Bab 11 Pengendalian Ekspresi Genetik pada Eukaryot

Pokok Bahasan: I Sinyal Pengendali Ekspresi Genetik pada Eukaryot Protein Pembantu dalam Proses Pengendalian El<spresi Cenetik I Motif-motif Protein Pengendali Ekspresi Genetik pada Eukaryot Domain Pengikat DNA • Domain yang Mengaktifkan Transkripsi • Domain Dimerisasi • Motif Zmc F i n g e r • Struktur Protein Homeodomain • Struktur Domain bZIP dan HLH • Fungsi Aktivator I Pengendalian Ekspresi Gen Kelas I I P e n g e n d a l i a n Ekspresi G e n Kelas II I Pengendalian Ekspresi Gen Kelas III I Pengendalian Ekspresi Genetik Pasca-Transkripsi I Regulasi Faktor Transkripsi\ Tiga aspel< Ekspresi genetik adalah suatu rangkaian proses kompleks yang melibatkan pengendalian b a n y a k faktor. S a l a h s a t u c i r i p e n t i n g p a d a s i s t e m j a s a d h i d u p a d a l a h k e t e r - ekspresi aturan sistem. Oleh karena i t udalam ekspresi genetik proses pengendalian genetik (regulasi) sistem menjadi bagian mendasar d a n penting. Secara u m u m dapat dikatakan bahwa proses ekspresi genetik dimulai d a ndiatur sejak pra-inisiasi transkripsi. Meskipun demikian, sebenarnya tidak satu orang pun yang dapat menentukan secara pasti kapan sebenarnya proses regulasi tersebut mulaid i - l a k u k a n k a r e n a s i s t e m b i o l o g i s a d a l a h s u a t u s i s t e m s i k l i s y a n g tidak d a p a t s e c a r a p a s t i d i t e n t u k a n titik a w a l n y a . U n t u k m e m b a t a s i p e m b a h a s a n m e n g e n a i h a l i n i maka kita berasumsl bahwa ekspresi genetik dimulai dan diatur sejak tahapan pra-inisiasi transkripsi. Secara garis besar, pengendalian ekspresi genetik pada jasad e u k a r y o t di- l a k u k a n p a d a b a n y a k titik p e n g e n d a l i a n s e p e r t i d i g a m b a r k a n s e c a r a s k e m a t i s pada Gambar 1 1 . 1 . Pada jasad prokaryot, pengendalian ekspresi genetik hanya terjadi pada aras transkripsi, sedangkan pada jasad eukaryot pengendalian ekspresi genetik terjadi mulai dari transkripsi sampai pasca-translasi. Secara u m u m p e n g e n d a l i a n e k s p r e s i g e n e t i k d a p a t d i t i n j a u d a r i tiga s i s i , y a i t u : ( 1 ) s i n y a l p e n g e n d a l i ekspresi, (2) aras pengendalian ekspresi, dan (3) mekanisme pengendalian. Sinyal pengendali ekspresi meliputi semua molekul yang berperanan dalam proses

198 Biologi Molekular DNA Protein inaktif G a m b a r 11.1 ft J a l u r r e g u l a s i e k s p r e s i g e n e t i k p a d a e u k a r y o t : ( 1 ) k o n t r o l t r a n s k r i p s i , ( 2 ) kontrol pemrosesan R N A , (3) kontrol transpor R N A , (4) kontrol translasi, (5) kontrol degradasi m R N A , (6) kontrol aktivitas protein. pengendalian ekspresi, misalnya faktor transkripsi danprotein regulator khusus. Aras pengendalian ekspresi t e r j a d i pada t a h a p a n : (a) inisiasi t r a n s k r i p s i d a n perpanjangan transkrip, (b) pengakhiran (terminasi) transkripsi, (c) pengendalian pasca-transkripsi, dan (d)pengendalian selama proses translasi dan pasca-translasi. Mekanisme pengendalian ekspresi m e m b a h a s p r o s e s rinci pengendalian ekspresi genedk yang meliputi interaksi antar sinyal pengendali ekspresi. Contoh Soal Pengendalian ekspresi genetik pada eukaryot dapat ditinjau dari tiga sisi. Sebutkan dan jelaskan ketiganya secara singkat. jawaban: Pengendalian ekspresi genetik pada e u k a r y o t dapat dilihat dari sisi: (1) sinyal pengendali ekspresi, yaitu semua molekul yang terlibat dalam proses pengendalian ekspresi, (2) aras pengendalian ekspresi, yaitu meliputi inisiasi, pemanjangan transkrip, pengakhiran transkrip dan proses pasca-transkripsi, termasuk translasi danpasca-translasi, (3) mekanisme pengendalian ekspresi, yaitu proses rinci pengendalian ekspresi. Sinyal Pengendali Ekspresi Genetik pada Eukaryot Proses ekspresi genetik pada eukaryot diatur oleh banyak molekul yang ber- lnteraksl secara spesifik. Interaksi antarmolekul tersebut dapat terjadi melalui ikatan antara D N A dengan protein, protein dengan protein, maupun protein

D u a kelompok^ Bab 11 Pengendalian Ekspresi Genetik pada Eukaryotsinyal ipengendaliekspresi dengan m o l e k u l lain, misalnya h o r m o n . Sinyal (molekul) pengendali ekspresi genedkgenetik dapat d i k e l o m p o k k a n menjadi dua, yaitu ( 1 ) RNA polimerase sebagai p r o t e i n u t a m a yang m e l a k u k a n proses t r a n s k r i p s i , dan (2) protein-protein pembantu {auxilliary proteins) y a n g m e l i p u t i ( a ) f a k t o r t r a n s k r i p s i u m u m , ( b ) p r o t e i n y a n g berikatan dengan urutan nukleotida spesifik, dan (c)protein-protein yang terlibat dalam proses translasi (penerjemahan transkrip/RNA) menjadi polipeptida. Protein P e m b a n t u dalam Proses P e n g e n d a l i a n E k s p r e s i G e n e t i k Selain R N Apolimerase, ekspresi genedk (transkripsi dan translasi) diatur oleh b a n y a k m o l e k u l p r o t e i n l a i n . F a k t o r t r a n s k r i p s i {transcription faaor, T F ) a d a l a h molekul-molekul protein yang berperanan memulai proses transkripsi. Faktor transkripsi berikatan satu sama lain dengan pola kompleks yang menyebabkan R N A polimerase dapat melakukan sintesis R N Adengan menggunakan cetakan {template) b e r u p a u r u t a n n u k l e o d d a g e n y a n g d i t r a n s k r i p s i . S e p e r t i t e l a h d i j e l a s k a n dalam bab sebelumnya, faktor transkripsi dapat dibedakan berdasarkan atas kelas gen yang diaturnya, yaitu TFI, TFII, danTFIII, masing-masing dengan subkelas yang b e r m a c a m - m a c a m . M o l e k u l - m o l e k u l t e r s e b u t dikenal sebagai faktor t r a n s k r i p s i u m u m {general transcription factor). S e l a i n f a k t o r t r a n s k r i p s i u m u m , ada protein-protein lain yang berikatan dengan urutan D N A khusus (Tabel 11.1). T a b e l 11.1 > B e b e r a p a p r o t e i n y a n g b e r i k a t a n d e n g a n u r u t a n D N A k h u s u s . Nama protein Urutan DNA konsensus Contoh pada Jasad T B P (TATA-box binding TATAAAA • C B F p a d a tikus protein) CCAAT • CBP pada mencit • C P l pada manusia Protein yang terikat pada • H A P 2 atau H A P 3 pada urutan CCAAT khamir Protein yang terikat pada TGGCA • N F l (nuclear factor) umtan TGGCA GGCGGG • Pada manusia Faktor transkripsi Spl ATGCAAAT • NF-Al Faktor transkripsi oktamer • OTF-1 Motif-motif Protein Pengendali Ekspresi Genetik.P^d^EukarYPtDomain Sebelum membahas mekanisme pengendalian ekspresi genedk pada eukaryot,fungsional perlu diketahui terlebih dahulu modf-motif protein yang terlibat dalam prosesprotein tersebut. Secara u m u m , protein pengendali mempunyai tiga domain fungsional,pengendali yaitu: ( 1 ) domain pengikat D N A (2) domain yang mengaktifkan transkripsi, dan

Molekular (3) domain dimerisasi. D o m a i n pengikat D N A adalah bagian p r o t e i n yang berikatan secara langsung dengan D N A . D o m a i n yang mengaktifkan transkripsi adalah bagian struktur protein yang berperanan dalam melakukan aktivasi transkripsi. Beberapa protein m e m b e n t u k dimer, baik dalam bentuk h o m o d i m e r (dua m o n o m e r yang identik menjadi satu) atau dalam bentuk heterodimer (dua m o n o m e r yang berbeda menjadi satu). Protein-proteinyang membentuk dimer semacam inimempunyai daerah (domain) yang merupakan tempat pengikatan antara satu m o n o m e r dengan m o n o m e r yang lain. Daerah inilah yang disebut dengan d o m a i n dimerisasi. Beberapa protein lain ada juga yang m e m p u n y a i do- main khusus untuk mengikat molekul efektor khusus, misalnya h o r m o n steroid. Domain Pengikat DNA D o m a i n pengikat D N A dapat dibedakan menjadi beberapa kelas, yaitu: (1) m o d u l y a n g mengandung atom zinc, ( 2 ) homeodomain, ( 3 ) P-barrel, d a n (4) m e n g a n d u n g m o t i f b Z I P dan b H L H . M o d u l y a n g m e n g a n d u n g z i n c , m i s a l n y a ( a ) zinc finger pada faktor transkripsi TFIIIA dan Spl, (b) modul zinc yang ada pada reseptor glukokortikoid, dan (c)modul yang mengandung dua a t o m zinc dan enam asam a m i n o sistein, misalnya pada akdvator Gal4. Homeodomain mengandung sekitar 60 asam amino yang mirip dengan domain pengikat D N A pada prokaryot, misalnya represor bakteriofag lambda. D o m a i n ini pada av/alnya ditemukan pada protein- protein h o m e o b o x yang bertanggung jawab dalam perkembangan lalat buah Drosophila. p - b a r r e l a d a l a h s u a t u d o m a i n y a n g b e r b e n t u k t o n g (barrel). D o m a i n y a n g m e m p u n y a i m o t i f b Z I P (leucine zipper) d a n H L H (helix-loop-helix) m e m p u n y a i domain pengikat D N A yang bersifat sangat basis. Beberapa c o n t o h modf protein regulator dapat dilihat pada Gambar 11.2.turn-helix Leucine zipper Zinc fingerG a m b a r 1 1 . 2 ft T i g a c o n t o h m o t i f p r o t e i n r e g u l a t o r t r a n s k r i p s i p a d a e u k a r y o t .Domain yang Mengaktifkan TranskripsiD o m a i n semacam inidapat dibagi menjadi d g akelas, yaitu: ( 1 ) domain yangbersifat asam, (2) domain yang kaya akan glutamin, dan ( 3 )domain yang kayaa k a n p r o l i n . Domain yang bersifat asam m i s a l n y a adalah 4 9 d o m a i n a s a m

Bab 1 1 Pengendalian Ekspresi Genetik pada Eukaryot 2 0 1 amino pada aktivator Gall 4 yang mengandung 1 1 asam amino yang bersifat asam. Domain yang kaya akan glutamin misalnya adalah Sp1 yang m e n g a n d u n g s e k i t a r 2 5 % g l u t a m i n . Domain yang kaya akan prolin m i s a l n y a adalah a k t i v a t o r CTF yang mempunyai domain berupa 8 4 asam amino yang 1 9 di antaranya terdiri atas prolin. Domain Dimerisasi Domain semacam inimisalnya terdapat pada m o n o m e r protein Gall 4 yang m e m b e n t u k dimer berupa gulungan. A k d v a t o r ini m e m p u n y a i domain pengikat D N A yang dihubungkan dengan modul dimerisasi melalui domain penghubung. Motif Zinc Finger Salah satu motif yang ditemukan di antara protein regulator transkripsi adalah m o t i f z i n c finger ( j a r i - j a r l z i n c ) . P r o t e i n y a n g m e m p u n y a i m o t i f s e m a c a m i n i tersusun atas beberapa asam sistein dan histidin yang berurutan serta berikatan dengan a t o m zinc m e m b e n t u k suatu struktur seperti jari, misalnya faktor transkripsi TFIIIA dan protein Gal4. Protein dengan motif jari-jarl zinc dapat dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu yang mempunyai m o d f jari-jarl C H dan j a r i - j a r l C C . M o t i f j a r i - j a r l C H ( c y s t e i n e histidine finger) m e m p u n y a i u r u t a n konsensus sebagai berikut: cys - X 4 - cys - X 3 - phe - X j - leu - X^ - his - X 3 ^ - his X adalah asam amino apa pun sedangkan angka menunjukkan jumlah residu asam a m i n o . M o t i f s e p e r t i i n i t e r d a p a t m i s a l n y a p a d a T F I I I A y a n g a d a d a l a m Xenopus laevis d a n t e r d i r i a t a s 9 j a r i - j a r l . M o t i f j a r i - j a r l C C (cysteine<YSteine finger) t e r d a p a t misalnya pada protein Gal4.Definisi S t r u k t u r Protein H o m e o d o m a i nproteinhomeodomain Protein h o m e o d o m a i n adalah anggota keluarga protein pengikat D N A yang m e m p u n y a i s t r u k t u r d a s a r helix-turn-helix, y a i t u s u a t u s t r u k t u r d u a h e l i x y a n g dipisahkan oleh belokan rantai p. N a m a h o m e o d o m a i n berasal dari kata homeo- box, y a i t u d a e r a h g e n p a d a Drosophila y a n g b e r t a n g g u n g j a w a b d a l a m p e r k e m - bangan t u b u h lalat buah tersebut. Mutasi pada gen h o m e o b o x dapat menyebab- kan terbentuknya struktur tubuh yang menylmpang, misalnya suatu mutasi yang d i s e b u t antennapedia m e n y e b a b k a n m u n c u l n y a s t r u k t u r k a k i p a d a d a e r a h k e p a l a yang seharusnya merupakan tempat munculnya antena. Protein regulator yang mempunyai struktur homeodomain misalnya M a t a 1 . M a t a 1 . M a t a 2 pada k h a m i r Saccharomyces cerevisiae, d a n antennapedia s e r t a ultrabithorax p a d a Drosophila. S t r u k t u r Domain bZIP dan HLH Motif bZIP dan H L H mempunyai dua fungsi yaitu sebagai domain pengikat D N A d a n d o m a i n d i m e r i s a s i . Z I P b e r a s a l d a r i k a t a leucine zipper s e d a n g k a n H L H b e r a s a l

d a r i k a t a helix-loop-helix. H u r u f b m e n a n d a k a n b a g i a n p r o t e i n y a n g b e r s i f a t b a s i s . P r o t e i n y a n g m e m p u n y a i m o d f leucine zipper m e n g a n d u n g h e l i k s a y a n g t e r s u s u n o l e h r a n g k a i a n a s a m a m i n o l e u s i n s e d e m i k i a n r u p a m e m b e n t u k s t r u k t u r zipper. Protein yang domalnnya b e r m o t i f s e m a c a m Ini misalnya p r o t e i n regulator G C N 4 , y a i t u s u a t u a k t i v a t o r p a d a S. cerevisiae y a n g b e r p e r a n a n d a l a m m e t a b o l i s m e a s a m amino. Motif H L H mempunyai kemiripan dengan struktur bZIR Beberapa protein m e m p u n y a i domain bHLH-ZIP, yaitu suatu domain dengan motif H L H dan ZIP, misalnya protein Myc (onkogen). Fungsi Aktivator Seperti telah disebutkan sebelumnya, proses transkripsi pada eukaryot ddak hanya melibatkan enzim R N A polimerase melainkan juga banyak protein pembantu yang lain. R N A polimerase dalam bentuk h o l o e n z i m m e m a n g dapat melakukan t r a n s k r i p s i t e t a p i h a n y a p a d a a r a s d a s a r (basal level), s e d a n g k a n u n t u k m e n d a p a t k a n transkrip yang cukup berarti maka diperlukan protein-protein aktivator. Fungsi utama protein aktivator adalah dalam proses pengikatan faktor-faktor transkripsi d a n R N A p o l i m e r a s e p a d a d a e r a h p r o m o t e r , y a n g d i k e n a l s e b a g a i p r o s e s re- cruitment. P r o t e i n a k t i v a t o r t r a n s k r i p s i m e m p u n y a i t a r g e t u t a m a p r o t e i n T F I I D dan TFIIB pada sistem ekspresi gen kelas Ii.Pengendalian Ekspresi Gen Kelas IFaktor yang G e n kelas I adalah gen-gen yang mengkode sintesis r R N A . Laju sintesis r R N Amemengaruhi berkaitan dengan p e r t u m b u h a n d a nperkembangan sel. C o n t o h n y a adalah lajulaju sintesis sintesis r R N A pada sel liver yang mengalami regenerasi adalah 1 0kali lebih besar daripada sel n o r m a l , demikian juga pada sel t u m o r , limfosit yang sedang m e m p e r - banyak diri, maupun sel-sel e m b r i o awal. Faktor yang m e m e n g a r u h i perbedaan laju sintesis tersebut antara lain adalah: (1) jumlah enzim R N A polimerase, (2) aras fosforilasi R N A polimerase, (3) jumlah dan aktivitas faktor transkripsi.Telah diketahui bahwa sintesis r R N A ddak dikendalikan pada aras yang sama pada dap sel atau organisme. C o n t o h n y a , bakteri atau khamir yang d i t u m b u h k a n dalam m e d i u m minimal, laju sintesis r R N A - n y a berkurang sampai 8 0 % . Demikian juga pada kultur sel/mamalia yang ditumbuhkan dalam medium minimal masih menyintesis 3 0 - 5 0 % p r e - r R N A , n a m u n tidak ada sintesis protein ribosom. Dalam hal iniribosom ddak t e r b e n t u k dan p r e - r R N A didegradasi. D a l a m k a s u s s i n t e s i s r R N A p a d a AcanlJiamoeba castellanii, j i k a s e l y a n g sebelumnya ditumbuhkan dalam m e d i u m kaya kemudian diplndahkan k e m e d i u m minimal, maka laju sintesis 39S r R N A turun, sedangkan jumlah R N A polimerase I d a n f a k t o r t r a n s k r i p s i n y a t e t a p . M e s k i p u n d e m i k i a n , e k s t r a k s e l Acanthamoeba y a n g d i i s o l a s i p a d a k i s a r a n w a k t u y a n g b e r b e d a s e l a m a p e m b e n t u k a n k i s t a (cyst) menunjukkan kehilangan secara progresif kemampuan untuk melakukan transkripsi r R N A s e c a r a in vitro. H a l i n i n a m p a k n y a t e r j a d i k a r e n a a d a n y a p e r u b a h a n R N A polimerase I dl dalam kista sehingga menjadi lebih termolabll meskipun ddak ada

Bab 1 1 Pengendalian El<spresi Genetil< pada Eukaryot 2 0 3 perubahan komposisi subunitnya. Penurunan kemampuan ini dapat diatasi dengan menambahkan R N A polimerase I dari sel-sel vegetatif. Selain karena adanya perubahan termolabilitas R N A p o l i m e r a s e I, regulasi gen kelas I juga dapat terjadi karena perbedaan dalam pemrosesan prekursor r R N A ( p r e - r R N A ) . Sebagai contoh, laju sintesis p r e - r R N A pada bermacam- macam jaringan sel mamalia secara u m u m sama tetapi berbeda dalam hal pemrosesannya. Jika jaringan liver diambil, proses regenerasi dan jumlah r i b o s o m - nya meningkat tetapi sintesis p r e - r R N A - n y a tetap. Hal ini dapat terjadi karena adanya perbedaan dalam pemrosesan pre-rRNA.P e n g e n d a l i a n Ekspresi G e n Kelas II d\ pengendalian Pengendalian ekspresi g e n kelas II dapat terjadi pada beberapa aras, yaitu: ekspresi gen (1) aras metabollsme m R N A , (2) aras translasi m R N A menjadi polipeptida, dan kelas I I (3) aras pasca-translasi. Pada aras metabolisme m R N A , pengendalian dapat terjadi pada saat sintesis transkrip ( m R N A ) , penggunaan transkrip primer, atau pada saatContoh model ada proses stabillsasl/destabilisasi m R N A . Pada saat berlangsung sintesis m R N A ,regulasi gen pengendalian ekspresi genetik dapat berupa akdvasi atau represi transkripsi yangekspresi umumnya melibatkan suatu sirkuit pengendalian yang kompleks. Dalam beberapakelas I I sistem, perbedaan dalam penggunaan transkrip primer,yang dimanifestasikan dalam bentuk pemrosesan yang berbeda, dapat menghasilkan transkrip berbeda yang jika ditranslasikan akan menghasilkan polipepdda yang berbeda. Salah satu c o n t o h m o d e l regulasi ekspresi gen kelas II yang sudah diketahui c u k u p r i n c i a d a l a h m e k a n i s m e r e g u l a s i g e n GAL p a d a k h a m i r Saccharomyces cerevisiae. G e n GAL a d a l a h s e r a n g k a i a n g e n y a n g b e r t a n g g u n g j a w a b d a l a m m e t a b o l i s m e g a l a k t o s a . S i s t e m r e g u l a s i g e n GAL m e l i b a t k a n s u a t u s i r k u i t y a n g terdiri atas aktivasi dan represi transkripsi. Sirkuit ini melibatkan produk ekspresi gen-gen yang terletak pada k r o m o s o m yang berbeda. Secara u m u m , regulasi e k s p r e s i g e n - g e n GAL d i t e n t u k a n o l e h d u a p r o t e i n u t a m a , y a i t u p r o t e i n G a l 4 ( d i k o d e o l e h g e n GAL4 y a n g t e r l e t a k p a d a k r o m o s o m X V I ) , d a n p r o t e i n G a l 8 0 . P r o t e i n G a l 4 b e r p e r a n s e b a g a i a k d v a t o r t r a n s k r i p s i g e n - g e n GAL2, GALl, GALIO, d a n MELl, s e d a n g k a n p r o t e i n G a l S O b e r p e r a n s e b a g a i r e p r e s o r y a n g m e n g e b l o k protein Gal4 sehingga Gal4 tidak dapat menjalankan fungslnya sebagai akdvator t r a n s k r i p s i . S e c a r a s k e m a d s , s i r k u i t r e g u l a s i g e n GAL d a p a t d i l i h a t p a d a G a m b a r 11.3. Gambar 11.3 menunjukkan bahwa jika protein Gal4 dalam keadaan bebas m a k a p r o t e i n i n i a k a n m e n g a k t i f k a n g e n - g e n GAL 1, GALl, d a n GAL 10 ( y a n g t e r l e t a k p a d a k r o m o s o m I I ) , g e n GAL2 ( p a d a k r o m o s o m X I I ) , d a n g e n M E L 7. J i k a k h a m i r S. cerevisiae d i t u m b u h k a n d a l a m m e d i u m y a n g m e n g a n d u n g g l u k o s a d a n g a l a k t o s a , maka glukosa akan berperan sebagai ko-represor yang akan menekan masuknya galaktosa dari luar sel. Keadaan ini menyebabkan ddak dapat disintesisnya induser Kalaupun sebelumnya di dalam sel sudah ada induser, m a k a glukosa akan mengeblok Induser. Sebaliknya, jika khamir ditumbuhkan dalam m e d i u m yang hanya

2 0 4 Biologi Molekular GAL7 GALIO GALl GAL2 MELlKromosom I IKromosom X V I Glukosa GA180 Protein Gal4 BLOK GAL3 Protein GalSO Galaktosa (masuk) A* -BLOK Induser Galaktosa o Ko-represor (keluar) Aktivasi transkripsi Represi transkripsi Regulasi pasca- translasi G a m b a r 1 1 . 3 > S i r k u i t r e g u l a s i e k s p r e s i g e n GAL p a d a k h a m i r Saccharomyces cerevisiae. ( D i a d a p t a s i d a r i J o h n s t o n , 1987.) m e n g a n d u n g g a l a k t o s a , m a k a g e n GAL3 a k a n d i e k s p r e s i k a n u n t u k m e n g h a s i l k a n enzim yang akan membentuk produk metabolik galaktosa yang dapat berfungsi sebagai induser. Induser berperan untuk mengeblok GalSO sehingga proteinini ddak dapat menghalangi protein Gal4 u n t u k mengaktifkan rangkaian gen GAL. Jika di dalam m e d i u m p e r t u m b u h a n t e r s e b u t adaglukosa d a ngalaktosa, maka glukosa menghalangi pembentukan induser atau mengeblok induser sehingga induser ddak dapat mengeblok GalSO. Dalam keadaan demikian maka GalSO akan bebas sehingga dapat mengeblok protein Gal4.

Bab 11 Pengendalian Ekspresi Genetik pada Eukary*,Pengendalian Ekspresi Gen Kelas III\ Contoh model G e n kelas III adalah gen yang m e n g k o d e sintesis t R N A dan 5 5 r R N A . Salah satu pengendalian m o d e l pengendalian ekspresi gen kelas III yang diketahui adalah regulasi sintesis ekspresi gen 5 S r R N A s e l a m a p r o s e s o o g e n e s i s d a n e m b r i o g e n e s i s p a d a Xenopus laevis. P a d a kelas III jasad iniadadua dpe gen 5S r R N A , yaitu g e n5S s o m a d k dan 5S pada oosit. Dalam sel-sel s o m a d k terdapat beberapa ratus kopi gen 5S (per g e n o m haploid) yang terletak di daerah t e l o m e r pada satu k r o m o s o m . D i dalam oosit terdapat lebih banyak gen 5S yang jumlahnya dapat mencapai 23.000 kopi gen5S (per genom haploid) yang tersebar di daerah telomer pada beberapa k r o m o s o m . H a l yang menarik dalam kasus ini adalah kenyataan bahwa laju sintesis 5S r R N A berbeda antara sel-sel s o m a d k dengan sintesis 5S r R N A pada oosit. G e n 5S somadk diketahui juga ditranskripsi di oosit pada aras yang ddak terlalu tinggi, yaitu kurang dari 1 0 % dari 5S R N A total, tetapi gen tersebut tetap aktif selama sel somadk masih hidup. Sebaliknya, gen 5S r R N A oosit hanya ditranskripsi di oosit. Transkripsi gen tersebut mencapai aras maksimal di dalam oosit yang masih muda dan akan m e n u r u n sejalan dengan semakin tuanya oosit. Transkripsi g e n 5S oosit ddak terdeteksi pada saat embriogenesis maupun di dalam sel somadk. Penelidan m e n u n j u k k a n bahwa f a k t o r kunci yang menyebabkan perbedaan dalam pengendalian ekspresi gen 5S r R N A tersebut adalah faktor t r a n s k r i p s i T F I I I A . D i k e t a h u i b a h w a T F I I I A m e m p u n y a i d a y a I k a t {affinity) y a n g lebih besar terhadap g e n 5S somatik daripada g e n 5S oosit. Selain i t u juga diketahui bahwa TFIIIA berikatan dengan 5S r R N A untuk membentuk partikel berukuran 7S. Pada awal proses oogenesis, molekul TFIIIA tersedia dalam jumlah banyak sehingga terjadi akumulasi 5S r R N A . Keadaan ini akhirnya menyebabkan terjadinya proses autoregulasi karena molekul 5S r R N A berikatan dengan TFIIIA. Ikatan antara T F I I I A dengan 5 S r R N A m e n y e b a b k a n T F I I I A tidak tersedia lagi u n t u k proses transkripsi g e n5S berikutnya. Selain itu, dengan semakin tuanya oosit maka terjadi penurunan aras m R N A yang mengkode TFIIIA sehingga molekul TFIIIA hasil translasi m R N A juga berkurang. Pada keadaan ini molekul TFIIIA yang ada mempunyai kecenderungan untuk berikatan dengan 5S somatik sehingga faktor transkripsi ini tidak tersedia u n t u k proses transkripsi gen 5S r R N A pada oosit. Akibatnya, gen 5 S r R N A pada o o s i t tidak dapat ditranskripsi lagi. Secara garis besar regulasi ekspresi g e n5S r R N A disajikan dalam Gambar 11.4.Pengendalian Ekspresi Genetik Pasca-Transkripsi j s t a b i l i t a s mRNA Mekanisme pengendalian ekspresi genetik seperd telah dijabarkan di atas lebih banyak menyangkut pengendalian pada aras transkripsi.Sebenarnya, pengendalian ekspresi genedk juga terjadi pada saat transkripsi telah selesai dilakukan. Salah satu aspek pengendalian ekspresi genedk pasca-transkripsi adalah pengendalian

, - w 2 0 6 Biologi Molekular Oogenesis awal: Jumlah TFIIIA banyak Akumulasi RNA 5 S 4^ TFIIIA tidak tersedia untuk transkripsi berikutnya Autoregulasi 4^ RNA 5 S berikatan dengan TFIIIA Aras mRNA menurun Jumlah TFIIIA berkurang 4^ TFIIIA cceennddeeriung berikatan dengan gen somatik 4^ Gen oosit tidak diekspresikan G a m b a r 11.4 I Regulasi ekspresi g e n 5S r R N A . stabilitas m R N A . Salah satu contoh mengenai hal ini adalah stabilitas m R N A kasein. Jika jaringan glandula m a m m a e dikultur d a n distimulasi dengan prolakdn, maka jaringan tersebut akan menghasilkan protein susu kasein. Diketahui bahwa konsentrasi m R N A meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi kasein yaitu sekitar 2 0 kali dalam w a k t u 2 4 j a m setelah perlakuan dengan h o r m o n prolaktin. Meskipun demikian, hal ini ddak berarti bahwa laju sintesis m R N A kasein meningkat sebanyak 2 0 kali karena pada kenyataannya hanya meningkat 2-3 kali. Peningkatan konsentrasi kasein lebih disebabkan oleh peningkatan stabilitas m R N A . Fenomena serupa juga diamad pada m R N A reseptor transferin.Regulasi Faktor Transkripsi\ Cara-cara Faktor transkripsi adalah protein yang berperanan di dalam pengaturan ekspresi' regulasi falftor suatu. O l e h karena itu, faktor transkripsi juga mengalami regulasi yang dapat memengaruhi akdvitasnya. Faktor transkripsi diatur dengan melalui beberapa trartslcripsi macam cara, antara lain: 1 . R e g u l a s i t e m p o r a l , m i s a l n y a g e n c - f o s , c-jun, c-myc, d a n e g r - 7 a d a l a h g e n - gen yang mengkode faktor transkripsi yang diatur secara temporal oleh jalur

Bab 1 1 Pengendalian Ekspresi Genetik pada Eukaryot 207t r a n s d u k s i s i n y a l {signal transductjon pathway). B e b e r a p a f a k t o r y a n g d a p a t m e n g a t u rekspresi faktor-faktor transkripsi tersebut antara lain adalah pengikatan mitogenatau faktor diferensiasi, impuls saraf, dan kerusakan fisik.2. Regulasi dengan pengikatan ligan. A n g g o t a r e s e p t o r h o r m o n s t e r o i dadalah c o n t o h faktor transkripsi yang akdvitasnya diatur oleh llgan eksternal. Jikaddak adaligan, maka faktor transkripsi tersebut menjadi suatu kompleks yangt i d a k a k t i f d a n b e r i k a t a n d e n g a n p r o t e i n heat-shock h s p 9 0 . D e n g a n a d a n y a l i g a n ,faktor-faktor transkripsi tersebut akan berdisosiasi dari hsp90, m e m b e n t u k dimerdan akhirnya dapat mengaktifkan gen-gen yang menjadi target.3. Regulasi d e n g a n sequestration. Protein N F K - B adalah contoh faktort r a n s k r i p s i y a n g d i a t u r d e n g a n m e k a n i s m e sequestration ( p e n g a s l n g a n ) y a i t u d e n g a ndlikatkan pada protein sitoplasma I K B .Fosforilasi terhadap protein I K B olehprotein kinase C dapat menyebabkan kompleks N F K - B - I K B terdisosiasi sehinggamenyebabkan N F K - B menjadi aktif.4. Regulasi dengan modifikasi pasca-translasi. B e b e r a p a f a k t o r t r a n s k r i p s idiketahui diatur akdvitasnya dengan mekanisme yang terjadi setelah translasi.Proses regulasi yang terjadi dapat berupa fosforilasi atau glikosilasl. Sebagai contoh,faktor transkripsi C R E B difosforilasi oleh protein kinase P K A yang tergantungpada cAMR Fosforilasi tersebut menyebabkan pembentukan dimer protein C R E Byang bersifat aktif. Selain itu, juga a d amekanisme regulasi aktivitas denganmekanisme glikosilasl, yaitu penambahan gugus karbohidrat pada struktur pro-tein.5. Regulasi dengan pengeblokan tempat ikatan pada D N A . F a k t o rtranskripsi NF-E adalah contoh faktor transkripsi yang dapat melekat pada kotakC C A A T p a d a g e n y p a d a m a n u s i a d a n d a p a t b e r k o m p e d s i d e n g a n fektor t r a n s k r i p s ilain, yaitu C P l yang juga melekat pada kotak C C A A T Kompetisi semacam inidapat memengaruhi aktivitas faktor transkripsi.6. Regulasi dengan pengeblokan aktivitas. A k t i v i t a s s u a t u f a k t o r t r a n s k r i p s ijuga dapat ditekan oleh protein lain yang mengeblok domain akdvasinya, misalnyaf a k t o r t r a n s k r i p s i G a l 4 p a d a Saccharomyces cerevisiae d a p a t d i t e k a n a k t l v l t a s n y aoleh protein GalSO.7. Regulasi d e n g a n m e k a n i s m e silencing. Silencer a d a l a h s u a t u s e k u e n syang berperanan sebagai faktor pengendali negadf ekspresi suatu gen. Sebagaic o n t o h , p a d a k h a m i r S. cerevisiae a d a e l e m e n silencer y a n g d a p a t m e n e k a n a k t i v i t a sg e n y a n g b e r t a n g g u n g j a w a b d a l a m p e r u b a h a n t i p e k a w i n {mating type) y a i t u g e nHMR d a n HML

2Q8 Biologi Molekular Soal-soal1. Jelaskan titik-titik kemungkinan terjadinya pengendalian ekspresi genetik pada eukaryot. Jelaskan perbedaannya dengan yang terjadi pada prokaryot.Z G a m b a r k a n s e c a r a s k e m a d s m e k a n i s m e d a s a r p e n g e n d a l i a n m e t a b o l i s m e g a l a k t o s a p a d a k h a m i r Saccha- romyces cerevisiae.3 . A d a d u a m a c a m g e n 5 S r R N A p a d a X e n o p u s toevis y a i t u g e n s o m a t i k d a n g e n o o s i t y a n g l a j u s i n t e s i s n y a berbeda. Jelaskan bagaimana mekanisme pengaturan ekspresi kedua macam gen tersebut.4. F a k t o r t r a n s k r i p s i adalah suatu m o l e k u l p r o t e i n r e g u l a t o r . Jelaskan bagaimana p r o s e s regulasi ekspresi faktor transkripsi.