BAB X

EKSPRESI GEN

Dogma Sentral Genetika Molekuler

Perkembangan Konsep tentang Gen

Transkripsi

Tiga Macam RNA

Translasi, khususnya pada Prokariot

Kode Genetik

Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen

pada Prokariot

Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen

pada Eukariot

BAB X. EKSPRESI GEN

Pada Bab IX telah disebutkan bahwa salah satu fungsi dasar yang harus dijalankan

oleh DNA sebagai materi genetik adalah fungsi fenotipik. Artinya, DNA harus mampu

mengatur pertumbuhan dan diferensiasi individu organisme sehingga dihasilkan suatu

fenotipe tertentu.

Fenotipe organisme sangat ditentukan oleh hasil interaksi protein-protein di dalam

sel. Setiap protein tersusun dari sejumlah asam amino dengan urutan tertentu, dan setiap

asam amino pembentukannya disandi (dikode) oleh urutan basa nitrogen di dalam

molekul DNA. Rangkaian proses ini, mulai dari DNA hingga terbentuknya asam amino,

dikenal sebagai dogma sentral genetika molekuler.

DNA RNA asam amino replikasi transkripsi translasi

Gambar 10.1. Diagram dogma sentral genetika molekuler

Perubahan urutan basa di dalam molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNA

dinamakan transkripsi, sedangkan penerjemahan urutan basa RNA menjadi urutan asam

amino suatu protein dinamakan translasi. Jadi, proses tanskripsi dan translasi dapat

dilihat sebagai tahap-tahap ekspresi urutan basa DNA. Namun, tidak semua urutan basa

DNA akan diekspresikan menjadi urutan asam amino. Urutan basa DNA yang pada

akhirnya menyandi urutan asam amino disebut sebagai gen. Dengan demikian, secara

kimia gen adalah urutan basa nitrogen tertentu pada molekul DNA yang dapat

dieskpresikan melalui tahap-tahap transkripsi dan translasi menjadi urutan asam amino

tertentu.

Di atas telah kita katakan bahwa sejumlah asam amino dengan urutan (sekuens)

tertentu akan menyusun sebuah molekul protein. Namun, setiap molekul protein sendiri

dapat dilihat sebagai gabungan beberapa subunit yang dinamakan polipeptida. Oleh

karena itu, muncul pertanyaan tentang hakekat sebuah gen : tiap gen menyandi satu

protein ataukah tiap gen menyandi satu polipeptida ?

140

Perkembangan konsep tentang gen dapat diikuti semenjak awal abad ke-20 ketika

seorang dokter sekaligus ahli biokimia dari Inggris, Sir Archibald E. Garrod, mengajukan

konsep satu gen mutan – satu hambatan metabolisme. Garrod mempelajari sejumlah

penyakit metabolik bawaan pada manusia dan menyimpulkan bahwa setiap gangguan

metabolisme bawaan yang menimbulkan penyakit tertentu, misalnya alkaptonuria,

disebabkan oleh satu gen mutan resesif.

Sekitar 50 tahun kemudian dua orang peneliti, G. W. Beadle dan E.L. Tatum,

mempelajari mutasi gen pada jamur Neurospora crassa dengan menumbuhkan berbagai

strain mutan hasil iradiasi menggunakan sinar X atau sinar ultraviolet pada medium

lengkap dan medium minimal. Medium minimal adalah medium untuk pertumbuhan

mikroorganisme yang hanya mengandung garam-garam anorganik, sebuah gula

sederhana, dan satu macam vitamin. Mutan yang digunakan adalah mutan dengan hanya

satu kelainan, yang untuk mendapatkannya dilakukan silang balik dengan strain tipe liar.

Mutan hasil silang balik dengan nisbah keturunan tipe liar : mutan = 1 : 1 dipastikan

sebagai mutan dengan hanya satu kelainan (mutasi).

Strain tipe liar, sebagai kontrol, mampu tumbuh baik pada medium lengkap maupun

pada medium minimal, sedangkan strain mutan hanya mampu tumbuh pada medium

lengkap. Strain-strain mutan ini kemudian dianalisis lebih lanjut untuk mengetahui

macam faktor pertumbuhan yang diperlukannya dengan cara melakukan variasi

penambahannya ke dalam medium minimal. Sebagai contoh, mutan yang hanya tumbuh

pada medium minimal yang ditambah dengan tiamin adalah mutan yang mengalami

mutasi pada gen untuk biosintesis tiamin. Dengan cara seperti ini Beadle dan Tatum

memperlihatkan bahwa tiap mutasi menyebabkan kebutuhan akan pemberian satu macam

faktor pertumbuhan. Selanjutnya, dengan mengorelasikan hasil analisis genetik dengan

hasil analisis biokimia terhadap strain-strain mutan Neurospora tersebut dapat diketahui

bahwa tiap mutasi menyebabkan hilangnya satu aktivitas enzim. Maka, konsep satu gen

mutan – satu hambatan metabolisme bergeser menjadi satu gen – satu enzim.

Dalam perkembangan berikutnya, setelah diketahui bahwa sebagian besar enzim

tersusun dari beberapa polipetida, dan masing-masing polipeptida merupakan produk gen

yang berbeda, maka konsep terbaru tentang gen yang dianut hingga kini adalah satu gen

- satu polipeptida. Sebagai contoh, enzim triptofan sintetase pada Escherichia coli

141

terdiri atas dua buah polipeptida, yaitu polipeptida α dan polipeptida β. Polipeptida α

merupakan produk gen trpA, sedangkan polipeptida β merupakan produk gen trpB.

sinarX atau sinar uv

spora seksual konidia

tipe liar silang balik medium lengkap medium minimal

riboflavin piridoksin tiamin asam pantotenat niasin inositol kholin asam folat asam nukleat

Gambar 10.2. Diagram percobaan yang memperlihatkan satu gen – satu enzim

Transkripsi

Tahap pertama ekspresi gen adalah transkripsi atau sintesis molekul RNA dari DNA

(gen). Sintesis RNA mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan sintesis DNA,

yaitu

1. Adanya sumber basa nitrogen berupa nukleosida trifosfat. Bedanya dengan sumber

basa untuk DNA hanyalah pada molekul gula pentosanya yang tidak berupa

deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak adanya basa timin tetapi tetapi digantikan oleh

urasil. Jadi, keempat nukleosida trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat

(ATP), guanosin trifosfat (GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP).

2. Adanya molekul cetakan berupa untai DNA. Dalam hal ini hanya salah satu di antara

kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis molekul RNA.

Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer dengan urutan basa RNA

hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita antisens. Sementara itu, untai DNA

pasangannya, yang mempunyai urutan basa sama dengan urutan basa RNA, disebut

sebagai pita sens. Meskipun demikian, sebenarnya transkripsi pada umumnya tidak

terjadi pada urutan basa di sepanjang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja urutan basa

yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua untai DNA.

142

3. Sintesis berlangsung dengan arah 5’→ 3’ seperti halnya arah sintesis DNA.

4. Gugus 3’- OH pada suatu nukleotida bereaksi dengan gugus 5’- trifosfat pada

nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan fosofodiester dengan membebaskan dua

atom pirofosfat anorganik (PPi). Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi

DNA. Hanya saja enzim yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA

polimerase. Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada

kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis RNA tanpa

adanya molekul primer.

Tahap-tahap transkripsi

Transkripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi,

elongasi, dan teminasi. Masing-masing akan dijelaskan sebagai berikut.

1. Enzim RNA polimerase mengikat untai DNA cetakan pada suatu daerah yang

mempunyai urutan basa tertentu sepanjang 20 hingga 200 basa. Daerah ini dinamakan

promoter. Baik pada prokariot maupun eukariot, promoter selalu membawa suatu

urutan basa yang tetap atau hampir tetap sehingga urutan ini dikatakan sebagai

urutan konsensus. Pada prokariot urutan konsensusnya adalah TATAAT dan disebut

kotak Pribnow, sedangkan pada eukariot urutan konsensusnya adalah TATAAAT

dan disebut kotak TATA. Urutan konsensus akan menunjukkan kepada RNA

polimerase tempat dimulainya sintesis. Kekuatan pengikatan RNA polimerase oleh

promoter yang berbeda sangat bervariasi. Hal ini mengakibatkan perbedaan kekuatan

ekspresi gen.

2. Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan terikat pada

suatu tempat di dekat daerah promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi.

Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tempat ini dan sintesis RNA pun

segera dimulai.

3. Selama sintesis RNA berlangsung RNA polimerase bergerak di sepanjang molekul

DNA cetakan sambil menambahkan nukleotida demi nukleotida kepada untai RNA

yang sedang diperpanjang.

4. Molekul RNA yang baru saja selesai disintesis, dan juga enzim RNA polimerase,

segera terlepas dari untai DNA cetakan begitu enzim tersebut mencapai urutan basa

pengakhir (terminasi). Terminasi dapat terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasi

143

yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi diri) dan

terminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antara

keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basa

palindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan palindrom adalah urutan

yang sama jika dibaca dari dua arah yang berlawanan. Oleh karena urutan palindom

ini biasanya diselingi oleh beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yang

dihasilkan akan mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop) seperti

pada Gambar 10.3.

urutan penyela

5’ 3’ A T T A A A G G C T C C T T T T G G A G C C T T T T T T T T DNA T A A T T T C C G A G GA AA A C C T C G G A A AAA A AA 3’ 5’

transkripsi

U U

U U

C G

C G

U A

C G

G C RNA

G C

A U

A U

5’ A U 3’

A U U U U U U U

Gambar 10.3 Terminasi sintesis RNA menghasilkan

ujung berbentuk batang dan kala

Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal ini

karena begitu RNA polimerase telah melakukan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida,

promoter dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi

144

dengan cepat reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut

akan terselubungi oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat penyelesaian yang

berbeda-beda.

Secara umum mekanisme transkripsi pada prokariot dan eukariot hampir sama.

Hanya saja, pada prokariot produk langsung transkripsi atau transkrip primernya adalah

mRNA (akan dijelaskan di bawah), sedangkan pada eukariot transkrip primernya harus

mengalami prosesing RNA terlebih dahulu sebelum menjadi mRNA. Prosesing RNA ini

mencakup dua peristiwa, yaitu modifikasi kedua ujung transkrip primer dan pembuangan

urutan basa pada transkrip primer yang tidak akan ditranslasi (disebut intron). Ujung 5’

dimodifikasi dengan penambahan guanosin dalam ikatan 5’-5’ yang tidak umum hingga

terbentuk suatu gugus terminal yang dinamakan cap, sedangkan ujung 3’ dimodifikasi

dengan urutan poliadenosin (poli A) sepanjang lebih kurang 200 basa. Sementara itu,

panjang intron yang harus dibuang dapat mencapai 50% hingga 90% dari panjang

transkrip primer, tetapi segmen yang mengandung ujung 5’ (gugus cap) tidak pernah

dibuang. Setelah intron dibuang, segmen-segmen sisanya (disebut ekson) segera

digabungkan menjadi mRNA. Pembuangan intron dan penggabungan ekson menjadi

molekul mRNA dinamakan penyatuan RNA atau RNA splicing.

Macam-macam RNA

Transkripsi DNA menghasilkan molekul RNA yang kemudian akan mengalami

diferensiasi struktur sesuai dengan fungsinya masing-masing. Kita mengenal tiga macam

RNA, yaitu

1. RNA duta atau messenger RNA (mRNA), yang mempunyai struktur linier kecuali

bagian ujung terminasinya yang berbentuk batang dan kala (Gambar 10.3). Molekul

mRNA membawa urutan basa yang sebagian di antaranya akan ditranslasi menjadi

urutan asam amino. Urutan basa yang dinamakan urutan penyandi (coding

sequences) ini dibaca tiga demi tiga. Artinya, tiap tiga basa akan menyandi

pembentukan satu asam amino sehingga tiap tiga basa ini dinamakan triplet kodon.

Daftar triplet kodon beserta asam amino yang disandinya dapat dilihat pada Tabel

10.1. Pada prokariot bagian mRNA yang tidak ditranslasi terletak di depan urutan

penyandi (disebut pengarah atau leader) dan di antara dua urutan penyandi (disebut

spacer sequences atau noncoding sequences). Sementara itu, pada eukariot di

145

samping kedua bagian tadi ada juga bagian di dalam urutan penyandi yang tidak

ditranslasi. Bagian inilah yang dinamakan intron seperti telah dijelaskan di atas.

Molekul mRNA pada prokariot sering kali membawa sejumlah urutan penyandi bagi

beberapa polipeptida yang berbeda. Molekul mRNA seperti ini dinamakan mRNA

polisistronik. Dengan adanya mRNA polisistronik, sintesis beberapa protein yang

masih terkait satu sama lain dapat diatur dengan lebih efisien karena hanya

dibutuhkan satu sinyal. Pada eukariot hampir tidak pernah dijumpai mRNA

polisistronik.

2. RNA pemindah atau transfer RNA (tRNA), yang strukturnya mengalami modifikasi

hingga berbentuk seperti daun semanggi. Seperti halnya struktur ujung terminasi

mRNA, struktur seperti daun semanggi ini terjadi karena adanya urutan palindrom

yang diselingi oleh beberapa basa (Gambar 10.4). Pada salah satu kalanya, tRNA

membawa tiga buah basa yang komplemeter dengan triplet kodon pada mRNA.

Ketiga basa ini dinamakan antikodon. Sementara itu, pada ujung 3’-nya terdapat

tempat pengikatan asam amino tertentu. Pengikatan yang membentuk molekul

aminoasil-tRNA ini terjadi dengan bantuan enzim aminoasil-tRNA sintetase.

Dalam hal ini gugus hidroksil (OH) pada ujung 3’ tRNA terikat sangat kuat dengan

gugus karboksil (COOH) asam amino. Macam asam amino yang dibawa ditentukan

oleh urutan basa pada antikodon. Jadi, ada beberapa macam aminoasil-tRNA sesuai

dengan antikodon dan macam asam amino yang dibawanya.

antikodon

5’

3’ (tempat pengikatan asam amino)

146

Gambar 10.4. Diagram struktur tRNA

3. RNA ribosomal atau ribosomal RNA (rRNA), yang strukturnya merupakan bagian

struktur ribosom. Lebih kurang separuh struktur kimia ribosom berupa rRNA dan

separuh lainnya berupa protein. Molekul rRNA, dan juga tRNA, dapat dikatakan

sebagai RNA struktural dan tidak ditranslasi menjadi asam amino/protein. Akan

tetapi, mereka adalah bagian mesin sel yang menyintesis protein (lihat uraian tentang

translasi di bawah ini).

Translasi

Bila dibandingkan dengan transkripsi, translasi merupakan proses yang lebih rumit

karena melibatkan fungsi berbagai makromolekul. Oleh karena kebanyakan di antara

makromolekul ini terdapat dalam jumlah besar di dalam sel, maka sistem translasi

menjadi bagian utama mesin metabolisme pada tiap sel. Makromolekul yang harus

berperan dalam proses translasi tersebut meliputi

1. Lebih dari 50 polipeptida serta 3 hingga 5 molekul RNA di dalam tiap ribosom

2. Sekurang-kurangnya 20 macam enzim aminoasil-tRNA sintetase yang akan

mengaktifkan asam amino

3. Empat puluh hingga 60 molekul tRNA yang berbeda

4. Sedikitnya 9 protein terlarut yang terlibat dalam inisiasi, elongasi, dan terminasi

polipeptida.

Translasi, atau pada hakekatnya sintesis protein, berlangsung di dalam ribosom,

suatu struktur organel yang banyak terdapat di dalam sitoplasma. Ribosom terdiri atas

dua subunit, besar dan kecil, yang akan menyatu selama inisiasi translasi dan terpisah

ketika translasi telah selesai. Ukuran ribosom sering dinyatakan atas dasar laju

pengendapannya selama sentrifugasi sebagai satuan yang disebut satuan Svedberg (S).

Pada kebanyakan prokariot ribosom mempunyai ukuran 70S, sedangkan pada eukariot

biasanya sekitar 80S.

Tiap ribosom mempunyai dua tempat pengikatan tRNA, yang masing-masing

dinamakan tapak aminoasil (tapak A) dan tapak peptidil (tapak P). Molekul

aminoasil-tRNA yang baru memasuki ribosom akan terikat di tapak A, sedangkan

molekul tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang diperpanjang terikat di

tapak P.

147

Gambaran penting sintesis protein adalah bahwa proses ini berlangsung dengan

arah tertentu sebagai berikut.

1. Molekul mRNA ditranslasi dengan arah 5’→ 3’, tetapi tidak dari ujung 5’ hingga

ujung 3’.

2. Polipeptida disintesis dari ujung amino ke ujung karboksil dengan menambahkan

asam-asam amino satu demi satu ke ujung karboksil. Sebagai contoh, sintesis protein

yang mempunyai urutan NH2-Met-Pro- . . . -Gly-Ser-COOH pasti dimulai dengan

metionin dan diakhiri dengan serin.

Mekanisme sintesis protein secara skema garis besar dapat dilihat pada Gambar

10.5. Sebuah molekul mRNA akan terikat pada permukaan ribosom yang kedua

subunitnya telah bergabung. Pengikatan ini terjadi karena pada mRNA prokariot terdapat

urutan basa tertentu yang disebut sebagai tempat pengikatan ribosom (ribosom binding

site) atau urutan Shine-Dalgarno. Sementara itu, pada eukariot pengikatan ribosom

dilakukan oleh ujung 5’ mRNA. Selanjutnya, berbagai aminoasil-tRNA akan berdatangan

satu demi satu ke kompleks ribosom-mRNA ini dengan urutan sesuai dengan antikodon

dan asam amino yang dibawanya. Urutan ini ditentukan oleh urutan triplet kodon pada

mRNA. Ikatan peptida terbentuk di antara asam-asam amino yang terangkai menjadi

rantai polipeptida di tapak P ribosom. Penggabungan asam-asam amino terjadi karena

gugus amino pada asam amino yang baru masuk berikatan dengan gugus karboksil pada

asam amino yang terdapat pada rantai polipeptida yang sedang diperpanjang. Penjelasan

tentang mekanisme sintesis protein yang lebih rinci disertai contoh, khususnya pada

prokariot, akan diberikan di bawah ini. arah gerakan ribosom

ribosom

5’ CUG GGG 3’ mRNA

GAC

tRNA aminoasil-tRNA

aa aa

NH2 NH2 COOH

148

AUC ACCUAG UGG

aa aa COOHaa

P A

ikatan peptida

Gambar 10.5. Skema garis besar sintesis protein

Inisiasi sintesis protein dilakukan oleh aminoasil-tRNA khusus, yaitu tRNA yang

membawa metionin (dilambangkan sebagai metionil-tRNAiMet). Hal ini berarti bahwa

sintesis semua polipeptida selalu dimulai dengan metionin. Khusus pada prokariot akan

terjadi formilasi gugus amino pada metionil-tRNAiMet (dilambangkan sebagai metionil-

tRNAfMet) yang mencegah terbentuknya ikatan peptida antara gugus amin tersebut dengan

gugus karboksil asam amino pada ujung polipetida yang sedang diperpanjang sehingga

asam amino awal pada polipeptida prokariot selalu berupa f-metionin. Pada eukariot

metionil-tRNAiMet tidak mengalami formilasi gugus amin, tetapi molekul ini akan

bereaksi dengan protein-protein tertentu yang berfungsi sebagai faktor inisiasi (IF-1,

IF-2, dan IF-3). Selain itu, baik pada prokariot maupun eukariot, terdapat pula metionil-

tRNA yang metioninnya bukan merupakan asam amino awal (dilambangkan sebagai

metionil-tRNAMet).

Kompleks inisiasi pada prokariot terbentuk antara mRNA, metionil-tRNAfMet, dan

subunit kecil ribosom (30S) dengan bantuan protein IF-1, IF-2, dan IF-3, serta sebuah

molekul GTP. Pembentukan kompleks inisiasi ini diduga difasilitasi oleh perpasangan

basa antara suatu urutan di dekat ujung 3’ rRNA berukuran 16S dan sebagian urutan

pengarah (leader sequence) pada mRNA. Selanjutnya, kompleks inisiasi bergabung

dengan subunit besar ribosom (50S), dan metionil-tRNAfMet terikat pada tapak P.

Berpasangannya triplet kodon inisiasi pada mRNA dengan antikodon pada metionil-

tRNAfMet di tapak P menentukan urutan triplet kodon dan aminoasil-tRNAf

Met berikutnya

yang akan masuk ke tapak A. Pengikatan aminoasil-tRNAfMet berikutnya, misalnya alanil-

tRNAala, ke tapak A memerlukan protein-protein elongasi EF-Ts dan EF-Tu.

Pembentukan ikatan peptida antara gugus karboksil pada metionil-tRNA fMet di tapak P

dan gugus amino pada alanil-tRNAala di tapak A dikatalisis oleh enzim peptidil

transferase, suatu enzim yang terikat pada subunit ribosom 50S. Reaksi ini

menghasilkan dipeptida yang terdiri atas f-metionin dan alanin yang terikat pada tRNAala

di tapak A.

Langkah berikutnya adalah translokasi, yang melibatkan (1) perpindahan f-met-ala-

tRNAala dari tapak A ke tapak P dan (2) pergeseran posisi mRNA pada ribosom

149

sepanjang tiga basa sehingga triplet kodon yang semula berada di tapak A masuk ke

tapak P. Dalam contoh ini triplet kodon yang bergeser dari tapak A ke P tersebut adalah

triplet kodon untuk alanin. Triplet kodon berikutnya, misalnya penyandi serin, akan

masuk ke tapak A dan proses seperti di atas hingga translokasi akan terulang kembali.

Translokasi memerlukan aktivitas faktor elongasi berupa enzim yang biasa dilambangkan

dengan EF-G.

Pemanjangan atau elongasi rantai polipeptida akan terus berlangsung hingga suatu

tripet kodon yang menyandi terminasi memasuki tapak A. Sebelum suatu rantai

polipeptida selesai disintesis terlebih dahulu terjadi deformilisasi pada f-metionin

menjadi metionin. Terminasi ditandai oleh terlepasnya mRNA, tRNA di tapak P, dan

rantai polipeptida dari ribosom. Selain itu, kedua subunit ribosom pun memisah. Pada

terminasi diperlukan aktivitas dua protein yang berperan sebagai faktor pelepas atau

releasing factors, yaitu RF-1 dan RF-2.

Sesungguhnya setiap mRNA tidak hanya ditranslasi oleh sebuah ribosom. Pada

umumnya sebuah mRNA akan ditranslasi secara serempak oleh beberapa ribosom yang

satu sama lain berjarak sekitar 90 basa di sepanjang molekul mRNA. Kompleks translasi

yang terdiri atas sebuah mRNA dan beberapa ribosom ini dinamakan poliribosom atau

polisom. Besarnya polisom sangat bervariasi dan berkorelasi dengan ukuran polipeptida

yang akan disintesis. Sebagai contoh, rantai hemoglobin yang tersusun dari sekitar 150

asam amino disintesis oleh polisom yang terdiri atas lima buah ribosom (pentaribosom).

Pada prokariot translasi seringkali dimulai sebelum transkripsi berakhir. Hal ini

dimungkinkan terjadi karena tidak adanya dinding nukleus yang memisahkan antara

transkripsi dan translasi. Dengan berlangsungnya kedua proses tersebut secara

bersamaan, ekspresi gen menjadi sangat cepat dan mekanisme nyala-padam (turn on-turn

off) ekspresi gen, seperti yang akan dijelaskan nanti, juga menjadi sangat efisien.

Namun, tidak demikian halnya pada eukariot. Transkripsi terjadi di dalam nukleus,

sedangkan translasi terjadi di sitoplasma (ribosom). Pertanyaan yang muncul adalah

bagaimana mRNA hasil transkripsi dipindahkan dari nukleus ke sitoplasma, faktor-faktor

apa yang menentukan saat dan tempat translasi? Sayangnya, hingga kini kita belum dapat

menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut dengan memuaskan. Kita baru mengetahui

bahwa transkripsi dan translasi pada eukariot jauh lebih rumit daripada proses yang ada

150

pada prokariot. Salah satu di antaranya seperti telah kita bicarakan di atas, yaitu bahwa

mRNA hasil transkripsi (transkrip primer) pada eukariot memerlukan prosesing terlebih

dahulu sebelum dapat ditranslasi.

Kode genetik

Penetapan triplet kodon pada mRNA sebagai pembawa informasi genetik atau kode

genetik yang akan menyandi pembentukan suatu asam amino tertentu berawal dari

pemikiran bahwa macam basa nitrogen jauh lebih sedikit daripada macam asam amino.

Basa nitrogen pada mRNA hanya ada empat macam, sedangkan asam amino ada 20

macam. Oleh karena itu, jelas tidak mungkin tiap asam amino disandi oleh satu basa.

Begitu juga, kombinasi dua basa hanya akan menghasilkan 42 atau 16 macam duplet,

masih lebih sedikit daripada macam amino yang ada. Kombinasi tiga basa akan

menghasilkan 43 atau 64 triplet, melebihi jumlah macam asam amino. Dalam hal ini, satu

macam asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu macam triplet kodon.

Tabel 10.1. Kode genetik

Basa I (5’)

Basa II Basa III (3’)

U C A GU

U

Phe Ser Tyr Cys

Phe Ser Tyr Cys C

Leu Ser Stop Stop A

Leu Ser Stop Trp G

C

Leu Pro His Arg U

Leu Pro His Arg C

Leu Pro Gln Arg A

Leu Pro Gln Arg G

A

ILe Thr Asn Ser U

Ile Thr Asn Ser C

ILe Thr Lys Arg A

Met Thr Lys Arg G

G

Val Ala Asp Gly U

Val Ala Asp Gly C

Val Ala Glu Gly A

151

Val Ala Glu Gly G Keterangan :

phe = fenilalanin ser = serin his = histidin glu = asam glutamatleu = leusin pro = prolin gln = glutamin cys = sisteinile = isoleusin thr = treonin asn = asparagin trp = triptofanmet = metionin ala = alanin lys = lisin arg = argininval = valin tyr = tirosin asp = asam aspartat gly = glisin

AUG (kodon metionin) dapat menjadi kodon awal (start codon) stop = kodon stop (stop codon)

Bukti bahwa kode genetik berupa triplet kodon diperoleh dari hasil penelitian

F.H.C. Crick dan kawan-kawannya yang mempelajari mutasi pada lokus rIIB bakteriofag

T4. Mutasi tersebut diinduksi oleh proflavin, suatu molekul yang dapat menyisip di sela-

sela pasangan basa nitrogen sehingga kesalahan replikasi DNA dapat terjadi sewaktu-

waktu, menghasilkan DNA yang kelebihan atau kekurangan satu pasangan basa. Hal ini

akan menyebabkan perubahan rangka baca (reading frame), yaitu urutan pembacaan

basa-basa nitrogen untuk diterjemahkan menjadi urutan asam amino tertentu. Mutasi

yang disebabkan oleh perubahan rangka baca akibat kelebihan atau kekurangan pasangan

basa disebut sebagai mutasi rangka baca (frameshift mutation) (lihat Bab XI).

Jika mutan (hasil mutasi) rangka baca yang diinduksi oleh proflavin ditumbuhkan

pada medium yang mengandung proflavin, akan diperoleh beberapa fag tipe liar sehingga

mutasi seolah-olah dapat dipulihkan atau terjadi mutasi balik (reverse mutation). Pada

awalnya mutasi balik diduga karena kelebihan pasangan basa dibuang dari rangka baca

yang salah sehingga rangka baca tersebut telah diperbaiki menjadi seperti semula.

Namun, karena mutasi bersifat acak, maka mekanisme semacam itu kecil sekali

kemungkinannya untuk terjadi dan dugaan tersebut nampaknya tidak benar. Crick dan

kawan-kawannya menjelaskan bahwa mutasi balik disebabkan oleh hilangnya (delesi)

satu pasangan basa lain yang letaknya tidak terlalu jauh dari pasangan basa yang

menyisip (adisi). Rangka baca yang baru ini akan menghasilkan urutan asam amino yang

masih sama fungsinya dengan urutan sebelum terjadi mutasi. Dengan perkataan lain,

mutasi balik terjadi karena efek mutasi awal akibat penambahan basa ditekan oleh mutasi

kedua akibat pengurangan basa sehingga mutasi yang kedua ini disebut juga sebagai

mutasi penekan (suppressor mutation).

Protein rIIB pada T4 mempunyai bagian-bagian yang di dalamnya dapat terjadi

perubahan urutan asam amino. Perubahan ini dapat berpengaruh atau tidak berpengaruh

152

terhadap fungsi proteinnya. Jika dua strain mutan T4 yang satu sama lain mengalami

mutasi berbeda di dalam bagian protein rIIB disilangkan melalui infeksi campuran pada

suatu inang, maka T4 tipe liar akan diperoleh sebagai hasil rekombinasi genetik antara

kedua tempat mutasi yang berbeda itu. Akan tetapi, ketika kedua strain mutan rIIB yang

disilangkan merupakan strain-strain yang diseleksi secara acak (tidak harus mengalami

mutasi yang berbeda), ternyata tidak selalu diperoleh tipe liar. Hasil ini menunjukkan

bahwa strain-strain mutan dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu strain + dan strain -.

Dalam hal ini, strain + tidak harus selalu mutan adisi, dan strain – tidak harus selalu

mutan delesi. Namun, sekali kita menggunakan tanda + untuk mutan adisi berarti strain +

adalah mutan adisi. Begitu pula sebaliknya, sekali kita gunakan tanda + untuk mutan

delesi berarti strain + adalah mutan delesi.

Persilangan antara strain + dan strain – hanya menghasilkan rekombinasi berupa

fenotipe tipe liar, sedangkan persilangan antara sesama + atau sesama – tidak pernah

menghasilkan tipe liar. Hal ini karena persilangan sesama + atau sesama – akan

menyebabkan adisi atau delesi ganda sehingga selalu menghasilkan fenotipe mutan.

Sementara itu, persilangan antara starin + dan – akan menyebabkan terjadinya mutasi

penekan (adisi ditekan oleh delesi atau delesi ditekan oleh adisi) atau hanya

menghasilkan mutasi pada urutan asam amino yang tidak berpengaruh terhadap fungsi

protein sehingga diperoleh fenotipe tipe liar.

AUG UUU CCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG mRNA tipe liar met phe pro lys gly phe pro stop penambahan pasangan basa A=T (mutasi rangka baca I) AUG AUU UCC CAA AGG GUU U . . . . . CCU AG . . . mRNA mutan met ile ser gln arg val leu

pengurangan pasangan basa G = G(mutasi rangka baca II) AUG AUU UCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG mRNA ‘tipe liar’ met ile ser lys gly phe pro stop urutan asam urutan asam amino tipe liar amino yang berubah

Gambar 10.6. Mutasi penekan yang memulihkan rangka baca

153

Oleh karena persilangan sesama + atau sesama – tidak pernah menghasilkan tipe

liar, kode genetik jelas tidak mungkin terdiri atas dua basa. Seandainya, kode genetik

berupa duplet, maka akan terjadi pemulihan rangka baca hasil persilangan tersebut.

Kenyataannya tidak demikian. Pemulihan rangka baca akibat mutasi penekan justru

terjadi apabila persilangan dilakukan antara strain + dan strain -.

Apabila kode genetik berupa triplet, maka persilangan teoretis sesama + atau

sesama – akan menghasilkan fenotipe mutan, sesuai dengan hasil kenyataannya. Namun,

rekombinasi antara tiga + atau tiga - akan menghasilkan tipe liar. Hal ini memperlihatkan

bahwa kode genetik terdiri atas tiga basa.urutan yang bila berubah tidak berpengaruh urutan yang bila berubah berpengaruh

tipe liar AB CD EF GH IJ KL MN OP QR ST UV WX protein tipe liar+1 AB C1 DE FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan+2 AB CD E2 FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan-1 AB DE FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan-2 AB CD FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan+1 x +2 AB C1 DE 2F GH IJ KL MN OP QR ST UV WX protein tipe liar-1 x -2 AB CD EF GH IJ KL MN OP QR ST UV WX protein tipe liar+1 x -1 AB C1 DE FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan

a)

urutan yang bila berubah tidak berpengaruh urutan yang bila berubah berpengaruh

tipe liar ABC DEF GHI JKL MNO PQR STU VWX protein tipe liar+1 AB1 CDE FGH IJK LMN OPQ RST UVW X protein mutan+2 ABC DE2 FGH IJK LMN OPQ RST UVW X protein mutan+3 ABC DEF GHI J3K LMN OPQ RST UVW X protein mutan+1 x +2 AB1 CDE 2FG HIJ KLM NOP QRS TUV WX protein mutan+1 x +2 x +3 AB1 CDE 2FG HIJ 3KL MNO PQR STU VWX protein tipe liar

b)

Gambar 10.7. Diagram persilangan mutan rIIB pada T4 yang memperlihatkan bahwa kode genetik berupa triplet kodon

a) Jika kode genetik berupa duplet, hasil persilangan teoretis tidak sesuai dengan kenyataan yang diperoleh.b) Jika kode genetik berupa triplet, hasil persilangan teoretis sesuai dengan kenyataan yang diperoleh.

Sifat-sifat kode genetik

Kode genetik mempunyai sifat-sifat yang akan dijelaskan sebagai berikut.

1. Kode genetik bersifat universal. Artinya, kode genetik berlaku sama hampir di setiap

spesies organisme.

154

2. Kode genetik bersifat degenerate atau redundant, yaitu bahwa satu macam asam

amino dapat disandi oleh lebih dari satu triplet kodon. Sebagai contoh, treonin dapat

disandi oleh ACU, ACC, ACA, dan ACG. Sifat ini erat kaitannya dengan sifat

wobble basa ketiga, yang artinya bahwa basa ketiga dapat berubah-ubah tanpa selalu

disertai perubahan macam asam amino yang disandinya. Diketahuinya sifat wobble

bermula dari penemuan basa inosin (I) sebagai basa pertama pada antikodon tRNAala

ragi, yang ternyata dapat berpasangan dengan basa A, U, atau pun C. Dengan

demikian, satu antikodon pada tRNA dapat mengenali lebih dari satu macam kodon

pada mRNA.

3. Oleh karena tiap kodon terdiri atas tiga buah basa, maka tiap urutan basa mRNA, atau

berarti juga DNA, mempunyai tiga rangka baca yang berbeda (open reading

frame). Di samping itu, di dalam suatu segmen tertentu pada DNA dapat terjadi

transkripsi dan translasi urutan basa dengan panjang yang berbeda. Dengan perkataan

lain, suatu segmen DNA dapat terdiri atas lebih dari sebuah gen yang saling tumpang

tindih (overlapping). Sebagai contoh, bakteriofag фX174 mempunyai sebuah untai

tunggal DNA yang panjangnya lebih kurang hanya 5000 basa. Seandainya dari urutan

basa ini hanya digunakan sebuah rangka baca, maka akan terdapat sekitar 1700 asam

amino yang dapat disintesis. Kemudian, jika sebuah molekul protein rata-rata

tersusun dari 400 asam amino, maka dari sekitar 1700 asam amino tersebut hanya

akan terbentuk 4 hingga 5 buah molekul protein. Padahal kenyataannya, bakteriofag

фX174 mempunyai 11 protein yang secara keseluruhan terdiri atas 2300 asam amino.

Dengan demikian, jelaslah bahwa dari urutan basa DNA yang ada tidak hanya

digunakan sebuah rangka baca, dan urutan basa yang diekspresikan (gen) dapat

tumpang tindih satu sama lain.

Pengaturan Ekspresi Gen

Produk-produk gen tertentu seperti protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA

polimerase, dan enzim-enzim yang mengatalisis berbagai reaksi metabolisme yang

berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel merupakan komponen esensial bagi semua sel.

Gen-gen yang menyandi pembentukan produk semacam itu perlu diekspresikan terus-

menerus sepanjang umur individu di hampir semua jenis sel tanpa bergantung kepada

kondisi lingkungan di sekitarnya. Sementara itu, banyak pula gen lainnya yang

155

ekspresinya sangat ditentukan oleh kondisi lingkungan sehingga mereka hanya akan

diekspresikan pada waktu dan di dalam jenis sel tertentu. Untuk gen-gen semacam ini

harus ada mekanisme pengaturan ekspresinya.

Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi,

prosesing mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkan

bahwa pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi pada

tahap transkripsi.

Mekanisme pengaturan transkripsi, baik pada prokariot maupun pada eukariot,

secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu (1) mekanisme

yang melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon

terhadap perubahan kondisi lingkungan dan (2) sirkit ekspresi gen yang telah terprogram

(preprogramed circuits). Mekanisme penyalapadaman sangat penting bagi

mikroorganisme untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkali

terjadi secara tiba-tiba. Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalu

penting karena pada organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yang

datang dari dalam tubuh, dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagi

sel terhadap perubahan kondisi lingkungan yang mendadak tersebut. Pada mekanisme

sirkit, produk suatu gen akan menekan transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacu

transkripsi gen kedua, produk gen kedua akan menekan transkripsi gen kedua dan

memacu transkripsi gen ketiga, demikian seterusnya. Ekspresi gen yang berurutan ini

telah terprogram secara genetik sehingga gen-gen tersebut tidak akan dapat diekspresikan

di luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya berupa sirkit, maka mekanisme tersebut

dinamakan sirkit ekspresi gen.

Induksi dan represi pada prokariot

Escherichia coli merupakan bakteri yang sering dijadikan model untuk mempelajari

berbagai mekanisme genetika molekuler. Bakteri ini secara alami hidup di dalam usus

besar manusia dengan memanfaatkan sumber karbon yang umumnya berupa glukosa.

Apabila suatu ketika E. coli ditumbuhkan pada medium yang sumber karbonnya bukan

glukosa melainkan laktosa, maka enzim pemecah laktosa akan disintesis, sesuatu yang

tidak biasa dilakukannya. Untuk itu, gen-gen penyandi berbagai enzim yang terlibat

dalam pemanfaatan laktosa akan diekspresikan (turned on). Sebaliknya, dalam keadaan

156

normal, yaitu ketika tersedia glukosa sebagai sumber karbon, maka gen-gen tersebut

tidak diekspresikan (turned off). Proses yang terjadi ketika ekspresi gen merupakan

respon terhadap keberadaan suatu zat di lingkungannya dikenal sebagai induksi,

sedangkan zat atau molekul yang menyebabkan terjadinya induksi disebut sebagai

induser. Jadi, dalam contoh ini laktosa merupakan induser.

Induksi secara molekuler terjadi pada tingkat transkripsi. Peristiwa ini berkenaan

dengan laju sintesis enzim, bukan dengan aktivitas enzim. Pada pengaktifan enzim suatu

molekul kecil akan terikat pada enzim sehingga akan terjadi peningkatan aktivitas enzim

tersebut, bukan peningkatan laju sintesisnya.

Selain mempunyai kemampuan untuk memecah suatu molekul (katabolisme),

bakteri juga dapat menyintesis (anabolisme) berbagai molekul organik yang diperlukan

bagi pertumbuhannya. Sebagai contoh, Salmonella typhimurium mempunyai sejumlah

gen yang menyandi enzim-enzim untuk biosintesis triptofan. Dalam medium

pertumbuhan yang tidak mengandung triptofan, S. typhimurium akan mengekspresikan

(turned on) gen-gen tersebut. Akan tetapi, jika suatu saat ke dalam medium

pertumbuhannya ditambahkan triptofan, maka gen-gen tersebut tidak perlu diekspresikan

(turned off). Proses pemadaman (turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap

keberadaan suatu zat di lingkungannya dinamakan represi, sedangkan zat yang

menyebabkan terjadinya represi disebut sebagai korepresor. Jadi, dalam contoh ini

triptofan merupakan korepresor.

Seperti halnya induksi, represi juga terjadi pada tahap transkripsi. Represi sering

dikacaukan dengan inhibisi umpan balik (feedback inhibition), yaitu penghambatan

aktivitas enzim akibat pengikatan produk akhir reaksi yang dikatalisis oleh enzim itu

sendiri. Represi tidak menghambat aktivitas enzim, tetapi menekan laju sintesisnya.

Model operon

Mekanisme molekuler induksi dan represi telah dapat dijelaskan menurut model

yang diajukan oleh F. Jacob dan J. Monod pada tahun 1961. Menurut model yang dikenal

sebagai operon ini ada dua unsur yang mengatur transkripsi gen struktural penyandi

enzim, yaitu gen regulator (gen represor) dan operator yang letaknya berdekatan

dengan gen-gen struktural yang diaturnya. Gen regulator menyandi pembentukan suatu

protein yang dinamakan represor. Pada kondisi tertentu represor akan berikatan dengan

157

operator, menyebabkan terhalangnya transkripsi gen-gen struktural. Hal ini terjadi karena

enzim RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter yang letaknya berdekatan, atau

bahkan tumpang tindih, dengan operator.

Secara keseluruhan setiap operon terdiri atas promoter operon atau promoter bagi

gen-gen struktural (PO), operator (O), dan gen-gen struktural (GS). Di luar operon

terdapat gen regulator (R) beserta promoternya (PR), molekul protein represor yang

dihasilkan oleh gen regulator, dan molekul efektor. Molekul efektor pada induksi adalah

induser, sedangkan pada represi adalah korepresor. operon PR R PO O GS1 GS2 GS3

represor efektor (induser atau korepresor)

a)

RNA polimerase

induser RNA polimerase berjalan

transkripsi kompleks represor-induser translasi

b) RNA polimerase berjalan

transkripsi korepresor translasi

kompleks represor-korepresor c)

158

Gambar 10.8. Model operon untuk pengaturan ekspresi gen a) komponen operon b) induksi c) represi

Pada Gambar 10.8 terlihat bahwa terikatnya represor pada operator terjadi dalam

keadaan yang berkebalikan antara induksi dan represi. Pada induksi represor secara

normal akan berikatan dengan operator sehingga RNA polimerase tidak dapat memasuki

promoter operon. Akibatnya, transkripsi gen-gen struktural tidak dapat berlangsung.

Namun, dengan terikatnya represor oleh induser, promoter operon menjadi terbuka bagi

RNA polimerase sehingga gen-gen struktural dapat ditranskripsi dan selanjutnya

ditranslasi. Dengan demikian, gen-gen struktural akan diekspresikan apabila terdapat

molekul induser yang mengikat represor.

Operon yang terdiri atas gen-gen yang ekspresinya terinduksi dinamakan operon

induksi. Salah satu contohnya adalah operon lac, yang terdiri atas gen-gen penyandi

enzim pemecah laktosa seperti telah disebutkan di atas.

Sebaliknya, pada represi secara normal represor tidak berikatan dengan operator

sehingga RNA polimerase dapat memasuki promoter operon dan transkripsi gen-gen

struktural dapat terjadi. Akan tetapi, dengan adanya korepresor, akan terbentuk kompleks

represor-korepresor yang kemudian berikatan dengan operator. Dengan pengikatan ini,

RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter operon sehingga transkripsi gen-gen

struktural menjadi terhalang. Jadi, ekspresi gen-gen struktural akan terepresi apabila

terdapat molekul korepresor yang berikatan dengan represor.

Gen-gen yang ekspresinya dapat terepresi merupakan komponen operon yang

dinamakan operon represi. Operon trp, yang terdiri atas gen-gen penyandi enzim untuk

biosintesis triptofan merupakan contoh operon represi.

Pengaturan ekspresi gen pada eukariot

Hingga sekarang kita baru sedikit sekali mengetahui mekanisme pengaturan

ekspresi gen pada eukariot. Namun, kita telah mengetahui bahwa pada eukariot tingkat

tinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini

menunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing

mRNA, memegang peran yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel.

Operon, kalau pun ada, nampaknya tidak begitu penting pada eukariot. Hanya pada

eukariot tingkat rendah seperti jamur dapat ditemukan satuan-satuan operon atau mirip

operon. Semua mRNA pada eukariot tingkat tinggi adalah monosistronik, yaitu hanya

159

membawa urutan sebuah gen struktural. Transkrip primer yang adakalanya menyerupai

polisistronik pun akan diproses menjadi mRNA yang monosistronik.

Selain itu, terindikasi juga bahwa diferensiasi sel sedikit banyak melibatkan

ekspresi seperangkat gen yang telah terprogram (preprogramed). Berbagai macam sinyal

seperti molekul-molekul sitoplasmik, hormon, dan rangsangan dari lingkungan memicu

dimulainya pembacaan program-program dengan urutan tertentu pada waktu dan tempat

yang tepat selama perkembangan individu. Bukti paling nyata mengenai adanya

keharusan urutan pembacaan program pada waktu dan tempat tertentu dapat dilihat pada

kasus mutasi yang terjadi pada lalat Drosophila, misalnya munculnya sayap di kepala di

tempat yang seharusnya untuk mata. Dengan mempelajari mutasi-mutasi semacam ini

diharapkan akan diperoleh pengetahuan tentang mekanisme pengaturan ekspresi gen

selama perkembangan normal individu.

Pada eukariot tingkat tinggi kurang dari 10 persen gen yang terdapat di dalam

seluruh genom akan terepresentasikan urutan basanya di antara populasi mRNA yang

telah mengalami prosesing. Sebagai contoh, hanya ada dua hingga lima persen urutan

DNA mencit yang akan terepresentasikan pada mRNA di dalam sel-sel hatinya.

Demikian pula, mRNA di dalam sel-sel otak katak Xenopus hanya merepresentasikan

delapan persen urutan DNAnya. Jadi, sebagian besar urutan basa DNA di dalam genom

eukariot tingkat tinggi tidak terepresentasikan di antara populasi mRNA yang ada di

dalam sel atau jaringan tertentu. Dengan perkataan lain, molekul mRNA yang dihasilkan

dari perangkat gen yang berbeda akan dijumpai di dalam sel atau jaringan yang berbeda

pula.

Dosis gen dan amplifikasi gen

Kebutuhan akan produk-produk gen pada eukariot dapat sangat bervariasi.

Beberapa produk gen dibutuhkan dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada produk

gen lainnya sehingga terdapat nisbah kebutuhan di antara produk-produk gen yang

berbeda. Untuk memenuhi nisbah kebutuhan ini antara lain dapat ditempuh melalui dosis

gen. Katakanlah, ada gen A dan gen B yang ditranskripsi dan ditranslasi dengan efisiensi

yang sama. Produk gen A dapat 20 kali lebih banyak daripada produk gen B apabila

terdapat 20 salinan (kopi) gen A untuk setiap salinan gen B. Contoh yang nyata dapat

dilihat pada gen-gen penyandi histon. Untuk menyintesis histon dalam jumlah besar yang

160

dibutuhkan dalam pembentukan kromatin, kebanyakan sel mempunyai beratus-ratus kali

salinan gen histon daripada jumlah salinan gen yang diperlukan untuk replikasi DNA.

Salah satu pengaruh dosis gen adalah amplifikasi gen, yaitu peningkatan jumlah

gen sebagai respon terhadap sinyal tertentu. Sebagai contoh, amplifikasi gen terjadi

selama perkembangan oosit katak Xenopus laevis. Pembentukan oosit dari prekursornya

(oogonium) merupakan proses kompleks yang membutuhkan sejumlah besar sintesis

protein. Untuk itu dibutuhkan sejumlah besar ribosom. Kita mengetahui bahwa ribosom

antara lain terdiri atas molekul-molekul rRNA. Padahal, sel-sel prekursor tidak

mempunyai gen penyandi rRNA dalam jumlah yang mencukupi untuk sintesis molekul

tersebut dalam waktu yang relatif singkat. Namun, sejalan dengan perkembangan oosit

terjadi peningkatan jumlah gen rRNA hingga 4000 kali sehingga dari sebanyak 600 gen

yang ada pada prekursor akan diperoleh sekitar dua juta gen setelah amplifikasi. Jika

sebelum amplifikasi ke-600 gen rRNA berada di dalam satu segmen DNA linier, maka

selama dan setelah amplifikasi gen tersebut akan berada di dalam gulungan-gulungan

kecil yang mengalami replikasi. Molekul rRNA tidak diperlukan lagi ketika oosit telah

matang hingga saat terjadinya fertilisasi. Oleh karena itu, gen rRNA yang telah begitu

banyak disalin kemudian didegradasi kembali oleh berbagai enzim intrasel.

Jika waktu yang tersedia untuk melakukan sintesis sejumlah besar protein cukup

banyak, amplifikasi gen sebenarnya tidak perlu dilakukan. Cara lain untuk mengatasi

kebutuhan protein tersebut adalah dengan meningkatkan masa hidup mRNA (lihat bagian

pengaturan translasi).

Pengaturan transkripsi

Berdasarkan atas banyaknya salinan di dalam tiap sel, molekul mRNA dapat dibagi

menjadi tiga kelompok, yaitu (1) mRNA salinan tunggal (single copy), (2) mRNA

semiprevalen dengan jumlah salinan lebih dari satu hingga beberapa ratus per sel, dan (3)

mRNA superprevalen dengan jumlah salinan beberapa ratus hingga beberapa ribu per sel.

Molekul mRNA salinan tunggal dan semiprevalen masing-masing menyandi enzim dan

protein struktural. Sementara itu, mRNA superprevalen biasanya dihasilkan sejalan

dengan terjadinya perubahan di dalam suatu tahap perkembangan organisme eukariot.

Sebagai contoh, sel-sel eritroblas di dalam sumsum tulang belakang mempunyai sejumlah

besar mRNA yang dapat ditranslasi menjadi globin matang. Di sisi lain, hanya sedikit

161

sekali atau bahkan tidak ada globin yang dihasilkan oleh sel-sel prekursor yang belum

berkembang menjadi eritroblas. Dengan demikian, kita dapat memastikan adanya suatu

mekanisme pengaturan ekspresi gen penyandi mRNA superprevalen pada tahap

transkripsi eukariot meskipun hingga kini belum terlalu banyak rincian prosesnya yang

dapat diungkapkan.

Salah satu regulator yang diketahui berperan dalam transkripsi eukariot adalah

hormon, molekul protein kecil yang dibawa dari sel tertentu menuju ke sel target.

Mekanisme kerja hormon dalam mengatur transkripsi eukariot lebih kurang dapat

disetarakan dengan induksi pada prokariot. Namun, penetrasi hormon ke dalam sel target

dan pengangkutannya ke dalam nukleus merupakan proses yang jauh lebih rumit bila

dibandingkan dengan induksi oleh laktosa pada E. coli.

Secara garis besar pengaturan transkripsi oleh hormon dimulai dengan masuknya

hormon ke dalam sel target melewati membran sel, yang kemudian ditangkap oleh

reseptor khusus yang terdapat di dalam sitoplasma sehingga terbentuk kompleks hormon-

reseptor. Setelah kompleks ini terbentuk biasanya reseptor akan mengalami modifikasi

struktur kimia. Kompleks hormon-reseptor yang termodifikasi kemudian menembus

dinding nukleus untuk memasuki nukleus. Proses selanjutnya belum banyak diketahui,

tetapi rupanya di dalam nukleus kompleks tersebut, atau mungkin hormonnya saja, akan

mengalami salah satu di antara beberapa peristiwa, yaitu (1) pengikatan langsung pada

DNA, (2) pengikatan pada suatu protein efektor, (3) aktivasi protein yang terikat DNA,

(4) inaktivasi represor, dan (5) perubahan struktur kromatin agar DNA terbuka bagi

enzim RNA polimerase.

Contoh induksi transkripsi oleh hormon antara lain dapat dilihat pada stimulasi

sintesis ovalbumin pada saluran telur (oviduktus) ayam oleh hormon kelamin estrogen.

Jika ayam disuntik dengan estrogen, jaringan-jaringan oviduktus akan memberikan

respon berupa sintesis mRNA untuk ovalbumin. Sintesis ini akan terus berlanjut selama

estrogen diberikan, dan hanya sel-sel oviduktus yang akan menyintesis mRNA tersebut.

Hal ini karena sel-sel atau jaringan lainnya tidak mempunyai reseptor hormon estrogen di

dalam sitoplasmanya.

162

Pengaturan pada tahap prosesing mRNA

Dua jenis sel yang berbeda dapat membuat protein yang sama tetapi dalam jumlah

yang berbeda meskipun transkripsi di dalam kedua sel tersebut terjadi pada gen yang

sama. Fenomena ini seringkali berkaitan dengan adanya molekul-molekul mRNA yang

berbeda, yang akan ditranslasi dengan efisiensi berbeda pula.

Pada tikus, misalnya, ditemukan bahwa perbedaan sintesis enzim α-amilase oleh

berbagai mRNA yang berasal dari gen yang sama dapat terjadi karena adanya perbedaan

pola pembuangan intron. Kelenjar ludah menghasilkan α-amilase lebih banyak daripada

yang dihasilkan oleh jaringan hati meskipun gen yang ditranskripsi sama. Jadi, dalam hal

ini transkrip primernya sebenarnya sama, tetapi kemudian ada perbedaan mekanisme

prosesing, khususnya pada penyatuan (splicing) mRNA.

Pengaturan translasi

Berbeda dengan translasi mRNA pada prokariot yang terjadi dalam jumlah yang

lebih kurang sama, pada eukariot ada mekanisme pengaturan translasi. Macam-macam

pengaturan tersebut adalah (1) kondisi bahwa mRNA tidak akan ditranslasi sama sekali

sebelum datangnya suatu sinyal, (2) pengaturan umur (lifetime) molekul mRNA, dan (3)

pengaturan laju seluruh sintesis protein.

Telur yang tidak dibuahi secara biologi bersifat statis. Akan tetapi, begitu fertilisasi

terjadi, sejumlah protein akan disintesis. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam sel telur

yang belum dibuahi akan dijumpai sejumlah mRNA yang menantikan datangnya sinyal

untuk translasi. Sinyal tersebut tidak lain adalah fertilisasi oleh spermatozoon, sedangkan

molekul mRNA yang belum ditranslasi itu dinamakan mRNA tersembunyi (masked

mRNA).

Pengaturan umur mRNA juga dijumpai pada telur yang belum dibuahi. Sel telur ini

akan mempertahankan diri untuk tidak mengalami pertumbuhan atau perkembangan.

Dengan demikian, laju sintesis protein menjadi sangat rendah. Namun, hal ini bukan

akibat kurangnya pasokan mRNA, melainkan karena terbatasnya ketersediaan suatu

unsur yang dinamakan faktor rekrutmen. Hingga kini belum diketahui hakekat unsur

tersebut, tetapi rupanya berperan dalam pembentukan kompleks ribosom-mRNA.

Sintesis beberapa protein tertentu diatur oleh aktivitas protein itu sendiri terhadap

mRNA. Sebagai contoh, konsentrasi suatu jenis molekul antibodi dipertahankan konstan

163

oleh mekanisme inhibisi atau penghambatan diri dalam proses translasi. Jadi, molekul

antibodi tersebut berikatan secara khusus dengan molekul mRNA yang menyandinya

sehingga inisiasi translasi akan terhambat.

Sintesis beberapa protein dari satu segmen DNA

Pada prokariot terdapat mRNA polisistronik yang menyandi semua produk gen.

Sebaliknya, pada eukariot tidak pernah dijumpai mRNA polisistronik, tetapi ada kondisi

yang dapat disetarakan dengannya, yakni sintesis poliprotein. Poliprotein adalah

polipeptida berukuran besar yang setelah berakhirnya translasi akan terpotong-potong

untuk menghasilkan sejumlah molekul protein yang utuh. Tiap protein ini dapat dilihat

sebagai produk satu gen tunggal.

Dalam sistem semacam itu urutan penyandi pada masing-masing gen tidak saling

dipisahkan oleh kodon stop dan kodon awal, tetapi dipisahkan oleh urutan asam amino

tertentu yang dikenal sebagai tempat pemotongan (cleavage sites) oleh enzim protease

tertentu. Tempat-tempat pemotongan ini tidak akan berfungsi serempak, tetapi bergantian

mengikuti suatu urutan.

164

165

166