Regulasi Ekspresi Gen Pada Prokariot [PDF]

Citation preview

RESUME REGULASI EKSPRESI GEN PADA PROKARIOT Disusun Untuk Memenuhi Tugas Matakuliah Genetika II yang dibimbing oleh Bapak Mohamad Amin dan Bapak Andik Wijayanto



Disusun oleh : 1. Chomisatut Thoyibah



(150342604725)



2. Sugi Hartono



(150342608273)



UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN BIOLOGI PROGRAM STUDI S1 BIOLOGI Agustus 2017



Regulasi ekspresi gen pada Prokariot Bakteri seperti halnya Escheriscia coli memiliki kondisi lingkungan beragam. Misalnya, sel E. coli dengan cepat mengubah kondisi pertumbuhan saat E. coli berpindah dari sistem usus manusia menuju sistem saluran pembuangan ke sungai yang tercemar, danau, kolam dsb. Untuk dapat bertahan hidup, kemampuan beradaptasi dari bakteri dan prokariot lainnya tergantung dari kemampuan untuk “menghidupkan atau mematikan” ekspresi dari set gen spesifik dalam menanggapi permintaan spesifik dari lingkungan. Ekspresi dari gen tertentu adalah “dihidupkan” ketika produk dari gen membutuhkannya untuk pertumbuhan pada lingkungan. Ekspresinya akan “dimatikan” ketika produknya tidak lama dibutuhkan untuk tumbuh pada lingkungan yang ada. Gen tertentu misalnya gen spesifik ribosomal RNAs, protein ribosomal, dan RNAs transfer, adalah ekspresi sebenarnya pada beberapa waktu dalam semua sel tanpa memperhatikan dari kondisi lingkungan. Hasil dari gen ini adalah yang diperlukan untuk tumbuh pada semua lingkungan. Sebagai hasilnya, ekspresi dari gen ini adalah terus menerus “dihidupkan” dan “dimatikan” dalam menanggapi perubahan dalam lingkungan. Beralih dari itu, ekspresi gen dapat meregulasi (mengatur) beberapa perbedaan tingkatan sebagai contohnya, transkripsi, pemprosesan mRNA, pergantian mRNA, tranlasi, dan fungsi enzim. Bagaimanapun, banyak data menunjukkan bahwa regulasi dari transkripsi adalah cara paling penting dalam mengatur ekspresi gen, paling tidak pada prokariot. Regulasi mencari setelan pada tingkat translasi penting dalam meregulasi keseluruhan dari proses metabolik dalam kehidupan organisme. Mekanisme regulasi mempunyai efek terbesar pada fenotip, bagaimanapun telah menunjukkan tindakan pada tingkat dari transkripsi. Berdasarkan dari apa yang sekarang diketahui tentang regulasi dari transkripsi dalam keduanya yaitu prokariot dan eukariot, variasi mekanisme regulasi tampak sesuai dalam dua kategori umum. Pertama, termasuk kategori mekanisme yang terlibat dalam perputaran yang cepat dalam menyalakan dan mematikan ekspresi gen dalam menanggapi perubahan lingkungan. Mekanisme regulasi tipe ini sangat penting pada mikroorganisme karena organisme ini sering terpapar dengan perubahan lingkungan yang mendadak. Lingkungan tersebut akan menyebabkan terdapatnya mikroorganisme dengan plastisitas yang besar untuk menyesuaikan metabolismenya dengan cepat yang digunakan untuk mencapai pertumbuhan dan reproduksi yang maksimal dengan kondisi lingkungan yang bervariasi.



Kedua, kategori utama pada mekasime regulasi yang bisa disebut dengan sirkuit ekspresi gen yang terprogram. Pada hal ini, beberapa kejadian dapat memicu ekspresi dari beberapa set gen. Produk dari salah satu fungsi gen ini demang mematikan transkripsi pada set gen pertama dan atau menyalakan transkripsi dari set gen kedua. Pada dilirannya, satu atau lebih produk dari dari kedua mengatur tindakan dengan menyalakan set ketiga, dan seterusnya. Pada kasus ini, ekspresi sekuens gen diprogram secara genetis dan gen tersebut biasanya tidak dapat dinyalakan diluar sekuens. Sekuens terprogram dari ekspresi semacam itu didokumentasikan dengan baik pada infeksi virus. Sebagian besar sekuens yang terprogram ulang itu nampak sirkuit berbentuk siklik. INDUKSI DAN REPRESI PADA PROKARIOT Produk gen tertentu-seperti molekul tRNA, molekul rRNA, protein ribosom, subunit RNA polimerase, dan enzim yang mengkatalisis proses metabolisme sering disebut fungsi seluler "housekeeping" – yang merupakan komponen penting dari hampir semua sel hidup. Gen yang menentukan produk ini terus-menerus diekspresikan di kebanyakan sel. Gen tersebut diekspresikan secara konstitutif dan disebut sebagai gen konstitutif. Produk gen lainnya dibutuhkan untuk pertumbuhan sel hanya pada kondisi lingkungan tertentu. Sintesis konstitutif dari produk gen tersebut akan boros, dengan menggunakan energi yang bisa digunakan untuk pertumbuhan yang lebih cepat. Evolusi mekanisme regulasi yang menyediakan sintesis produk gen tersebut hanya akan dibutuhkan memberi organisme yang memiliki mekanisme regulasi dengan keuntungan selektif atas organisme yang kekurangan. Escherichia coli dan bakteri lainnya mampu tumbuh dengan menggunakan salah satu dari beberapa karbohidrat - misalnya glukosa, sukrosa, galaktosa, arabinosa, dan laktosa sebagai sumber energi. Jika glukosa hadir di lingkungan, maka metabolisme akan disukai oleh sel E. coli. Namun, dengan tidak adanya glukosa, sel E. coli bisa tumbuh dengan baik pada karbohidrat lain. Sel yang tumbuh di media yang mengandung gula laktosa, sebagai contoh, sebagai satu-satunya sumber karbon mensintesis dua enzim, β-galactosidase dan βgalactoside permease, yang secara unik dibutuhkan untuk katabolisme laktosa. β-galactoside memompa lactose ke dalam sel, dimana β-galactosidase memotongnya menjadi glukosa dan galaktosa, tapi tidak satu pun dari enzim ini berguna untuk sel E. coli jika tidak ada laktosa yang tersedia untuk mereka. Sintesis kedua enzim ini membutuhkan energi yang cukup besar.



Dengan demikian, sel E. coli telah mengembangkan mekanisme pengaturan dimana sintesis enzim pengikat laktosa ini dihidupkan dengan adanya laktosa dan dimatikan saat tidak ada. Di lingkungan alami (saluran usus dan selokan), sel E. coli mungkin mengalami kekurangan glukosa dan adanya laktosa yang relatif jarang. Oleh karena itu, gen E. coli yang mengkodekan enzim yang terlibat dalam pemanfaatan laktosa mungkin dimatikan sebagian besar waktu. Jika sel yang tumbuh pada karbohidrat selain laktosa dipindahkan ke media yang mengandung laktosa sebagai satu-satunya sumber karbon, mereka dengan cepat mulai mensintesis enzim yang dibutuhkan untuk pemanfaatan laktosa (Gambar 1a). Proses menyalakan ekspresi gen sebagai respons terhadap zat di lingkungan disebut induksi. Gen yang ekspresinya diatur dengan cara ini disebut gen yang dapat diinduksi; Produknya, jika enzim, disebut enzim yang dapat diinduksi. Zat atau molekul yang bertanggung jawab untuk induksi diketahui sebagai induser. Enzim yang terlibat dalam jalur katabolik (degradatif), seperti penggunaan laktosa, galaktosa, atau arabinosa, secara khas dapat diinduksi. Induksi mengubah laju sintesis enzim, bukan aktivitas molekul enzim yang ada. Induksi tidak harus dibingungkan dengan aktivasi enzim, yang terjadi saat pengikatan molekul kecil ke enzim dengan meningkatkan aktivitas enzim, namun tidak mempengaruhi laju sintesisnya. Bakteri dapat mensintesis sebagian besar molekul organik yang dibutuhkan untuk pertumbuhan, seperti asam amino, purin, pirimidin, dan vitamin. Misalnya, genom E. coli mengandung lima gen yang mengkodekan enzim yang mengkatalisis langkah-langkah dalam biosintesis triptofan. Kelima gen ini harus diekspresikan dalam sel E.coli yang tumbuh di lingkungan tanpa triptofan untuk menyediakan asam amino dalam jumlah cukup untuk sintesis protein. Ketika sel E. coli hadir di lingkungan yang mengandung cukup triptofan untuk mendukung pertumbuhan optimal, sintesis lanjutan dari enzim biosintesis triptofan akan menjadi pemborosan energi. Dengan demikian, mekanisme regulasi telah berkembang dalam E. coli yang mematikan sintesis enzim biosintesis triptofan ketika triptofan eksternal tersedia (Gambar 1b). Gen yang ekspresinya telah dimatikan dengan cara ini dikatakan "ditekan"; Prosesnya disebut represi. Bila ekspresi gen ini dinyalakan, dikatakan sebagai "derepressed"; Respon seperti itu disebut derepression.



Enzim yang merupakan komponen dari anabolik (biosintesis) jalur sering direpresi. Represi terjadi pada tingkat transkripsi. Represi tidak harus bingung dengan inhibisi umpan balik, yang terjadi ketika produk dari jalur biosintesis mengikat dan menghambat aktivitas enzim pertama dalam jalur, tetapi tidak mempengaruhi sintesis enzim.



GAMBAR 1. (a) Induksi sintesis enzim yang diperlukan untuk pemanfaatan laktosa sebagai sumber energi dan (b) represi sintesis enzim yang diperlukan untuk biosintesis triptofan, keduanya dalam E. coli.



Model operon Model operon, mekanisme kontrol negatif, dikembangkan pada tahun 1961 oleh François Jacob dan Jacques Monod untuk menjelaskan regulasi gen yang dibutuhkan untuk pemanfaatan laktosa di E. coli. Jacob dan Monod mengusulkan agar transkripsi satu set gen struktural bersebelahan diatur oleh dua elemen pengendali (Gambar 2a). Salah satu elemen, gen represor (mengkodekan sebuah represor) yang (dalam kondisi yang sesuai) mengikat elemen kedua, operator. Operator selalu bersebelahan dengan gen struktural yang ekspresinya diatur. Beberapa operon berisi beberapa operator. Transkripsi dimulai pada promotor yang terletak hanya di ujung (5’) dari daerah pengkode gen struktural. Ketika represor terikat pada operator, secara steril mencegah RNA polimerase mentransstrusikan gen struktural di operon. Wilayah operator bersebelahan dengan daerah promotor. Wilayah operator sering berada di antara promotor dan gen struktural yang mereka atur. Unit bersebelahan lengkap, termasuk gen struktural, operator, dan promotor, disebut operon (Gambar 2a). Represor akan mengikat operator dan mematikan transkripsi gen struktural dalam operon ditentukan oleh ada atau tidak adanya molekul efektor seperti yang dibahas di bagian sebelumnya. 1. Dalam kasus operon yang dapat diinduksi, represor bebas berikatan dengan operator, mematikan transkripsi (Gambar 2b). 2. Dalam kasus operon yang represif, situasinya terbalik. Repressor bebas tidak bisa mengikat operator. Hanya kompresor represor / efektor molekul (co-represoror) yang aktif mengikat ke operator (Gambar 2c). Kecuali perbedaan dalam perilaku pengikat operator dari represor bebas dan kompleks molekul represor / efektor kompleks, operon yang dapat diinduksi dan represif identik. Transkrip mRNA tunggal memuat informasi pengkodean dari keseluruhan operon. Dengan demikian, mRNA dari operon yang terdiri dari lebih dari satu gen struktural bersifat multigenik. Sebagai contoh, operon mRNA triptofan dari E. coli mengandung urutan coding dari lima gen yang berbeda. Karena mereka ditranskripsikan bersama, semua gen struktural dalam operon dinyatakan secara terkoordinasi. Meskipun jumlah molar dari produk gen yang berbeda tidak perlu sama (karena efisiensi inisiasi translasi yang berbeda), jumlah relatif polipeptida berbeda yang ditentukan oleh gen dalam operon biasanya tetap sama, terlepas dari keadaannya. Induksi atau represi.



GAMBAR 2. Pengaturan ekspresi gen oleh mekanisme operon. (A) Komponen operon: satu atau lebih gen struktural (tiga, SG1, SG2, dan SG3, diperlihatkan) dan urutan operator (O) dan promotor (P) yang berdampingan. Satu operator dan satu promotor diperlihatkan; Namun, beberapa operon memiliki banyak operator dan promotor. Transkripsi gen regulator (R) diprakarsai oleh RNA polimerase, yang mengikat promotornya (PR). Ketika represor terikat pada operator, secara steril mencegah RNA polimerase untuk memulai transkripsi gen struktural. Perbedaan antara operon yang dapat diinduksi (b) dan operon yang dapat direpresi(c) adalah represor bebas berikatan dengan operator operon yang dapat diinduksi, dimana molekul represor / efektor kompleks mengikat operator dari yang dapat direpresi. Operon Dengan demikian, operon yang dapat diinduksi dimatikan dengan tidak adanya molekul efektor (induser), dan operon yang tidak bereaksi dihidupkan tanpa adanya molekul efektor (co-represoror). Lac, sebuah operon indusibel Jacob dan Monod mengusulkan model operon berdasarkan studi operon laktosa (lac) pada E. coli. Lac operon mengandung promotor (P), tiga operator (O1, O2, dan O3), dan tiga gen struktural, lacZ, lacY, dan lacA, pengkodean enzim β -galactosidase, β -galactoside permease, dan β-galaktosida transasetilase (Gambar 3). β-galactoside "memompa" laktosa ke dalam sel, di mana β -galaktosidase memotongnya menjadi glukosa dan galaktosa (Gambar 4). Dalam model Jacob dan Monod, operon lac berisi satu operator tunggal (ditunjuk O1). Namun, dua operator tambahan (O2 dan O3) kemudian ditemukan. Awalnya, O2 dan O3 diperkirakan memainkan peran yang sangat kecil. Kemudian, Benno Müller-Hill dan rekan kerja menunjukkan bahwa penghapusan kedua operator "kecil" memiliki pengaruh besar pada



tingkat transkripsi operon. Studi yang lebih baru telah menunjukkan bahwa penekanan yang efisien terhadap operon lac memerlukan operator utama (O1) dan setidaknya satu dari operator minor (O2 atau O3) dan represi maksimum mengharuskan ketiga operator tersebut. Operon lac adalah operon inducible yang dikontrol secara negatif; Gen lacZ, lacY, dan lacA diekspresikan hanya dengan adanya laktosa. Gen regulator lac, yang menunjuk gen I, mengkodekan sebuah represor yaitu 360 asam amino lama. Namun, bentuk aktif dari represor lac adalah tetramer yang mengandung empat salinan dari produk gen I. Dengan tidak adanya induser, represor berikatan dengan operator lac, yang pada gilirannya mencegah polimerase RNA mengkatalisis transkripsi tiga gen struktural (lihat Gambar 2b). Gen lac I, operator lac O1, dan promoter lac awalnya diidentifikasi secara genetis oleh isolasi strain mutan yang menunjukkan ekspresi gen operon lac yang berubah. Mutasi pada gen I dan operator sering menghasilkan sintesis konstitutif dari produk gen lac. Mutasi ini masing-masing ditujukan I dan Oc. Mutasi I dan Oc konstitutif dapat dibedakan tidak hanya oleh posisi peta, tetapi juga oleh perilakunya di diploid parsial di mana I dan Oc berada di cis dan trans konfigurasi yang relatif terhadap mutasi pada gen struktural lac. Seperti sel monoploid wild type (i+p+o+z+y+a+), diploid parsial (juga disebut "merozigot)" dari genotipe F’ i+p+o+z+a+/i+p+o+z-y-a- atau genotipe F’ i+p+o+z-y-a-/i+p+o+z+y+a+ dapat diinduksi untuk pemanfaatan laktosa sebagai sumber karbon. Alel wild type (Z+, Y+, and A+) dari tiga gen struktural dominan pada alel mutan (Z-, Y-, and A-). Dominasi ini diharapkan karena alel wild type menghasilkan enzim fungsional, sedangkan alel mutan tidak menghasilkan enzim atau enzim yang tidak berfungsi (tidak aktif). Genotip diploid parsial yaitu i+p+o+z+y+a+/i-p+o+z+y+a+ (I+/I-) juga dapat diinduksi untuk sintesis tiga enzim yang ditentukan oleh operon lac. Jadi, I+ dominan untuk I-, karena I+ mengkodekan molekul represor fungsional dan alelnya menentukan represor I- yang tidak aktif. Dominansi I+ atas Ijuga menunjukkan bahwa represor itu diffusible, karena represor yang dihasilkan oleh lacI+ alel pada satu kromosom dapat mematikan gen struktural lac pada kedua operon di sel. Seperti sel wild type, genotipe diploid parsial F’ i+p+o+z+y+a+/ i-p+o+z-y-a- atau genotipe F’ i+p+o+z-y-a-/i-p+o+z+y+a+ dapat diinduksi untuk β-galaktosidase, permalam βgalaktosida, dan transhibetilase beta-galaktosida. Induksibilitas genotipe ini menunjukkan bahwa lac repressor (produk gen I+) mengendalikan ekspresi gen struktural yang terletak baik cis atau trans ke alel lacI+.



Mutasi operator konstitutif (Oc hanya berlaku di cis; Artinya, mutasi Oc mempengaruhi ekspresi hanya gen struktural yang berada pada kromosom yang. Sifat cisacting alami dari mutasi O adalah logis mengingat fungsi operator. Mutasi O tidak boleh bertindak dalam trans jika operator adalah situs pengikat untuk represor; dengan demikian, operator tidak mengkodekan produk apapun, tidak sesuai atau tidak. Gen pengatur harus bertindak hanya jika produk itu spesifik. Oleh karena itu, genotipe diploid parsial F’ i+p+oc zy-a-/i+p+o+z+y+a+ dapat diinduksi untuk tiga enzim yang ditentukan oleh gen struktural operon lac, sedangkan diploid parsial genotipe F’ i+p+oc z+y+a+/i+p+o+z-y-a- mensintesis enzim ini secara konstitutif. Beberapa mutasi gen I, yang disebut I_d , dominan pada alel tipe liar (I+). Dominasi ini berasal dari ketidakmampuan heteromultimers (protein yang terdiri dari dua atau lebih bentuk olepeptide yang berbeda) yang mengandung polipeptida wild type dan mutan untuk mengikat ke operator. Mutasi gen lainnya, yang ditunjuk Is (s untuk superrepressed), menyebabkan operon lac menjadi tidak dapat diinduksi. Pada strain yang membawa mutasi ini, gen struktural lac biasanya dapat diinduksi sampai tingkat tertentu dengan konsentrasi inducer yang tinggi, namun tidak diinduksi pada konsentrasi inducer normal. Saat dipelajari secara in vitro, mutannya adalah polipeptida membentuk tetramer yang mengikat lac ke operator DNA. Namun, mereka juga tidak mengikat inducer. Dengan demikian, mutasi Is mengubah situs pengikat induser pada represor lac. Mutasi promotor tidak mengubah inducibility operon lac. Sebagai gantinya, mutasi promotor memodifikasi tingkat ekspresi gen dalam keadaan yang diinduksi dan tidak diinduksi dengan mengubah frekuensi inisiasi transkripsi operon lac yaitu efisiensi pengikatan RNA polimerase. Promotor lac sebenarnya mengandung dua komponen yang terpisah: (1) situs pengikatan RNA polimerase dan (2) tempat pengikatan protein lain yang disebut protein activator katabolit (CAP disingkat) yang mencegah operon lac diinduksi dengan adanya glukosa. Rangkaian kontrol kedua ini, menjamin pemanfaatan glukosa sebagai sumber energi saat tersedia.



Gambar 3. Operan lac dari E. coli. Operon lac terdiri dari tiga gen struktural, Z, Y, dan A, ditambah promotor (P) dan tiga operator (O1, O2, dan O3). Gen regulator (I) bersebelahan dengan operon dalam kasus lac dan memiliki promotor sendiri (PI). Angka di bawah berbagai elemen genetik menunjukkan ukurannya pada pasangan nukleotida.



GAMBAR 4. Dua reaksi fisiologis penting yang dikatalisis oleh β-galaktosidase: (1) konversi laktosa menjadi allolactose inducer lac operon, dan (2) pembelahan laktosa untuk menghasilkan glukosa monosakarida dan galaktosa. Operon trp E. coli mengendalikan sintesis enzim yang mengkatalisis biosintesis asam amino triptofan. Fungsi dari lima gen struktural dan urutan peraturan yang berdekatan dari operon trp telah dianalisis secara rinci oleh Charles Yanofsky dan rekannya. Lima gen struktural mengkodekan enzim yang mengubah asam chorismic menjadi tryptophan. Ekspresi



operon trp diatur pada dua tingkat: represi, yang mengendalikan inisiasi transkripsi, dan atenuasi, yang mengatur frekuensi penghentian transkrip prematur. Trp, sebuah operon represibel Operon trp E. coli adalah operon represi yang negatif. Organisasi operon trp dan jalur biosintesis triptofan ditunjukkan pada Gambar 5. Gen trpR, yang mengkodekan trp represoror, tidak terkait erat dengan operon trp. Wilayah operator operon trp terletak di dalam wilayah promotor utama (P1). Ada juga promotor lemah (P2) pada ujung distal operator gen trpD. Promotor P2 meningkatkan tingkat dasar transkripsi gen trpC, trpB, dan trpA. Dua urutan terminasi transkripsi (t dan t') terletak di hilir dari trpA. Wilayah trpL menentukan urutan pemimpin mRNA 162-nukleotida. Dengan tidak adanya triptofan (corepresoror), RNA polimerase berikatan dengan daerah promotor dan mentranskripsikan gen struktural operon. Dengan adanya triptofan, kompresor co-represor/represor mengikat daerah operator dan mencegah polimerase RNA untuk memulai transkripsi gen di operon.



GAMBAR 18.13 Organisasi operon trp (triptofan) di E. coli. Operan trp berisi lima gen struktural yang mengkodekan enzim yang terlibat dalam biosintesis triptofan, seperti yang ditunjukkan di bagian bawah, dan wilayah peraturan trpL. Panjang setiap gen atau daerah diberikan pada pasangan nukleotida; Jarak antargen ditunjukkan di bawah urutan gen. Kunci:



PRA, fosforibosil anthranilate; CDRP, fosfat karboksifenamino-deoksiribulosa; InGP, indolgliserol fosfat. Kontrol positif pada operon lac oleh CAP dan AMP siklik Kehadiran glukosa telah lama dikenal untuk mencegah induksi operon lac, serta operon lain yang mengendalikan enzim yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat. Fenomena ini, yang disebut represi katabolit (atau efek glukosa), menjamin bahwa glukosa dimetabolisme saat ini, dalam preferensi pada sumber energi lain yang kurang efisien. Represi katabolit operon lac dan beberapa operon lainnya dimediasi oleh protein pengatur yang disebut CAP (untuk protein activator katabolit) dan molekul efektor kecil yang disebut AMP siklik (adenosin-3’, 5’ -monofosfat; cAMP yang disingkat)(Gambar 18.9). Karena CAP mengikat cAMP saat mononukleotida ini hadir pada konsentrasi yang cukup, kadang-kadang disebut protein reseptor AMP siklik.



Lac promotor berisi dua situs mengikat terpisah, satu untuk RNA polimerase dan satu untuk kompleks CAP / cAMP (Gambar 18,10). Kompleks CAP / cAMP harus ada di tempat pengikatannya di promotor lac agar operon dapat diinduksi secara normal. Kompleks CAP / cAMP dengan demikian memberikan kontrol positif atas transkripsi operon lac. Ini memiliki efek yang berlawanan dengan tekanan represor pada operator. Meskipun mekanisme yang tepat dimana CAP / cAMP merangsang perikatan RNA polimerase ke promotor masih belum pasti, kontrol positif transkripsi lac operon ditetapkan dengan kuat oleh hasil percobaan in vivo dan in vitro. CAP berfungsi sebagai dimer; Dengan demikian, seperti represor lac, multimeric dalam keadaan fungsionalnya



GAMBAR 18.10 Organisasi daerah operator-promotor operon lac. Promotor terdiri dari dua komponen: (1) situs yang mengikat kompleks CAP / cAMP dan (2) situs pengikatan RNA polimerase. Segmen yang berdekatan dari gen struktural lacZ (represor) dan lacZ (β galactosidase) dan operator lac O1 dan O3 juga diperlihatkan. Operator O2 terletak di bagian hilir (berpusat pada posisi 412) pada gen lacZ. Garis horizontal berlabel mRNA menunjukkan posisi di mana transkripsi operon dimulai (ujung 5 dari lac mRNA). Angka di bagian bawah memberi jarak pada pasangan nukleotida dari lokasi inisiasi transkripsi (posisi 1). Titik di antara kedua untai nukleotida tersebut menunjukkan pusat simetri palindrom yang tidak sempurna. Hanya kompleks CAP / cAMP yang mengikat promotor lac; Dengan tidak adanya cAMP, CAP tidak mengikat. Dengan demikian, cAMP bertindak sebagai molekul efektor, menentukan efek CAP pada transkripsi lac operon. Konsentrasi cAMP intraselular sensitif terhadap adanya atau tidak adanya glukosa. Konsentrasi tinggi glukosa menyebabkan penurunan tajam pada konsentrasi intraseluler cAMP. Glukosa mencegah aktivasi adenylcyclase, enzim yang mengkatalisis pembentukan cAMP dari ATP. Dengan demikian, adanya glukosa menghasilkan penurunan konsentrasi intraseluler cAMP. Dengan adanya konsentrasi cAMP yang rendah, CAP tidak dapat mengikat promotor lac operon. Pada gilirannya, RNA polimerase tidak dapat mengikat secara efisien ke promotor lac tanpa adanya CAP / cAMP yang terikat. Jadi, dengan adanya glukosa, transkripsi lac operon tidak pernah melebihi 2 persen dari tingkat induksi yang diamati tanpa adanya glukosa. Dengan mekanisme yang sama, CAP dan cAMP menjaga operan arabinosa (ara) dan galaktosa (gal) dari E. coli agar tidak diinduksi dengan adanya glukosa.



Regulasi kompleks operon ara Hampir seluruh mekanisme kerja dari operon lac dan trp diketahui dengan adanya data eksperimen yang ekstensif. Namun, operon yang lain seperti operon arabinose (ara) pada E. coli menunjukkan pola yang lebih kompleks dan masih belum diketahui. Pada operon lac dan trp, hasil dari gen regulator, repressor berfungsi untung menghentikan transkripsi operon. Selain itu, protein aktivator katabolit menggunakan control positif yang berguna untuk merangsang transkripsi operon. Protein regulator utama dari operon ara menggunakan keduanya, yaitu regulator negative dan positif pada transkripsi gen structural dari operon dan tergantung pada keadaan sekitarnya. Selain itu, komponen regulator yang mengendalikan transkripsi operon ara mencakup satu elemen yang bekerja lebih dari 200 pasangan nukleotida dari promotor yang dapat dikendalikannya. Operon arabinose (ara) pada E. coli mengandung tiga gen structural (yaitu araB, araA, dan araD) yang mengkode tiga enzim yang terlibat pada katabolisme arabinose. Ketiga gen ini ditranskripsi pada satu mrna yang dimulai di promotor yang disebut PBAD. (trasnpor aktif arabinose menuju sel dibawa oleh gen araE, araF, dan araG. Tiga gen tersebut terletak pada sisi di dekat operon araBAD). Protein regulator utama operon ara (protein araC) diproduksi dari transkripsi yang dimulai dari promotor yang disebut Pc. promotor Pc terdapat 100 pasang nukleotida dari PBAD, tapi dua promotor yang menginisiasi transkripsi berlawanan arah. Protein araC bertindak sebagai regulator negative pada transkripsi araB, araA, dan araD dan merupakan gen struktural dari promotor PABD tanpa adanya arabinosa dan siklik AMP. Sedangkan yang bertindak sebagai regulator positif dari transkripsi gen promotor PABD ketika terdapat arabinose dan cAMP. Tergantung ada atau tidak adanya suatu efektor molekul arabinose dan cAMP, gen regulator araC menggunakan efek positif atau negative pada proses transkripsi gen structural araB, araA, dan araD. Sejak operon ara menjadi subjek represi katabolit seperti operon lac, dan control positif oleh CAP dan cAMP, induksi operon ara tergantung pada regulator positif dari dua protein, yaitu protein araC dan CAP. Sisi pengikatan dua protein tersebut dan RNA polymerase terletak pada operon ara yang disebut araI yang berada diantara gen structural operon dan gen regulator (araC). Pada awalnya, ilmuwan meneliti regulasi dari operon ara yang berpikir bahwa semua sisi pengikatan protein regulator araC dan kompleks cAMP-CAP berada pada daerah araI. Penemuannya adalah bahwa represi operon ara bergantung pada pengikatan protein araC pada sisi yang disebut araO2 yang terletak pada 211 pasangan nukleotida dari sisi pengikatan



protein araC di araI. Model represi operon ara yang diterima adalah protein araC harus berikatan pada kedua sisi araI dan araO2 dan protein ini kemudian akan berikatan satu sama lain untuk membentuk lengkung DNA. Contohnya, lima pasang nukleotida mengalami insersi atau delesi pada daerah diantara araI dan araO2, represi operon normal tidak akan terjadi. Ketika struktur lengkung terbentuk, maka ia harus mencegah atau mengganggu dengan mengikat RNA polymerase berdekatan dengan promotor (P ABD) dari cAMP, kemudian operon ara diinduksi. Namun, dalam kondisi ini, protein araC telah menjadi activator dari transkripsi operon. Mekanisme arabinose menyebabkan protein araC menjadi regulator positif pada transkripsi operon. Represi profag lambda sebelum lisogeni Ketika suhu bakteriofag seperti lambda tergantung pada keadaan sel lisogenik. Gen tersebut mengkode yang terlibat dalam jalur litik, gen itu mengontrol replikasi DNA faga, faga morfogenesis, dan lisis pada sel inang. Hal ini dilakukan oleh lintasan repressoroperator-promotor, seperti yang terjadi pada operon bakteri. Secara spesifik, gen C1 lambda faga mengkode repressor, yang dikarakterkan protein dengan berat molekul 27.000 yang dalam keadaan dimer maupun tetramer mengikat dua daerah operator yang mengontrol transkripsi dari gen lambda termasuk pertubuhan litik. Dua daerah operator ini disebut O L dan OR yang saling tumpang tindih dengan rantai promotor dimana RNA polymerase mengikat dan menginisiasi transkripsi



dari gen yang mengontrol perkembangan litik.



Repressor terikat pada dua promotor, RNA polymerase tidak dapat mengikat dua promotor. Eksperimen menunjukkan bahwa daerah operon dan promotor lambda fag yang disekuen, setiap operator ditemukan terdapat tiga repressor yang mengikat sisi yang sama namun tidak identic, sekuen 17 pasang nukleotida. Setiap repressor mengikat setengah simetri didekat pusat pasangan basa. Interaksi lambda repressor dengan DNA sequen O LPL dan ORPR menjelaskan bagaiman gen lambda profag mempertahankan dalam keadaan tertekan. KONTROL PADA OPERON trp DENGAN ATTENUTION Attenuation adalah mekanisme untuk mengatur ekspresi gen dengan penghentian transkripsi sebelum waktunya dalam Wilayah bagian yang ditranskripsi transkrip. Dalam kasus triptofan (trp) operon E. coli, misalnya, ada atau tidaknya dari produk akhir, triptofan, menentukan ada atau tidaknya attenuation yang terjadi. Rantai wilayah mRNA yang memiliki



urutan yang dapat berikatan dengan basa untuk membentuk struktur hairpin alternatif, salah satunya adalah transcription- khas sinyal terminasi. Ada atau tidaknya hairpin tergantung pada terjemahan dari rantai peptida



yang mengandung dua residu triptofan. Ketika



rendahnya tingkat tryptophan hadir, terjemahan berhenti di kodon Trp, yang mencegah pembentukan transkripsi terminasi hairpin. Ketika triptofan yang cukup, hasil terjemahan melewati kodon Trp ke kodon terjemahan terminasi, mengganggu hairpin pertama. Selanjutnya, memungkinkan hairpin transkripsi terminasi untuk membentuk dan attenuation (terminasi transkripsi pada attenuator) terjadi. Attenuation mengurangi sintesis dari biosintesis triptofan enzim sepuluh kali lipat. Pelemahan ini mungkin di prokariota karena transkripsi dan translasi yang digabungkan, sehingga peristiwa yang terjadi selama penerjemahan dapat mempengaruhi transkripsi. PENGHAMBATAN UMPAN BALIK DAN ENZIM ALOSTERIK Kehadiran konsentrasi



produk akhir dari jalur biosintesis



yang cukup, sering



menyebabkan penghambatan enzim pertama dalam jalur. Fenomena ini disebut umpan balik inhibitionor-inhibisi produk akhir. Umpan balik penghambatan terjadi hampir seketika dari sintesis produk akhir ketika ditambahkan ke media. Jalur biosintesis triptofan di E. coli menyediakan



ilustrasi yang baik untuk inhibisi umpan balik. produk akhir triptofan-



anthranilate dan benar-benar menahan kegiatannya, menghentikan sintesis triptofan dengan segera. Umpan inhibisi sensitif enzim berisi daerah yang berikatan dengan produk akhir .pada kasus enzimm multimeric, regulator tempat berikatan produk akhir bebeda dengan tempat berikatan substrat.bergantung pada tempat berikatan substrat akhir, beberapa enzim melakukan traansisi allosteric. transisi allosteric mengaktifkan enzim, yang terjadi ketika sebuah enzim berikatan dengan



beberapa



substrat.



beberapa



enzim



mengakibatkan



pengaktivan



maupun



penghambatan tergantung pada molekul efektor. SEKUEN SEMENTARA EKSPRESI GEN SELAMA PROSES INFEKSI FAGA Regulasi dari ekspresi gen selama daur litik dalam bakteriofage berbeda dengan karakkteristik operon on-off. Namun gen berekspresi dengan perintah yang hamper sama dengan pada bakteri. Produk dari ekspresi gen yang lebih awal, bertnggung jawab untuk menghentikan ekspresi gen terdahulu dan mengaktifkan ekspresi gen yang selanjutnya.



Pertanyaan. 1. Bagaimana cara organisme prokariot dapat hidup pada lingkungan yang kondisinya tidak selalu stabil misanya kekurangan ? Jawab: organisme prokariot misalnya E. Coli dapat hidup pada keadaan lingkungan yang tidak menguntungkan dengan cara mekanisme “on-off” terhadap ekspresi suatu gen yang spesifik. Ekspresi dari gen tertentu adalah “dihidupkan” ketika produk dari gen membutuhkannya untuk pertumbuhan pada lingkungan. Ekspresinya akan “dimatikan” ketika produknya tidak lama dibutuhkan untuk tumbuh pada lingkungan yang ada. 2. Mengapa represi pada E. coli dilakukan ketika jumlah triptofan pada lingkungan sudah cukup? Jawab: hal ini terjadi karena ketika sel E. coli hadir di lingkungan yang mengandung cukup triptofan untuk mendukung pertumbuhan optimal, sintesis lanjutan dari enzim biosintesis triptofan akan menjadi pemborosan energi. Dengan demikian, mekanisme regulasi telah berkembang dalam E. coli yang mematikan sintesis enzim biosintesis triptofan ketika triptofan eksternal tersedia 3. Apa yang akan terjadi jika mutasi promotor tidak mengubah induksibilitas operon lac? Jawab: jika tidak terjadi perubahan induksibilitas, maka mereka memodifikasi tingkat ekspresi gen dalam keadaan diinduksi dan dalam keadaan yang tidak diinduksi dengan mengubah frekuensi inisiasi operon lac pada proses transkripsi. 4. Promotor lac mengandung dua komponen yang fungsional. Sebutkan Jawab: komponen fungsional tersebut yaitu yang pertama adalah sisi pengikatan RNA polimerase dan yang kedua adalah sisi pengikatan protein lain yang disebut protein aktivator katabolit (CAP), yang berfungsi saat operon lac tidak ditranskripsi dengan adanya glukosa pada konsentrasi yang cukup untuk mendukung pertumbuhan yang optimal.