PENGENDALIAN GEN TRANSKRIPSIONAL



Seorang petani, yang menanam jagung diladang akan sangat kaget kalau tanaman yang ditanamnya bersamaan, menghasilkan tanaman-tanaman yang waktu berbunganya berbeda-beda. Ia tentunya tidak dapat memanen tanamannya secara bersamaan. Mengapa demikian?

Jika ternyata sang petani memang menanam benihnya dari campuan berbagai varietas, maka hal ini dapat dengan mudah dipahami sumber permasalahannya. Namun andaikan bahwa petani menanam varietas yang sama pada lingkungan tumbuh yang homogen. Berapa besar kemungkinan bunga-bunga itu akan bermunculan pada waktu yang berbeda-beda? Dalam kenyataannya, sang petani begitu yakin bahwa tanamannya akan berbunga, bertongkol dan panen pada umur-umur tertentu dan bersifat serempak. Peluang untuk menyimpang dari umur yang telah ditentukan sangatlah kecil, atau secara praktis tidak ada.

Kepercayaan petani tersebut dari sudut pandang pengendalian aktifitas gen sangatlah beralasan bahwa “munculnya kuncup bunga tanaman jagung merupakan proses yang sangat terkendali. Informasi genetika yang menentukan waktu berbunganya jagung diaktifkan setelah jagung mencapai umur tertentu.

Cerita tentang pembungaan jagung di atas hanyalah sebuah contoh dari keteraturan-keteraturan umum yang ada dalam sistem-sistem biologi. Keteraturan yang ada itu diperoleh oleh sistem-sistem biologi dalam kurun waktu evolusi yang sangat panjang, yang memberikan kepada organisme tertentu suatu keuntungan relatif agar bisa bertahan hidup dari satu generasi ke generasi berikutnya.

Secara prinsipil, berbagai pola pengendalian aktifitas gen pada sistem-sistem biologi ditujukan untuk mengontrol empat hal berikut: (1) Kapan, (2) Dimana, (3) Berapa banyak, dan 4) Bagaimana pola koordinasi pengendalian antar gen. Namun sebagaimana telah dijelaskan pada bab-bab sebelumnya bahwa ekspresi gen berlangsung melalui tahapan-tahapan transkripsi dan translasi, maka pengendalian aktifitas gen yang ditujukan/atau berpengaruh pada keempat hal tersebut di atas dapat berlangsung pada tahapan-tahapan transkripsi, pasca transkripsi, translasi, dan pascatranslasi.

Pada organisme prokariotik, aktifitas gen terutama dikendalikan pada tahapan transkripsi, dengan beragam pola pengendaliannya, yaitu: (1) Pengendalian Aktifitas Gen pada Tahapan Inisiasi Transkripsi: interaksi promotor-RNA polymerase; (2) Operon; (3) Pengendalian Aktifitas Gen melalui Struktur RNA: Terminasi dan Antiterminasi; (4) Pengendalian fase litik dan lisogenik pada infeksi bakteriofage. Pada organisme eukariotik, karena DNAnya dipackage bersama-sama oleh protein histon sebagai nukleosom, posisi DNA terhadap nukleosom merupakan target penting pengendalian ekspresi gen.


Pengendalian Aktifitas Gen pada Tahapan Transkripsi

Dalam proses transkripsi, salah satu pilin dari pilin ganda DNA yang mengandung satuan transkripsi disalin kedalam urutan spesifik RNA. “Disalin” disini berati bahwa gen yang berada dalam urutan asam nukleat DNA disalin ke dalam urutan basa nukleat RNA. Pilinan DNA yang menjadi sumber penyalinan dinamakan “cetakan” (template) sedangkan pilinan komplementernya, yang karena merupakan representasi urutan RNA yang dihasilkan dari proses menyalin, disebut “rantai pengkode” (coding strand) (Lihat Ilustrasi).

Sintesis RNA dipercepat reaksinya oleh enzim RNA polymerase. Transkripsi dimulai ketika enzim tersebut berinteraksi dengan suatu daerah khusus berlokasi di pangkal suatu gen. Daerah khusus ini disebut promotor. Promotor melingkupi (surrounds) pasangan basa pertama yang akan disalin ke dalam urutan RNA, dan oleh karenanya disebut titik pengawalan (startingpoint). Dari titik ini, enzim RNA polymerase bergerak sepanjang rantai cetakan, mensintesis RNA, sampai mencapai suatu urutan pengakhiran (terminator). Mulai dari titik pengawalan transkripsi sampai pada pengakhiran adalah satuan transkripsi. Dari sekali proses penyalinan informasi dari titik pengawalan ke titik pengakhiran dihasilkan satu molekul tunggal RNA, yang dapat mengandung satu atau lebih gen.

Urutan DNA sebelum satuan transkripsi disebut daerah hulu (upstream), sedangkan daerah setelah titik pengawalan disebut daerah hilir (downstream). Arah transkripsi bergerak dari daerah hulu ke daerah hilir searah dengan biosintesis RNA dari ujung 5’ ke ujung 3’. Pasangan basa pengawalan transkrispi ke arah hilir biasanya ditandai dengan bilangan + dan diawali dengan +1 dari titik pengawalan. Sebaliknya pasasangan basa sebelum titik berangkat ditandai dengan bilangan negatif dan dimulai dengan -1 dan menjadi semakin negatif kearah hulu.

Hasil pertama dari proses penyalinan satuan transkripsi adalah transkrip primer. Transkrip ini memiliki ujung 5’ dan ujung 3’ dan bersifat sangat tidak mantap, sehingga sulit dikarakterisasi secara in vivo. Pada prokariotik, molekul ini dengan cepat dihancurkan (mRNA) atau dipotong menjadi molekul yang matang (rRNA dan tRNA). Pada eukariotik, transkrip primer dimodifikasi di kedua ujungnya (mRNA) dan/atau dipotong menghasilkan molekul yang matang untuk semua tipe RNA (mRNA, rRNA, dan tRNA).

Transkripsi secara ekslusif dikerjakan oleh RNA polimerase, namun demikian gen ditranskripsi bukan tanpa diskriminasi oleh enzim tersebut. Protein-protein lain, yang disebut faktor transkripsi, bertindak mengatur transkripsi. Mereka menentukan apakah suatu gen siap ditranskripsi atau tidak.

Transkripsi merupakan tahapan utama suatu gen dikendalikan. Tahap pengawalan merupakan titik kritis bahkan untuk beberapa gen merupakan satu-satunya titik pengendalian apakah suatu gen akan ditranskripsi atau tidak. Namun karena tahapan transkripsi itu sendiri terdiri dari beberapa tahapan, sejumlah tahapan itu dapat menjadi titik-titik pengendalian transkripsi.

Ada dua hal penting yang patut diperhatikan sehubungan dengan pengendalian transkripsi: (1) Bagaimana RNA polimerase menemukan daerah promotor dan protein-protein lain melakukan pengikatan spesifik dengan urutan tertentu basa nukleotida di daerah promotor; (2) Bagaimana protein-protein regulator berinteraksi dengan RNA polimerase dan dengan protein pengatur yang lain mengaktifkan atau merepresi tahapan-tahapan spesifik dalam pengawalan, pemanjangan, dan pengakhiran dari tahapan-tahapan transkripsi?


Interaksi promotor-RNA polymerase pada prokariotik

Transkripsi berlangsung pada gelembung transkripsi, di daerah mana DNA untuk sementara membentuk dua rantai tunggal. Salah satu rantai, oleh RNA polimerase digunakan sebagai cetakan. Sambil RNA polimerase bergerak sepanjang DNA menyalin/mengimlah urutan spesifik DNA ke dalam urutan spesifik molekul baru RNA (sintesis RNA), gelembung tersebut juga bergerak bersama. RNA yang baru dibentukpun semakin panjang.

Bergeraknya gelembung transkripsi bersamaan dengan gerakan maju RNA polimerase karena sambil RNA polimerase bergerak sepanjang DNA cetakan, iapun turut mendenaturasi pilin ganda DNA dibagian depan gelembung dan merenaturasi kembali dibagian belakang gelembung. Panjang gelembung transkripsi kurang lebih 18 pb, tetapi panjang daerah hibrida RNA-DNA di dalam gelembung itu lebih pendek. Pandangan klasik, melalui pembuktian tidak langsung, adalah sekitar 12 pb, walaupun belum pernah diukur secara langsung. Bukti yang lebih baru menunjukkan bahwa basa pada RNA sedekat 3 pb dari titik pemanjangan dapat dipotong oleh ribonuklease yang mengenal RNA rantai tunggal. Dengan demikian, RNA masih berasosiasi dengan DNA hanya sepanjang 2-3 basa dari titik pertumbuhan rantai, setelahnya RNA berikatan sangat kuat dengan RNA polimerase. Jadi hibrida RNA-DNA sangat pendek, bersifat sementara, dan hanya cukup untuk memberikan stabilitas bagi reaksi reaksi perpasangan basa yang menentukan spesifitas penambahan nukleotida diujung pemanjangan RNA.

RNA polimerase bakteri memiliki ukuran ~90 x 95 x 160Å. Pada Yeast ukurannya lebih besar (~140 x 136 x 110Å). Analisis struktural menunjukkan bahwa keduanya memiliki kesamaan, yaitu bahwa terdapat suatu saluran atau alur dipermukaan protein dengan lebar 25 Å dan kedalaman 5 – 10Å, yang dapat saja sebagai alur lintasan DNA. Panjang alur dapat menampung 16 pb pada enzim bakteri, dan 25 pb pada enzim yeast, namun panjang demikian hanya merepresentasi sebagian dari seluruh DNA yang terikat selama transkripsi berlangsung. Dibagian yang melintang alur tersebut terdapat alur lain yang lebih sempit berukuran lebar 12 - 15 Å dengan kedalaman ~20 Å, yang dapat menampung molekul RNA.

Enzim RNA polimerase pertamakali dikenal dari kemampuannya memasukkan nukleotida-nukleotida ke dalam RNA dibawah arahan DNA cetakan. Sekarang, RNA polimerase dilihat sebagai bagian dari suatu alat yang lebih kompleks yang terlibat dalam transkripsi. Kemampuan mengkatalisis sintesis RNA mendefinisikan komponen minimum yang dapat diderskripsikan sebagai RNA polimerase.


Operon

Pengendalian aktifitas gen melalui struktur RNA: Terminasi dan Antiterminasi

Pengendalian fase litik dan lisogenik pada infeksi bakteriofage.







Struktur kristal partikel inti nukleosom pada resolusi 28Å

(Luger et al., 1997)


Modifikasi protein histon yang mempengaruhi ekspresi gen

Histon adalah protein yang terdapat pada inti sel, sebagai bagian struktural kromosom sel-sel prokariotik. Protein histon terdiri atas H2A, H2B, H3, dan H4, mengepak DNA sedemikian rupa sehingga terjadi mampatan dengan faktor kurang lebih 10000 kali. Dalam pengepakan DNA, protein histon membentuk bak’ kelereng yang dililiti oleh benang-benang DNA. Modifikasi protein histon yang mempengaruhi ekspresi gen

Asetilasi/deasetilasi

Fosforilasi

Metilasi (Methylation)

Ubiquitilasi (Ubiquitylatyion)

Sumoilasi (Sumoylation)