materi genetik


Materi Genetik

Genom eukariota berada dalam nukleus sebagai kromatin.  Bentuk padat kromatin disebut kromosom.  Kromatin dibedakan berdasarkan daya serap terhadap zat warna menjadi:

  1. Heterokromatin: yaitu kuat menyerap warna
  2. Eukromatin: kromatin tersebut kurang kuat menyerap warna.

Kromatin berdasarkan lokasinya dapat dibedakan menjadi:

  1. Kromatin perinuklear: yaitu kromatin yang berlokasi di sekeliling nucleolus
  2. Kromatin intranukleolar: kromatin yang berada di dalam nucleolus
  3. 3.      Kromatin periferal: kromatin yang berikatan dengan selaput sel

Berdasarkan peranannya, heterokromatin dibedakan menjadi:

  1. Heterokromatin fakultatif: DNA tidak selamanya dalam keadaan mampat, tetapi pada saat-saat tertentu kromatin terurai,dan pada saat terurai kromatin ini dapat disalin.
  2. Heterokromatin konstitutif: DNA selamanya tidak aktif dan tetap berada dalam keadaan mampat

Kromatin terdiri dari DNA, RNA dan protein.  Protein pada kromatin adalah protein histon dan non-histon.  Protein non-histon pada kromatin merupakan protein struktural antara lain aktin, tubulin α dan tubulin β dan myosin.  Di samping itu juga terdapat protein yang bersifat enzimatik seperti RNA polymerase, asetil transferase.

Melalui pengamatan dengan mikroskop elektron, terlihat kromatin memiliki struktur seperti untaian manik-manik yang disebut nukleosom.  Manik-manik berdiameter 10 nm dan filament penghubungnya berdiameter 2 nm.  Nukleosom terdiri dari suatu pusat, DNA dan histon H1.  Pusat merupakan empat pasang histon yaitu H2A, H2B, H3 dan H4.  Pusat ini dililit oleh DNA sebanyak dua kali lilitan.

DNA terdiri dari gula deoksiribosa, basa nitrogen dan fosfat.  Basa nitrogen terdiri dari purin  (adenine dan guanin) dan pirimidin (sitosin dan timin). Bertindak sebagai tulang punggung rantai DNA adalah gula dan fosfat.  Struktur DNA adalah double heliks dengan gula-fosfat berada di luar.  Dua buah pilinan dihubungkan dengan ikatan hidrogen antara basa-basa DNA.  Basa adenine (A) berpasangan dengan timin (T) dengan dua ikatan hidrogen, sedangkan basa sitosin (C) berpasangan dengan basa guanine (G) melalui tiga ikatan hidrogen.

DNA prokariot berbentuk sirkular.  Di dalam sel bakteri, DNA dikemas dalam bentuk nukleoid.   Di dalam sel yang laju sintesisnya tinggi, permukaan nukleoid bergelombang, sedang nukleoid yang tidak aktif tampak padat.  Jika sintesis tinggi, DNA mengurai dari nukleoid untuk menyediakan cetakan.  Nukleoid selain mengandung DNA juga mengandung RNA dan protein terutama RNA polymerase.  Protein dan RNA nukleoid menjaga agar DNA tetap dalam keadaan bergelung.  Jika nukleoid diberikan RNAse, DNA akan terurai.

Pada virus, informasi genetik tidak hanya berada dalam bentuk DNA.  RNA juga mempunyai kemampuan genomik.  Virus mengandung DNA atau RNA.

DNA membawa informasi genetik dan bagian DNA yang membawa ciri khas yang diturunkan disebut gen.  Perubahan yang terjadi pada gen akan menyebabkan terjadinya perubahan pada produk gen tersebut.  Gen sering juga diartikan sebagai ruas DNA yang menghasilkan produk gen yang berupa enzim yang dikenal dengan teori satu gen satu enzim.  Karena enzim dapat merupakan kombinasi polipeptida..maka teori tersebut diubah menjadi satu gen satu polipeptida.

Konsep dasar menurunnya sifat secara molekuler adalah merupakan aliran informasi dari DNA ke RNA ke urutan asam amino.  Konsep dasar ini disebut sebagai dogma genetik.  Pada dogma genetik juga tercermin cara mempertahankan ciri khas supaya tetap sama melalui proses replikasi.   Dogma genetik ini bersifat universal yang berlaku baik bagi prokariot maupun eukariot.

Replikasi DNA

Sebelum sel membelah, DNA harus direplikasi dalam fase S dari siklus sel.  Proses replikasi melibatkan enzim polymerase.  Proses ini melibatkan pembukaan utas ganda DNA, sehingga memungkinkan terjadinya perpasangan basa untuk membentuk utas baru.  Pembentukan utas komplementer terjadi melalui perpasangan basa antara A dengan T dan G dengan C.   Dalam replikasi DNA, setiap utas DNA lama berperan sebagai cetakan untuk membentuk DNA baru.

Model DNA Watson dan Crick menyatakan bahwa saat double heliks bereplikasi, masing-masing dari kedua molekul anak akan mempunyai satu untai lama yang erasal dari satu molekul induk dan satu untai yang baru.  Model replikasi ini disebut model semikonservatif.

Model lainnya adalah model konservatif dimana molekul induk tetap dan molekul baru disintesis sejak awal.  Model ketiga disebut model dispersif yaitu bahwa keempat untai DNA, setelah replikasi double heliks, mempunyai campuran anatara DNA baru dan DNA lama.

Pengujian yang dilakukan oleh Meselson dan Stahl menunjukkan bahwa replikasi DNA terjadi secara semikonservatif.

Daerah penggandaan bergerak sepanjang DNA induk membentuk replication fork.  Pada daerah ini, kedua utas DNA yang baru, disintesis dengan bantuan sekelompok enzim, salah satunya adalah DNA polimerase.  Sintesis DNA tidaklah berjalan secara kontinu pada kedua utas cetakan.  Hal ini karena kedua utas DNA tersusun sejajar berlawanan arah atau antiparalel.  Maka utas DNA baru akan tumbuh dari 5′ – 3′ sedang yang lainnya dari 3′ – 5′ pada cetakan.  Sintesis dari 3′ – 5′ tidak mungkin dilakukan karena tidak ada DNA polymerase untuk arah 3′ – 5′.

Replikasi DNA pada cetakan 3′ – 5′ terjadi seutas demi seutas dengan arah 5′ – 3′ yang berarti replikasi berjalan meninggalkan replication fork. Utas-utas pendek tersebut kemudian dihubungkan oleh enzim ligase DNA.  Dalam replikasi DNA terdapat utas DNA yang disintesis secara kontinu yang terjadi pada cetakan 5′ – 3′.  Utas DNA yang disintesis secara kontinu ini disebut utas utama atau leading strand.  Sedangkan utas DNA baru yang disintesis pendek-pendek seutas-demi seutas disebut utas lambat atau lagging strand.  Utas-utas pendek atau fragmen-fragmen pendek yang terbentuk disebut fragmen Okazaki.

Sintesis pada leading strand memerlukan molekul primer pada permulaan replikasi  Setelah replication fork terbentuk, polymerase akan bekerja secara kontinu sampai utas DNA baru selesai direplikasi.  Pada sintesis lagging strand, diperlukan enzim lain primase DNA.  Setelah utas DNA terbuka untuk melakukan replikasi, dan setelah terbuka pada lagging strand, utas harus dijaga agar tetap terbuka.  Jadi dalam proses replikasi DNA melibatkan beberapa protein baik berupa enzim maupun non-enzim yaitu :

  1. Polimerase DNA : enzim yang berfungsi mempolimerisasi nukleotida-nukleotida
  2. Ligase DNA : enzim yang berperan menyambung DNA utas lagging
  3. Primase DNA : enzim yang digunakan untuk memulai polimerisasi DNA pada lagging strand
  4. Helikase DNA : enzim yang berfungsi membuka jalinan DNA double heliks
  5. Single strand DNA-binding protein : mestabilkan DNA induk yang terbuka

Replication fork berasal dari struktur yang disebut replication bubble yaitu daerah menggelembung tempat pilinan DNA induk terpisah untuk berfungsi sebagi cetakan pada sintesis DNA.

Transkripsi

Transkripsi DNA merupakan proses pembentukan RNA dari DNA sebagai cetakan.  Proses transkripsi menghasilkan mRNA, rRNA dan tRNA.   Pembentukan RNA dilakukan oleh enzim RNA polymerase.  Proses transkripsi terdiri dari 3 tahap yaitu :

  1. Inisiasi : enzim RNA polymerase menyalin gen, sehingga pengikatan RNA polymerase terjadi pada tempat tertentu yaitu tepat didepan gen yang akan ditranskripsi.  Tempat pertemuan antara gen (DNA) dengan RNA polymerase disebut promoter.  Kemudian RNA polymerase membuka double heliks DNA.  Salah satu utas DNA berfungsi sebagai cetakan.

Nukleotida promoter pada eukariot adalah 5′-GNNCAATCT-3′ dan 5′- TATAAAT-3′.  Simbul N menunjukkan nukleotida (bisa berupa A, T, G, C).  Pada prokariot, urutan promotornya adalah 5′-TTGACA-3′ dan 5′-TATAAT-3′.

  1. Elongasi : Enzim RNA polymerase bergerak sepanjang molekul DNA, membuka double heliks dan merangkai ribonukleotida ke ujung 3′ dari RNA yang sedang tumbuh.
  2. Terminasi : terjadi pada tempat tertentu.  Proses terminasi transkripsi ditandai dengan terdisosiasinya enzim RNA polymerase dari DNA dan RNA dilepaskan.

mRNA pada eukariota mengalami modifikasi sebelum ditranslasi, sedangkan pada prokariota misalnya pada bakteri, mRNA merupakan transkripsi akhir gen. mRNA yang baru ditranskrip ujung 5′nya adalah pppNpN, dimana N adalah komponen basa-gula nukleotida, p adalah fosfat. mRNA yang masak memiliki struktur 7mGpppNpN, dimana 7mG adalah nukleotida yang membawa 7 metil guanine yang ditambahkan setelah transkripsi.  Pada ujung 3′ terdapat pNpNpA(pA)npA.  Ekor poli A ini ditambahkan berkat bantuan polymerase poli (A).  tetapi mRNA yang menyandikan histon, tidak memiliki poli A.

Hasil transkripsi merupakan hasil yang memiliki intron (segmen DNA yang tidak menyandikan informasi biologi) dan harus dihilangkan, serta memiliki ekson yaitu ruas yang membawa informasi biologis. Intron dihilangkan melalui proses yang disebut splicing.  Proses splicing terjadi di nukleus.

Splicing dimulai dengan terjadinya pemutusan pada ujung 5′, selanjutnya ujung 5′ yang bebas menempelkan diri pada suatu tempat pada intron dan membentuk struktur seperti laso yang terjadi karena ikatan 5′-2′fosfodiester.  Selanjutnya tempat pemotongan pada ujung 3 terputus sehingga dua buah ekson menjadi bersatu.

rRNA dan tRNA merupakan hasil akhir dari proses transkrips, sedangkan mRNA akan mengalami translasi.

tRNA adalah molekul adaptor yang membaca urutan nukleotida pada mRNA dan mengubahnya menjadi asam amino.  Struktur molekul tRNA adalah seperti daun semanggi yang terdiri dari 5 komponen yaitu

  1. Lengan aseptor: merupakan tempat menempelnya asam amino,
  2. Lengan D atau DHU: terdapat dihidrourasil pirimidin,
  3. Lengan antikodon: memiliki antikodon yang basanya komplementer dengan basa pada mRNA
  4. Lengan tambahan
  5. Lengan TUU: mengandung T, U dan C

Translasi

Pada prokariota yang terdiri dari satu ruang, proses transkripsi dan translasi terjadi bersama-sama.  Translasi merupakan proses penerjemahan kodon-kodon pada mRNA menjadi polipeptida. Dalam proses translasi, kode genetic merupakan aturan yang penting.  Dalam kode genetic, urutan nukleotida mRNA dibawa dalam gugus tiga – tiga.  Setiap gugus tiga disebut kodon.   Dalam translasi, kodon dikenali oleh lengan antikodon yang terdapat pada tRNA.

Mekanisme translasi adalah:

  1. Inisiasi.  Proses ini dimulai dari menempelnya ribosom sub unit kecil ke mRNA.  Penempelan terjadi pada tempat tertentu yaitu pada 5′-AGGAGGU-3′, sedang pada eukariot terjadi pada struktur tudung (7mGpppNpN).  Selanjutnya ribosom bergeser ke arah 3′ sampai bertemu dengan kodon AUG.  Kodon ini menjadi kodon awal.  Asam amino yang dibawa oleh tRNA awal adalah metionin.  Metionin adalah asam amino yang disandi oleh AUG.  pada bakteri, metionin diubah menjadi Nformil metionin.  Struktur gabungan antara mRNA, ribosom sub unit kecil dan tRNA-Nformil metionin disebut kompleks inisiasi.  Pada eukariot, kompleks inisiasi terbentuk dengan cara yang lebih rumit yang melibatkan banyak protein initiation factor.
  2. Elongation.  Tahap selanjutnya adalah penempelan sub unit besar pada sub unit kecil menghasilkan dua tempat yang terpisah .  Tempat pertama adalah tempat P (peptidil) yang ditempati oleh tRNA-Nformil metionin.   Tempat kedua adalah tempat A (aminoasil) yang terletak pada kodon ke dua dan kosong.  Proses elongasi terjadi saat tRNA dengan antikodon dan asam amino yang tepat masuk ke tempat A.  Akibatnya kedua tempat di ribosom terisi, lalu terjadi ikatan peptide antara kedua asam amino.  Ikatan tRNA dengan Nformil metionin lalu lepas, sehingga kedua asam amino yang berangkai berada pada tempat A.  Ribosom kemudian bergeser sehingga asam amino-asam amino-tRNA berada pada tempat P dan tempat A menjadi kosong.  Selanjutnya tRNA dengan antikodon yang tepat dengan kodon ketiga akan masuk ke tempat A, dan proses berlanjut seperti sebelumnya.
  3. Terminasi.  Proses translasi akan berhenti bila tempat A bertemu kodon akhir yaitu UAA, UAG, UGA.   Kodon-kodon ini tidak memiliki tRNA yang membawa antikodon yang sesuai.  Selanjutnya masuklah release factor (RF) ke tempat A dan melepaska rantai polipeptida yang terbentuk dari tRNA yang terakhir.  Kemudian ribosom berubah menjadi sub unit kecil dan besar.

Dogma Central Genetika Molekuler

Yang dimaksud Dogma Central di sini adalah semua informasi terdapat pada DNA, kemudian akan digunakan untuk menghasilkan molekul RNA melalui transkripsi, dan sebagian informasi pada RNA tersebut akan digunakan untuk menghasilkan protein melalui proses yang disebut translasi.

Berikut adalah mekanisme prosesnya :

TRANSKRIPSI

Ini merupakan tahapan awal dalam proses sintesis protein yang nantinya proses tersebut akan berlanjut pada ekspresi sifat-sifat genetik yang muncul sebagai fenotip. Dan untuk mempelajari biologi molekuler tahap dasar yang harus kita ketahui adalah bagaimana mekanisme sintesis protein sehingge dapat terekspresi sebagai fenotip.

Transkripsi merupakan proses sintesis molekul RNA pada DNA templat. Proses ini terjadi pada inti sel (nukleus) tepatnya pada kromosom.
Komponen yang terlibat dalam proses transkripsi yaitu : DNA templat yang terdiri atas basa nukleotida Adenin (A), Guanin (G), Timin (T), Sitosin (S) ; enzim RNA polimerase ; faktor-faktor transkripsi, prekursor (bahan yang ditambahkan sebagai penginduksi).
Hasil dari proses sintesis tersebut adalah tiga macam RNA, yaitu mRNA messeger RNA), tRNA (transfer RNA), rRNA (ribosomal RNA).
Sebelum itu saya akan memaparkan terlebih dahulu bagian utama dari suatu gen. Gen terdiri atas : promoter, bagian struktural (terdiri dari gen yang mengkode suatu sifat yang akan diekspresikan), dan terminator.
Sedangkan struktur RNA polimerase terdiri atas : beta, beta-prime, alpha, sigma. Pada struktur beta dan beta-prime bertindak sebagai katalisator dalam transkripsi. Struktur sigma untuk mengarahkan agar RNA polimerase holoenzim hanya menempel pada promoter. Bagian yang disebut core enzim terdiri atas alpha, beta, dan beta-prime.

Tahapan dalam proses transkripsi pada dasarnya terdiri dari 3 tahap, yaitu :

1. Inisiasi (pengawalan)
Transkripsi tidak dimulai di sembarang tempat pada DNA, tapi di bagian hulu (upstream) dari gen yaitu promoter. Salah satu bagian terpenting dari promoter adalah kotak Pribnow (TATA box). Inisiasi dimulai ketika holoenzim RNA polimerase menempel pada promoter. Tahapannya dimulai dari pembentukan kompleks promoter tertutup, pembentukan kompleks promoter terbuka, penggabungan beberapa nukleotida awal, dan perubahan konformasi RNA polimerase karena struktur sigma dilepas dari kompleks holoenzim.

2. Elongasi (pemanjangan)
Proses selanjutnya adalah elongasi. Pemanjangan di sini adalah pemanjangan nukleotida. Setelah RNA polimerase menempel pada promoter maka enzim tersebut akan terus bergerak sepanjang molekul DNA, mengurai dan meluruskan heliks. Dalam pemanjangan, nukleotida ditambahkan secara kovalen pada ujung 3’ molekul RNA yang baru terbentuk. Misalnya nukleotida DNA cetakan A, maka nukleotida RNA yang ditambahkan adalah U, dan seterusnya. Laju pemanjangan maksimum molekul transkrip RNA berrkisar antara 30 – 60 nukleotida per detik. Kecepatan elongasi tidak konstan.

3. Terminasi (pengakhiran)
Terminasi juga tidak terjadi di sembarang tempat. Transkripsi berakhir ketika menemui nukleotida tertentu berupa STOP kodon. Selanjutnya RNA terlepas dari DNA templat menuju ribosom.

TRANSLASI

Tahap selanjutnya setelah transkripsi adalah translasi. Translasi merupakan suatu proses penerjemahan urutan nukleotida yang ada pada molekul mRNA menjadi rangkaian asam-asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein.
Yang diperlukan dalam proses translasi adalah : mRNA, ribosom, tRNA, dan asam amino.
Sebelumnya saya terlebih dahulu akan menjelaskan tentang struktur ribosom. Ribosom terdiri atas subunit besar dan kecil. Bila kedua subunit digabung akan membentuk suatu monosom. Subunit kecil mengandung sisi Peptidil (P), dan Aminoasil (A). Sedangkan subunit besar mengandung Exit (E), P, dan A. Kedua subunit tersebut mengandung satu atau lebih molekul rRNA. rRNA sangat penting untuk mengidentifikasi bakteri pada tataran biologi molekuler, pada prokariot 16 S dan eukariot 18 S.

Seperti halnya transkripsi, pada translasi juga dibagi dalam tiga tahap :

1. Inisiasi
Pertama tRNA mengikat asam amino, dan hal ini menyebabkan tRNA teraktivasi atau peristiwa ini disebut amino-asilasi. Proses amino-asilasi ini dikatalisis oleh enzim tRNA sintetase. Kemudian ribosom mengalami pemisahan menjadi subunit besar dan kecil. Subunit kecil selajutnya melekat pada molekul mRNA dengan kodon awal tempat menempel : 5’ – AGGAGG – 3’. Urutan tempat menempelnya subunit kecil disebut urutan Shine-Dalgarno. Subunit kecil dapat menempel pada mRNA bila ada IF-3. Pembentukan kompleks IF-2/tRNA-fMet dan IF-3/mRNA-fMet disebut asam amino N-formilmetionin dan memerlukan banyak GTP sebagai sumber energi. tRNA-fMet kemudian menempel pada kodon pembuka P subunit kecil. Selanjutnya Subunit besar menempel pada subunit kecil. Pada proses ini IF-1 dan IF-2 dilepas dan GTP dihidrolisis menjadi GDP, dan siap melakukan elongasi.

2. Elongasi
Perbedaan pada proses transkripsi, pada translasi asam amino yang dipanjangkan. Tahapan yang dilakukan pada proses elongasi, pertama adalah pengikatan tRNA pada sisi A yang ada di ribosom. Pemidahan tersebut akan membentuk ikatan peptida.

3. Terminasi
Translasi akan berakhir pada waktu salah satu dari ketiga kodon terminasi (UAA, UGA, UAG) yang ada pada mRNA mencapai posisi A pada ribosom. Pada E. coli ketiga sinyal penghentian proses translasi tersebut dikenali oleh suatu protein yang disebut release factor (RF). Penempelan RF pada kodon terminasi tersebut mengaktifkan enzim peptidil transferase yang menghidrolisis ikatan antara polipeptida dng tRNA pada sisi P dan menyebabkan tRNA yang kosong mengalami translokasi ke sisi E (exit).

Itulah tadi mekanisme proses transkripsi maupun translasi. Proses selanjutnya adalah protein tersebut akan diekspresikan oleh tubuh kita dalam bentuk fenotip.

Dogma Sentral Genetika Molekuler

Analisis genetik telah semakin maju dengan berkembangnya penelitian-penelitian di bidang Biologi Molekuler. Penelitian dalam biologi molekuler tidak dapat lepas dari apa yang dikenal dengan Dogma Sentral Genetika Molekuler.

DNA———>RNA———>Protein

Diagram di atas menunjukkan aliran informasi genetik dari DNA sampai bagian yang sangat berkaitan dengan fenotipe yaitu protein. Tiga proses molekuler utama yang memiliki peranan penting dalam aliran informasi genetik tersebut adalah replikasi, transkripsi dan translasi. Untuk beberapa spesies virus, di mana materi genetiknya terdapat dalam bentuk RNA, memerlukan suatu proses yang merupakan kebalikan dari transkripsi yang disebut reverse transcription. Untuk berlangsungnya tiap proses molekuler tersebut, diperlukan enzim-enzim tertentu yang spesifik dan sangat berguna untuk dipelajari dalam genetika molekuler. Bahkan ada yang digunakan dalam penelitian2 di genetika molekuler, di antaranya adalah :

  • DNA polymerase – mensintesis DNA dari cetakan DNA (DNA template); digunakan untuk kloning DNA
  • DNA ligase – membentuk ikatan kovalen antara ujung-ujung untaian satu rantai DNA yang bebas saat proses replikasi DNA; digunakan untuk kloning DNA
  • Reverse transcriptase – Mensintesis DNA dari cetakan (template) RNA; digunakan untuk kloning cDNA

Enzim-enzim tersebut beserta dengan enzim-enzim lainnya sangat penting dalam kloning molekuler.

MATERI VII : PENGENDALIAN GEN TRANSKRIPSIONAL

Seorang petani, yang menanam jagung diladang akan sangat kaget kalau tanaman yang ditanamnya bersamaan, menghasilkan tanaman-tanaman yang waktu berbunganya berbeda-beda. Ia tentunya tidak dapat memanen tanamannya secara bersamaan. Mengapa demikian?

Jika ternyata sang petani memang menanam benihnya dari campuan berbagai varietas, maka hal ini dapat dengan mudah dipahami sumber permasalahannya. Namun andaikan bahwa petani menanam varietas yang sama pada lingkungan tumbuh yang homogen. Berapa besar kemungkinan bunga-bunga itu akan bermunculan pada waktu yang berbeda-beda?

Dalam kenyataannya, sang petani begitu yakin bahwa tanamannya akan berbunga, bertongkol dan panen pada umur-umur tertentu dan bersifat serempak. Peluang untuk menyimpang dari umur yang telah ditentukan sangatlah kecil, atau secara praktis tidak ada.

Kepercayaan petani tersebut dari sudut pandang pengendalian aktifitas gen sangatlah beralasan bahwa “munculnya kuncup bunga tanaman jagung merupakan proses yang sangat terkendali. Informasi genetika yang menentukan waktu berbunganya jagung diaktifkan setelah jagung mencapai umur tertentu.

Cerita tentang pembungaan jagung di atas hanyalah sebuah contoh dari keteraturan-keteraturan umum yang ada dalam sistem-sistem biologi. Keteraturan yang ada itu diperoleh oleh sistem-sistem biologi dalam kurun waktu evolusi yang sangat panjang, yang memberikan kepada organisme tertentu suatu keuntungan relatif agar bisa bertahan hidup dari satu generasi ke generasi berikutnya.

Secara prinsipil, berbagai pola pengendalian aktifitas gen pada sistem-sistem biologi ditujukan untuk mengontrol empat hal berikut:  (1) Kapan,  (2) Dimana, (3) Berapa banyak, dan 4) Bagaimana pola koordinasi pengendalian antar gen. Namun sebagaimana telah dijelaskan pada bab-bab sebelumnya bahwa ekspresi gen berlangsung melalui tahapan-tahapan transkripsi dan translasi, maka pengendalian aktifitas gen yang ditujukan/atau berpengaruh pada keempat hal tersebut di atas dapat berlangsung pada tahapan-tahapan transkripsi, pasca transkripsi, translasi, dan pascatranslasi.

Pada organisme prokariotik, aktifitas gen terutama dikendalikan pada tahapan transkripsi, dengan beragam pola pengendaliannya, yaitu: (1)  Pengendalian Aktifitas Gen pada Tahapan Inisiasi Transkripsi: interaksi promotor-RNA polymerase; (2) Operon; (3) Pengendalian Aktifitas Gen melalui Struktur RNA: Terminasi dan Antiterminasi; (4) Pengendalian fase litik dan lisogenik pada infeksi bakteriofage. Pada organisme eukariotik, karena DNAnya dipackage bersama-sama oleh protein histon sebagai nukleosom, posisi DNA terhadap nukleosom merupakan target penting pengendalian ekspresi gen.

Pengendalian Aktifitas Gen pada Tahapan Transkripsi

Dalam proses transkripsi, salah satu pilin dari pilin ganda DNA yang mengandung satuan transkripsi disalin kedalam urutan spesifik RNA. “Disalin” disini berati bahwa gen yang berada dalam urutan asam nukleat DNA disalin ke dalam urutan basa nukleat RNA. Pilinan DNA yang menjadi sumber penyalinan dinamakan “cetakan” (template) sedangkan pilinan komplementernya, yang karena merupakan representasi urutan RNA yang dihasilkan dari proses menyalin, disebut “rantai pengkode” (coding strand) (Lihat Ilustrasi).

Sintesis RNA dipercepat reaksinya oleh enzim RNA polymerase. Transkripsi dimulai ketika enzim tersebut berinteraksi dengan suatu daerah khusus berlokasi di pangkal suatu gen. Daerah khusus ini disebut promotor. Promotor melingkupi (surrounds) pasangan basa pertama yang akan disalin ke dalam urutan RNA, dan oleh karenanya disebut titik pengawalan (startingpoint). Dari titik ini, enzim RNA polymerase bergerak sepanjang rantai cetakan, mensintesis RNA, sampai mencapai suatu urutan pengakhiran (terminator). Mulai dari titik pengawalan transkripsi sampai pada pengakhiran adalah satuan transkripsi. Dari sekali proses penyalinan informasi dari titik pengawalan ke titik pengakhiran dihasilkan satu molekul tunggal RNA, yang dapat mengandung satu atau lebih gen.

Urutan DNA sebelum satuan transkripsi disebut daerah hulu (upstream), sedangkan daerah setelah titik pengawalan disebut daerah hilir (downstream). Arah transkripsi bergerak dari daerah hulu ke daerah hilir searah dengan biosintesis RNA dari ujung 5’ ke ujung 3’. Pasangan basa pengawalan transkrispi ke arah hilir biasanya ditandai dengan bilangan + dan diawali dengan +1 dari titik pengawalan. Sebaliknya pasasangan basa sebelum titik berangkat ditandai dengan bilangan negatif dan dimulai dengan -1 dan menjadi semakin negatif kearah hulu.

Hasil pertama dari proses penyalinan satuan transkripsi adalah transkrip primer. Transkrip ini memiliki ujung 5’ dan ujung 3’ dan bersifat sangat tidak mantap, sehingga sulit dikarakterisasi secara in vivo. Pada prokariotik, molekul ini dengan cepat dihancurkan (mRNA) atau dipotong menjadi molekul yang matang (rRNA dan tRNA). Pada eukariotik, transkrip primer dimodifikasi di kedua ujungnya (mRNA) dan/atau dipotong menghasilkan molekul yang matang untuk semua tipe RNA (mRNA, rRNA, dan tRNA).

Transkripsi secara ekslusif dikerjakan oleh RNA polimerase, namun demikian gen ditranskripsi  bukan tanpa diskriminasi oleh enzim tersebut. Protein-protein lain, yang disebut faktor transkripsi, bertindak  mengatur transkripsi. Mereka menentukan apakah suatu gen siap ditranskripsi atau tidak.

Transkripsi merupakan tahapan utama suatu gen dikendalikan. Tahap pengawalan merupakan titik kritis bahkan untuk beberapa gen merupakan satu-satunya titik pengendalian apakah suatu gen akan ditranskripsi atau tidak. Namun karena tahapan transkripsi itu sendiri terdiri dari beberapa tahapan, sejumlah tahapan itu dapat menjadi titik-titik pengendalian transkripsi.

Ada dua hal penting yang patut diperhatikan sehubungan dengan pengendalian transkripsi: (1) Bagaimana RNA polimerase menemukan daerah promotor dan protein-protein lain  melakukan pengikatan spesifik dengan urutan tertentu basa nukleotida di daerah promotor; (2) Bagaimana protein-protein regulator berinteraksi dengan RNA polimerase dan dengan protein pengatur yang lain mengaktifkan atau merepresi tahapan-tahapan spesifik dalam pengawalan, pemanjangan, dan pengakhiran dari tahapan-tahapan transkripsi?

Interaksi promotor-RNA polymerase pada prokariotik

Transkripsi berlangsung pada gelembung transkripsi, di daerah mana DNA untuk sementara membentuk dua rantai tunggal. Salah satu rantai, oleh RNA polimerase digunakan sebagai cetakan. Sambil RNA polimerase bergerak sepanjang DNA menyalin/mengimlah urutan spesifik DNA ke dalam urutan spesifik molekul baru RNA (sintesis RNA), gelembung tersebut juga bergerak bersama. RNA yang baru dibentukpun semakin panjang.

Bergeraknya gelembung transkripsi bersamaan dengan gerakan maju RNA polimerase karena sambil RNA polimerase bergerak sepanjang DNA cetakan, iapun turut mendenaturasi pilin ganda DNA dibagian depan gelembung dan merenaturasi kembali dibagian belakang gelembung.  Panjang gelembung transkripsi kurang lebih 18 pb, tetapi panjang daerah hibrida RNA-DNA di dalam gelembung itu lebih pendek. Pandangan klasik, melalui pembuktian tidak langsung, adalah sekitar 12 pb, walaupun belum pernah diukur secara langsung. Bukti yang lebih baru menunjukkan bahwa basa pada RNA sedekat 3 pb dari titik pemanjangan dapat dipotong oleh ribonuklease yang mengenal RNA rantai tunggal. Dengan demikian, RNA masih berasosiasi dengan DNA hanya sepanjang 2-3 basa dari titik pertumbuhan rantai, setelahnya RNA berikatan sangat kuat dengan RNA polimerase. Jadi hibrida RNA-DNA sangat pendek, bersifat sementara, dan hanya cukup untuk memberikan stabilitas bagi reaksi reaksi perpasangan basa yang menentukan spesifitas penambahan nukleotida diujung pemanjangan RNA.

RNA polimerase bakteri memiliki ukuran ~90 x 95 x 160Å. Pada Yeast ukurannya lebih besar (~140 x 136 x 110Å). Analisis struktural menunjukkan bahwa keduanya memiliki kesamaan, yaitu bahwa terdapat suatu saluran atau alur dipermukaan protein dengan lebar 25 Å dan kedalaman 5 – 10Å, yang dapat saja sebagai alur lintasan DNA. Panjang alur dapat menampung 16 pb pada enzim bakteri, dan 25 pb pada enzim yeast, namun panjang demikian hanya merepresentasi sebagian dari seluruh DNA yang terikat selama transkripsi berlangsung. Dibagian yang melintang alur tersebut terdapat alur lain yang lebih sempit berukuran lebar 12 – 15 Å dengan kedalaman ~20 Å, yang dapat menampung molekul RNA.

Enzim RNA polimerase pertamakali dikenal dari kemampuannya memasukkan nukleotida-nukleotida ke dalam RNA dibawah arahan DNA cetakan. Sekarang, RNA polimerase dilihat sebagai bagian dari suatu alat yang lebih kompleks yang terlibat dalam transkripsi. Kemampuan mengkatalisis sintesis RNA mendefinisikan komponen minimum yang dapat diderskripsikan sebagai RNA polimerase.

Operon

Pengendalian aktifitas gen melalui struktur RNA: Terminasi dan Antiterminasi

Pengendalian fase litik dan lisogenik pada infeksi bakteriofage.

Struktur kristal partikel inti nukleosom pada resolusi 28Å

(Luger et al., 1997)

Modifikasi protein histon yang mempengaruhi ekspresi gen

Histon adalah protein yang terdapat pada inti sel, sebagai bagian struktural kromosom sel-sel prokariotik. Protein histon terdiri atas H2A, H2B, H3, dan H4, mengepak DNA sedemikian rupa sehingga terjadi mampatan dengan faktor kurang lebih 10000 kali. Dalam pengepakan DNA, protein histon membentuk bak’ kelereng yang dililiti oleh benang-benang DNA. Modifikasi protein histon yang mempengaruhi ekspresi gen

  • Asetilasi/deasetilasi
  • Fosforilasi
  • Metilasi (Methylation)
  • Ubiquitilasi (Ubiquitylatyion)
  • Sumoilasi (Sumoylation)
About these ads

Leave a comment

No comments yet.

Comments RSS TrackBack Identifier URI

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.