Bab 15 Pengaturan Ekspresi Gen

t 5 Pengaturan Ekspresi GenEkspresi gen diatur oleh mekanisme yang r u m i t . P r o k a r i o t mengatur ekspresi gent e r u t a m a di tingkat transkripsi m e l a l u i satuan-satuan genetik yang d i k e n a l seba-gai operon. Sebuah operon t e r d i r i d a r i serangkaian gen yang menghasilkanserangkaian protein di bawah k o n t r o l sebuah promotor ( a t a u regio p e n g a t u r ) .P r o t e i n pengatur b e r i k a t a n dengan promotor dan mempermudah atau mengham-bat pengikatan RNA polimerase. Gen e u k a r i o t i k tidak terorganisasi menjadi operon. N a m u n , masing-masing genuntuk sebuah r a n t a i polipeptida d i k o n t r o l oleh promotornya sendiri. P e n g a t u r a nekspresi gen t e r j a d i di tingkat DNA oleh modifikasi k i m i a basa-basa, oleh h i -l a n g n y a atau amplifikasi gen, dan oleh penyusunan u l a n g ^rearrangement) gen.P e n g a t u r a n j u g a t e r j a d i di tingkat transkripsi, selama pengolahan RNA, atau se-l a m a transpor RNA d a r i i n t i ke sitoplasma. M e k a n i s m e pengatur tambahanberoperasi di dalam sitoplasma pada tingkat translasi. Untuk suatu gen spesifik, pengaturan dapat t e r j a d i secara bersamaan di berba-gai tingkat, dan banyak faktor bekerja secara bersamaan u n t u k merangsang ataumenghambat ekspresi suatu gen. Annie Myck mengeluh adanya nyeri di tulang belakang bagian bawah. Pe-^ meriksaan computed tomogram (CT) kuantitatif terhadap tulang be- lakangnya memperlihatkan adanya daerah penekanan dini korda spinalis diregio lumbal atas. Dilakukan radiasi lokal pada daerah ini dan pemberian transfusi da-rah secara teratur. Hasil pemeriksaan khusus mengenai defek genetik yang mendasaritalasemianya sedang ditunggu.O Perjalanan limfoma folikular Ariyn Foma tampaknya berkembang men- jadi proses yang lebih agresif. Penyakitnya tidak berespons baik terhadap kemoterapi banyak obat mutakhir yang terdiri dari doksorubisin (adria-misin), vinkristin, siklofosfamid, dan metotreksat (AV/CM). Karena interferon a-2brekombinan dilaporkan memiliki efek sinergistik atau aditif dengan obat-obat di atas,obat ini ditambahkan ke dalam protokol di atas. Walaupun dipertimbangkan ke-mungkinan resistensi, metotreksat tetap digunakan sebagai bagian dari pendekatanterapeutik kombinasi. -; Untuk menentukan penyebab anemia mikrositik hipokromik Priscilla Twigg, dilakukan pemeriksaan kadar feritin serum (bentuk besi simpanan— — ^ dalam sel) dan ternyata subnormal (6 ng/mL, rentang normal = 12-150ng/mL). Kapasitas total plasma mengikat besi atau kadar transferin (transferin adalahprotein pengangkut besi dalam plasma) lebih besar daripada nomial (510 mg/dL, ren-tang acuan = 220-440 mg/dL). Saturasi besi transferin yang dihitung dari angka-angka di atas adalah kurang dari 15% (normal 20-55%). Gambaran hasil laboratoriumini konsisten dengan keadaan defisiensi besi tetapi tidak dapat memastikan apakah de-fisiensi tersebut disebabkan oleh hilangnya besi (misal, perdarahan) atau kurangnyaasupan besi. Riwayat anoreksia nervosa sangat mengisyaratkan bahwa defisiensi asupanbesi adalah penyebab anemia pada penderita ini.

2 1 2 BAGIAN III / EKSPRESI GEN DAN SINTESIS PROTEIN 15.1: Hitung jumlah protein, • Mannie Weitzels a d a l a h s e o r a n g p r i a b e r u s i a 5 6 t a h u n y a n g m e n g e l u h yang panjangnya 3 0 0 asam nyeri kepala, penurunan berat badan akibat hilangnya nafsu makan, dan pe- amino, yang dapat dihasilkan nurunan daya tahan berolahraga, la mengeluh rasa tidak nyaman dan penuhd a r i g e n o m E . coli ( 4 x 1 0 ' p a s a n g a n b a s aDNA). di kuadran kiri atas abdomen. Pada pemeriksaan fisik, ia tampak pucat dan mengalami ekimosis (memar) di lengan dan tungkai bawah. Limpanya sangat membesar. Pemeriksaan laboratorium awal memperlihatkan kadar hemoglobin 10,4 g/dL (normal = 13,5-17,5 g/dL) dan hitung leukosit (sel darah putih) 86.000 sel/mm^ (nor- m a l = 4.500-11.000 sel/mm^). Sebagian besar leukosit adalah granulosit, di mana se- bagian tampak \"imatur.\" Persentase limfosit dalam darah tepi menurun. Aspirasi dan biopsi sumsum tulang memperlihatkan adanya kromosom abnormal (kromosom Philadelphia) pada sel sumsum tulang yang sedang membelah. S e l a s a l (stem celi) d i s u m s u m EKSPRESI GEN DIATUR UNTUK ADAPTASI, tulang biasanya berdiferensiasi PERKEMBANGAN, DAN DIFERENSIASI dan menjadi matang dalam carayang sangat selektif dan teratur, menjadi Walaupun sebagian besar sel dalam suatu organisme memiliki rangkaian gen yangsel darah merah atau s e l darah putih. identik, pada setiap saat, dalam sebuah sel hanya sejumlah kecil gen yang diekspresi-Berbagai gangguan medis dapat mem- kan. G e n lainnya tidak aktif. Organisme memperoleh sejumlah manfaat denganpengaruhi proses ini. Pada penderita se- mengatur aktivitas gennya. Baik sel prokariotikmaupun eukariotik beradaptasi terha-p e r t i Annie Myck, y a n g m e n g a l a m i d e f i s i - dap perubahan dalam lingkungannya dengan mengaktifkan atau menghentikan eks-ensi sel darah merah, perubahans e l presi gen. Karena proses transkripsi R N A dan sintesis protein memakan energi cukupprekursor menjadi sel matang terstimulasi ba-nyak, sel melakukan penghematan bahan bakar dengan cara hanya membuat pro-untuk mengkompensasi anemia. Pada tein bila sedang dibutuhkan.o e n d e r i t a s e p e r t i Mannie Wietzels, y a n gmenderita leukemia mielogenosa kronik Selain beradaptasi terhadap perubahan lingkungan, organisme eukariotik meng-(LMK), terdapatturunan sel mieloid primitif atur ekspresi gennya selama periode perkembangan. Sewaktu sebuah telur yang telahmenghasilkan sel leukemik yang berpro- dibuahi berubah menjadi organisme multisel, terjadi sintesis bermacam-macam pro-liferasi secara abnormal, m e n y e b a b k a n tein, dalam jumlah yang berbeda. Pada manusia, sewaktu anak berkembang menjadipeningkatan besar jumlah sel darah putih remaja lalu dewasa, perubahan fisik dan fisiologis yang terjadi adalah akibat variasidalam sirkulasi. ekspresi gen dan, dengan demikian, variasi sintesis protein. Bahkan setelah organisme mencapai tahap perkembangan dewasa, tetap terjadi pengaturan ekspresi gen yang DNA memungkinkan sel tertentu menjalani diferensiasi untuk memperoleh fungsi baru. Dinding sel Membran plasma PENGATURAN EKSPRESI GEN PADA PROKARIOT w. Prokariot adalah organisme bersel tunggal dan, oleh karena itu, memerlukan meka- nisme pengaturan yang lebih sederhana dibandingkan dengan organisme multisel ( G b r . 1 5 . 1 ) . P r o k a r i o t y a n g p a l i n g b a n y a k d i t e l i t i a d a l a h b a k t e r i Escherichia coli, s u - atu organisme yang tumbuh subur dalam kolon manusia, membentuk hubungan sim- b i o s i s d e n g a n p e j a m u n y a . S e m u a s e l E. coli s e c a r a m o r f o l o g i s s e m p a d a n m e m i l i k i kromosom sirkular yang sama. P a d a E. coli d a n p r o k a r i o t l a i n n y a , D N A t i d a k m e m b e n t u k k o m p l e k s d e n g a n h i s - ton, dan tidak terdapat selubung inti yang memisahkan gen dari isi sitoplasma. Trans- k r i p g e n t i d a k m e n g a n d u n g i n t r o n , d a n m R N A t i d a k m e m i l i k i cap a t a u e k o r p o l i ( A ) . Sebenamya, sewaktu m R N A sedang ditranskripsikan, ribosom terikat dan mulai membentuk protein, sehingga transkripsi dan translasi terjadi secara bersamaan (Gbr. 15.2). B e r d a s a r k a n u k u r a n g e n o m n y a ( 4 x 10^ p a s a n g a n b a s a ) , E. coli s e y o g y a n y a m a m p u membuat beberapa ribu protein. N a m u n , pada kondisi pertumbuhan biasa, bakteri inihanya membuat sekitar 600-800 protein yang berbeda. Jelaslah, dalam kea- daan normal banyak gen yang tidak aktifGbr. 15.1. S e l E. coli. P a d a p r o k a r i o t , D N A t i - Operondak dipisahkan dari isisel lainnya oleh se-lubung inti. Pada bakteri, gen untuk protein yang melakukan fungsi spesifik sering dikelompok- kan bersama dalam genom dalam satuan yang dikenal sebagai operon. Gen pada se-

B A B 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 2 1 3buah operon diekspresikan secara terkoordinasi, yaitu, gen tersebut semua \"dinya- DNAlakan\" (diaktifkan) atau \"dimatikan\" (diinaktifkan). Apabila terjadi ekspresi operon,semua gen yang terdapat d i dalamnya mengalami transkripsi. Terbentuk sebuah Ribosomm R N A polisistronikyang diproduksi yang mengkode semua protein operon. m R N A Proteinp o l i s i s t r o n i k i n i m e n g a n d u n g b a n y a k r a n g k a i a n k o d o n start d a n k o d o n stop y a n g m e - nascentmuhgkinkan pembentukan sejumlah protein dari sebuah transkrip pada tingkat trans-lasi (Gbr. 15.3). Gen untuk protein yang dihasilkan oleh suatu operon disebut gen struktural. Trans-kripsi genstruktural diatur oleh suatu promotor yang terletak diujung-5' operon, kearah hulu dari genuntuk protein. Banyak mekanisme untuk pengaturan sintesis pro-tein yang mempengaruhi pengikatan R N A polimerase ke promotor dan, dengan de-mikian, bekerja pada tingkat inisiasi transkripsi. Sebagian protein pengatur berikatandi atau dekat dengan promotor danmerangsang atau menghambat pengikatan R N Apolimerase. Pada kontrolpositif, protein pengatur merangsang transkripsi. Pada kon-trol negatif, protein pengatur menghambat transkripsi. Transkripsi operon juga dikendalikan oleh faktor (a) sigma yang berikatan denganR N A polimerase, yang menyebabkannya mengenali danlebih mudah berikatan de-ngan promotor tertentu. Mekanisme lain melemahkan transkripsi m R N A yang sedangberlangsung. Banyak mekanisme pengatur ini mungkin saling tumpang-tindih, be-kerja pada operon tunggal untuk memungkinkannya berespons dengan cepat terhadapperubahan kondisi.Kontrol Gen Sebagai Respons terhadap G b r . 15.2. Transkripsi dan translasi yang ber-Perubahan dalam Lingkungan langsung bersamaan pada bakteri. Sewaktu ter- jadi transkripsi, ribosom berikatan dengan m R N A dan memulai translasi.U n t u k t u m b u h , E. coli m e m e r l u k a n s u m b e r n i t r o g e n d a n s u m b e r k a r b o n . S u m b e r k a r -bon normal adalah glukosa, yang berfiingsi sebagai prekursor untuk biosintesis 2 0asam amino yang diperlukan untuk sintesis protein. Glukosa juga mengalami oksidasim e l a l u i g l i k o l i s i s d a n s i k l u s a s a m t r i k a r b o k s i l a t ( A T K ) m e n j a d i CO2 d a n H2O,menghasilkan energi dalam bentuk A T P . Enzim untuk mengoksidasi glukosa diben-tuk secara konstitutif, yaitu enzim tersebut terus-menerus dibentuk. A p a b i l a g l u k o s a d a l a m m e d i u m p e r t u m b u h a n d i g a n t i o l e h g u l a s u s u l a k t o s a , s e l E.coli d a p a t b e r a d a p t a s i d a n m u l a i m e n g h a s i l k a n e n z i m y a n g d i p e r l u k a n u n t u k m e n g u -bah laktosa menjadi senyawa yang dapat dioksidasi melalui jalur untuk penggunaanglukosa. Sintesis enzim untuk metabolisme laktosa diaktifkan (Gbr. 15.4). Proses yang secara konseptual serupa terjadi apabila sumber nitrogen dalam me-d i u m p e r t u m b u h a n d i g a n t i o l e h c a m p u r a n a s a m a m i n o . S e k a r a n g s e l E. coli t i d a k l a g iharus menghasilkan enzim yang diperlukan untuk sintesis asam amino, sehingga sin-tesis enzim ini dimatikan. Misalnya, diperlukan lima enzim untuk sintesis asam aminot r i p t o f a n . A p a b i l a s u m b e r t r i p t o f a n s u d a h t e r s e d i a , s e l E. coli m e n g h e m a t e n e r g i d e -ngan tidak lagi membentuk enzim yang diperlukan untuk biosintesis triptofan.Pengaturan oleh Protein yang Berikatan dengan OperonProtein berikatan dengan regio pengatur pada operon dan menghambat atau mening-katkan pengikatan R N A polimerase k epromotor. Hal ini menyebabkan pengham-5'_AUG- -UAA—AUG- -UGA—AUG- -UAG—3' J TJ I 15.1: Empat juga pasangan T basa mengandung 4 x lOVS atau 1,33juta kodon. Apabila Protein 2 Protein 3 masing-masing protein mengandung seki- t a r 3 0 0 a s a m a m i n o , E. c o / / d a p a t m e n g h a - \ silkan sekitar 4.000 protein (1,33 x 10V300).G b r . 1 5 . 3 . m R N AP rpootleiisni s1t r o n i k pada b a k t e r i . G e n p a d a suatu o p e r o n d i t r a n s k r i p s i k a n sebagaisatu m R N A panjang. S e l a m a t r a n s l a s i , k o d o n start ( A U G ) dan k o d o n stop ( U A A , U G A , danU A G ) menyebabkan pembentukan protein yang berbeda-beda dari m R N A ini.

2 1 4 BAGIAN III / EKSPRESI G E N DAN SINTESIS PROTEIN Gen pengatur batan atau peningkatan transkripsi. Apabila suatu operon mengalami transkripsi, dihasilkan protein yang dikode oleh operon tersebut. Apabila tidak ditranskripsikan, i protein tersebut tidak terbentuk. (Protein yang dikode oleh operon sering disebut pro- duk gen). mRNA INHIBISI PENGIKATAN RNA POLIMERASE Represor Protein pengatur yang dikenal sebagai represor mengontrol operon dengan mengham-Promotor Gen struktural bat pengikatan RNA polimerase. Terdapat suatu gen yang bukan merupakan bagian operon yang mengkode represor. Represor berikatan dengan regio operan yang di-Operator A BC atumya yang dikenal sebagai operator. Operator terletak dekat ujung-3' promotor. Apabila represor berikatan dengan operator, operon tidak ditranskripsikan karena Tidak terjadi transkripsi represor menghambat pengikatan RNA polimerase ke proffiotor (Gbr. 15.5). Represor Tidak dihasilkan protein bekerja melalui dua jenis mekanisme: induksi dan represi.Gbr. 15.5. Pengaturan operon oleh represor. InduksiApabila represor berikatan dengan operator,RNA polimerase tidak dapat terikat sehingga Induksi melibatkan molekul kecil, yang dikenal sebagai inducer, yang merangsangtranslasi tidak terjadi. ekspresi operon. Tanpa adanya inducer, operon yang dapat diinduksi berikatan de- ngan represomya, dan gen operon tidak diekspresikan. Gen diaktifkan apabila terda- pat inducer. Inducer berikatan dengan represor, mengubah konformasi represor se- hingga represor tidak mudah berikatan dengan operator. Apabila represor tidak berikatan dengan operator, promotor bebas dan RNA polhnerase dapat mengikatnya dan melakukan transkripsi operon (Gbr. 15.6). Represi Operon yang diatur oleh represi akan diekspresikan sampai molekul kecil yang dike- nal sebagai korepresor masuk ke dalam sel. Korepresor berikatan dengan represor dan mengaktifkannya. Kompleks represor-korepresor kemudian berikatan dengan opera- tor serta menghambat pengikatan RNA polimerase. Akibatnya, gen struktural tidak lagi menghasilkan protein (Gbr. 15.7). |-P^omoto^^| Gen stmktural Operator Gen z Gen Y Gen A ri D N A 5* 1 1H 1 1 1—3' m R N A polisistronik i 3' Protein galaktoskJase-p i; permease transasetilase Fungsi Laktosa Glukosa Transpor ? + laktosa _ , ,^ ke dalam sel Galaktosa t CO2 + H2O + ATP Gbr. 15.4. Protein produk operon lac. Permease menyebabkan sel mudah menyerap laktosa, dan galaktosidase-p menguraikan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, yang dapat dioksidasi oleh sel untuk menghasilkan energi. Fungsi produk gen A (transasetilase) tidak diketahui (?).

BAB 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 2 1 5A. Tanpa adanya Inducer O p e r o n l a k t o s a (lac) p a d a E coli diatur oleh induksi. Apabila sel Promotor Gen struktural bakteri Ini terpajan k e glukosa d a n t i d a k t e r d a p a t l a k t o s a , r e p r e s o r lac t i -DNA Tidak terjadi transkripsi d a k d i t e n n p e l o l e h inducer6qx\, d e n g a n d e - Tidak dihasilkan protein mikian, berada dalam keadaan aktif. mRNA Bepresor berikatan dengan operator, dan RNA polimerase gen operator tidak diekspresikan. Namun, pil apabila sel tidak mendapat pasokan glu- Represor kosa tetapi terdapat laktosa, suatu me- tabolit laktosa (alolaktosa) berfungsi se- (aktif) b a g a i inducer, b e r i k a t a n d e n g a n r e p r e s o r dan m e n y e b a b k a n n y a tidak aktif. Repre-B . D e n g a r i a d a n y a inducer sor inaktif tidak lagi dapat berikatan de- ngan operator. R N A polimerase sekarang I Transkripsi dapat berikatan dengan promotor dan me- lakukan transkripsi ketiga gen struktural mRNA mRNA / \ / \ y \ / \ / \ / \ / \ pada operon (Z, Y, dan A), menghasilkan m R N A polisistronik yang mengkode pem-Inducer polisistronik ^ ^ | bentukan tiga protein (lihat Gbr. 15.4). Protein produk gen Zadalah suatu ga- Represor Protein Protein Protein laktosidase-p yang menguraikan laktosa, (Inaktif) ABC menghasilkan glukosa dan galaktosa. Glu- kosa dan galaktosa kemudian dapat diok- Gbr. 15.6. O p e r o n y a n g dapat d i i n d u k s i . A p a b i l a t i d a k ter- sidasi oleh sel untuk menghasilkan energi. dapat inducer, represor b e r i k a t a n d e n g a n operator. R N A Gen Y menghasilkan laktosa permease polimerase tidak dapat berikatan dan tidak terjadi trans- yang meningkatkan transpor laktosa ma- k r i p s i . A p a b i l a terdapat inducer, inducer b e r i k a t a n d e n g a n suk k e dalam sel. Fungsi transasetilase represor dan menyebabkannya tidak aktif. Represor inaktif yang dihasilkan oleh gen A masih belum tidak berikatan dengan operator. Oleh karena itu, R N A po- diketahui. limerase dapat melekat ke regio promotor dan melakukan transkripsi gen struktural.A. Tanpa adanya korepresor Promotor Gen struktural MN Gen pengatur DNA RNA polimerase mRNA 4 mRNA / \ / \ / \ / \ / \ J \ J \ Represor polisistronik | | | (inaktiO Protein Protein Protein L M 1MB Dengan adanya korepresor Tidak terjadi transkripsi Operon triptofan (trp) diatur oleh DNA Tidak dihasilkan protein represi. Secara normal, apabila E. coli tidak memiliki sumber mRNA asam amino, operon trp diaktifkan, meng- hasilkan enzim yang memungkinkan selRepresor Gbr. 15.7. Operon yang dapat direpresi. Represor berada membentuk triptofan. Namun, apabila sel {akW) dalam keadaan tidak aktif sampai sebuah molekul kecil, diberi triptofan, asam amino ini akan beri- korepresor, mengikatnya. Kompleks represor-korepresor katan dengan represor inaktif. Pengikatan berikatan dengan operator dan mencegah transkripsi. ini menyebabkan perubahan konfonnasi represor sehingga represor tersebut men- jadi aktif, mengikat operator, dan meng- hambat ekspresi operon. Karena sel men- dapat pasokan triptofan, membuat enzim untuk sintesis asam amino tersebut akan membuang-buang energi.

2 1 6 BAGIAN III/ EKSPRESI G E N DAN SINTESIS PROTEIN STIMULASI PENGIKATAN RNA POLIMERASE Selain mengatur transkripsi melalui represor yang mencegah pengikatan R N A po- limerase ke promotor, bakteri mengatur transkripsi melalui protein yang merangsang p e n g i k a t a n R N A p o l i m e r a s e k e p r o m o t o r . M i s a l n y a , o p e r o n ara d i a t u r o l e h s u a t u p r o - tein (AraC) yang berikatan dengan suatu regio dekat promotor operon. Apabila tidak terdapat glukosa tetapi terdapat gula arabinosa, arabinosa berikatan dengan AraC. Kompleks AraC dan arabinosa ini merangsang pengikatan R N A polimerase ke pro- m o t o r o p e r o n ara, O p e r o n k e m u d i a n d i t r a n s k r i p s i , d a n t e r b e n t u k e n z i m y a n g m e - mungkinkan sel memetabolis arabinosa untuk memperoleh energi (Gbr. 15.8). REPRESI KATABOLIT Beberapa operon, terutama operon yang menyebabkan sel m a m p u menghasilkan en- zim untuk metabolis gula selain glukosa, tidak dapat dinyalakan apabila terdapat glu- kosa. Pada kenyataannya, glukosa \"menekan\" operon tersebut melalui suatu proses yang disebut represi katabolit (Gbr. 15.9). P e r u b a h a n k o n s e n t r a s i g l u k o s a m e m p e n g a r u h i k a d a r A M P s i k l i k (cyclic AMP, c A M P ) di dalam sel m e l a l u i suatu mekanisme yang b e l u m diketahui pasti. N a m u n , se- waktu konsentrasi glukosa menurun, konsentrasi c A M P meningkat. c A M P berikatan d e n g a n s u a t u p r o t e i n y a n g d i k e n a l s e b a g a i p r o t e i n r e s e p t o r c A M P (cAMPprotein re- ceptor, C R P ) ( a t a u p r o t e i n a k t i v a t o r k a t a b o l i t , catabolite activator protein, C A P ) . Kompleks c A M P - C R Pkemudian berikatan dengan suatu regio pengatur pada operon, merangsang pengikatan R N A polimerase ke promotor sehingga transkripsi berlang- sung. Apabila terdapat glukosa, kadar c A M P menurun. C R P mengambil konformasi i n a k t i f apabila t i d a k b e r i k a t a n d e n g a n cA M P . . A k i b a t n y a , C R P t i d a k b e r i k a t a n dengan operon, dan tidak terjadi transkripsi. O p e r o n lac, ara, d a n gal m e r u p a k a n s a s a r a n r e p r e s i k a t a b o l i t . E n z i m u n t u k m e - tabolisme laktosa, arabinosa, dan galaktosa tidak terbentuk apabila sel mendapat cu- kup pasokan glukosa walaupun ketiga sumber energi alternatif ini terdapat dalam konsentrasi tinggi. Pengaturan oleh Faktor Sigma E. coli h a n y a m e m i l i k i s a t u R N A p o l i m e r a s e . F a k t o r s i g m a m e l e k a t k e R N A p o l i m e - rase ini,merangsang pengikatannya ke serangkaian promotor tertentu. Faktor sigma s t a n d a r p a d a E. coli a d a l a h a^^, s u a t u p r o t e i n d e n g a n b e r a t m o l e k u l 7 0 . 0 0 0 d a l t o n . RNA polimerase Arabinosa ^? Arabinosa — ^ Ribulosa — ^ Ribulosa-5-P — • Xilulosa-5-P; i,' COa -f H;>0 . ^fi Gbr. 15.8. Suatu operon diatur oleh stimulasi pengikatan RNA polimerase. Pengikatan kom- pleks AraC-arabinosa ke regio pengatur pada operon akan merangsang pengikatan RNA po- limerase ke promotor. RNA polimerase melakukan transkripsi gen struktural pada operon, dan dihasilkan protein yang memungkinkan sel melakukan oksidasi arabinosa untuk memperoleh energi.

B A B 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 2 1 7A. Dengan adanya inducer dan glukosa Gen struktural Gen pengatur Promotor z Y AD N A j^ii0^i/?<i^o^ yp^iiO^^^d^^ ^ Tidak terjadi transkripsiRepresorInducerRepresor (inaktif)B. Dengan adanya inducer dan tanpa glukosaD N A /i^o^::^o<:^^^ RNA Transkripsi polimeraseRepresorInducer polisistronik t t t cAMP-CRP Protein Protein Protein Represor (inaktif) Z Y AGlukosa 1^ cAMPt- CRP -Gbr. 15.9. Represi katabolit. Operon lac digunakan sebagai contoh. A. Inducer alolaktosa (su-atu metabolit laktosa) menyebabkan represor menjadi inaktif. Namun, tidak terjadi transkripsikecuali apabila tidak terdapat glukosa. B. Apabila tidak terdapat glukosa, kadar cAMP mening-kat. cAMP membentuk kompleks dengan protein reseptor cAMP (CRP). Pengikatan komplekscAMP-CRP ke regio pengatur pada operon memungkinkan pengikatan RNA polimerase kepromotor. Sekarang operon dapat ditranskripsikan dan protein dihasilkan.Faktor sigma lainnya, a , membantu R N A polimerase mengenali promotor untuko p e r o n y a n g m e n g k o d e heat shock protein y a n g d i b e n t u k s e b a g a i r e s p o n s t e r h a d a ppeningkatan suhu.Pelemahan ( A t t e n u a t i o n )Sebagian operon, terutama operon yang mengkode enzim yang berperan dalam sinte-sis asam amino, diatur oleh suatu proses yang mengganggu atau melemahkan trans-kripsi setelah proses tersebut dimulai (Gbr. 15.10). Sewaktu dilakukan transkripsim R N A d a r i s u a t u o p e r o n , m i s a l n y a o p e r o n trp, y a n g m e n g k o d e e n z i m u n t u k s i n t e s i sasam amino tertentu, ribosom melekat dandengan cepat melakukan translasi trans-krip m R N A . Apabila translasi berlangsung cepat, akan terbentuk lengkung tajampada m R N A yang berfungsi sebagai sinyal terminasi untuk R N A polimerase. Karenam R N A memiliki sejumlah kodon untuk asam amino yang terletak dekat ujung-5'nya,translasi cepat terjadi hanya apabila kadar aminoasil-tRNAuntuk asam amino relatiftinggi didalam sel, yang terjadi apabila kadar asam amino tinggi. Dengan demikian.

2 1 8 BAGIAN III/ EKSPRESI G E N DAN SINTESIS PROTEIN Dekat ujung-5' m R N A yang di- proses pelemahan menghentikan transkripsi apabila kadar asam amino tinggi, mence- h a s i l k a n d a r i o p e r o n trp, t e r d a - gah pembentukan enzim yang diperlukan untuk sintesis asam amino yang bersangkut- pat d u a kodon triptofan yang an. Apabila kadar asam amino rendah, ribosom melambat dikodon untuk asam aminoberdekatan. Apabila kadar triptofan tinggi, yang bersangkutan. Terbentuk lengkung tajam yang lain pada m R N A . Lengkung initrp-tRNA akan melekat k ekodon-kodon ini tidak menghentikan transkripsi, dan dapat dilakukan transkripsi m R N A lengkap.dan translasi berlangsung dengan cepat Translasi m R N A ini menghasilkan enzim yang mengkatalisis sintesis asam amino.dan menghasilkan pembentukan lengkungtajam pada m R N A yang menghentikan Operon triptofan,histidin, isoleusin, fenilalanin, dantreonin diatur oleh proses pe-transkripsi. Apabila kadar triptofan rendah, lemahan. Represor dan aktivator juga dapat bekerja pada promotor operon ini, m e -translasi melambat di kodon ini, pada mungkinkan kadar asam amino diatur dengan sangat cermat.m R N A tidak terbentuk lengkung terminasi,dan transkripsi berlangsung terus. Stabilitas mRNA m R N A p a d a E . coli m e m i l i k i w a k t u - p a r u h y a n g s a n g a t s i n g k a t . m R N A m e n g a l a m i penguraian dalam beberapa menit. Oleh karena itu, m R N A harus ditranskripsikan se- cara konstan agar sintesis protein dapat dipertahankan. Karena waktu-paruh m R N A yang singkat, pengaturan transkripsi, terutama ditingkat inisiasi, cukup untuk menga- tur kadar protein di dalam sel. PENGATURAN SINTESIS PROTEIN PADA EUKARIOT Eukariot multisel jauh lebih kompleks daripada prokariot yang bersel tunggal. Walau- pun sebagian besar seldalam organisme eukariotikmultisel memiliki komplemen gen yang sama, namun kumpulan selyang berbeda mengaktifkan jenis gen yang berbeda. Sebagai akibatnya, sel di berbagai jaringan tubuh memperlihatkan morfologi yang berlainan danmelakukan fungsi yang berbeda. Manusia berkembang dari satu sel, yang terbentuk dari penyatuan sebuah sperma dengan seltelur. Telur yang dibuahi mengalami banyak pembelahan, menghasilkan Kodon start T r p T r p A r g T h rS e r I,A Transkrip OMMiiavooiiB@m{i@@r3@oi3miiii3si RNA Kadar trp yang tinggi Ribosom melanjutkan transkripsi Trp T r p A r g T h r S e rB Kadar trp yang rendah RNA polimerase Ribosom melambat menghentikan di kodon-kodon Trp transkripsi RNA polimerase melanjutkan transkripsi.Gbr. 15.10. Proses pelemahan operon trp. Urutan A, B, dan C dalam A-B. Pada keadaan ini, terbentuk lengkung B-C dan transkripsi ter-transkrip mRNA dapat membentuk pasangan basa yang membentuk henti. Apabila kadar triptofan rendah, ribosom melambat di kodonlengkung tajam (A-B atau B-C). Apabila kadar triptofan tinggi, trans- triptofan yang berdekatan, lengkung A-B terbentuk sehingga trans-lasi berlangsung cepat. Ribosom menghambat pembentukan lengkung kripsi berlanjut.

BAB 15 / PENGATURAN EKSPRESI G E N 2 1 9banyak sel yang terus membelah dan berdiferensiasi sampai dihasilkan organismekompleks yang terdiri dari bermacam-macam jaringan dan organ. Perubahan perkem-bangan yang terjadi adalah akibat dari perubahan aktivitas gen. Sewaktu mudigah(embrio) berkembang, kumpulan gen yang berbeda diaktifkan dan dihasilkan gugusprotein yang berbeda. Perubahan aktivitas gen ini telah terprogram; yaitu, setiap mu-digah baru mengulangi pola perubahan yang sama dalam bingkai waktu yang serupa. Antara masa anak dan masa remaja dan antara masa remaja dan masa dewasa, ter-jadi perubahan perkembangan yang cepat lainnya. Orang dewasa tidak mengalamipembahan perkembangan yang cepat kecuali selama hamil. Bahkan setelah masa re-produktif, sel tertentu di dalam organisme terus mengalami diferensiasi, misalnya selyang menghasilkan antibodi sebagai respons terhadap infeksi, pembaruan populasisel darah merah, dan penggantian sel pencernaan yang terlepas ke dalam lumen usus.Semua perubahan fisiologis ini diperintah oleh pembahan aktivitas gen. Karena kerumitan morfologi dan perilaku sel eukariotik, mekanisme yang digu-nakan untuk mengatur aktivitas gen, dan dengan demikian mekanisme yang digu-nakan untuk mengatur sintesis protein, jauh lebih rumit dibandingkan dengan yangdigunakan oleh sel prokariotik.Perbedaan antara Sel Eukariotik dan ProkariotikSel eukariotik memiliki inti. Proses transkripsi, yang berlangsung di inti, dipisahkanoleh membran inti dari proses translasi, yang berlangsung di sitoplasma. Sebaliknya,prokariot tidak memiliki inti, dan proses transkripsi dan translasi berlangsung secaraserentak. Di dalam inti sel eukariotik, DNA membentuk kompleks dengan histon. Prokariottidak memiliki histon. Kumpulan gen yang merupakan genom manusia mengandung DNA sekitar 1.000kali lebih banyak (3x10^ pasangan basa per sel haploid) dibandingkan dengan genombakteri E . coli (4x10^ pasangan basa). Intuisi dengan segera memberi kesan bahwamanusia memiliki lebih banyak DNA daripada bakteri karena manusia merupakan or-ganisme yang lebih kompleks. Walaupun terdapat beberapa pembenaran untuk ke^fsimpulan seperti itu, faktor lain perlu dipertimbangkan (Tabel 15.1).Sebagian Besar Sel Manusia adalah Diploid gen A gen A \ genMKecuali sel germinativum, sebagian besar sel manusia normal bersifat diploid (Gbr. \/ gen T15.11). Oleh karena itu, sel tersebut memiliki dua salinan dari masing-masing kromo-som, dan masing-masing kromosom mengandung gen yang merupakan alel dari gen gen M X — Alel — > <pada kromosom homolog. Karena satu kromosom dalam setiap kumpulan kromosomhomolog diperoleh dari masing-masing orangtua, alel dapat serupa, mengandung /\umtan DNA yang sama, atau berbeda. Sel manusia diploid mengandung DNA 2.000kali lebih banyak daripada DNA dalam sel E . coli. gen T mm Sel bakteri biasanya haploid; sel ini hanya memiliki satu salinan dari sebuah kro- O ' O'mosom. Oleh karena itu, separuh dari perbedaan antara kandungan DNA sel manusiadan sel bakteri terjadi karena sel manusia memiliki dua salinan dari masing-masing Kromosom homologkromosom. Gbr. 15.11. Sel manusia bersifat haploid. SelTabel 15,1- Jumlah D N A D a l a m G e n o m Berbagai Organisme germinativum haploid (sperma dan sel telur), masing-masing mengandung 23 kromosom,Organisme Pasangan Basa Per Oenom Haploid menyatu untuk membentuk zigot diploid (telur yang dibuahi). Oleh karena itu, zigot memilikiE. coli 4x10* 46 kromosom. Zigot membelah dan berdi- 1 X 1(f ferensiasi untuk membentuk individu bam.Ulatbuah 1 x1(f Kecuali untuk sel germinativum hs^^loid,Burung 3x1(f setiap sel di dalam tubuh adalah diploid. SelManusia 4x1(f diploid memiliki dua salinan dari masing-Kodok 2x10'* masing kromosom, satu berasal dari ayah danKacang satu dari ibu. Dua salinan kromosom disebut homolog. Seti^ kromosom mengandung ribuan gen dalam DNAnya. Gen yang berkore- spondensi pada dua kromosom homolog dike- nal sebagai alel.

220 BAGIAN III / EKSPRESI GEN DAN SINTESIS PROTEIN Gen Manusia Mengandung Intron Pada gen eukariotik, intron (regio yang tidak mengkode) ditemukan di dalam urutan yang mengkode protein. Karena adanya intron ini, transkrip primer, R N A inti hetero- gen ( h n R N A ) , memiliki panjang sekitar 10 kali lipat (rerata) dibandingkan dengan m R N A matang yang dihasilkan bila intron dikeluarkan. Gen bakteri tidak mengandung intron. Oleh karena itu,sebagian perbedaan antara bakteri dan manusia dalam jumlah D N A per sel berkaitan dengan urutan seperti intron yang tidak mengkode urutan asam amino dalam protein. Urutan Repetitif (Berulang) dalam DNA Eukariotik Walaupun diploididan intronmungkin merupakan penyebab sebagian dari perbedaan antara konsentrasi D N A pada manusia dan bakteri, masih terdapat perbedaan besar yang m u n g k i n berkaitan dengan kerumitan organisme manusia yang jauh lebih besar. Namun, perluasan dari dasar pemikiran ini dapat menimbulkan kesimpulan bahwa kodok jauh lebih kompleks daripada manusia karena kodok memiliki 8kaki (2,4 me- ter) D N A per inti diploid dibandingkan dengan 6 kaki (1,8 meter) pada sel manusia. Logika, atau mungkin kesia-siaan, memberi kesan bahwa jumlah D N A per sel tidak perlu menunjukkan kerumitan organisme tersebut. Pada kenyataannya, penelitian mengisyaratkan bahwa sel eukariotik memiliki D N A dalam jumlah cukup besar yang tidak mengkode protein dan bahwa sebagian gen yang mengkode protein terdapat lebih dari satu salinan. Sebaliknya, sel bakteri memiliki salinan tunggal, atau unik, untuk setiap gen, dan memiliki sangat sedikit D N A yang tidak mengalami transkripsi. Apabila D N A dari suatu organisme diputuskan menjadi fragmen-fragmen yang relatif kecil dan kemudian diolah sedemikian rupa sehingga untainya terurai, proses p e n y a t u a n k e m b a l i (reassociation) u n t a i - u n t a i t e r s e b u t d a p a t d i u k u r d a n d a p a t d i b u a t suatu kurva (dikenal sebagai kurva Got). Kecepatan penyatuan kembali suatu urutan basa tertentu di dalam sebuah sampel D N A bergantung pada jumlah salinan dari urut- an tersebut yang ada. Apabila terdapat salinan urutan dalam j u m l a h besar, urutan komplementer dengan mudah ditemukan dan penyatuan kembali berlangsung dengan cepat. Sebaliknya, apabila suatu urutan hanya terdapat pada salinan dalam j u m l a h ke- cil, penyatuan kembali akan lambat. K u r v a Got yang mulus dan tunggal dihasilkan o l e h D N A E. coli, s e d a n g k a n D N A m a m a l i a m e n g h a s i l k a n k u r v a d e n g a n t i g a s e g m e n seperti diperlihatkan dalam Gbr. 15.12. Sekuens unik Cot G b r . 1 5 . 1 2 . Kurva Cot untuk DNA E. coli dan mamalia. DNA untai-ganda diputuskan menjadi fragmen-fragmen dan untainya dipisahkan. Dilakukan pengukuran jumlah fraksi yang menyatu kembali dalam suatu periode waktu tertentu. Fraksi ini diplotkan terhadap konsentrasi D N A awal (Co) dikali dengan waktu (t) yang diperlukan untuk menyatu kembali. Kurva yang terben- tuk disebut kurva Cot. DNA bakteri menyatu kembali dalam periode waktu yang singkat dan membentuk kurva mulus. DNA mamalia menyatu kembali dalam rentang waktu yang lebar, membentuk kurva yang terdiri dari tiga segmen.

BAB 15 / P E N G A T U R A N EKSPRESI G E N 221DNA YANG SANGAT R E P E T I T I F (BERULANG) • Urutan Alu diberi nama berda- sarkan enzim Alul yang memu-D N A yang paling cepat menyatu kembali adalah D N A yang sangat repetitif. D N A ini tuskan urutan tersebut. Urutanmemiliki panjang sekitar 100 pasangan basa, terdapat dalam ratusan ribu sampai j u - ini t a m p a k n y a berasal dari satu bagiantaan salinan, dan berkumpul dalam beberapa lokasi dalam genom (Gbr. 15.13). D N A komponen R N A pada partikel pengenalanini tidak mengalami transkripsi, dan fungsinya tidak diketahui. sinyal (lihat Bab 14). Urutan Alu m e m b e n - tuk sekitar 6 - 8 % dari genom manusia.DNA R E P E T I T I F SEDANG Pada beberapakasus hiperkolesterolemia familial, diperkirakan terjadi rekombinasiD N A y a n g m e n y a t u k e m b a l i d e n g a n k e c e p a t a n s e d a n g b e r s i f a t r e p e t i t i f s e d a n g (mo- homolog antara dua Alu yang berulang,derately repetitive). D N A i n i t e r d a p a t d a l a m j u m l a h b e b e r a p a s a m p a i p u l u h a n ribusalinan dalam, genom (lihat Gbr. 15.13). Fraksi inimengandung D N A yang fungsional sehingga terjadi delesi besar pada gen re-dan ditranskripsi untuk menghasilkan r R N A , tRNA, dan juga beberapa m R N A . Genhiston, yang terdapat dalam j u m l a h beberapa ratus salinan dalam genom, termasuk septor lipoproteindensitas rendah (LDL). L I N E (Long INterspersed Elements) membentuk sekitar 5 % genom manusia. Pada beberapa kasus hemofilla, dijumpaikelompok ini. D N A repetitifsedang juga mencakup beberapa urutan gen yang fung- insersi urutan LINE k e dalam ekson 1 4s i o n a l t e t a p i t i d a k d i t r a n s k r i p s i . P r o m o t o r d a n enhancer a d a l a h c o n t o h u r u t a n g e n d a - p a d a g e n u n t u k F a k t o r V I I I , s u a t u k o m p o -lam kelompok ini. Kelompok urutan gen repetitifsedang yang lain yang ditemukan nen sistem pembekuan darah. G e n normaldalam sel manusia adalah urutan A l u (panjang sekitar 300 pasangan basa) dan urutan tidak memiliki urutan LINE.L I N E (Long INterspersed Elements) ( p a n j a n g s e k i t a r 6 . 0 0 0 - 7 . 0 0 0 p a s a n g a n b a s a ) .Fungsi urutan A l u dan L I N E belum dapat dipastikan.DNA UNIKSekitar 64% D N A dalam genom manusia bersifat unik (Tabel 15.2). D N A ini terdiridari urutan D N A yang terdapat pada satu atau sangat sedikit salinan dalam genom (li-hat Gbr. 15.13). Oleh karena itu, dalam campuran fragmen D N A dari D N A genomiktotal, D N A unik inimenyatu kembali dengan sangat lambat. m R N A mengalami trans-kripsi dari urutan D N A unik ini dan ditranslasikan untuk menghasilkan protein. Gen Sekuens repetitif Sekuens unik pra-rRNA 5S sed,ang Gen mRNA ' -1^ Gen mRNA < t Gen mRNAimm^ w ;i u n y u n n \ TTT Gen mRNATeiomer Sekuens sangat Sekuens sangat repetitif repetitif Gen mRNA Organizer nukleolarG b r . 1 5 . 1 3 . Distribusi urutan repetitif sedang dan unik, dan urutan sa- dalam genom. Gen rRNA besar membentuk organizer nukleolus. Urut-ngat repetitif pada sebuah kromosom manusia hipotetis. Gen unik an repetitif tersebar di sepanjang genom, dan urutan yang sangat repeti-mengkode mRNA. Gen ini memiliki salinan tunggal. Gen untuk rRNA tif berkumpul di sekitar sentromer dan di ujung kromosom (teiomer).besar dan prekursor tRNA memiliki banyak salinan yang berkumpul Dari Wolfe SL. Mol Cell Biol 1993:761.

222 BAGIAN III / EKSPRESI GEN DAN SINTESIS PROTEIN Pada sebagian penderita ta- DNA bakteri terutama terdiri dari gen unik. DNA menyatu kembali relatif secara lasemia, ditemukan delesi besar lambat, mencerminkan kerumitan urutan, dan hanya terbentuk satu kurva Cot. pada gen gk)bin-p. Akibatnya,globin-p tidak terbentuk. Tidak Adanya Operon pada Eukariot Operon tidak terdapat pada eukariot. Gen yang mengkode protein yang berfungsi bersama-sama biasanya terletak di kromosom yang berbeda. Misalnya, gen untuk ran- tai globin-a hemoglobin terletak di kromosom 16, sedangkan gen untuk rantai globin- P terletak di kromosom 11. Situasi ini berbeda dari bakteri, di mana gen yang meng- kode protein yang berfungsi bersama-sama terletak berdampingan satu sama lain da- lam operon. Operon dikontrol oleh sebuah promotor (Tabel 15.3). Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Sel Eukariotik Karena adanya perbedaan antara sel eukariotik dan prokariotik (lihat Tabel 15.3), mekanisme pengaturan kandungan protein antara keduanya juga berbeda. Pengaturan jenis dan jumlah protein yang terdapat dalam sel eukariotik berlangsung di sejumlah tahapan yang berbeda: transkripsi, pascatranskripsi, translasi, dan pascatranslasi. Pertama-tama, perubahan dalam jumlah atau struktur gen dapat mempengaruhi jum- lah atau jenis protein yang dibentuk di dalam sel. Gen mungkin lenyap dari sel, me- ningkat jumlahnya (memperkuat), tersusun ulang ( r e a r r a n g e d ) , atau mengalami modifikasi secara kimia. DNA dapat berikatan dengan senyawa lain (misahiya histon) dan mengambil konfonnasi yang sulit ditranskripsikan. Tabel. 15.2. Persen DNA yang Bersifat Unik, Repetitif Sedang, Sangat Repetitif atau Sangat R e p e t i t i f p a d a B e r b a g a l O r g a n i s m e . E. coli O Repetitif Sedang 9 Kodok 6 Ayam 100 O 9 Tikus 22 67 10 Manusia 70 24 65 19 64 25 Tabel 15.3. Perbedaan Antara Eukariot dan Prokariot Eukariot Prokariot Tidak Kromosom 23perselhapk>kJ 1perselhapk)kJ Jumlah Unear Sirkular DNA Ya Tidak Histon Genom Sel somatik Tidak Diploid Sel germinativum Semua sel Haploid SKKfpasariganbasa 4 X10' pasangan basa Ukuran per sel haptokJ 100% Gen 64% Unik Tidak ada Repetitif 25% Tidakada Sedang 10% Ya Sangat Tidak Operon mRNA Tidak Ya Polisistronik Ya Tidak Capped Ya Tidak Ekorpoli(A) Ya Tidak Intron Bersamaan dengan transkripsi Terpisah dari transkripsi

BAB 15 / PENGATURAN EKSPRESI GEN 223 Di tingkat transkripsi gen spesifik, elemen di dalam umtan D N A (disebut elemen 7Siklus berulangsis) berikatan dengan faktor lain yang dikenal sebagai elemen trans (biasanya protein) replikasi DNA menyebabkanyang mendorong atau menghambat pengikatan RNA polimerase ke gen (lihat Bab amplifikasi suatu regio pada DNA14). Senyawa, misalnya hormon steroid, dapat berfungsi sebagai inducer, merang-sang pengikatan elemen trans ke elemen sis DNA. ^ Regk) yang mengalami amplifikasi Pengaturan dapat terjadi selama pengolahan transkrip RNA (hnRNA) menjadimRNA matang. Tempat penyambungan altematif atau tempat alternatifuntuk penam-bahan ekor poli(A) (tempat poliadenilasi) dapat menghasilkan mRNA yang berbedadari hnRNA tunggal. Hal ini menyebabkan sebuah gen dapat menghasilkan proteinyang berlainan. Pada tingkat translasi, faktor pengatur dapat mempengaruhi langkah inisiasi. Sta-bilitas mRNA juga memainkan peranan. mRNA dengan waktu-paruh yang lamamenghasilkan lebih banyak protein daripada mRNA yang memiliki waktu-paruhyang singkat.PERUBAHAN DALAM GENHilangnya GenApabila gen mengalami delesi total atau parsial dari sel, tidak dapat dihasilkan proteinfungsional. Contoh ekstrim hilangnya gen terjadi selama perkembangan sel darahmerah. Sel imatur (eritroblas) memiliki inti yang menghasilkan mRNA untuk rantaiglobin hemoglobin. Seiring dengan pematangan sel, inti dikeluarkan sehingga sel da-rah merah yang benar-benar matang tidak memiliki inti sehingga tidak memiliki gendan tidak lagi dapat menghasilkan mRNA.Amplifikasi Gen , Eksisi DNA yang mengalami ^ . V amplifikasi menjadi kromosom-Untuk menghasilkan protein spesifik dalam jumlah besar, dapat dihasilkan banyak sa- r 7 1 * kromosom kedi yanglinan gen. Proses ini dikenal sebagai amplifikasi gen (Gbr. 15.14). Pada beberapa spe- # ^ t disebut -doi/bfe minutes'sies, selama stadium tertentu dalam perkembangan normal terjadi amplifikasi gen.Namun, amplifikasi di luar jadwal (unscheduled amplification) juga terjadi. r Integrasi doutyle minutesPenyusunan Ulang Gen ke dalam kromosom lainSegmen DNA dapat berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain dalam genom, berikatansatu sama lain dalam berbagai cara sehingga dibentuk protein yang berbeda. Gbr. 15.14. Amplifikasi gen. Contoh penyusunan ulang gen yang paling dalam diteliti terjadi dalam sel yangmenghasilkan antibodi. Antibodi memiliki dua rantai ringan dan dua rantai berat,yang masing-masing mengandung regio variabel dan regio konstan (lihat Bab 8). SelB membentuk antibodi. Pada prekursor sel B, terdapat lebih dari 2 0 0 urutan V H , 2 0umtan D H , dan 6 urutan JH berkumpul di regio panjang kromosom. Terjadi serang-kaian proses rekombinasi yang menyatukan satu urutan V H , satu urutan D H , dan satuumtan JH menjadi sebuah ekson yang mengkode regio variabel rantai berat antibodi(Gbr. 15.15).DNA pada sel bakalGen rantai berat H^^l^jgl Rekombinasi 1 R e y icon^n|Gbr. 15.15. Penyusunan ulang DNA. Genrantaiberat dari mana limfo- prekursor. Regio variabel dan regio konstan imunoglobulin (antibodi)sit memproduksi imunoglobulin dihasilkan melalui penggabungan seg- dijelaskan di Bab 8.men spesifik dari sejumlah besar urutan potensial pada DNA sel

224 B A G I A N I I I / E K S P R E S I G E N D A N S I N T E S I S P R O T E I N ArIyn Foma t e l a h d i o b a t i d e - Pada tahap perkembangan selanjutnya, selama diferensiasi sel B matang, terjadi ngan kombinasi obat yang men- proses rekombinasi yang menyatukan umtan V D J dengan satu dari lima elemen rantai cakup metotreksat. Karena ia ti- berat. Hasil dari seluruh penyusunan ulang gen ini adalah bahwa selB kemudiandak memperlihatkan respons yang baik, menghasilkan satu antibodi yang hanya memiliki satu regio variabel dan satu regiodipertimbangkan kemungkinan adanya re- konstan.sistensi terhadap metotreksat. Metotreksat adalah inhibitor enzim di- MODIFIKASI KIMIA ATAS DNAhidrofolat reduktase (DHFR), yang mere-duksi dihidrofolat menjadi tetrahidrofolat, Residu sitosin pada D N A dapat mengalami metilasi untuk menghasilkan 5-suatu kofaktor yang diperlukan untuk sin- metilsitosin. Pada keadaan tertentu, gen yang mengalami metilasi lebih sulit ditrans-tesis nukleotida timin (lihat B a b 40). Apa- kripsi daripada yang tidak mengalami metilasi. Misalnya, pada sel noneritroid genbila D H F R dihambat, s e l tidak dapat globin mengalami metilasi lebih ekstensif daripada pada sel di mana gen ini diekspre-menghasilkan nukleotida timin untuk sinte- sikan.sis D N A dalam jumlah cukup. Oleh karenaitu, metotreksat m e n g h a m b a t proliferasi PENGATURAN DI TINGKAT TRANSKRIPSIsel kanker. Kadang-kadang, s e lyang diberi m e - Kondensasi Kromatintotreksat melakukan amplifikasi g e nDHFR, sehingga dihasilkan ratusan salin- Inti yang khas mengandung kromatin yang dipadatkan (heterokromatin) dan kromatinan dalam genom. Sel ini menghasilkan yang difus (eukromatin) (lihat B a b 10). G e ndalam heterokromatin tidak aktif,D H F R dalam jumlah besar, dan metotrek- sedangkan gen yang terdapat dalam eukromatin menghasilkan m R N A . Selamasat dalam dosis normal tidak lagi cukup u n - perkembangan, terjadi perubahan jangka-panjang dalam aktivitas gen sewaktu kro-tuk menghambat reaksi DHFR. Amplifikasi matin berubah dari bentuk difus menjadi bentuk yang dipadatkan atau sebaliknya.gen adalah salah satu mekanisme yangmenyebabkan penderita resisten terhadap Misalnya, selama pematangan sel darah merah, hormon eritropoietin merangsangsuatu obat. hemositoblas untuk membelah dan berdiferensiasi menjadi eritroblas. Pada tahap ini, sel mengandung sejumlah besar eukromatin d a n dengan aktif membelah serta Walaupun penyusunan ulang menghasilkan R N A . Seiring dengan pematangan sel, eukromatin bembah menjadi le- urutan D N A yang pendek sulit bih padat, dan sintesis R N A menurun (Gbr. 15.16). Akhimya, inti dikeluarkan dari dideteksi, namun penyusunan sel.ulang besar telah diketahui sejak b e -berapa tahun yang lalu. Penyusunan ulang Pengaktifan Gen Spesifikbesar semacam itu, yang disebut sebagaitranslokasi, dapat diamati pada kromosom P a d a s e l e u k a r i o t i k , inducer m e n g a k t i f k a n g e n s p e s i f i k d a l a m b e b e r a p a m e n i t s a m p a imetafase. j a m . Inducer a d a l a h s u a t u s e n y a w a , s e p e r t i h o r m o n s t e r o i d , y a n g m a s u k k e d a l a m s e l Mannie Weitzels mengalami translo- dan berikatan dengan protein reseptor (Gbr. 15.17). Reseptor ini juga memiliki ranahkasi s e m a c a m itu, yang dikenal sebagai ( d o m a i n ) y a n g m e n g i k a t e l e m e n r e s p o n s s p e s i f i k ( e l e m e n sis, y a i t u , u m t a n D N A d a -kromosom Philadelphia karena pertama lam regio pengatur suatu gen). Apabila kompleks /w^wcer-reseptor berikatan dengankali ditemukan di kota ini. K r o m o s o m D N A , g e n m u n g k i n m e n j a d i a k t i f a t a u , p a d a b e b e r a p a k a s u s , m e n j a d i t i d a k a k t i f . In-Philadelphia terbentuk akibat pertukaran ducer l a i n y a n g b e r l a k u s e p e r t i h o r m o n s t e r o i d a d a l a h h o r m o n t i r o i d , 1 , 2 5 -antara kromosom 9 dan 22. dihidroksikolekalsiferol (bentuk aktif vitamin D), dan asam retinoat (suatu bentuk vi- tamin A). Pada suatu penyakit yang dike- nal sebagai feminisasi testikular Hormon polipeptida dan faktor pertumbuhan juga mengatur ekspresi gen, walau- (testicular feminization), p e n d e - pun dalam hal ini senyawa tersebut tidak masuk k edalam sel. Senyawa tersebut be-rita menghasilkan androgen tetapi sel ga- reaksi dengan reseptor yang terletak d i permukaan sel, merangsang reaksi yanggal berespons terhadap h o r m o n steroid ini m e n g h a s i l k a n p e r a n t a r a k e d u a (second messenger) d i d a l a m s e l y a n g a k h i m y a m e n g -karena tidak memiliki reseptor intrasel aktifkan gen.yang sesuai. Oleh karena itu,tidak ditemu-kan gen yang bertanggung jawab terhadap Inducer ysing s a m a d a p a t m e n g a k t i f k a n b a n y a k g e n y a n g b e r b e d a a p a b i l a s e t i a pmaskulinisasi. Penderita dengan penyakit gen tersebut memiliki elemen respons yang u m u m di regio pengatumya. Pada kenya-ini memiliki kariotipe X Y (pria) tetapi t a m - t a a n n y a , s e b u a h inducer d a p a t m e n g a k t i f k a n s e r a n g k a i a n g e n d a l a m s u a t u c a r a y a n gpak seperti wanita. Tidak terbentuk genita- t e r p r o g r a m d a n t e r a t u r . Inducer m u l a - m u l a m e n g a k t i f k a n s a t u k u m p u l a n g e n . S a l a hlia pria eksternal, tetapi biasanya terdapat s a t u p r o t e i n p r o d u k k u m p u l a n g e n t e r s e b u t k e m u d i a n d a p a t b e r f u n g s i s e b a g a i inducertestis diregio inguinalis. bagi kumpulan gen yang lain. Apabila proses ini diulang-ulang, hasil akhimya adalah b a h w a s a t u inducer d a p a t m e r a n g s a n g s e r a n g k a i a n p r o s e s y a n g m e n y e b a b k a n pengaktifan banyak kumpulan gen yang berlainan (Gbr. 15.18). Selain serangkaian gen yang berespons terhadap hormon, serangkaian gen yang l a i n , y a n g d i s e b u t heat shock genes, b e r e s p o n s t e r h a d a p p e n i n g k a t a n s u h u , m e n g h a - silkan protein yang melindungi sel dari kemsakan akibat panas.

B A B 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 225 Interferon adalah protein yang berikatan dengan reseptor di permukaan sel dan, seperti hor- m o n polipeptida, menyebabkan pemben- tukan senyawa didalam sel yang meng- a k t i f k a n g e n . ArIyn Foma s e d a n g d i t e r a p i dengan interferon.Heterokromatin EukromatinEritroblas ortokromatik Retikuiosit G b r . 1 5 . 1 7 . Kerja suatu inducer pada sel ma- malia. Suatu inducer, misalnya hormon ste-G b r . 1 5 . 1 6 . Inaktivasi gen selama perkembangan sel darah merah. Kromatin difus (eukroma- roid, berikatan dengan reseptor yang mungkintin) aktif mensintesis RNA. Kromatin padat (heterokromatin) tidak aktif Seiring dengan pe- terletak di dalam inti atau masuk ke dalam intimatangannya, kromatin prekursor sel darah merah menjadi lebih padat. Akhirnya, inti di- setelah berikatan dengan hormon tersebut.keluarkan. Kompleks hormon-reseptor berikatan dengan elemen respons (sis) pada DNA dan mengak- tifkan transkripsi gen. Terbentuk mRNA yang kemudian mengalami translasi untuk mengha- silkan protein yang menimbulkan respons sel.

226 BAGIAN III / EKSPRESI GEN DAN SINTESIS PROTEIN Protein pengaturflB flB flB SSzt^LHSS=|iH t Gen C /\A/V\ mengkode protein/VS/V\ pengatur kedua Sintesis protein • •• Transkripsi ^!!Mh iMn /VA/WGbr. 15.18. Pengaktifan serangkaian gen oleh sebuah inducer. Perhati- sehingga satu protein pengatur dapat mengaktifkan semua gen dalamkan bahwa proses ini berbeda dari proses yang mengatur operon bak- rangkaian tersebut. Salah satu protein produk rangkaian gen yang per-teri. Pada eukariot, setiap gen memiliki promotor tersendiri, dan gen tama dapat mengaktiflcan rangkaian gen kedua melalui perlekatan ketersebut dapat terletak di kromosom yang berbeda. Masing-tnasing gen elemen sis yang lazim di regio pengatur. Dari Wolfe SL. Mol Cell Bioldalam rangkaian tersebut memiliki elemen pengatur (sis) yang lazim. 1993:700.IRE T R E CHEO TATA Masing-masing gen memiliki banyak elemen respons yang berbeda di regio penga- tumya. Dengan demikian, setiap gen tidak memiliki protem khusus yang mengatur-400 -300 -200 -100 +1 transkripsinya. Namun terdapat sejumlah kecil protein pengatur yang bekerja bersama-sama untuk menghasilkan berbagai respons dari gen.yang berlainan.Gbr. 15.19. Regio pengatur pada gen PEPCK.Boks-boks di atas mewakili berbagai elemen Gen yang mengkode protein yang berlainan memiliki elemen respons DNA yangrespons di regio pengapit-5' (5'-flanking r e - berbeda. Transkripsi suatu gen diatur oleh berbagai kombinasi protein pengatur yanggion) pada gen. Tidak semua elemen diberi la- berikatan dengan elemen respons DNA sebagai respons terhadap bermacam-macambel. Protein pengatur berikatan dengan elemen sinyal pengatur (Gbr. 15.19). Efek akhir sinyal positif atau negatif menentukan ting-DNA ini dan merangsang atau menghambat kat transkripsi suatu gen.transkripsi gen. Gen ini mengkode enzim fos-foenolpiruvat karboksikinase (PEPCK), yang Mungkin diperlukan kombinasi sinyal untuk mencapai konfigurasi dalam regiomengkatalisis suatu reaksi pada glukoneogene- pengatur yang diperlukan untuk merangsang transkripsi secara maksimum. Sinyal inisis (jalur untuk membentuk glukosa) di hati se- mendorong pengikatan transaktivator ke elemen respons pada gen. Transaktivatorlama keadaan puasa. Sintesis enzim dirangsang adalah protein yang digabungkan oleh protein lain (koaktivator) ke kompleks proteinoleh hormon glukagon (melalui suatu proses yang terikat ke promotor basal di boks TATA. Apabila terjadi interaksi yang sesuaiyang diperantarai oleh cAMP), oleh glukokor- antara transaktivator, koaktivator, dan kompleks promotor basal, RNA polimerase le-tikoid. dan oleh hormon tiroid. Sintesis PEPCK bih sering berikatan dengan promotor basal sehingga kecepatan transkripsi gen me-dihambat oleh insulin. CRE = elemen respons ningkat (lihat Gbr. 13.8).cAMP (cAMP response element); TRE = ele-men respons hormon tiroid (thyroid hormone Interaksi protein pengatur ini dengan DNA melibatkan gambaran struktural mi-response element)', GRE = elemen respons glu- salnya motif h e l i x - t u m ' h e l i x ataujari-jari seng (zinc fingers) (lihat Gbr. 8.11). Proteinkokortikoid (glucocorticoid response ele- pengatur ini juga mengandung ranah (domain) transaktivator, regio yang me-ment); IRE = elemen respons insulin (insulin mungkinkan protein tersebut berikatan dengan protein pengatur lain. Banyak dari pro-response element). tein ini membentuk dimer melalui gambaran struktural misalnya risleting leusin ( l e u c i n e zipper).

BAB 15 / PENGATURAN EKSPRESI GEN 227 Ekson Ekson peng- Ekson peng- Ekson peng- Ekson non-pengkode 5 kode regio umum kode kalsitonin kodeCGRP non-pengkode CGRP3 Gen 5'^ Kalsitonin! CORP 3'kalsitonin Tempat Tempat tikus poli(A) 1 poli(A)2 Transkripsi Tempat pemutusan poliadenilasiC a p 5 \" Bir Kalsitonin ^ CGRPJr : 3' V ' *»/ ' Tempat / / ' Tempat poli(A) 1 '*^^.^poli(A)l/ Pemutusuan, poliadenilasi, dan penggabunganCap 5 C a p 5-1 C l C2 C G R P - Poli (A)-3' mRNA CGRP mRNA kalsitoninG b r . 1 5 . 2 0 . Penyambungan altematif pada gen kalsitonin. Di sel tiroid, krip gen ini mengalami penyambungan alternatif dan poliadenilasi un-transkrip dari gen kalsitonin diolah untuk membentuk mRNA yang tuk menghasilkan protein terkait-gen kalsitonin (calcitonin gene-mengkode kalsitonin. Pemutusan terjadi di tempat poli(A) 1 dan pe- relatedprotein, [CGRP]). Pemutusan terjadi di tempat poli(A) 2 dannyambungan di sepanjang garis abu-abu terputus-putus. Di otak, trans- penyambungan di sepanjang garis abu-abu terputus-putus.PENGATURAN PASCATRANSKRIPSIPengaturan dapat terjadi selama pengolahan transkrip primer (hnRNA) dan selamatranspor mRNA dari inti ke sitoplasma.Penggunaan Penyambungan Alternatif dan Tempat PoliadenilasiPengolahan transkrip primer terdiri dari penambahan cap di ujung-5', pengeluaran in-tron, dan penambahan ekor poli(A) ke ujung-3' (poliadenilasi) untuk menghasilkanmRNA matang (lihat Bab 13). Pada keadaan tertentu, penggunaan penyambungan al-tematif ( a l t e r n a t i v e splicing) dan tempat poliadenilasi menyebabkan satu genmenghasilkan protein yang berbeda. Misalnya, pada sel parafolikel kelenjar tiroid,gen kalsitonin menghasilkan sebuah mRNA yang mengkode pembentukan kalsitonin.Di otak, gen yang sama digabungkan dengan cara berbeda dan menggunakan tempatpoliadenilasi yang berbeda, sehingga hasilnya adalah protein yang berperan dalam in-dera pengecapan (Gbr. 15.20). Selain mengalami penyusunan ulang, gen yang mengkode antibodi juga diaturoleh pembahan dalam penyambungan dan poliadenilasi. Pada stadium awal perkem-bangan, limfosit pra-B menghasilkan antibodi IgM yang terikat ke membran sel. Anti-bodi ini dihasilkan dari mRNA yang mengandung ekson yang mengkode pem-bentukan regio hidrofobik di terminal-C protein. Regio hidrofobik ini melekatkan an-tibodi IgM ke membran sel. Kemudian, selama diferensiasi sel penghasil-antibodi,digunakan tempat poliadenilasi yang lain sehingga ekson hidrofobik tersebut dike-luarkan dari transkrip. Dihasilkan protein yang lebih pendek (IgD) yangtidaklagi me-lekat ke membran sel, tetapi disekresikan dari sel (Gbr. 15.21).Penyuntingan RNAPada beberapa keadaan, RNA mengalami pembahan (\"disunting\") setelah transkripsi.Pada semua jaringan umtan gen adalah sama. Namun, mRNA yang ditranskripsikan

228 B A G I A N I I I / E K S P R E S I G E N D A N S I N T E S I S P R O T E I N Pada beberapa jenis talasemia, A Mutasi di tempat penggabungan terjadi mutasi yarig mempenga- ruhi penyambungan h n R N A u n - Tempat penggabungantuk membentuk mRNA. Salah satu contohadalah mutasi G ke A di basa pertama in- 5' nonnaJ ^tron pertama (lihat gambar di sebelah k a -nan). Mutasi ini menghancurkan urutan CAG^GTTGGT,ntron1DNA yang diperlukan untuk pengeluaranyang tepat dari intron ini. Urutan lain (tem- Intron 2pat penyambungan kriptik) yang dalamkeadaan normal tidak berfungsi sebagai Ekson 3 — 3 'tempat penyambungan menjadi dikenalisekarang. Dua dari urutan tersebut terletak 1/ / 2 AAG^GTTACA - Tempat peng-di e k s o n pertama, d a ny a n g ketiga terletak GTGAAC gabungan kriptik 5'dekat ujung-5' intron pertama. Masing-masing tempat penyambungan kriptik ter- GTG^GTGAGGsebut memiliki sebuah G yang diikuti olehsebuah GT. Ketiga urutan kriptik tersebut Sekuens yang digunakan sebagaidigunakan sebagai pengganti tempat tempat penggabungan 5'penggabungan yang mengalami mutasi diawal intron pertama. Akibatnya, dihasilkan RNA yang terbentuk 1tiga m R N A yang berbeda-beda, yang tidaksatupun membentuk globin-p fungsional. setelah intron dikeluarkanDengan demikian, penderita dengan m u -t a s i i n i m e n d e r i t a talasemia-p°. melalui proses penggabungan -2 () Protein nonfungsionai Interferon adalah protein yang dari gen tersebut berbeda. Walaupun belum sepenuhnya dipahami, tampaknya meka- dihasilkan oleh sel yang terin- nisme yang digunakan melibatkan perubahan sebuah basa atau penambahan atau pe- feksi virus. Salah satu kerja in- ngurangan sebuah nukleotida setelah transkrip disintesis.terferon adalah menghambat sintesisprotein yang diperlukan untuk replikasi vi- Salah satu contoh penyuntingan R N A terjadi dalam pembentukan apoprotein Brus. Interferon merangsang sintesis suatu (apoB) yang disintesis disel hati dan usus dan berfungsi sebagai komponen lipopro-enzim yang menghasilkan sebuah oligo- tein yang dihasilkan oleh jaringan tersebut (Gbr. 15.22). Walaupun apoprotein terse-nukleotida (2'-5'-oligo(A)) yang mengak- but dikode oleh gen yang sama, versi protein yang dibentuk dihati (B-100) mengan-tifkan suatu ribonuklease. R N a s e ini dung 4.563 residu asam amino, sedangkan yang dibentuk di selusus (B-48) hanyamenguraikan m R N A sehingga sintesis memiliki 2.152 asam amino.protein terhambat. Selain efek antivirus, interferon juga D i dalam genom, umtan kodon 2.153 adalah C A A . D ihati, kodon 2.153 padamemiliki efek antitumor. Mekanisme efek m R N A yang telah sempuma diproses adalah C A A , yang menetapkan glutamin.D iantitumor belum begitu dipahami secara usus, C pada kodon 2.153 pada transkrip m R N A dimodifikasimenjadi U , membentukpasti seperti efek antivirus, tetapi mungkin U A A p a d a m R N A y a n g t e l a h s e m p u m a d i p r o s e s . U A A a d a l a h k o d o n stop y a n gberkaitan dengan kemampuan interferon menyebabkan translasi berhenti sehingga dihasilkan protein yang panjangnya hanyamengikat reseptor di permukaan sel dan 48% dari panjang protein yang dihasilkan oleh gen yang sama di hati.merangsang pembentukan senyawa dida-lam selyang mengaktifkan gen. Transpor mRNA Interferon-a, yang dihasilkan olehteknologi D N A rekombinasi, digunakan Pada eukariot, m R N A hams berpindah dari inti melalui pori-pori inti ke sitoplasmau n t u k m e n g o b a t i p e n d e r i t a , s e p e r t i ArIyn agar dapat ditranslasikan. Nuklease menguraikan m R N A , mencegah pembentukanFoma, y a n g m e n d e r i t a l i m f o m a n o d u l a r protein yang dikode oleh m R N A . Selama transportasi, m R N A terikat keprotein yangjenis tertentu. Obat inijuga digunakan u n - membantu mencegah penguraiannya.tuk mengobati penderita, seperti MannieWeitzels, yang menderita leukemia mielo-genosa kronik.

B A B 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 229 Tempat pemutusan untuk Tempat pemutusan transkrip pendek untuk transkrip panjang Tempat penggabungan 5' Tempat penggabungan 3' Kodon stop 1 Kodon stop 2 TranskripsiTranskrip RNA panjang Transkrip RNA pendek Kodon stop 1 Kodon stop 2 Kodon stop 1 Tempat penggabungan 5'Tempat penggabungan 5' Tempat penggabungan 3' poli(A) WTPO\"(A) Intron yang^dikeluarkan 3' melalui proses penggabungan Sekuens intron tidak digabungkanmRNA mRNA (tidak terdapat taut penggabungan akseptor) Kodon stop 2 /////// Kodon stop 1 poli(A) \" g poli(A) Translasi TranslasiAntibodi yang terlibat ke membran (IgM) Antibodi yang disekresikan (IgD) \"COOH -r—r /////// : 3 GOOH Peptida terminal yang hidrofiiik Peptida temriinal yang hidrofobikG b r . 1 5 . 2 1 . Penggunaan tempat penyambungan dan poliadenilasi al- dalam membran sel. Setelah rangsangan antigen, dengan menggunakanternatif dalam pembentukan antibodi IgM dan IgD. Mula-mula, limfo- tempat poliadenilasi dan pemutusan yang berbeda, sel menghasilkansit membentuk suatu transkrip panjang yang mengalami pemutusan transkrip yang lebih pendek. Transkrip ini tidak memiliki tempatdan poliadenilasi setelah kodon stop kedua. Intron yang mengandung penyambungan-3' untuk intron, sehingga intron tidak dikeluarkan. Da-kodon stop pertama dikeluarkan melalui proses penyambungan antara lam hal ini, translasi berakhir di kodon stop pertama. Antibodi IgD ti-tempat penyambungan-5' dan penyambungan-3'. Oleh karena itu, dak mengandung regio hidrofobik di terminal-Cnya, sehingga antiboditranslasi berakhir di kodon stop kedua, dan protein mengandung suatu ini disekresikan dari sel.ekson hidrofobik di ujung terminal-Cnya yang kemudian terbenam diGen apoprotein B • CAA mRNA- Transkripsi Hati ApoB- I -Transkrip - i c:A A - Usus Hati Penyuntingan RNA •CAA- •:U:A A- -mRNA Translasi (stop) 4563 - Usus Asam amino .ApoB H 2125 -H Asam aminoG b r . 1 5 . 2 2 . Penyuntingan RNA. Di hati, gen apoprotein B (apoB) menghasilkan suatu proteinyang memiliki 4.563 asam amino. Di sel usus, gen yang sama menghasilkan suatu protein yanghanya memiliki 2.152 asam amino. Perubahan sebuah C menjadi sebuah U di transkrip RNAmenyebabkan terbentuknya kodon stop pada mRNA usus.

230 B A G I A N I I I / E K S P R E S I G E N D A N S I N T E S I S P R O T E I N STABILITAS mRNA m R N A eukariot jauh lebih stabil (dengan waktu-pamh dalam ukuran j a m atau hari) daripada m R N A prokariot (dengan waktu-pamh dalam ukuran menit). Umtan d i ujung-3' m R N A tampaknya berperan dalam menentukan waktu-pamhnya. Ekor poli(A) mungkin melindungi m R N A dari serangan nuklease, memperpanjang waktu- pamh m R N A , dan, dengan demikian, memungkinkannya menghasilkan lebih banyak protein. U m t a n lain di ujung-3'juga mungkin berperan melindungi m R N A dari degradasi. Misalnya, reseptor transferin adalah suatu protein yang terletak di membran sel yang memungkinkan selmenyerap transferin. Transferin adalah protein yang membawa besi dalam darah. Kecepatan sintesis reseptor transferin meningkat apabila kadar besi rendah, sehingga sel dapat menyerap lebih banyak besi (Gbr. 15.23). Sintesis reseptor transferin diatur oleh pengikatan suatu protein k elengkung tajam yang terletak d i ujung-3' m R N A reseptor transferin. Protein ini memiliki afinitas kuat terhadap leng- kung tajam m R N A apabila kadar besi rendah. Akibatnya, protein berikatan dengan m R N A , mencegah degradasinya. D i pihak lain, apabila kadar besi meningkat, protein IRE IRE-BP IREU ;mRNA feritin 5 ' \ / \ Pengkode ^ protein^ protein IRE-BP terikat tWak ada translasi mRNAIRE-BP tidak ada: translasi mRNA (*Fe) (tPe) OomRNAreseptor 5 ' \ ' ' p ' S t ^ ^ ^ \ / \ l K / \ l k A ^ 3 'transferin I I IRE-BP tidak ada: degradasi mRNA IRE-BP terikat: tidak terjadi degradasi mRNA (fFe) Penurunan Peningkatan besi besi ' Protein tidak Protein berikatan berikatan dengan mRNA dengan mRNA /\ /\ Lebih banyak Sintesis reseptor Sintesis Lebih banyak feritin yang transferin feritin reseptor transferin disintesis berkurang berkurang yangIRE =/fon fe2po/ise efe/nenf (elemen respons IRE-BP = protein pengikat elemen respons besibesi) pada mRNAGbr. 15.23. P e n g a t u r a n t r a n s l a s i o n a l sintesis f e r i t i n d a n reseptor t r a n s f e r i n . A p a b i l a k a d a r besimeningkat, besi berikatan dengan IRE-BP. Protein ini kemudian tidak mengikat I R E padam R N A . Apabila IRE-BP tidak berikatan dengan m R N A , m R N A feritin akan ditranslasikan dandihasilkan feritin (protein pengikat besi intrasel). Sebaliknya, m R N A reseptor transferin menga-lami degradasi, sehingga tidak terjadi sintesis protein. Apabila kadar besi rendah, besi tidakterikat ke IRE-BP. Protein ini sekarang berikatan dengan I R E . Tidak terjadi sintesis feritin,tetapi m R N A reseptor transferin menjadi stabil dan membentuk protein.

B A B 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 231mengikat besi dan, akibatnya, memiliki afinitas lemah terhadap m R N A . Apabila pro- hemtein tidak berikatan dengan m R N A , m R N A dengan cepat mengalami degradasi. Met-tRNAPENGATURAN DI TINGKAT TRANSLASI + mRNA + subunit ribosomSebagian besar kontrol translasional eukariotik mempengaruhi sintesis protein. Fak- Inisiasitor inisiasi untuk translasi, terutama faktor inisiasi eukariotik 2 (eIF2) (lihat Bab 14), translasimerupakan pusat mekanisme pengatur ini. Kerja eIF2 dapat dihambat oleh fosforilasi. Sintesis Retikuiosit, yang tidak memiliki inti dan, oleh karena itu, tidak memiliki D N A un- proteintuk transkripsi, hams mengatur sintesis globin di tingkat translasi. Globin dihasilkanapabila kadar h e m di dalam sel tinggi, tetapi tidak dihasilkan apabila kadar h e m terse- Gbr. 15.24. Pengaturan aktivitas eIF2 olehbut rendah. H e m bekerja dengan mencegah fosforilasi eIF2. Kinase yang menyebab- hem. eIF2 adalah suatu faktor yang berperankan fosforilasi eIF2 berada dalam keadaan inaktif apabila berikatan dengan hem. dalam inisiasi sintesis protein, termasuk glo-Dengan demikian, apabila kadar hem tinggi, eIF2 tidak mengalami fosforilasi dan, bin. Apabila mengalami fosforilasi, eIF2 tidakoleh karena itu, aktif menyebabkan inisiasi sintesis globin. Sewaktu kadar h e m di da- aktif, dan tidak terjadi inisiasi sintesis protein.lam sel menurun, eIF2 mengalami fosforilasi dan menjadi tidak aktif (Gbr. 15.24). Hem bekerja dengan menghambat fosforilasi eIF2. Apabila kadar hem meningkat, terjadi m R N A tertentu memiliki lengkung tajam di ujung-5' yang dapat mengikat protein sintesis globin. Apabila kadar hem turun, tidakyang menghambat inisiasi translasi. Misalnya, feritin, protein yang berperan dalam dibentuk globin.penyimpanan besi di dalam sel, disintesis apabila kadar besi meningkat. m R N A untukferitin memiliki lengkung tajam dekat ujung-5'nya yang mengikat suatu protein pe-ngatur apabila kadar besi rendah. Apabila protein iniberikatan dengan m R N A , trans-lasi tidak terjadi. Apabila kadar besi meningkat, besi berikatan dengan protein terse-but sehingga bentuk protein berubah dan tidak lagi berikatan dengan m R N A feritin.Oleh karena itu,terjadi translasi m R N A dan dihasilkan feritin (lihat Gbr. 15.23).PENGATURAN PASCATRANSLASI •O Priscilla Twigg m e n d e r i t a a n e - mia hipokromik, yang berartiSetelah disintesis, lama hidup protein diatur oleh degradasi proteolitik. Protein bahwa sel darah merahnya tam-memiliki waktu-paruh yang berbeda-beda. Sebagian hanya bertahan beberapa j a matau hari. Yang lain menetap sampai beberapa bulan atau bahkan tahun. Sebagian pro- pak pucat karena memiliki kadar hemoglo-tein mengalami degradasi oleh enzim lisosom. Proses autofagi (lihat Bab 10) me- bmi,n y a)n g r e n d a h . K a r e n a m e n g a l a m i d e -mungkinkan bahan subsel, termasuk organel, terbungkus oleh suatu membran danterkena kerja enzim lisosom. Protein lain didegradasi oleh protease di dalam sito- fisiensi besi, la tidak dapat menghasilkanplasma. Sebagian dari protein ini tampaknya mengalami degradasi melalui pengikat-an ke suatu protein yang dikenal dengan nama ubikuitin. Ubikuitin adalah protein hem dalam jumlah adekuat. Akibatnya, diyang sangat dihemat. U m t a n asam aminonya hanya memiliki sedikit variasi antaraberbagai organisme yang dalam pohon silsilah filogenetik terpisah jauh. dalam retikulositnya terjadi fosforilasi K O M E N T A R K L I N I S . Annie Myck m e n d e r i t a a n e m i a berat. P a d a k a s u s elF2. Tidak terjadi sintesis globin pada ke- a n e m i a b e r a t , p e m b e n t u k a n p r e k u r s o r s e l d a r a h m e r a h ( m a s s a e r i t r o i d ) te- rangsang. Akibat perangsangan ini, rongga-rongga sumsum tulang dapat cepatan yang normal karena elF2 yangsangat melebar di semua daerah kerangka, sehingga terjadi deformitas yang menyo-lok pada tulang wajah dan tengkorak serta ekspansi di dalam korpus vertebra. H a l mengalami fosforilasi tidak aktif melaku-yang terakhir dapat menimbulkan kompresi terhadap korda spinalis itu sendiri, yangmenimbulkan nyeri punggung dan akhimya, paralisis. Iradiasi lokal dapat menghi- kan inisiasi translasi.langkan dengan segera gejala kompresi tersebut, tetapi mungkin diperlukan rejimenpengobatan bempa transfusi darah yang teratur untuk menjaga hemoglobin agar ka- Selain merangsang degradasidamya mendekati normal sehingga sebagian besar manifestasi penyakit dapat dite- m R N A , interferon juga menye-kan, termasuk yang diakibatkan oleh ekspansi sumsum tulang. babkan fosforilasi elF2 sehingga elF2 inaktif. Ini adalah mekanisme kedua Limfoma folikular mempakan subkumpulan limfoma non-Hodgkin yang paling yang digunakan interferon untuk meng-sering ditemukan (25-40% kasus). Penderita dengan perjalanan penyakit yang lebih hambat sintesis protein virus.a g r e s i f , s e p e r t i y a n g t e r j a d i p a d a Arlyn Foma, m e n i n g g a l d a l a m 3-5 t a h u n s e t e l a h d i -agnosis apabila dibiarkan tidak diobati. Pada penderita yang pemah dilakukanpraterapi dengan kemoterapi multiobat (dalam kasus ini A V / C M ) , dilaporkan angka

232 BAGIAN III / EKSPRESI GEN DAN SINTESIS PROTEINK a d a r f e r i t i n Priscilla Twigg respons sebesar 5 0 % apabila terhadap rejimen ini ditambahkan interferon-a. Selainrendah, sesuai dengan diagno- itu, dengan menggunakan pendekatan ini dilaporkan adanya peningkatan masa keta-sis anemia defisiensi besi. hanan hidup bebas-gejala yang berarti. S i m p a n a n b e s i Priscilla Twigg t e r k u r a s h a b i s . P a d a k e a d a a n n o r m a l , s e k i t a r 1 6 - 18% besi tubuh total terkandung dalam protein sferis (apoferitin), yang mampu menyimpan sampai sebanyak 4.000 molekul besi di bagian tengahnya untuk mem- bentuk protein feritin. Seperti yang diduga, apabila terjadi defisiensi besi, kadar feritin serum dan jaringan menumn. D ipihak lain, kadar transferin (protein darah yang mengangkut besi) dan kadar reseptor transferin (reseptor permukaan sel untuk trans- ferin) meningkat. Mannie Weitzels m e n g i d a p L M K ( l e u k e m i a m i e l o g e n o s a k r o n i k ) , s u a t u p e n y a k i t hematologis di mana terjadi proliferasi selleukemik yang diperkirakan berasal dari satu turunan sel mieloid primitif Walaupun diklasifikasikan sebagai salah satu gang- guan mieloproliferatif, L M K dibedakan dengan adanya kelainan sitogenetik spesifik pada sel sumsum yang membelah yang dikenal sebagai kromosom Philadelphia, yang ditemukan pada lebih dari 9 0 % kasus. Pada sebagian besar keadaan, etiologi L M K ti- d a k d i k e t a h u i tetapi p e n y a k i t i n i terjadi d e n g a n i n s i d e n sekitar 1,5 p e r 100.000 p o p u - lasi dimasyarakat Barat. K O M E N T A R B I O K I M I A . Talasemia adalah hemoglobinopati yang dise- babkan oleh mutasi di gen globin. Dua gen mengkode pembentukan globin- mmmmmM (jj mana keduanya terletak di k r o m o s o m 16. Dengan demikian, sebuah sel diploid normal memiliki empat salinan gen globin-a. Hanya satu gen yang meng- kode globin-p, terletak di kromosom 11.Dengan demikian, sebuah sel diploid normal memiliki dua salinan gen ini. Penurunan produksi globin-a menimbulkan talasemia- a, dan penurunan produksi globin-p menimbulkan talasemia-p. Mutasi yang menyebabkan talasemia telah diteliti secara ekstensif Mutasi di gen g l o b i n - p d i b u k t i k a n t e r j a d i d i d a l a m r e g i o p r o m o t o r d a n t e m p a t cap, d i d a l a m e k s o n dan intron, dan di taut penyambungan yang terdapat di batas ekson-intron. Mutasi juga ditemukan ditempat poliadenilasi, dan delesi besar pemah dijumpai diregio 5' dan 3'pada gen(Tabel 15.4). Penelitian mengenai efek mutasi tersebut telah mem- bantu mengungkapkan mekanisme bagaimana ekspresi gen diatur. Bacaan Anjuran Pengaturan ekspresi gen pada sel prokariotik dan eukariotik: Lewin B. Genes V. Oxford: Oxford University Press, 1994:414-489, 879-940. Talasemia: Watson J, Gilman M, Witkowski J, Zoller M. Recombinant DNA. Scientific American Books. New York: WH Freeman, 1992:540-544. Leukemia dan Limfoma: Wyngaarden J, Smith L , Bennet J. Cecil textbook of medicine. Philadelphia: WB Saunders, 1992:933-955. SOAL Seperti yang diperlihatkan di halaman berikut, ditemukan sebuah mutasi di dalam in- tron kedua dalam gen globin-p di mana sebuah G menggantikan sebuah C, memben- tuk tempat penyambungan 5'yang bam. Sekarang dikenali adanya tempat penyam- bungan 3' kriptik di dalam intron ini. Tempat tersebut terletak 5'terhadap tempat pe- nyambungan bam yang terjadi akibat mutasi. Apa efek mutasi ini terhadap m R N A dan protein yang dihasilkan dari genini? «

B A B 15 / P E N G A T U R A N E K S P R E S I G E N 2 3 3Tabel 15.4. Beberapa Contoh Mutasi pada Talasemia-pJenis Mutasi Fenotip AsalNonsense Cina Kodon 1 7 ( A - ^ T ) P\" MedIteranea Kodon 39 (C T) P\" Polandia Kodon 121 ( A - > T ) P' MediteraneaFrameshift P' India Asia Kodon 6 (-1 pb) P' India Asia, Cina Kodon 16 (-1 pb) P' Cina Kodon 41/42 (-4 pb) Kodon 71/72 (+1 pb)Promotor P- Amerika Afrika Posisi -88 (C -> T) P* Jepang Posisi -31 (A -> G) P* Kurdi Posisi -28 (A C ) • India AsiaTempat c a p Posisi +1 (A -> C )Taut penyambungan ( s p i i c e j u n c t i o n ) P' Mediteranea Inton 1, posisi 1 (G ^ A) P' India Asia Intron 1, ujung-3'(-25pb) P' Mediteranea Intron 2, posisi 1 (G -> A) P' Amerika Afrika Intron 2, ujung-3' (A -> G ) P* MediteraneaIntron, intemal P* Mediteranea Intron 1, posisi 5 (G -> T) P* Mediteranea Intron 1, posisi 6 (T -> C ) P° Cina Intron 2, posisi 110 (G -> A) P* Mediteranea Intron 2, posisi 654 (C T) Intron 2, posisi 745 (C G ) P* Amerika Afrika P^ Asia TenggaraEkson, internal pKnossos Mediteranea Kodon 24 ( T - > A ) Kodon 26 (G A) Kodon 27 (G T)Pemutusan/poliadenilasi RNA P^ Amerika Afrika AATAAA -> AACAAAData dari S c r i v e r C R . dkk. The metabolic and molecular bases of inherited disease. Vol III. New York: McGraw-Hill, 1995:3456-3457. Intron 1 Intron 2Genncnmal 5* 1 E^on Ekson i Ekson G ^ Mutasi Mutan 5' 1 Ekson t 1 Ekson [ Ekson -3* ^^ ^ ^ AGiG

234 BAGIAN III / EKSPRESI GEN D A N SINTESIS PROTEIN JAWABAN Intron digabungkan keluar dari ujung ekson 2 (permulaan intron 2) ke tempat kriptik. Regio antara tempat kriptik dan mutasi tidak lagi dikenali sebagai intron, tetapi seba- gai ekson \"baru.\" Regio antara mutasi dan ujung-5' ekson 3 dianggap sebagai intron dan dikeluarkan. Hasil dari penyambungan tersebut adalah bahwa m R N A sekarang memiliki empat ekson (bukan tiga ekson seperti dalam keadaan normal), dan oleh karena itu, m R N A ini tidak menghasilkan globin-p normal. Protein Globinnonflingsional p-normal Individu yang mengalami mutasi ini mengidap talasemia-P^ karena tempat pe-nyambungan yang benar kadang-kadang dikenali oleh mekanisme penyambungand a n d i h a s i l k a n s e j u m l a h k e c i l m R N A g l o b i n - p n o r m a l . Annie Myck m u n g k i n m e n g a -lami mutasi ini.