EKSPRESI GEN PADA PROKARIOTIK DAN EUKARIOTIK

EKSPRESI GEN PADA SEL PROKARIOTIK DAN EUKARIOTIK

A.    Pengertian

Ekspresi gen merupakan suatu proses penerjemahan informasi yang dikode oleh gen menjadi urutan asam amino dalam sintesis protein. Dalam sintesis protein, informasi genetik yang dibawa DNA akan disalin menjadi mRNA melalui proses transkripsi. Selanjutnya mRNA yang terbentuk diterjemahkan menjadi polipeptida melalui proses translasi.

Ekspresi gen adalah proses penentuan sifat suatu organisme oleh gen. Suatu sifat yang dimiliki oleh organisme merupakan hasil metabolisme yang terjadi di dalam sel. Proses metaboisme dapat berlangsung karena adanya enzim yang berfungsi sebagai katalisator proses-proses biokimia. Enzim dan protein lainnya diterjemahkan dari urutan nukleotida yang ada pada molekul mRNA,dan molekul mRNA itu sendiri disintesis berdasarkan untaian cetakan DNA. Gen tersusun dari molekul DNA, sehingga gen menentukan sifat suatu organisme.

Gambar 1. Ekspresi gen pada sintesis protein

Sumber : http://biologigonz.blogspot.com

B.     Transkripsi pada Sel Prokariotik dan Eukariotik

Transkripsi pada dasarnya adalah proses penyalinan urutan nukleotida yang terdapat pada molekul DNA menajadi RNA. Dalam proses transkripsi, hanya salah satu untaian DNA yang disalin menjadi urutan nukleotida RNA (transkip RNA). Urutan nukleotida pada transkrip RNA bersifat komplemeter dengan urutan DNA cetakan (DNA template), tetapi identik dengan urutan nukleotida DNA pada untaian pengkode.  

Perbedaan transkripsi pada sel Prokariotik dan eukariotik dapat dijelaskan sebagai berikut :

1.      Waktu dan Lokasi

·      Sel Prokariotik

Proses trankripsi terjadi terjadi didalam sitoplasma.

·      Sel Eukariotik

Proses transkripsi terjadi di dalam inti sel

2.      Gen

·      Sel Prokariotik

Pada sel prokariotik terdiri dari 3 macam gen yakni:

a.       Promoter,

Adalah bagian yang berperan dalam mengendalikan proses transkripsi dan terletak pada ujung 5’. Fungsi promoter adalah sebagai tempat awal pelekatan enzim RNA polimerase yang nantinya melakukan transkripsi pada bagian gen struktural. Salah satu bagian penting promoter disebut sebagai Pribnow box pada urutan nukleotida -10 dan -35. Oleh karena urutan consensus pada Pribnow box adalah TATAAT, maka seringkali disebut juga TATA box. Pribnow box berperanan dalam mengarahkan enzim RNA polymerase sehingga arah transkripsinya adalah dari ujung 5’→3’. Selain itu, daerah ini merupakan tempat pembukaan heliks DNA untuk membentuk kompleks promoter yang yang terbuka.

b.      Struktural

Adalah bagian yang mengandung urutan DNA spesifik (kode genetik) yang akan ditranskripsi.

c.       Terminator

Adalah bagian yang memberikan sinyal pada enzim RNA polimerase untuk menghentikan proses transkripsi. Signal terminasi dicirikan oleh struktur jepit rambut /hairpin dan lengkungan yang kaya yang akan urutan GC yang terbentuk pada molekul RNA hasil transkripsi

Gambar 2. Struktur gen pada prokariot

Sumber : https://www.academia.edu/6208866/

Proses terminasi pada sel prokariotik dipengaruhi oleh :

a.       Urutan nukleotida (rho independent)

Terminasi dilakukan tanpa harus melibatkan protein khusus, namun ditentukan oleh adanya urutan nukleotida tertentu pada bagian terminator. Ciri urutan adalah adanya struktur jepit rambut/hairpin yang kaya akan basa GC. Akibat struktur itu, RNA polimerase berhenti dan membuka bagian dari sambungan (hibrid) DNA-RNA. Sisa hibrid merupakan urutan oligo U (rU) yang tidak cukup stabil berpasangan dengan A (dA)→ ikatan hidrogen hanya 2 buah, akibatnya ikatan lemah terlepas dan RNA hasil transkripsi lepas

b.      Protein / faktor rho (rho dependent)

Terminasi memerlukan protein rho. Faktor rho terikat pada RNA transkrip kemudian mengikuti RNA polimerase sampai ke daerah terminator. Faktor rho membentuk destabilisasi ikatan RNA-DNA hingga akhirnya RNA terlepas.

·      Sel Eukariotik

Pada sel eukariotik, gen dibedakan menjadi 3 macam kelas yakni:

a.       Gen kelas I

Meliputi gen-gen yg mengkode 18SrRNA, 28SrRNA dan 5,8SrRNA (ditranskripsi oleh RNA polimerase I). Pada gen kelas I terdapat dua macam promoter yaitu promoter antara (spacer promoter) dan promoter utama.

b.      Gen kelas II

Meliputi semua gen yang mengkode protein dan beberapa RNA berukuran kecil yang terdapat di dalam nukleus (ditranskripsi oleh RNA polimerase II). Promoter gen kelas II terdiri atas 4 elemen yaitu sekuens pemulai (initiator) yg terletak pada daerah inisiasi transkripsi, elemen hilir (downstream) yang terletak disebelah hilir dari titik awal transkripsi, kotak TATA dan suatu elemen hulu (upstream).

c.       Gen kelas III

Meliputi gen-gen yg mengkode tRNA, 5SrRNA dan beberapa RNA kecil yang ada di dalam nukleus (ditranskripsi oleh RNA polimerase III). Sebagian besar gen kelas III merupakan suatu cluster dan berulang.

Gambar 3. Struktur umum gen pada eukariotik

Sumber : https://www.academia.edu/6208866/

3.      Sistem operon

·    Sel Prokariotik

Pada prokariotik, gen diorganisasikan dalam satu sistem operon. Satu promoter untuk mengendalikan seluruh gen struktural. Contoh dari operon adalah operon lac yang mengendalikan kemampuan metabolisme laktosa pada bakteri Eschericia coli.

·    Sel Eukariotik

Pada eukariotik, tidak dikenal adanya sistim operon karena satu promotor mengendalikan seluruh gen struktural. Pada gen struktural eukariotik, keberadaan intron merupakan hal yang sering dijumpai meskipun tidak semua gen eukariotik mengandung intron.

4.      Sifat ekspresi gen

·    Sel Prokariotik

Sifat ekspresi gen mRNA pada sel Prokariotik adalah polisistronik. Hal ini berarti dalam satu transkrip terkandung lebih dari satu rangkaian kodon (sistron) polipeptida yang berbeda.

·    Sel Eukariotik

Sifat ekspresi gen mRNA pada sel eukariotik adalah monosistronik. Hal ini berarti dalam satu transkrip yang dihasilkan hanya mengkode satu macam produk ekspresi gen. Satu mRNA mambawa satu macam rangkaian kodon untuk satu macam polipeptida.

5.      Proses splicing

·    Sel Prokariotik

Splicing merupakan proses pemotongan dan penyambungan RNA. Pada sel prokariotik tidak terjadi splicing. Hal ini dikarenakan pada sel prokariotik tidak terdapat intron dalam satu untai mRNA hasil transkripsi (kecuali pada beberapa Archaea tertentu).

·    Sel Eukariotik

Pada sel eukariotik terjadi splicing karena dalam satu untai mRNA  hasil transkripsi yang akan diterjemahkan terdapat intron dan ekson yang berseling-seling. Terjadinya splicing ini adalah ketika fase pasca transkripsi.  Awalnya, gen memiliki 2 macam kode yakni ekson dan intron. Ekson merupakan kode yang dipakai sedangkan intron merupakan kode yang tidak pakai dan akan dibuang. Selanjutnya terjadi proses pemotongan intron dan penyambungan ekson. Sehingga akan terbentuklah mRNA yang matang dan selanjutnya akan ditransfer ke sitoplasma untuk melalui tahap selanjutnya yakni translasi di ribosom.

Gambar 4. Proses splicing

Sumber : https://www.academia.edu/6208866/

6.      Proses capping dan poliadenilasi

·      Sel Prokariotik

Pada sel prokariotik tidak terjadi proses capping dan poliadenilasi. Hasil dari sintesis RNA polimerase dapat langsung melanjutkan proses transkripsi.

·      Sel Eukariotik

Pada sel eukariotik, setiap ujung molekul pre-mRNA yang telah terbentuk dimodifikasi dengan cara tertentu. Ujung 5’ yaitu ujung depan, pertama kali dibuat saat transkripsi segera ditutup dengan nukleotida guanin (G) yang termodifikasi. Proses capping (pemberian topi) ini mempunyai fungsi yakni :

-          Ujung ini melindingi mRNA dari degradasi enzim hidrolisis.

-          Setelah mRNA  sampai di sitoplasma, ujung 5’ berfungsi sebagai bagian tanda “lekatkan disini” untuk ribosom.

Pada ujung 3’ suatu enzim terjadi proses poliadenilasi yakni penambahan ekor yang terdiri dari 30-200 nukleotida adenin. Ekor poli(A) berfungsi mempermudah ekspor mRNA dari nukleus.

Gambar 5. Proses capping dan poliadenilasi

Sumber : https://www.academia.edu/6208866/

C.    Translasi pada Sel Prokariotik dan Eukariotik

Translasi adalah proses penerjemahan urutan nukleotida yang ada pada molekul mRNA menjadi rangkaian asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein. RNA yang ditranslasi adalah mRNA, sedangkan tRNA dan rRNA tidak ditranslasi. Molekul rRNA adalah salah atau molekul penyusun ribosom yaitu organel tempat berlangsungnya sintesisi protein, sedangkan tRNA adalah pembawa asam-asam amino yang akan disambungkan menjadi rantai polipeptida.

Proses transalasi pada sel prokariotik dan eukariotik dapat dijelaskan sebagai berikut :

1.      Waktu dan Tempat

·    Sel Prokariotik

Pada sel prokariotik, proses translasi terjadi sebelum transkripsi selesai sempurna. Hal ini berarti proses terjadinya translasi dan transkripsi hampir bserempak dan sama-sama terjadi di sitoplasma. Ini dikarenakan tidak membrane inti.

·    Sel Eukariotik

Pada sel eukariotik, proses translasi terjadi setelah transkripsi selesai (tidak terjadi secara bersamaan). Sebelum proses translasi terdapat fase pasca transkripsi. Terjadinya proses translasi ini berbeda dengan transkripsi karena terjadi di sitoplasma. Ini dikarenakan terdapat membran yang membatasi antara nukleus dan sitoplasma.

Gambar 6. Perbedaan letak transkripsi dan translasi pada (a) sel prokariotik (b) sel eukariotik

Sumber : http://adzhar-arsyad.blogspot.co.id

2.      Proses Inisiasi

·      Sel Prokariotik

RNA polimerase menempel langsung pada DNA di promoter tanpa ada ikatan dengan protein tertentu. Kodon inisiasi pada prokariot adalah formil-metionin/ fMet.

·      Sel Eukariotik

Terdapat transkripsi faktor berupa protein sebagai tempat menempelnya RNA polimerase. Kodon inisiasi pada eukariot adalah metionin.

3.      Sub Unit Ribosomal

·      Sel Prokariotik

Sub unit ribosomal adalah 70S yang terdiri dari bagian besar 50S dan bagian kecil 30S.

·      Sel Eukariotik

Sub unit ribosomal adalah 80S yang terdiri dari bagian besar 60S dan bagian kecil 40S.

Gambar 7. Perbedaan translasi pada prokariot dan eukariot

Sumber : https://www.academia.edu/6208866/

D.    Pegendalian Ekspresi Gen

1.      Pengendalian Negatif Ekspresi Gen

Gen regulator menghasilkan suatu protein represor yg dikode oleh gen lacI. Represor ini menempel pd daerah operator (lacO) yang terletak disebelah hilir promoter. Operator lac berukuran sekitar 28 pasang basa. Penempelan menyebabkan RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural (lacZ, lacY  dan lacA) sehingga operon mengalami represi.

Pengendalian negatif disebutkan bahwa induser melekat pada bagian represor dan mengubah sisi allosterik dari represor, sehingga mengubah secara allosterik konformasi molekul represor, kemudian represor tidak dapat menempel lagi pada operator dan represor tidak mampu menghambat trankripsi. RNA polimerase akan terus berjalan. Represor yang dihasilkan oleh gen regulator tidak berikatan dengan ko-represor akan tidak aktif dan trankripsi pun akan berjalan. Represor yang berikatan dengan ko-represor pada sisi allosteriknya akan menghambat transkripsi.

2.      Pengendalian Positif Ekspresi Gen

Gen regulator menghasilkan suatu aktivator yang belum aktif, sehingga transkripsi tidak bisa berjalan. Aktivator yang dihasilkan oleh gen regulator berikatan dengan protein induser sehingga aktivator akan tereaktivasi dan trankripsi pun berjalan. gen regulator yang menghasilkan suatu aktivator yang sudah aktif dan transkripsi akan berjalan. Aktivator akan berikatan dengan dengan ko-represor sehingga menjadi tidak aktif, maka tidak terjadi transkripsi.

3.      Pengendalian Ekspresi Gen Secara Konstitutif

Pengaturan ekspresi gen selalu berjalan terus. Kelompok gen konstitutif merupakan kelompok gen yang bertanggung jawab terhadap metabolisme dasar, misalnya metabolisme energi atau sintesis komponen-komponen selular, sehingga pengaturan ekspresi gen ini harus berjalan secara kontinyu

DAFTAR PUSTAKA

Dewi, Retno. 2011. Proses Transkripsi pada Prokariotikik dan Eukariotik (online), (http://dokumen.tips/documents/transkripsi-eukariotik-Prokariotik.html, diakses tanggal 29 November 2015)

Kevin, Frederick. 2011. From Gene to Protein (online), (https://www.academia.edu/6208866/FROM_GENE_TO_PROTEIN_TRANSKRIPSI_DAN_TRANSLASI, diakses 29 November 2015)

Niedlich. 2010. Makalah Ekspresi Gen dan Regulasinya (online), (https://www.scribd.com/doc/97237329/Makalah-Ekspresi-Gen-Dan-Regulasinya, diakses 29 November 2015)

Purwanti, Aliyah. 2009. Perbedaan Transkripsi dan Translasi pada Sel Prokariotik dan Eukariotik (online), (http://www.slideshare.net/aliyahpurwanti 09/perbedaan-proses-transkripsitranslasi-pada-sel-Prokariotik-dan-eukariotik, diakses 29 November 2015)