Ekspresi Gen

BAB III

Ekspresi gen adalah proses penterjemahan informasi yang terkandung pada struktur gen menjadi proses atau pola kehidupan organisme. Gen berperan dalam proses kehidupan melalui pengendalian pembentukan enzim dan protein. Enzim memegang peranan penting dalam kehidupan organisme yaitu sebagai katalisator dalam menjalankan reaksi kimia dalam proses metabolisme selular. Hubungan antara gen dengan protein atau enzim dipelajari oleh Archibal Garrod (1902) yang mengamati penyakit alkaptonuria; Beadle dengan Tatum (1941) mengamati mutan pada kapang Neurospora berhasil menunjukkan bahwa satu gen berhubungan dengan satu enzim, yang dikenal dengan hipotesis satu gen satu enzim.

Gambar 1. Rangkaian ekspresi gen

Ekspresi gen terbagi dalam dua, yaitu transfer informasi genetik dari DNA ke dalam RNA, yaitu trankripsi dan selanjutnya penterjemahan informasi genetik yang terdapat pada RNA ke dalam polipeptida, yaitu translasi. 

TRANSKRIPSI

Transkripsi ialah proses transfer informasi genetik dari ruas DNA ke dalam molekul RNA yang menghasilkan rantai poliribonukleotida dari berbagai monoribonukleotida dengan melibatkan ruas DNA sebagai model cetakannya dan dipandu oleh enzim transkriptase sebagai katalisatornya. Tidak semua gen akan menjadi model untuk molekul protein. Tetapi, semua gen menjadi model dalam pembentukan RNA, yaitu mRNA, tRNA, rRNA dan hanya gen yang menyandikan mRNA yang akan menjadi model dalam pembentukan protein dan enzim.

Terdapat tiga jenis RNA yang dihasilkan dari proses transkripsi:

1.     RNA duta (mRNA). mRNA adalah RNA yang menjadi model cetakan dalam proses penyusunan asam amino pada rantai polipeptida, atau sintesis protein.

2.  RNA tranfer (tRNA). tRNA adalah satu jenis RNA yang mempunyai fungsi menterjemahkan kodon yang terdapat pada mRNA menjadi satu jenis asam amino pada saat berlangsung proses translasi.

3.  RNA ribosom (rRNA). rRNA terlibat dalam proses sintesis protein yaitu sebagai tempat pertemuan mRNA dengan tRNA yang bermuatan asam amino. Ribosom disusun oleh dua subunit yaitu ribosom kecil dan ribosom besar, yang kedua-duanya disusun oleh protein dan rRNA.

Pada proses transkripsi terdapat beberapa perangkat yang diperlukan yaitu: (1) Utas DNA cetakan dalam sintesis RNA dan (2) Transkriptase, ialah enzim polimerase RNA yang berperan mengenali daerah promotor pada DNA untuk membaca utas DNA dan berakhir pada daerah terminator. Terdapat tiga peristiwa penting dalam proses transkripsi yang menentukan ketepatan hasil transkripsi, yaitu: 

1. Promotor dan proses inisiasi transkripsi. Proses ini menentukan apakah suatu gen dapat ditranskripsikan atau diekspresikan dan juga menentukan benar atau tidaknya hasil transkripsi.  Proses ini dimulai dengan pembacaan oleh transkriptase yang dimulai dari tanda awal, promotor, sampai tanda akhir terminator.

2.     Proses sintesis perpanjangan RNA

3.    Terminator dan proses akhir transkripsi. Terminator merupakan rangkaian nukleotida DNA yang merupakan isyarat bagi transkripsi untuk mengakhiri proses transkripsi.

PROSES TRANSKRIPSI PADA PROKARIOT

Tahap insisiasi meliputi empat langkah, yaitu: 1) pembentukan kompleks promoter tertutup, 2) pembentukan kompleks promoter terbuka, 3) penggabungan beberapa nukleotida awal sekiar 10 nukleotida, dan 4) perubahan konformasi RNA polimerase karena sub unit alfa dilepaskan dari kompleks holoenzim. Sub unit alfa akan digunakan kembali dalam proses insisasi transkripsi selanjutnya. Bagian DNA yang terbuka setelah RNA polimerase menempel biasanya terjadi pada daerah sekitar -9 sampai +3 sehingga menjadi struktur untai tunggal. Bagian DNA yang berikatan dengan DNA polimerase membentuk suatu struktur gelembung transkripsi pada sepanjang kurang lebih 17 pasangan basa. Setelah struktur promoter terbuka, selanjutnya RNA polimerase melakukan proses inisiasi transkripsi mengunakan urutan DNA cetakan sebagai model cetakannya. Pada proses transkripsi, nukleotida RNA kemudian digabungkan untuk membentuk transkrip RNA. 

Setelah inisiasi dilanjutkan dengan proses elongasi atau pemanjangan transkripsi. Basa-basa molekul RNA pada gelembung transkripsi akan membentuk hibrid dengan DNA cetakan kurang lebih 12 nukleotida. Hibrid RNA-DNA ini hanya bersifat sementara karena setelah RNA polimerase berjalan, maka hibrid tersebut akan terlepas dan bagian DNA yang terbuka akan menutup kembali. RNA polimerase akan berjalan terus membaca DNA cetakan untuk proses pemanjangan atau elongation untaian RNA. Maksimum molekul transkrip berlangsung dengan laju pemanjangan antara 30 sampai 60 nukleotida per detik. Secara umum suatu gen yang mengkode protein akan disalin menjadi RNA dalam waktu sekitar satu menit. Tetapi laju pemanjangan transkrip memiliki nilai yang rendah (sekitar 0,1 nukleotida perdetik) apabila RNA polimerase melewati bagian yang banyak mengandung basa GC. Proses pemanjangan transkrip nukleotida ditambahkan pada bagian ujung 3’ molekul RNA yang baru terbentuk. Nukleotida RNA yang ditambahkan bersifat komplementer dengan nukleotida pada untaian DNA cetakan. 

Pada proses pemanjangan transkrip terdapat dua hipotesis yang diajukan mengenai perubahan topologi DNA. Hipotesis pertama menyatakan bahwa enzim RNA polimerase bergerak melingkari untaian DNA sepanjang perjalanannya. Keadaan ini dapat menghindari terjadinya pelintiran pada struktur DNA namun untaian RNA yang dihasilkan akan melintir sepanjang untaian DNA. Sedangkan pada hipotesis kedua, menyatakan bahwa enzim RNA polimerase akan bergerak lurus pada sepanjang untaian DNA, keadaan ini menyebabkan RNA yang terbentuk tidak mengalami pelintiran. Untaian DNA yang ada di depan RNA polimerase akan membuka sedangkan DNA yang berada dibelakangnya akan memuntir kembali untuk menutup. Pada proses inisiasi sintesis RNA terjadi pembentukan ikatan fosfodisester antara nukleotida RNA yang satu dengan nukleotida berikutnya. Pembentukan ikatan fosfodiester tersebut akan ditentukan oleh keberadaan sub unit beta pada RNA polimerase. Transkripsi akan berakhir pada saat RNA polimerase mencapai ujung gen yang disebut terminator.

Gambar 2. Proses Transkripsi

Tahap akhir dari transkripsi adalah proses terminasi. Pada bakteri E. Coli ada dua macam terminator, yaitu: 1) terminator yang tidak tergantung pada protein rho (rho dependent terminator), 2) terminator yang tergantung pada protein rho (rho-independent terminator). Protein Rho adalah enzim yang memiliki aktivitas RNA-DNA helikase. Aktivitas tersebut membutuhkan ATP yang digunakan untuk merusak atau mengganggu hibrid RNA-DNA. ATP dihidrolisa oleh protein Rho pada terminasi.

Pengakhiran transkripsi yang tidak tergantung pada fakto rho

Pengakhiran transkripsi yang tidak tergantung pada faktor rho ditentukan oleh adanya urutan nukleotida tertentu pada bagian terminator. Sinyal yang akan mengakhiri transkripsi dengan mekanisme semacam ini ditentukan oleh daerah yang banyak mengandung urutan GC yang dapat membentuk struktur batang dan lengkung (stem and loop) pada RNA dengan panjang sekitar 20 basa disebelah hulu dari ujung 3’ OH dan diikut oleh rangkaian 4-8 residu uridin berturutan. Struktur batang lengkung tersebut menyebabkan RNA polimerase berhenti dan merusak bagian dari hibrid RNA-DNA. Bagian sisa hibrid RNA-DNA tersebut berupa urutan oligo rU yang tiada cukup stabil berpasnagan dengan dA. Akibatnya ujung 3’ hibrid tersebut akan terlepas sehingga transkripsi berakhir.

Pengakhiran transkripsi tanpa faktor rho memiliki dua ciri utama yaitu: 1) lengkungan, 2) adanya rangkaian basa T pada untaian DNA bukan utas cetakan/nontemplate sehingga terbentuk pasangan basa yang lemah antara rU-dA yang menahan transkrip RNA pada untaian DAN cetakan. Terbentuknya lengkungan RNA menyebabkan RNA polimerase berhenti dan RNA yang baru terbentuk akan terlepas. 

Pengakhiran transkripsi yang tergantung pada faktor Rho 

Mekanisme pengakhiran transkripsi ini tergantung pada protein rho pada daerah jeda dengan jarak tertentu dari promoter. Terminator yang tergantung pada rho terdiri atas suatu urutan berulang balik yang dapat membentuk lengkungan loop tetapi tidak ada rangkaian basa T seperti pada daerah terminator yang tidak melibatkan faktor rho. Faktor rho diduga ikut terikat pada proses transkrip dan mengikuti pergerakan RNA polimerase sampai akhirnya RNA polimerase berhenti pada daerah terminator yaitu sesaat setelah menyintesis lengkungan RNA. Selanjutnya faktor rho menyebabkan destabilisasi ikatan RNA-DNA sehingga transkrip RNA terlepas dari cetakan.

PROSES TRANSKRIPSI PADA EUKARIOT

Pada umum mekanisme dasar transkripsi pada eukariot sama seperti prokariot. Proses transkripsi tetap memerlukan DNA cetakan, DNA polimerase, NTP ribonukleotida serta molekul protein regulator. Pada eukariot proses transkripsi diawali proses inisiasi transkripsi kemudian dilanjutkan dengan pemanjangan transkrip, dan berhenti pada saat DNA polimerase mencapai daerah terminator. Meskipun demikian ada banyak perbedaan fundamental antara sistem transkipsi prokariot dengan transkripsi pada eukariot.

Berbeda halnya dari organisasi gen pada prokariot yang ada umumnya bersifat polisistronik, gen-gen pada jasad eukariot bersifat monosistronik, artinya satu transkrip yang dihasilkan hanya mengkode atau macam produk ekspresi. Pada eukariot tidak ditemukan sistem operon karena satu gen struktural dikendalikan oleh satu promoter. Gen-gen eukariot tersebar pada beberapa kromosom. Hal ini berbeda dari organisasi gen prokariot yang umumnya hanya terdapat dalam satu unit bahan genetik utama. Banyak gen eukaryot yang bagian strukturalnya berselang seling antara sekuens yang mengkode suatu urutan spesifik (ekson), dan sekuens yang tidak mengkode urutan spesifik (intron).

Pada eukariot dapat dibedakan tiga kelas gen yaitu: 1) gen kelas I (ditranskripsi oleh RNA polimerae I) meliputi gen-gen yang mengkode 18S RNA dan 28S rRNA dan 5,8S rRNA; 2) gen kelas II (ditranskipsi oleh RNA polimerase II) meliputi semua gen yang mengkode protein dan beberapa RNA berukuran kecil yang terdapat di dalam nukleus; 3) gen kelas III (ditranskripsi oleh RNA polimerase III) meliputi gen-gen yang mengkode tRNA, 5S rRNA, dan beberapa RNA kecil yang ada di dalam nukleus. Perbedaan kelas gen tersebut mempunyai implikasi dalam hal struktur gen. Secara operasional kajian transkripsi pada makhluk hidup eukariotik ini adalah yang dikatalisasi oleh enzim RNA polimerase I, II, III.

TRANSLASI

Tahap akhir dari ekspresi gen adalah translasi. Proses ini adalah penterjemahan runtunan nukleotida mRNA menjadi runtunan asam amino polipeptida (Gambar 4.6). Pada eukarot, mRNA dihasilkan melalui proses transkripsi dalam nucleus dan dikeluarkan menuju sitoplasma untuk menjalani translasi. Protein yang dihasilkan dalam translasi dapat digunakan sebagai bahan pembangun tubuh, protein enzim, maupun protein hormon.

mRNA tersusun atas urutan nukleotida, setiap 3 nukleotida penyusunnya disebut kodon. Ribosom akan membaca kodon-kodon yang berdampingan mulai dari kodon awal (AUG) sampai salah satu kodon akhir (UAA, UAG, atau UGA). Setiap kodon ini akan berpasangan dengan antikodon yang terdapat pada tRNA. Antikodon memiliki urutan nukleotida yang tepat berpasangan dengan kodon, misalnya kodon AUG parti akan berpasangan dengan antikodon UAC.

Pada proses translasi terdapat tiga unsur utama yang menjadi perangkat translasi yaitu: (1) mRNA sebagai pola cetakan dalam sintesis protein, (2) tRNA sebagai pengangkut asam amino, dan (3) ribosom. 

mRNA sebagai model cetakan dalam sintesis protein akan Pembacaan sandi genetik yang terkandung dalam kondon-kodon mRNA oleh tRNA yang bermuatan asam amino yang disebut aminoasil-tRNA yang dilakukan pada permukaan ribosom. Pada satu rantai mRNA hanya bagian tertentu yang akan menjadi pola cetakan untuk sintesis protein. Bagian mRNA yang menjadi pola cetakan untuk sintesis protein adalah daerah yang diapit kodon awal AUG dan kodon akhir UAA, UAG, dan UGA. Ruas ini disebut dengan ruas Shine Dalgarno. Rangkaian basa mRNA mengandung informasi yang akan diterjemahkan menjadi rangkaian asam amino pada rantai polipeptida. Setiap satu asam amino disandikan oleh satu kombinasi tiga basa yang disebut kodon.

--AGU UCG CAC GAC UUC UCU GAG --

--Ser----Thr---His---Asp---Phe—Ser---Glu --

tRNA sebagai pengangkut asam amino ke dalam kompleks translasi serta membaca sandi (kodon-kodon mRNA). Adanya simpul antikodon yang menyebabkan tRNA mampu membentuk satu kompleks dengan asam amino yang disebut dengan aminoasil-tRNA. Perpautan tRNA dengan asam amino terjadi karena adanya enzim sintetase aminoasil tRNA.

Translasi terjadi dengan bantuan ribosom dan tRNA. Ribosom merupakan organel sel yang terbentuk dari protein dan rRNA. Ribosom tersusun atas subunit kecil dan subunit besar. Subunit kecil dan besar akan menyatu menjadi ribosom fungsional untuk proses translasi.

Proses translasi meliputi tiga tahap, yaitu: (1) pembentukan aminoasil-tRNA, (2) inisiasi atau pengenalan kodon awal, dan (3) perpanjangan rantai polipeptida.

Inisiasi diawali dengan menempelnya ribosom subunit kecil pada mRNA. Pada ribosom terdapat tiga bagian, yaitu E, P, dan A. Ribosom subunit kecil akan menempel pada mRNA dengan bagian P tepat pada kodon start yaitu AUG dari mRNA. tRNA yang memiliki antikodon UAC yang akan berpasangan dengan kodon AUG pada mRNA. tRNA ini membawa serta asam amino metionin yang merupakan asam amino pertama untuk translasi. Kemudian, ribosom subunit besar bersatu dengan ribosom kecil tadi sehingga terbentuk kompleks ribosom aktif yang dapat bekerja menghasilkan protein. Subunit yang telah menyatu akan menempatkan tRNA tepat di ruang P pada ribosom aktif tersebut.

Selanjutnya adalah proses elongasi. Elongasi adalah merupakan proses penambahan asam amino baru pada rantai asam amino yang sebelumnya telah terbentuk. Proses ini diawali dengan datangnya tRNA yang memiliki antikodon yang bersesuaian dengan kodon dalam ruang A ribosom. tRNA tersebut juga datang dengan membawa asam amino tertentu yang sesuai dengan kodon pada mRNA. tRNA akan menmepati bagian A, kemudian asam amino yang telah sebelumnya terbentuk di ruang P akan diikatkan dengan asam amino pada tRNA yang baru dating. Sehingga tRNA dalam ruang P kehilangan asam mino sedangkan dalam ruang A asam aminonya semakin panjang. Setelah itu ribosom akan bergeser menuju kodon berikutnya sehingga tRNA yang tadinya berada dalam ruang P berpindah menuju ruang E, dan tRNA dalam ruang A berpindah menuju ruang P. tRNA yang telah kehilangan asam amino sekarang berada pada ruang E yang kemudian akan dikeluarkan dari kompleks ribosom. Ruang A yang telah kosong kemungkinan akan diisi kembali oleh tRNA baru yang bersesuaian dengan kodon dalam ruang tersebut. Proses ini terus berulang pada sepanjang rantai mRNA sampai semua kodon telah diterjemahkan menjadi urutan asam amino.

Proses akhir translasi adalah terminasi yang terjadi saat ruang A bertemu kodon stop atau kodon akhir. Kodon ini tidak akan berpasangan dengan tRNA tertentu akan tetapi akan mengaktifkan faktor pelepas. Hal ini akan menyebabkan ditambahkannya molekul air pada rantai asam amino yang telah terbentuk. Penambahan molekul air akan menyebabkan rantai asam amino lepas dari ribosom dan siap dimodifikasi sehingga menjadi protein yang fungsional. Selanjutnya kompleks ribosom dan mRNA akan terpisah dan proses translasi berakhir. Ribosom subunit kecil, subunit besar, dan mRNA terpisah sebagai tanda berakhirnya proses translasi. mRNA tersebut dapat mengalami translasi berulang kali oleh banyak ribosom yang berbeda.

KODE GEN

Jika gen adalah sepotong DNA dan jika DNA adalah pasangan-pasangan nukleotida yang berupa tali. Bagaimana urutan pasangan nukleotida dapat menterjemahkan urutan asam amino dalam protein. Jika dianggap pasangan nukelotida adalah huruf-huruf dalam suatu kode. Maka dapat dikatakan bahwa kombinasi huruf tertentu merupakan kata yang mewakili asam amino yang berbeda-beda. Berapa huruf yang dibutuhkan untuk membentuk suatu kata yaitu unntuk Kodon sehingga membentuk asam amino tertentu. Jika pembacaan molekul DNA mulai dari ujung tertentu, dan satu pasang nukleotida sebagai kodon. Hanya 4 pasang nukeotida:

-A-;-T-;-G-;-C-
-T-;-A-;-C-; -G-
Maka hanya akan terbentuk 4 kodon. Asam amino terdapat 20 sehingga diperlukan 20 kodon. Jika kodon terdiri dari 2 huruf maka 4² akan menghasilkan 16 kata yang mungkin.
Contoh: -AT-   atau  –CT-   atau  –CC--TA- atau  GA-   atau  –GG-

Jika setiap kodon terdiri dari tiga 3huruf maka 4³ akan menghasilkan 64 kodon yang mungkin.

Contoh: -ATT-   atau  –GCG-   atau  –TGC--TAA-   atau  -CGG- atau  –ACG-

Jumlah 64 kodon yang ada akan lebih dari cukup untuk membentuk 20 asam amino. Oleh karena itu kada kode untuk kodon terdiri dari tiga nuklelotida yang berdampingan. Antara dua kodon tidak ada penyelang. Berdasarkan Tabel 4.2 terdapat 61 kodon yang menyandikan 20 asam amino dan tiga kodon stop. Satu kodon menyandi satu asam amino, satu asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu kodon. Kodon-kodon yang menyandi satu asam amino yang sama disebut kodon sinonim.

Terdapat beberapa kodon untuk satu asam amino. Hal ini dapat diterangkan bahwa asam amino tertentu dapat dibawa ke ribosom oleh beberapa tipe t-RNA alternatif yang mempunyai antikodon yang berbeda. Sedangkan pada asam amino tertentu lainnya dibawa ke ribosom hanya oleh satu t-RNA. Tipe t-RNA tertentu dapat membawa asam amino tertentu sebagai respon pada beberapa kodon, tidak hanya satu, melalui suatu cara berpasangan dari ujung kodon dan antikodon yang menyimpang.

Sifat sandi genetik hamper bersifat universal. Keuniversalan sandi genetik tersebut terlihat dari kesamaan sandi antara berbagai spesies, misal antara bakteri dan tumbuhan. Namun terdapat ketidak universalan yaitu antara gen mitokondria dengan gen inti. Gen mitokondria dan gen inti memiliki perbedaan sandi genetik.

Perubahan struktur gen atau mutasi akan menyebabkan terjadinya perubahan protein yang disandikannya. Hal ini karena perubahan susunan nukleotida DNA akan menyebabkan perubahan susunan asam amino protein. Perubahan protein atau enzim yang terbentuk menyebabkan perubahan metabolism yang pasa akhirnya akan menyebabkan perubahan fenotipe organisme. Sehingga dapat dikatakan keragaman genetik dan protein merupakan dasar keragaman hayati.

Lebih lanjut silahkan pelajari PPT ''Ekspresi Gen dan Ekspresinya" melalui link berikut:

Bahan Gen dan Ekspresinya

Proses translasi yaitu dari DNA ke protein dapat dipelajari lebih jelas melalui video di bawah ini

(Youtube channel: yourgenome)