RESUME:

REGULASI KERJA GEN PADA PROKARIOT

Pengendalian ekspresi genetik (regulasi kerja gen) merupakan aspek yang

sangat penting bagi jasad hidup termasuk prokariot. Gardner dkk (1991)

menyebutkan bahwa prokariot melakukan regulasi gen tertentu dalam rangka

merespon sinyal-sinyal lingkungan. Dalam mempelajari mekanisme pengendalian

ekspresi genetik pada prokariot, organisme yang paling banyak digunakan adalah

E.coli. Bakteri ini memiliki >3000 gen yang berbeda dan sekarang genom jasad

ini telah selesai dipetakan dan diketahui urutan nukleotidanya secara lengkap

(Yuwono, 2008).

Tidak semua gen pada genom E.coli diaktifkan pada saat yang bersamaan

karena keadaan ini akan menguras energi seluler dan selanjutnya menghambat

pertumbuhan sel (Yuwono, 2008; Corebima, 2002). Karenanya menghentikan

ekspresi gen yang produknya sedang tidak dibutuhkan merupakan cara yang

efisien untuk menghemat energi sel. Ekspresi gen sendiri dapat diregulasi pada

berbagai tingkatan, misalnya transkripsi, pemrosesan RNAd, translasi, atau fungsi

enzim. Namun khusus organisme prokariotik regulasi yang sering ditemukan

adalah pada tingkat transkripsi (Corebima, 2002).

Pada organisme prokariot ada 2 jenis mekanisme regulasi ekspresi gen.

Pertama adalah ekspresi gen secara konstitutif, yaitu gen yang selalu

diekspresikan dalam keadaan apapun (Yuwono, 2008). Contoh ekspresi konstitutif

adalah pada ekspresi gen-gen RNAr, gen-gen protein ribosom dan gen RNAt

(Corebima, 2002), yakni gen yang bertanggungjawab terhadap metabolisme dasar,

misalnya metabolisme energi atau sintesis komponen-komponen seluler (Yuwono,

2008). Dan yang kedua adalah mekanisme regulasi induktif , yaitu gen yang

hanya diekspresikan pada kondisi lingkungan tertentu atau ada proses induksi

(Yuwono, 2008). Sedangkan menurut Corebima (2002), terkait dengan regulasi

transkripsi pada prokariot, mekanisme regulasi dapat dikelompokkan menjadi 2

kategori. Pertama, mekanisme gen yang di-turn on-turn off. Hal ini dilakukan

sebagai respon terhadap perubahan lingkungan. Pada prokariot yang sering

1

terekspos langsung dengan lingkungan yang seringa berubah-ubah, mekanisme ini

memiliki peranan yang sangat penting. Kedua, jalur ekspresi gen terprogram.

Pada mekanisme kedua ini, ekspresi dari satu perangkat gen merangsang

peningkatan transkripsi pada unit/perangkat gen berikutnya secara berurutan

(terprogram). Dari data yang ditemukan, urutan tersebut bersifat siklik. Misalnya

diamati pada infeksi virus, langkah pengaktifan gen-gen tertentu pada satu sel

yang telah terinfeksi hingga sel bakteri tersebut lisis, serupa dengan langkah

pengaktifan gen-gen pada sel lainnya yang mengalami infeksi baru.

Model Operon

Proses regulasi induksi dan represi ekspresi gen terjadi dalam lingkup

fungsional perangkat gen yang disebut mekanisme model operon. Operon adalah

unit lengkap ekspresi gen yang terletak berdampingan, terdiri dari gen struktural,

urut-urutan operator, serta promoter (Corebima, 2002). Yuwono (2008)

mendefinisikan operon sebagai gen struktural yang diekspresikan secara bersama-

sama dengan menggunakan satu promoter yang sama. Pada prokariot memang

seluruh gen struktural yang menjadi bagian dari satu operon ditranskripsikan

bersama sehingga hasil RNAd-nya disebut polygenic mRNA atau policystronic

mRNA (Russel, 1992 dalam Corebima, 2002). Oleh Gardner dkk (1991) gen-gen

struktural tersebut dikatakan coordinately expressed (Corebima, 2002). Contoh

model operon dapat dilihat pada Gambar 1.

Transkripsi satu atau seperangkat gen struktural pengkode polipeptida

yang berdekatan berdampingan diregulasi oleh 2 elemen pengontrol, yaitu gen

regulator/gen represor dan operator. Gen regulator mengkode suatu protein yang

disebut represor. Represor nantinya akan berikatan dengan operator. Ikatan antara

operator dengan represor menyebabkan RNA polimerase tidak dapat berikatan

dengan tapak promoter sehingga gen struktural tidak dapat diekspresikan

(ditranskripsikan). Regulasi transkripsi dimana kerja represor menghentikan

transkripsi gen-gen struktural disebut sebagai negative control system. Sednagkan

pada positive control system, kerja produk gen regulator justru mendorong

berlangsungnya proses transkripsi gen-gen struktural.

2

Gambar 1. Salah satu contoh model operon pada E. coli (sumber:

http://images.google.co.id/imgres?imgurl=http://liin88.files.wordpress.com/

2008/09/lac-operon1.gif&imgrefurl=http://liin88.wordpress.com/2008/09/26/apa-

itu-operon/

&usg=__bduCGSLKjqLlV3NdFm_ptmijzio=&h=499&w=500&sz=22&hl=id&st

art=1&um=1&tbnid=_EqT6omOTQGqLM:&tbnh=130&tbnw=130&prev=/

images%3Fq%3Doperon%2Blac%26hl%3Did%26sa%3DX%26um%3D1)

Pengikatan represor-operator ditentukan oleh keberadaan molekul efektor,

seperti misalnya gula dan asam amino. Molekul efektor yang mengaktifkan suatu

ekspresi gen disebut sebagai induser. Model ini terjadi pada model operon

induksi. Induksi adalah proses dimana ekspresi gen diaktifkan sebagai respon

terhadap keberadaan/kehadiran suatu zat dalam lingkungan. Gen-gen yang

ekspresinya diregulasi menggunakan model ini disebut gen-gen inducible dan

produknya, jika berupa enzim, disebut sebagai enzim inducible. (catatan: Pada

regulasi induksi ini, yang diinduksi adalah reaksi transkripsi gen-gen pengkode

enzim yang dibutuhkan pada proses katabolisme sehingga mengubah laju sintesis

enzim, bukan mengubah aktivitas molekul enzim yang sudah ada).

Molekul efektor yang menekan ekspresi suatu gen disebut sebagai

repressor (Yuwono, 2008), atau untuk membedakannya dengan protein repressor,

Corebima (2002) menyebutnya sebagai co-repressor. Model ini terjadi pada

3

model operon represi. Represi adalah proses dimana ekspresi gen dinonaktifkan

sebagai respon terhadap keberadaan/kehadiran suatu zat dalam lingkungan.

Contohnya pada regulasi enzim pembentuk asam amino triptofan yang dapat

disintesis sendiri oleh bakteri. Sintesis asam amino ini akan dihentikan apabila

jumlah triptofan dalam sel banyak. Enzim-enzim yang bekerja dalam jalur

anabolik seringkali mengalami regulasi represi. Namun pengertian regulasi represi

jangan dibaurkan dengan feedback-inhibition karena dalam hal ini bukan aktivitas

enzim yang dibicarakan melainkan kecepatan sintesisnya.

Perbedaan antara operon induksi dan operon represi dapat dilihat dari

ikatan represor-efektor dengan operator. Pada operon induksi, represor hanya

dapat berikatan dengan operator tanpa efektor. Sehingga keberadaan efektor, akan

menghalangi pengikatan represor pada operator. Akibatnya, operator yang bebas

ini memungkinkan RNA polimerase berikatan pada tapak promoter dan akhirnya

mentranskripsi gen struktural. Sedangkan pada operon represi, represor hanya

dapat berikatan dengan ooperator apabila berikatan dengan efektor. Akibatnya

keberadaan efektor memungkinkan pengikatan represor pada operator. Operator

yang tidak bebas, akan menghalangi RNA polimerase berikatan pada tapak

promoter dan akhirnya transkripsi gen struktural akan berhenti. Regulasi

transkripsi, baik induksi maupun represi pada mekanisme model operon bersifat

negative control system, karena represor yang menempel pada operator

menghentikan transkripsi.

Regulasi Transkripsi Induksi

Salah satu contoh regulasi transkripsi yang bersifat induksi adalah

mekanisme lactose operon (lac operon). Struktur lac operon terdiri dari promoter,

satu operator dan 3 gen struktural: gen z (pengkode β-galaktosidase), y (pengkode

β-galaktosidase permease), dan α (pengkode β-galaktosidase transasetilase). β-

galaktosidase permeaseberfungsi untuk memompa laktosa ke dalam sel, laktosa

selanjutnya dipecah menggunakan enzim β-galaktosidase menjadi glukosa dan

galaktosa. Peran β-galaktosidase transasetilase belum diketahui. Gen regulator

berupa gen i, yang mengkode represor seukuran 360 asam amino (Corebima,

2002).

4

Inducer dalam lac operon adalah allolactose, derivat laktosa karena

pengaruh enzim β-galaktosidase. Enzim ini berada dalam lingkungan sel, karena

sejumlah kecil molekul produk gen struktural z, y, dan α disintesis dalam kondisi

operon belum terinduksi pada tingkat aktivitas enzim yang rendah sehingga selalu

berada di lingkungan. Inducer akan mengikat represor, sehingga represor tidak

dapat berikatan dengan operator, sehingga membuka tapak promoter untuk

ditempeli oleh RNA polimerase dan akibatnya gen struktural dapat

ditranskripsikan. (lihat gambar 2 dan 3)

Gambar 2. Mekanisme lac operon (sumber:

http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/gene/c8.18x4a.lac.operon.jpg)

Gambar 3. Induksi lac operon (sumber:

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/images/induction.gif)

5

Keberadaan gen i, operator dan promoter diketahui melalui ditemukannya

mutan-mutan yang diisolasi dalam daerah-daerh itu. Mutasi yang terjadi pada

daerah gen regulator (i) dan operator (o) seringkali berakibat pada sintesis enzim-

enzim katabolisme laktose secara terus menerus, yakni pada mutan tipe genotipe

i+ocz+y+a+/i+o+z-y-a-. Setelah diselidiki dan dibandingkan dengan mutan pada i (i-),

ternyata mutasi pada i- tidak menyebabkan perubahan. Sehingga oc-lah (mutan

operator) yang diduga menimbulkan ekspresi gen struktural yang konstitutif. Dari

fenomena itu kesimpulan yang diambil adalah bahwa gen i mengkode produk

yang mampu berdifusi mempengaruhi ekspresi gen-gen struktural dan operator

merupakan tapak pengikatan (represor) dan sama sekali tidak menghasilkan

produk. Mutan lainnya adalah mutan i-d yang menyebabkan represor yang

dihasilkannya tidak mampu berikatan dengan operator, dan mutan is yang

menyebabkan lac operon menjadi tidak inducible. Sementara itu mutasi promoter

tidak mengubah potensi lac operon untuk terinduksi, namun mengubah tingkat

ekspresi gen saat terinduksi dan tidak terinduksi. Promoter lac memiliki 2

komponen: tapak pengikatan RNA polimerase, dan tapak pengikatan protein

CAP.

Kontrol positif lac operon oleh CAP dan cAMP.

Glukosa merupakan sumber energi utama sel bakteri. Bila ada glukosa,

maka tidak terjadi operon lac atau operon ara, dll. Disebut represi katabolit atau

efek glukosa. Represi katabolit terjadi melalui kontrol positif transkripsi oleh

suatu protein regulator CAP (catabolite activator protein) dan molekul cAMP

(cyclic AMP). CAP juga dapat disebut sebagi protein repressor cAMP. Kompleks

CAP dan cAMp (efektor) berikatan pada tapak di daerah promoter lac. CAP

hanya dapat berikatan pada tapak apabila ada cAMP. cAMP merupakan molekul

yang sensitif terhadap glukosa. Kadar glukosa yang tinggi akan menurunkan

konsentrasi cAMP. Dengan demikian cAMP akan banyak terdapat pada sel yang

kekurangan glukosa. cAMP yang berikatan CAP dan kemudian mengikat pada

tapak promoter berperan sebagai positive control system untuk lac operon.

6

Regulasi Transkripsi Represi

Contoh sistem regulasi transkripsi represi pada bakteri adalah tryptophan

operon (trp operon). Operon ini berukuran ± 7010 bp. Terdiri dari regulator (trp

R) yang terletak relatif jauh dari operon trp, promoter 1 (p1) dan gen struktural.

Terdapat 5 jenis gen struktural: trp E, trp D, trp C, trp B, dan trp A. Seluruh

daerah operator trp terletak dalam daerah promoter 1. Daerah promoter i menjorok

masuk ke dalam daerah trp L sejauh 18 bp. Selain p1, terdapat pula promoter yang

lebih lemah disebut p2 pada ujung distal trp D dari arah operator 1. Kerja p2

meningkatkan sedikit basal transkripsi konstitutif trp C, trp B dan trp A. Pada

sistem operon ini juga ditemukan 2 urutan terminasi transkripsi (t dan t’) yang

terletak di hilir trp A; dan adanya daerah dalam trp i yang disebut attenuator (α)

yang menjalankan suatu tingkat kontrol kedua tahap ekspresi operon trp.

Pada saat tidak ada triptofan (co-repressor), maka repressor tidak dapat

berikatan dengan operator, akibatnya promoter bebas untuk ditempeli oleh RNA

polimerase dan selanjutnya terjadi transkripsi gen-gen struktural. Kondisi ini

berkebalikan bila ada triptofan yang akan berikatan dengan represor, sehingga

represor dapat menempel pada operator.

Laju transkripsi trp saat tidak ada trp 70 kali lebih tinggi dibanding laju

transkripsi saat ada trp. Yang lebih menarik, pada mutan trp R yang tidak dapat

membuat represor, laju transkripsi juga dapat berkurang (lebih rendah 10 kali

dengan penambahan trp ke dalam medium). Hal ini diduga berkaitan dengan

tingkat regulasi ekspresi operon trp yang ke-2 yang disebut attenuasi. Attenuasi

terjadi karena terminasi transkripsi yang diperantarai trp di daerah trp L (leader

RNAd) operon. Terminasi transkripsi operon trp yang prematur ini terjadi bila ada

tRNAtrp yang sudah bermuatan trp. Terminasi ini mengakibatkan hasil transkripsi

urut-urutan leader hanya sepanjang 10 nukleotida.

Daerah attuenuator memiliki suatu urutan pasangan nukleotida yang secara

esensial identik dengan sinyal terminasi transkripsi yang ditemukan di ujung

kebanyakan operon bakteri, termasuk operon trp. Sinyal ini mengandung

palindrom yang kaya GC dan diikuti oleh beberapa pasang basa AT. Transkrip

sinyal terminasi ini menghasilkan sebuah RNA (nascent) yang berpotensi

7

membentuk suatu struktur jepit rambut, sehingga proses transkripsi akan berhenti.

Urutan RNAd (kodon) polipeptida penyusun enzim sintesis trp yang akan

ditranlasikan terdiri dari urutan asam-asam amino dan kemudian stop kodon. Pada

saat tidak ada trp, ribosom akan berhenti sejenak pada kodon pengkode trp

sehingga memberi kesempatan bagi terbentuknya perpasangan basa antara urutan

leader di posisi nukleotida 74-75 dan 118-119 yang mencegah terbacanya stop

kodon dan menghalangi pembentukan struktur jepit rambut. Sedangkan bila ada

trp, maka ribosom tidak berhenti menunggu RNAt pembawa trp, sehingga stop

kodon (UGA) terbaca dan transkripsi menjadi berhenti.

Gambar 4 . struktur trp operon pada E.coli memperlihatkan fungsi attenuator (sumber:

http://www.mcat45.com/images/trp-operon-mcat.gif)

8

Gambar 5. Peranan attenuasi pada regulasi trp operon (sumber:

http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc431/prokaryo/trp.gif)

Regulasi Kompleks Operon Ara

Protein regulator utama dari operon ara memperlihatkan efek regulasi

negatif maupun positif terhadap transkripsi gen-gen struktural operon ara. Operon

ara mengandung 3 gen struktural (ara D, ara A dan ara B). Promoter terletak pada

posisi 3’ setelah ara B dan disebut sebagai PBAD. Gen regulator berupa ara C yang

menghasilkan protein regulator (operon ara C). Untuk mensintesis ini diperlukan

promoter Pc. Promoter ini terletak bersisian dengan PBAD. Proses transkripsi

berlangsung bersamaan pada arah yang berlawanan.

Protein ara C berfungsi sebagai represor transkripsi gen-gen struktural ara

B, ara A dan ara D dari promoter PBAD pada saat tidak ada arabinosa. Dan

sebaliknya protein tersebut juga bertindak sebagai regulator positif (aktivator)

terhadap promoter PBAD bila ada arabinosa dan cAMP. Induksi operon ara

bergantung pada 2 protein yaitu araC dan CAP. Tapak pengikatan kedua protein

berada dalam araI, yang terletak di antara ke-3 gen struktural.

Gambar 6. model operon ara (letak gen-gen) (sumber: http://images.google.co.id/imgres?

imgurl=http://www.mun.ca/biochem/courses/3107/images/

ARA_Operon2.GIF&imgrefurl=http://www.mun.ca/biochem/courses/3107/Topics/

Ara_operon.html&usg=__oEpm2H2909qcrWeyaVImS4sLEu8=&h=123&w=309&sz=2&hl=id&s

tart=3&um=1&tbnid=wH7xbgpegYK7zM:&tbnh=47&tbnw=117&prev=/images%3Fq%3Dara

%2Boperon%26hl%3Did%26sa%3DX%26um%3D1) .

Pada tapak pengikatan protein araC terdapat tapak lain yang disebut araO2

(operator 2) yang berfungsi mengontrol transkripsi gen regulator araC yang

dimulai dari PBAD. Sehingga teori yang diterima saat ini adalah protein araC harus

berikatan pada tapak ara1 maupun tapak araO2. Apabila protein araC berikatan

dengan tapak ara1 dan araO2, maka terjadi induksi, sebaliknya maka RNA

polimerase tidak dapat berikatan dengan promoter (represi).

9

Gambar ekspresi ara operon: (a) saat arabinose tidak ada, menyebabkan protein araC berikatan

pada O2 dan araI, mengakibatkan struktur lengkung DNA dan PBAD tidak dapat ditempeli RNA

polimerase; (2) saat arabinosa tinggi, arabinosa berikatan pada araC dan mengubahnya secara

alosterik menginduksinya untuk melekat pada araI. Jika glukosa tidak ada, maka CAP menempati

tapaknya, membantu memecah loop DNA dan membantu araC berikatan dengan araI (sumber:

http://images.google.co.id/imgres?imgurl=http://www.mun.ca/biochem/courses/3107/images/

ARA_Operon2.GIF&imgrefurl=http://www.mun.ca/biochem/courses/3107/Topics/

Ara_operon.html&usg=__oEpm2H2909qcrWeyaVImS4sLEu8=&h=123&w=309&sz=2&hl=id&s

tart=3&um=1&tbnid=wH7xbgpegYK7zM:&tbnh=47&tbnw=117&prev=/images%3Fq%3Dara

%2Boperon%26hl%3Did%26sa%3DX%26um%3D1) .

Represi Profage Lambda selama Lisogeni

Selama lisogeni, gen-gen pengkode produk yang terlibat pada daur litik

akan direpresi. Hal ini dikelola oleh sirkulasi represor-operator-promoter yang

mirip dengan sistem operon pada bakteri. Gen OR akan berikatan dengan 2

operator transkripsi, yaitu OL (arah transkripsi ke kiri) dan OR (arah transkripsi

ke kanan). Kedua operator daerahnya bertumpang tindih dengan promoter.

Adanya represor yang berikatan dengan operator menghalangi terjadinya

transkripsi, karena RNA polimerase tidak dapat berikatan dengan promoter. Pada

fase inilah virus mengalami daur lisogenik.

10

Urut-urutan sementara Ekspresi Gen selama infeksi Fag

Regulasi ekspresi gen selama siklus hidup litik fag bakteri berbda dengan

regulasi switch on-off yang reversibel pada bakteri. Gen-gen virus diekspresikan

mengikuti urutan terprogram secara genetik yang analog dengan urutan ekspresi

gen terprogram pada makhluk hidup tingkat tinggi.

Mekanismenya secara umum adalah: perangkat gen fage, disebut gen-gen

awal, ditranskripsikan segera setelah infeksi. Produknya menghambat ekspresi

gen awal, namun memicu ekspresi gen-gen yang berikutnya. Ekspresi gen yang

berurutan ini dikontrol dengan cara memodifikasi spesifitas promoter RNA

polimerase melalui sintesis sebuah RNA polimerase baru atau melalui

penambahan RNA polimerase sel inang yang diinduksi fage.

Pada fage T7: gen awal ditranskripsi oleh RNA polimerase E.coli RNA

polimerase T7 mentranskripsi seluruh gen T7 yang mengkode protein

struktural T7, lisozim, dll)

Pada fage Bacillus subtilis SP01: gen awal SP01 ditranskripsi oleh RNA

polimerase B. subtilis polipeptida yang berikatan dengan RNA polimerase

inang dan mengubah spesifitasnya sehingga dapat digunakan untuk mentraskripsi

gen tengah SP01 polipeptida yang berikatan dengan RNA polimerase inang dan

mengubah spesifitasnya sehingga dapat digunakan untuk mentraskripsi gen akhir

SP01

Pada fage T4: seperti pola ekspresi fage B. subtilis SP01, namun modifikasi

RNApolimerase inang yang lebih kompleks.

11

Daftar Rujukan

Corebima, A. D. 2002. Genetika Diktat kuliah. Jurusan Biologi. Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Malang: Universitas Negeri

Malang.

Gardner, E.J., Simmons, M.J. and Snustad, D.P. 1991. Principles of Genetics. 8th

ed. John Wiley & Sons: New York.

Yuwono, T. 2008. Biologi Molekular. Penerbit Erlangga: Jakarta.

12