasi dengan tRNA sebelumnya. Proses terus berlanjut sampai menemui stop codon. Setiap tRNA membawa masing-masing asam nukleat, sehingga terbentuk sekumpulan asam nukleat yang diikat oleh ikatan peptide membentuk protein.
3. Terminasi adalah proses akhir translasi. Proses ini dimulai dengan stop codon memasuki ribosom. Tidak ada tRNA untuk stop codon dan ikatan peptide terbebas dari ribosom. Proses ini dibantu oleh beberapa faktor protein terminasi. A

Gambar 1. Proses sintesis protein setral dogma


Gambar 2. Skema dari gen sel eukariot

Gambar 3. Proses caping dan penamban poly(A)tail



Contoh kasus bagaimana gen bekerja (switch on and off).
1. Pada bakteri E.coli yang diberi cekaman panas, σ32 subunit dari its RNA polymerase berubah. Enzim tersebut memberikan sinyal ke promotor untuk mengekpresikan gen agar menghasilkan protein yang merespon panas.
2. Ketika sel E.coli surplus sejumlah asam amino trypthopan, ikatan asam pada protein represor (trypthophan repressor) menjadi terinduksi. Ikatan merupah struktur repressor pada bagian operator untuk mensinyal agar mengehentikan produksi tryptophan. Proses ini disebut negatif feed back.
3. Mekanisme ekpresi tanggapan gen terhadap stress lingkungan, pada tanaman model Arabidopsis thaliana (Gambar 4)

Sumber Pustaka
1. Shinozaki K. and K. 2007. Yamaguchi-Shinozaki Functional genomics for gene discovery in abiotic stress response and tolerance. In Rice Genetic V. Proceedings of the Fifth International Rice Genetics Symposium. IRRI.
2. Choudhuri S. 2004. Gene Regulation and Molecular Toxicology. Toxicology Mechanisms and Methods 15 (1): 1-23
3. Kreuzer H and A. Massey. 1996. Recombinant DNA and Biotechnology:A guide for teacher.ASM Press. Washington D.C.
4. Lewis B. 1987. Gene. Third edition. John Willey and Son. New York.