Ekspresi Gen

A.    Skema Central Dogma

Dogma sentral biologi molekuler merupakan mekanisme pelaksanaan  dua  dari tiga  fungsi  DNA  sebagai  materi  genetik, yaitu fungsi genotipik dan fungsi fenotipik. Fungsi genotipik dilaksanakan melalui replikasi dimana DNA  harus  mampu  menyimpan  informasi  genetik  dan  dengan  tepat  dapat meneruskan informasi tersebut dari induk kepada keturunannya atau dari generasi ke generasi. Fungsi fenotipik dilaksanakan  melalui  ekspresi  gen  dengan  dua  tahapan,  yaitu  transkripsi  dan translasi dimana DNA harus mengatur perkembangan organisme yang dimulai dari zigot hingga individu dewasa.

Hubungan antara DNA dan RNA dalam penurunan sifat, struktur sel, dan aktivitas sel terangkum dalam konsep dogma sentral. Konsep tersebut dapat diartikan sebagai “sumber dari segala informasi”. Hal tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

                                                  DNA --> RNA --> Protein

                       Gambar 1. Skema dogma sentral biologi molekuler

Konsep di atas menerangkan bahwa kunci utama dari sintesis protein adalah DNA, yang merupakan material genetika dari sel. Bergerak ke sebelah kanan, DNA tersebut mampu memproduksi diri sendiri melalui proses replikasi. Bergerak ke bawah, DNA terlibat dalam pembentukan RNA (melalui proses transkripsi) dan pembentukan protein (melalui proses translasi).

B.      Pengertian Ekspresi Gen

Ekspresi gen merupakan proses dimana informasi yang dikode di dalam gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino selama sintesis protein. Ekspresi Gen juga dapat diartikan bagaimana sel mengatur untuk memperlihatkan ciri-ciri mahluk hidup tersebut berdasarkan  gen-gen yang di miliki. Ekspresi gen ini  berkaitan dengan sintesis protein, yaitu proses transkripsi dan translasi. DNA akan mengkode informasi genetik sesuai kebutuhannya. Pada prokariotik, seperti bakteri akan mengekspresi gen secara selektif. Sebagai contoh terkait dengan ketersedian bahan makanan di lingkungannya, bakteri akan mengaktifkan (switch on) dan menonaktifkan (switch off) gen yang mengkode enzim yang berperan dalam mencerna makanan. Sedangkan pada eukariotik, mekanisme ekspresi gen dikontrol oleh sistem yang lebih kompleks.

Ekspresi gen adalah proses penentuan sifat suatu organism oleh gen. Sifat fenotipe makhluk hidup merupakan sifat hasil ekspresi gen yang terlihat. Contoh fenotipe adalah berbagai keaneragaman anjing yang memiliki jenis bulu, ukuran, warna yang berbeda. Pada bayi anjing yang baru dilahirkan, tampak anjing memiliki ciri-ciri yang sama  antara satu dengan yang lain, tetapi seiring pertumbuhan dan perkembangannya ciri-ciri yang tampak sudah menunjukkan perbedaannya. Hal inilah yang disebut dengan ekspresi gen. Anjing-anjing tersebut memiliki kemiripan yang besar pada susunan DNAnya, tetapi ciri-ciri yang tampak berbeda (seiring pertumbuhannya) tersebut disebabkan adanya ekspresi gen yang mengaktifkan atau menonaktifkan gen-gen tertentu.

C.    Ekspresi Gen pada Prokariotik dan Eukariotik

Pada prokariot dan eukariot, kekhususan sel (diferensiasi sel) tergantung pada seleksi ekspresi gen-gen tertentu . Berikut akan dijabarkan ekspresi gen pada prokariotik dan eukariotik.

1.       Ekspresi Gen pada Prokariotik

Pada prokariot, interaksi protein dengan DNA dapat membuat gen menjadi on atau off terhadap rangsangan lingkungan tertentu. Pada prokariotik dikenal adanya Operon Lac (singkatan dari operon yang mengkode enzim-enzim yang dapat memetabolisme laktosa). Operon adalah seperangkat gen terstruktur, yang merupakan unit pengungkapan genetik yang terorganisasi. Di antara promotor dan gen pengkode enzim tersebut, ada segmen DNA yang disebut operator yang bertindak sebagai “switch” atau pengubah. Operator menentukan apakah RNA polimerase dapat menempel pada promotor atau numpang lewat gen saja.

Contoh prokariot adalah bakteri E.Coli yang menggunakan tiga enzim dalam mengambil dan memetabolisme laktosa. Gen-gen untuk ketiga enzim ini tersusun dalam operan lac. Dimana lac Z mengkodekan β-galaktosa, lac Y mengkodekan permease sedangkan lacA mengkodekan transasetilase.

  Ketika represor menempel pada operator, maka seluruh operon lac tidak bisa mengekspresikan untuk mensintesis enzim untuk metabolisme laktosa. Pada tahap inilah operon lac dalam keadaan off.

Gambar 3. Operonlac off karena tidak adanya inducer (lactosa) yang menempel pada represor

                        Sumber : www.themedicalchemistrypage.org

Pada keberadaan inducer (laktosa), represor menjadi tidak aktif karena berikatan dengan inducer. Ini memperbolehkan RNA polymerase menuju ke operon dan melakukan proses transkripsi yang mampu menghasilkan enzim (β-galaktosa, permease dan transasetilase) untuk metabolisme laktosa. Metabolisme laktosa ini akan diubah menjadi glukosa dan galaktosa untuk keperluan energi selanjutnya

Gambar 4. Operonlac on karena adanya inducer (lactosa) yang menempel pada represor

                        Sumber : www.themedicalchemistrypage.org

Pada operon lac triptofan, umumnya transkripsi terus dilakukan, akan tetapi keberadaan triptofan menjadi penghambat sehingga tidak dapat diproduksi enzim-enzim tersebut. Berbeda dengan adanya laktosa yang menghambat inhibitor sehingga proses yang seharusnya berhenti atau tidak memproduksi enzim kembali tetapi menjadi aktif.

Jika suatu kultur E.coli yang diberi media glukosa dan laktosa, maka bakteri tersebut akan menggunakan glukosa terleih dahulu sampai habis. Selanjutnya setelah mengalami fase lag yang pendek, maka bakteri tersebut akan menggunakan laktosa sebagai sumber karbon. Hal ini dikarenakan enzim untuk metabolisme glukosa lebih konstitutif daripada enzim untuk metabolisme laktosa.

Gambar 5. Pertumbuhan diauxic kultur E. coli yang diberi campuran antara glukosa dan laktosa

                   Sumber : www.generasibiologi.com

2.     Ekspresi Gen pada Eukariotik

Pada eukariot tingkat tinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing  mRNA,  memegang  peran  yang  sangat  penting  dalam  proses  diferensiasi sel.  Semua mRNA pada eukariot tingkat tinggi adalah monosistronik, yaitu hanya  membawa  urutan  sebuah  gen  struktural.  Transkrip  primer  yang  adakalanya menyerupai polisistronik pun akan diproses menjadi mRNA yang monosistronik.

Kontrol ekspresi gen yang terjadi pada eukariot diawali pada tahap:

a.      Inisiasi transkripsi.

Dengan adanya pengaruh enhancer  yang akan berikatan dengan daerah promotor untuk meningkatkan aktivitas RNA polimerase.

b.     Proses transkripsi dan modifikasi.

Hal ini berupa adanya proses intron splicing sehingga hanya tersisi bagian ekson.

c.      Kestabilan transkripsi

Saat hasil transkripsi dibawa dari inti sel menuju sitosol akan terjadi pemendekan ekor poli-A oleh enzim (DNA) pada 3' ke 5' yang berasosiasi dengan 5'cap.

d.     Modifikasi translasi

Modifikasi ini terjadi dalam bentuk modifikasi kovalen disebabkan adanya modifikasi kimia seperti asetilasi, metilasi, dan disulfida bond formation. Contoh, molekul insulin dihasilkan dalam bentuk inaktif yang terdiri dari satu polipeptida dan untuk aktivasinya polipeptida tersebut akan dipotong menjadi dua bagian dan dihubungkan dengan jembatan disulfida.

                   Enam tahap ekspresi gen eukariotik yang dapat dikontrol :

a)     Kontrol transkripsi yang akan mengontrol gen pada saat di transkripsi

b)     Kontrol proses RNA yang akan mengontrol penyambungan dan proses transkripsi RNA

c)     Kontrol penempatan dan transpor RNA yang akan memilih mRNA yang lengkap untuk diekspor dari nukleus ke sitosol dan membagi di dalam sitosol

d)     Kontrol translasi yang akan memilih mRNA dalam sitoplasma untuk ditranslasi oleh ribosom

e)     Kontrol degradasi mRNA yang akan menstabilkan secara selektif molekul mRNA dalam sitoplasma

f)      Kontrol aktivitas protein yang akan mengaktifkan secara selektif, menurunkan, atau menempatkan molekul protein spesifik setelah mereka selesai dibuat

D.    Perbedaan Gen Prokariotik dan Eukariotik

       Perbedaan Prokariotik dan Eykariotik yang berkaitan dengan gen dapat dibuat tabel sebagai berikut :

Prokariotik	Eukariotik
Polycistronik yaitu pada transkripsi banyak gen (karena operon)	Monocistronik yaitu pada transkripsi, hanya 1 gen
DNA berbentuk sirkuler karena tidak adanya protein histon	DNA berbentuk linear dan kromatin (kromosom) karena adanya protein histon
Haploid (1 n)	Diploid (2 n)
Transkripsi dan translasi terjadi di sitoplasma	Transkripsi terjadi di dalam inti sedangkan translasi terjadi di sitoplasma
Tidak mengalami proses modifikasi pada proses transkripsi karena tidak adanya intron	Mengalami proses modifikasi pada tahap transkripsi karena ada pembuangan intron

DAFTAR PUSTAKA

Biologi. 2015.Contoh Genotipe dan Fenotipe. Diakses pada http://kliksma.com/2015/01/contoh-genotipe-dan-fenotipe.html, 28 November 2015.

Hypersmash. 2014. Macam-Macam Keanekaragaman Hayati (Genetik, Species dan Ekosistem). (Online). Diakses pada http://www.materisma.com/2014/02/macam-macam-keanekaragaman-hayati-gen.html, 28 November 2015.

King, Michael W. Regulation of Gene Expression. (Online). Diakses pada http://themedicalbiochemistrypage.org/gene-regulation.php, 28 November 2015.

Lasantha. 2011. Penggolongan Enzim Berdasarkan Ekspresi Gen. (Online) http://www.generasibiologi.com/2011/12/penggolongan-enzim-berdasarkan-ekspresi.html, 28 November 2015.

Martina. 2013. Ekspresi Gen. (Online). Diakses pada http://martinakurniarohmah.blog.com/2013/03/06/ekspresi-gen-2/ 28 November 2015.

Niedielch. 2010. Makalah Ekspresi Gen dan Regulasinya. (Online). Diakses pada http://id.scribd.com/doc/97237329/Makalah-Ekspresi-Gen-Dan-Regulasinya#scribd, 28 November 2015.

Suciati, Hbibah. 2015. Dogma Sentral Biologi Molekuler. (Online). Diakses pada http://dokumen.tips/documents/dogma-sentral-biologi-molekuler.html, 28 November 2015.