1,REGULASI EKSPRESI GEN DAN PERKEMBANGANNYA PADA

EUKARIOT

Apabila dilakukan pemeriksaan secara mikroskopik terhadap sel saraf, sel-sel

ginjal, sel hati, sel tulang, maupun sel rambut, dapat ditemukan begitu banyak

perbedaan fenotip dari sel-sel tersebut. Hal ini terjadi karena tidak semua gen

yang ada di dalam nukleus diekspresikan pada sel yang ada di saat yang

sama. Bahkan, pada differensiasi sel-sel eukariot tingkat tinggi, hanya

sebagian kecil (kurang dari 10 %) dari gen yang diekspresikan pada beberapa

jaringan. Namun, jawaban yang lebih rinci dari pertanyaan ini muncul lebih

cepat pada kasus lalat buah Drosophila melanogaster dan cacing kecil

Caenorhabditis elegans. 

Adanya regulasi gen membuat masing-masing kelompok gen menghasilkan

jaringan ataupun organ yang sesuai dengan masing-masing individu.

Misalnya, pada lalat buah, nantinya akan akan memiliki organ yang sesuai

ditempat yang tepat, seperti antena dan mata di kepala, kaki dan sayap di

toraks, dan organ genital di abdomen. Tetapi, mutasi pada kunci regulasi gen

dapat merusak bentuk normal dari perkembangan hingga menghasilkan lalat

buah yang memiliki struktur seperti kaki pada tempat dimana seharusnya

terdapat antena. Dengan kata lain, ekspresi dari gen diatur dan koordinasi

regulasi dari ekspresi gen bertanggung jawab terhadap keanekaragaman sel

yang berkembang selama perkembangan tumbuhan dan hewan tingkat tinggi.

2.Differensiasi Selular pada eukariotik Tingkat Tinggi

    Selama perkembangan eukariot tingkat tinggi, sel zigot mengalami

pembelahan mitosis dan membentuk tipe-tipe sel dengan morfologi yang

berbeda. Tipe ini sangat terspesialisasi dan hanya memiliki fungsi metabolik

tertentu. Misalnya, sel darah merah terspesialisasi untuk sintesis dan sebagai

tempat untuk menyimpan hemoglobin. Contoh lainnya yaitu sel-sel saraf yang

mampu mensintesis neurotransmiter. Melalui mekanisme apa sel-sel tersebut

berdeferensiasi satu sama lain selama pertumbuhan dan perkembangan

suatu organisme? Melalui mekanisme apa ekspresi gen-gen neurotransmiter

di neuron dan rendahnya ekspresi ggen-gen ini pada tipe sel lainnya dapat

terjadi?

    Satu-satunya jawaban definitif atas pertanyaan ini yaitu bahwa ekspresi

gen-gen ini dikontrol, setidaknya pada tingkat transkripsi. Molekul-molekul

RNAd hemoglobin dijumpai pada sel-sel darah merah, tetapi tidak dijumpai

ditipe sel lainnya yang tidak mensintesis hemoglobin. Diferensiasi terjadi

melalui regulasi ekspresi gen, dibandingkan melalui perubahan komposisi

genom. Misalnya pada sel darah merah mamalia, nukleus dari sel darah

merah ini dibuang pada tahap akhir diferensiasi, sehingga nukleus tersebut

dibutuhkan hanya dalam waktu yang tidak lama.

         Selama perkembangan tanaman dan hewan, ekspresi gen kelihatannya diregulasi pada beberapa level yang berbeda, yaitu pada saat transkripsi, pemprosesan pre-mRNA, stabilitas mRNA, translasi, pemprosesan protein post translasi, stabilitas protein dan fungsi enzim. Akan tetapi, data yang ditunjukkan saat ini bahwa ekspresi gen pada dasarnya diregulasi pada level transkripsi dan pemprosesan pre-mRNA. Jelasnya, regulasi juga terjadi pada level- level lainnya. Regulasi pada level translasi adalah hal yang penting untuk kontrol keseluruhan proses metabolik pada makhluk hidup. Akan tetapi, mekanisme regulasi yang memiliki efek terbesar terhadap fenotip yaitu pada level transkripsi dan pemprosesan DNA. Beberapa proses perkembangan pada eukariot tinggi dikontrol melalui preprogrammed circuis of gene expression. Dalam hal ini, beberapa peristiwa (misalnya pelepasan hormon dalam aliran darah atau fertilisasi telur) akan

merangsang ekspresi sekelompok gen tertentu. Hasil dari satu atau lebih gen-gen ini merupakan fungsi dari turning off transkripsi dari sekelompok gen-gen pertama, dan atau turning on transkripsi dari sekelompok gen kedua, dan begitu seterusnya.         Pada eukariot, hormon-hormon dapat merangsang ekspresi sekelompok gen. Selain itu, gen- gen regulatori juga dilibatkan dalam pengontrolan pola-pola diferensiasi. Dalam beberapa kasus, elemen regulatori disebut sebagai “enhancers” dan “silencers” yang mengatur ekspresi gen dari promoter terdekatnya. Akan tetapi, ertanyaan tentang bagaimana enhancer dan silencer bekerja dalam mengontrol ekspresi gen masih harus diteliti lebih lanjut.  

3.Contoh-contoh Neoklasikal Perkembangan Regulasi Ekspresi Gen

    Gambaran mengenai transkripsi pada kromosom lampbrush dan amplifikasi gen-gen RNA ribosomal pada oosit amphibi merupakan dua contoh penting terkait peristiwa regulasi ekspresi gen yang mendahului teknologi DNA rekombinan. 

4. Populasi gen transkripsi adalah divergen pada perbedaan tipe sel

Pada eukaryote hanya sebagian kecil genom yang di representasikan antara molekul RNA pada banyak jenis sel. Hal ini di demontrasikan oleh RNA-DNA saturation hybrodation experiment “eksperimen hibridasi kejenuha RNA-DNA ”

· RNA di ekstrak dari sel-sel tertentu dan dibolehkan untuk dihibridasi dengan DNA inti total (denaturated)

· RNA di tambahkan pada reaksi hibridasi yag berlebih (relative pada kosentrasi DNA) sehingga semua squens komplementari DNA pada sequence direpresentasikan antara populasi RNA yang membentuk RNA-DNA hybrid.

· Penyediaan bagian genom yang ditunjukkan oleh squens populasi mRNA pada jenis sel tertentu.

· Hasilnya : kurang dari 10 % dari DNA pada genom di representasikan antara molekul mRNA pada sitoplasme dari satu jenis sel. Contoh

* Pada mencit, 2 sampai 5 % sequence DNA direpresentasikan oleh adanya mRNA pada sel hati.

* Pada sel-sel otak banyka terdapat macam RNA transkrip

* Pada kodok xenopus, 8 % sequence DNA direprentasikan oleh mRNA sel otak. mRNA dari oost xenopus pada sisi lain terdiri dari sequence homolog kurang dari 1 % sequence DNA. Hal ini benar oleh karena itu mayoritas

sequence DNA pada genom eukariot yang lebih tinggi tidak direpresentasikan antara mRNA pada satu jaringan atau satu jenis sel.

Perbedaan set gen yang dijelaskna dan perbedaan trnaskrip primer diproses dalam mRNA pada perbedaan jenis diferensiasi sel. Biasanya bebrapa gen yang sama dan beberapa gen yang berbeda dijelaskan pada perbedaan jaringan. Ha ini didemonstrasika pada eksperimen RNA-DNA hibridasi kompetitif “RNA-DNA competitive hybridation experiment ” satu ukuran jumlah radioaktiv yang diberi label

1. RNA dari satu jenis sel yang hybrid pada DNA genom total

2. Pada tmpat yang tidak ada radioaktiv RNA dari jenis sel yang kedua.

Jika kedua jenis terdiri dari populasi RNA yang berbeda, jumlah yang sama dari populasi RNA yang diberi label akan bersilangan dengan DNA dengan ada tidaknya RNA pelngkap. Jika keduanya overlap, jumlah dari RNA hidrib akan dukurangi pada bagian tingkat overlap (pengurangan pada bagian equal ke bagian dari sequence RNA yang diberikan).

Eksperimen ini mengindikasikan bahwa sequence RNA ada ada populasi RNA yang diambil dari jaringan yang berbeda atau jeni sel yang berbeda (10-100%). E.davidson dan koleganya mendeteksi tdak adanya mRNA pda oosit dan blastula dari xenopus leavis. Pada hati mencit, dan sel-sel ginjal terdiri dari kelompok mRNA diperkirakan berbeda pada komposis sequence antara 15-70 %. Mereka mengindikasikan bahwa perbedaan set-set gen dijelaskan dan perbedaan transkrip diproses dalam mRNA pada jenis sel yang berbeda.

90 % sequence DNA tidak direpresentasikan antara populasi mRNA, ada hipotesis bahwa gen eukariot dikemas dalam kromatin pada representasi nonspesifik, dan bahwa regulasi transkripsi dan atau proses traskrip terjadi oleh mekanisme positif activator gen tertentu. Aktiavtor ini dipicu untuk mengatur transkrip gen tertentu. Pada beberapa kasus, aktivasi diketahui melibatkan sequence cis-acting regulator yang disebut enhancers. Bukti-bukti mengindikasikan bahwa protein kromosomal nonhiston berfungsi sebagai activator transkripsi. Pada kasus lain menyangka bahwa proses regulasi pada RNA transkripsi penting untuk pengontrolan pada diferensiasi mengendalikan pada eukariot.

Histon bertanggung jawab pada kekurangan pada represi nonspesifik dari gen eukariot, protein histon tersebut tidak termasuk dalan histon H1, diketahui menjadi komplek dengan DNA pada nukelosom. Histon-komplexed DNA ditrnaskrip kurang efisien pada sisten trnaskrip in vitro daripDNA sama stelah removal dari histon. Histon yang sama ada pada kromatin jenis yang berbeda dari diferensiasi sel-sel, jadi scientist tpercaya bahwa histon tidak

berfungsi sebagai repressor atu activator transkripsi. Belum lam ini scientist percaya bahwa modifokasi histon seperti phophorilation dan acylation dari kunci asam amino dimasukkan dalam regulasi transkripsi.

5. Regulasi dengan Splicing Alternatif Transkripsi

            Seperti yang telah diketahui pada bagian sebelumnya bahwa regulasi transkripsi memiliki peranan penting dalam mengontrol perkembangan pada organisme eukariot. Hal ini tidak berarti bahwa cara regulasi lain tidak penting. Proses regulasi transkripsi terjadi pada banyak sistem dan terjadi dengan beberapa mekanisme. Regulasi terjadi dengan merubah stabilitas transkripsi, diferensiasi transpot ke sitoplasma, dan dengan diferensiasi translasi dari proses transkripsi (Gardner,1991).            Gen dengan intron yang banyak dapat memberi masalah yang rumit pada mesin splicing. Intron-intron tersebut dapat dihapus secara terpisah maupun kombinasi, bergantung pada interaksi mesin splicing dengan RNA. Jika dua intron berturut-turut dihapus bersamaan, ekson yang terletak diantara intron-intron tersebut juga akan terhapus. Disinilah, mesin splicing memiliki kesempatan untuk mengubah urutan pengkodean RNA dengan menghapusbeberapa eksonnya. Fenomena transkrip splicing RNA dengan cara yang berbedamerupakan cara penghematan informasi genetik. Splicing alternatif transkrip membuatkemungkinan bagi sebuah gen tunggal untuk mengkodekan polipeptida yang berbeda (Snustad, 2012).            Sejumlah contoh dari splicing alternatif telah diketahui. Salah satunya adalah transkripsi dari antena Drosophila yang diketahui mengalami splicing alternatif pada fase embrio dan pupa.

Contoh lain dari splicing alternatif terjadi pada kasus gen tropomiosin dari Drosophiladan hewan verterbrata. Tropomiosin adalah protein yang menengahi interaksi antara aktin dan troponin dan membantu regulasi kontraksi otot. Pada jaringan yang berbeda, otot maupun nonotot, dicirikan dengan kehadiran isoform tropomiosin yang berbeda. Hal ini dapat diartikan bahwa banyak isoform diproduksi dari gen yang sama oleh splicing alternatif (Gardner,1991).            Contoh lain dari splicing alternatif tejadi selama ekspresi gen troponin T, yaitu suatu protein yang ditemukan pada otot skeletal dari vertebrata. Ukuran dari protein ini antara 150-250 asam amino. Pada tikus, gen troponin T terdiri dari 18 exon yang berbeda. Transkripsi pada gen ini displicing dengan cara yang berbeda untuk menghasilkan sejumlah mRNA. Ketika ditranslasi banyak polipeptida troponin T yang dihasilkan. Semua polipeptida membagi asam amino dari ekson 1-3, 9-15, dan 18. Daerah yang tidak dikodekan (4-8) oleh ekson mungkin di berikan atau dihilangkan, bergantung kepada pola splicing dan juga pada banyaknya kombinasi. Susunan mRNA dimediasi oleh spliceosomes (organel inti) (Snustad, 2012).

(Sumber: Snustad, 2012)

Beberapa tipe dari sistem splicing (Lewin,2004):1. Intron dihapus dari pre-mRNA inti dari eukariot tingkat tinggi oleh sebuah sistem yang hanya mengenal urutan konsensus pada batas intron-ekson dan dalam intron. Reaksi ini memerlukan sejumlah alat splicing (spliceosome).

2. RNAs tertentu memiliki kemampuan untuk menghilangan intron mereka.

3. Penghapusan intron dari prekursor inti tRNA yeast melibatkankegiatan enzimatik yang menangani substrat dengan cara yang mirip dengan enzim pemrosesan tRNA yang memiliki fitur penting yang sesuai dengan prekursor tRNA.

Saat ini kita belum dapat mengetahui bagaimana pentingnya penggunaan alternatif splicing yang bisa merubah keseluruhan ekspresi gen. Yang dapat diketahui hanyalah contoh-contoh baru dari penggunaan alternatif splicing transkipsi yang ditemukan hampir setiap hari. Jelasnya, regulasi ekspresi gen oleh control jalan alternatif splicing memiliki mekanisme yang signifikan dalam regulasi pada eukariot tingkat tinggi (Gardner,1991).

Regulasi Ekspresi Gen Jalur Kompleks Pada EukaryoteMenurut R.J. Britten dan E.H Davidson regulasiekspresi gen pada eukaryote

melibatkan banyak gen. Menurut model tersebut sensor  gen memilki binding site yang bersifat spesifik pada satu signal. Ketika suatu sensor gen menerima signal, maka sensor gen akanberinteraksidengan integrator gen menghasilkan activator RNA yang akan berinteraksi dengan sequence khusus pada reseptor gen yang dapat memicu transkripsi yang dekat dengan producer gen.

Model menggunakan lebih dari 1 reseptor gen

(a) 

Model menggunakan lebih dari 1 integrator gen

Pembentukan RNAd pada model 2 Davidson dan Britten adalah di mulai dari gen struktural yang terletak di constitutive transcription units yang akan di transkripsikan pada level basal pada semua sel. Namun transkripsi ini hanya akan di proses pada sel. Transkripsi konstritutif ini hanya di proses pada sel yang mengandung intergrating regulatory transcript.Pada akhirnya akan di transkripsikan sel dengan yang spesifik dan harus ada sebelum hasil transkripsi konstitutif dari gen struktural tersebutdapat di proses menjadi RNAd.

Intergrating regulatory transcript mengandung sekuen repetitif yang berinteraksi dengan hasil transkripsi gen struktural yang berbeda seperti gen intergrator repetitif yang berinteraksi dengan gen-gen reseptor yang berbeda pada model Davidson-Britten yang asli.

6. Mekanisme Regulasi Transkripsi Pada Eukariotik Tingkat Tinggi    Pada E. Coli , holoenzim, RNA polymerase mengandung semua informasi yang dibutuhkan untuk inisiasi transkripsi dengan memberikan sinyal promoter yang sesuai. Akan tetapi RNA polymerase II pada eukariot yang mentrankripsikan sebagian besar gen-gen inti pengkode protein, tidak dapat menginisiasi transkripsi secara tepat dalam keadaan in vitro tanpa adanya penambahan 4 protein asesori/ factor transkripsi pada umumnya. Kebutuhan terhadap transkripsi ini membutuhkan tapak-tapak tambahan regulasi transkripsi lainnya dalam proses regulasi transkripsi. 

7.

Regulasi sirkuit kompleks Gen pada eukariot

Ada beberapa model yang telah dikemukakan oleh beberapa ahli dan salah satu yang

terkenal adalah model yang dikemukakan oleh R.J. Britten dan E.H. Davidson. Model tersebut

mengemukakan bahwa integritas regulasi sekelompok gen-gen structural oleh gen-gen regulator

kompetitif. Model tersebut menghitung sekun DNA kopi tunggal penyela dan sekuen DNA

repetitif. Berdasarkan model Britten dan Davidson, gen-gen sensor spesifik menunjukkan sekuen

pengikatan spesifik. Ketika gen sensor menerima sinyal yang sesuai, mereka akan mengaktifkan

transkripsi gen-gen yang berdekatan.menurut Britten dan Davidson menyatakan bahwa produk

gen integrator merupakan activator RNA yang berintrraksi secara langsung dengan gen-gen

reseptor yang merangsang transkripsi contiguous producer genes (analog dengan gen structural

pada operon prokariotik).

Pembuatan gen-gen reseptor atau gen integrator secara redundan, berbagai macam gen-

gen produser dapar diaktifkan sebagai respon terhadap sinyal yang berbeda. Apabila gen

integrator dan reseptor memang redundan,complex integrated circuits ekspresi gen dapat

mudah ditemukan. Gambaran yang menarik terhadap model Britten dan Davidson bahwa model

ini memberikan alas an yang logis terhadap pola penyela sekuen DNA repetitive dan sekuen

DNA kopi tunggal. Bukti langsung mengindikasikan bahwa sebagian gen sruktural (gen-gen

produser) merupakan sekuen DNA kopi tunggal. Berdasarkan model Britten dan Davidson,

sekuen DNA repetitive yang berdekatan mengandung berbagai macam gen-gen regulator

(sensor, integrator, dan gen-gen reseptor).

Kajian selanjutnya tentang perbadingan kompleksitas antara populasi hnRNA

(Heterogenous nuclear DNA) dan populasi RNAd [ada tipe sel yang berbeda menunjukkan

bahwa hnRNA lebih kompleks daripada RNAd. Hal tersebut menunjukkan bahwa regulasi terjadi

pasca transkripsi selama pemrosesan RNA, yaitu pada tahap hnRNA menjadi RNAd.

Model kedua yang dikemukakan oleh Britten dan Davidson mengemukakan bahwa ekspresi

gen diregulasi pada tingkat pemrosesan RNA. Berdasarkan model ini sebagian gen struktural

berada di constitutive transcription units yang akan ditranskripsikan pada level basal pada semua

sel. Hasil transkripsi konstritutif ini hanya akan diproses pada sel yang mengandung integrating

regulatory transcript yanga akan ditranskripsikan sel dengan cara yang spesifik. Dan harus ada

sebelum hasil transkripsi kontitutif dari gen structural tersebut diproses menjadi RNAd.

Iintegrating regulatory transcript mengandung sekuen repetitive yang berinteraksi dengan hasil

transkripsi gen structural yang berbeda seperti gen integrator spesifik yang berinteraksi gengan

gen gen reseptor berbeda pada model Britten dan Davidson yang asli. Perbedaan utama yaitu

bahwa regulasi terjadi pada post transkripsi selama pemrosesan RNA pada model Britten-

Davidson dan bukan pasa saat transkripsi seperti yang telah dikemukakan pada model yang

pertama.