REGULASI GEN: OPERON

Maulana Khalid Riefani

Dari Gen ke Protein

2

CENTRAL DOGMA

4

Pengaturan ekspresi genetik dan pertumbuhan sel merupakan aspek penting bagi jasad hidup, baik pada prokariot maupun eukariot.

Tanpa sistem pengaturan efisien, sel akan kehilangan banyak energi

Contoh: jika medium pertumbuhan E. coli terdapat gula sederhana (monosakarida glukosa), maka sel tidak menjalankan sistem ekspresi gen yg bertanggung jawab untuk metabolisme gula kompleks (disakarida laktosa).

Gen untuk metabolisme laktosa akan diaktifkan setelah melalui regulasi tertentu

Pendahuluan

Ekspresi genetik merupakan rangkaian proses Ekspresi genetik merupakan rangkaian proses kompleks yang melibatkan banyak faktor dan kompleks yang melibatkan banyak faktor dan diatur sejak pra-inisiasi transkripsi. diatur sejak pra-inisiasi transkripsi.

Pada sel prokariot, telah dikenal kelompok Pada sel prokariot, telah dikenal kelompok gen yg disebut operon. Eukariot tidak gen yg disebut operon. Eukariot tidak mengenal sistem operon karena diatur oleh mengenal sistem operon karena diatur oleh satu promoter tersendirisatu promoter tersendiri

Pada prokariot, pengendalian ekspresi Pada prokariot, pengendalian ekspresi genetik hanya terjadi pada level genetik hanya terjadi pada level transkripsi, sedangkan pada eukariot mulai transkripsi, sedangkan pada eukariot mulai dari transkripsi sampai pasca-translasi.dari transkripsi sampai pasca-translasi.

Pendahuluan

1.1.Ekspresi gen secara konstitutif Ekspresi gen secara konstitutif (selalu diekspresikan dalam (selalu diekspresikan dalam keadaan apapun, misal metabolisme keadaan apapun, misal metabolisme dasar: metabolisme energi atau dasar: metabolisme energi atau sintesis komponen-komponen sel, sintesis komponen-komponen sel, ggen penghasil protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase, dan enzim-enzim pengkatalis reaksi metabolisme untuk pemeliharaan sel

2.2.Induktif (hanya diekspresikan jika Induktif (hanya diekspresikan jika ada keadaan yang memungkinkan atau ada keadaan yang memungkinkan atau ada proses induksi, misal ada proses induksi, misal efisiensi selular)efisiensi selular)

Sistem pengaktifan ekspresi genSistem pengaktifan ekspresi gen

ORGANISASI GENORGANISASI GENEUKARIOT dan PROKARIOTSITOPLASMA

NUKLEUSDNA

RNA

mRNA

PROTEINTRANSLASI

TRANKRIPSI

PENYAMBATANRNA

INTRON

EKSON

PROTEIN

TRANSLASI

TRANKRIPSI

DNA

RNA

Pada prokariot maupun eukariot

1.Melibatkan turn on and turn off ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan kondisi lingkungan

2. ekspresi gen berupa siklus yang telah terprogram (preprogramed circuits). 

--produk suatu gen akan menekan transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacu transkripsi gen kedua, produk gen kedua akan menekan transkripsi gen kedua dan memacu transkripsi gen ketiga, demikian seterusnya

Regulasi Gen pada Bakteri

Bakteri mempunyai beribu-ribu gen Tidak semua ditranskripsi pada waktu yang sama

Bila itu dilakukan maka akan membuang energi yang banyak

Namun beberapa gen ditranskripsi sepanjang waktu Siapa dia ?

“housekeeping” genes Gen lain diekspresikan sebagai tanggapan (respon) akibat terjadinya perubahan lingkungan

Regulasi Gen pada Bakteri

Regulasi transkripsi Jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) diperlukan, maka gen akan ditranskripsi

Jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) Tidak diperlukan, maka gen akan Tidak akan ditranskripsi

Promoter : pengatur ekspresi genetik (pertama kali dikenali oleh RNA polimerase dan protein regulator untuk memulai transkripsi / sintesis RNA

Bagian struktural ( coding region ) : membawa kode genetik -- tidak memiliki intron, hanya ada ekson

Terminator : penghentian transkripsi

Organisasi Gen Prokaryotik

Operon Operon: sekelompok gen struktural yang berdekatan dan ekspresinya dikendalikan oleh protein represor dan operator, site operator dan promoter yang sama.

Kelompok gen diantara promotor dan terminator Masing-masing gen struktural mengkode protein yang berbeda untuk rangkaian metabolisme yang sama. Contoh : operon lac terdiri atas lac Z, lac Y, dan lac A

Tempat menempelnya represor Adanya sistem operon : mRNA hasil transkripsi bersifat polisistronik (1 molekul mRNA mengkode > 1 protein)

Beberapa gen ditranskripsi dari satu promoter menjadi satu mRNA yang panjang

Unit Transkripsi pada Bakteri

Operon

promoteroperator

-35 TTGACA-10 TATAAT (Pribnow box)

PROMOTER Transkripsi tidak dimulai di sembarang tempat maka

RNA Polimerase harus menuju tempat tertentu di pita DNA untuk mulai berkerja disebut promoter

Daerah promoter terletak di sebelah hulu dari gen yang akan ditranskrip

Urutan promoter harus tetap agar dikenali oleh RNA polimerase dan transkripsi tetap terjadi

Pada bakteria ada dua urutan promoter:urutan TATAAT terletak 10 pasang basa sebelum titik transkripsi dimulai (Pribnow box) dan urutan TTGACA terletak 35 pasang nukleotida sebelum titik inisiasi.

Pada eukariota dikenal adanya TATA box, disebut demikian karena hanya mengandung T dan A

Gen Regulator Gen yang mengkode suatu produk (biasanya protein) yang mengontrol ekspresi gen lain ---biasanya pada saat transkripsi

Mengendalikan ekspresi genetik suatu gen atau operon

Produk: aktivator/faktor transkripsi dan represor (protein yang bersifat menekan ekspresi suatu gen)

Aktivitas produk dikendalikan oleh efektor (induksi): inducer (Molekul efektor/protein yang mengaktifkan ekspresi suatu gen dan membiarkan RNA polymerase bekerja untuk transkripsi) dan co repressor (mengubah bentuk protein regulator sehingga dapat mengikat pada operator dan memblok transkripsi.

Gen pada Operon

Gen represor

daerah promotor

daerah operator

Promotor represor

Kontrol Negatif dan Positif

Kontrol Negatif - protein dibutuhkan untuk mem block transkripsi Operon dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator -- represor

Repsesor melekat pada operator transkripsi dihambat

Kontrol Positif - membutuhkan suatu protein untuk terjadinya transkripsi Operon diaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator – aktivator

Aktivator melekat pada operator transkripsi berjalan

GENE REGULATION

Kontrol negatif

Kontrol positif

Aktivator Berupa protein regulator pada daerah promoter pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnyagen (operator) yg diaturnya

Bersama-sama RNA polimerase mengenali daerah promoter

Kontrol positifRepresor Protein regulator pada daerah promoter gen pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnya(operator) yg diaturnya

Menghambat ekspresi suatu gen Kontrol negatif

Aktivator dan Represor

Tipe Operon Inducible operon transkripsi terjadi jika ada interaksi inducer dengan protein regulator, cth : operon lac

Repressible operon menghambat transkripsi (atau translasi) dengan mengikat protein represor , cth : operon trp

29

Rangkuman Induksi-represi Laktosa : β-galaktosidase disintesis Glukosa : β-galaktosidase tdk disintesis, direpresi, serta tidak diinduksi

Laktosa & Glukosa: glukosa digunakan dulu sampai habis baru laktosa akan digunakan karena selama ada glukosa β-galaktosidase direpresi walaupun ada induser. Setelah glukosa habis lalu terjadi induksi oleh laktosa

Inducible Operon

Repressible Operon

Operon lac: represor

Kontrol negatif: bila represor terikat DNA (operator), tidak terjadi transkripsi

Tidak ada laktosa → represor terikat operator → tidak terjadi transkripsi

Ada laktosa → laktosa terikat represor → represor tidak dapat terikat operator → transkripsi

35

Gen represor

daerah promotor

daerah operator

Tiga gen struktural operon laktosa

Tiga gen struktural penyandi enzim-enzim pengurai laktosa tidak diekspresi

36

An Inducible Operon in the Absence of an Inducer

(The Lactose Operon)

repressor gene

37

Gen represor

daerah promotor

daerah operator

Tiga gen struktural operon laktosa

Tiga gen struktural penyandi enzim-enzim pengurai laktosa diekspresi

38

An Inducible Operon in the Presence of an Inducer

(The Lactose Operon)

repressor gene

Operon lac: aktivator

Kontrol positif: bila aktivator terikat DNA, baru terjadi transkripsi

Tidak ada glukosa → ATP menjadi cAMP→ cAMP terikat CAP (catabolite activator protein) →CAP terikat DNA →transkripsi

Ada glukosa → CAP tidak dapat terikat DNA → tidak terjadi transkripsi

Prokaryotik Lac Operon Trp Operon

Operon Lac

Pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab dalam katabolisme laktosa

Pengendalian: kontrol negatif dan positif Terdiri dari 3 gen struktural: lac Z, lac Y, dan

lac A (polisistronik) E. coli mengekspresikan protein untuk metabolisme

gula, misal LAKTOSA (disakarida) = glukosa + galaktosa, sebagai sumber energi.

Laktosa bertindak sebagai INDUCER (dengan berinteraksi dengan protein represor) dan meningkatkan ekspresi 3 enzim yang berperan dalam metabolisme laktosa (1000-fold increase)

Lac Z: mengkode beta-galaktosidase (enzim pengubah disakarida laktosa monosakarida glukosa + galaktosa)

Lac Y : mengkode permease (enzim yang memfasilitasi pengambilan laktosa ke dalam sel bakteri dan transport laktosa dalam membran sitoplasma.)

Lac A : mengkode transasetilase, mengikat molekul yang mirip laktosa, transfer acetyl-CoA kelompok asetil acetyl -galactosides.

Lac I : terletak sebelum gen Lac, (daerah sebelum promotor). Mengekspresikan protein tetramer yang bertindak sebagai represor. Produknya dimanfaatkan untuk pengaturan ekspresi ketiga gen Lac tapi bukan sebagai enzim pengatur metabolisme.

Produk Lac I juga disebut represor karena dapat menekan ekspresi gen lain dan Lac I disebut regulator karena fungsinya untuk mengatur ekspresi gen lain.

Fungsi-fungsi gen struktural

Translation of lac operon in wild type and mutant E. coli.

Operon lac

Regulasi Lac operon oleh CAP

CAP: Catabolite Activator Protein

cAMP: cyclic AMP CAP-cAMP:

mebantu penempelan RNA-Polimerase pada promoter

Banyak glukosa banyak ATP sedikit cAMP

Tidak ada glukosa sedikit ATP banyak AMP cAMP

Katabolit represor: glukosa

Fig. 17.14, Base pair sequence of controlling sites, promoter, and operator for lac operon of E. coli.

CAP memecah laktosa saat konsentrasi glukosa rendah dan ada laktosa

AMP

cAMP (cyclic Adenosin Mono Phosphate)

Operon Trp Pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab dalam

sintesis triptofan (asam amino) yang diperlukan utk pertumbuhan bakteri

Triptofan bertindak sebagai repressorPengendalian : kontrol negatif melalui (1) repsesi produk akhir ekspresi/interaksi operator dan (2) Termination dari inisiasi transkripsi/atenuasi (pelemahan)

Terdiri dari 5 gen struktural : trp E,trp D,trp C,trp B, dan trp A

Promotor dan operator terletak pada daerah yang sama Jika asam amino terdapat pada media, E.coli menggunakan

asam amino tersebut sebelum mensintesis. Jika amino acids tidak ada dalam medium, gen asam amino

tersebut diekspresikan are “turned on” or expressed.

General organization of the Trp operon of E. coli:

:

Regulasi operontrp

Interaksi repressor/operator Apabila triptofan ada, tryptophan terikat

pada protein trpR. Protein trpR binds to the trp operator and

mencegah transkripsi Represi mengurangi tingkat transkripsi trp

operon ~70-fold.

REGULASI OPERON trp (Negative regulation)

Interaksi repressor/operator1. Apabila triptofan ada, tryptophan terikat pada

protein trpR.2. Protein trpR mengikat pada trp operator and mencegah

transkripsi3. Represi mengurangi tingkat transkripsi trp operon

~70-fold.

57

lima gen struktural operon laktosa

daerah operato

r

daerah promoto

r

Gen represo

r

lima enzim yang

diperlukan untuk

sintesis triptofan

58

A Repressible Operon in the Absence of a Corepressor

(The Tryptophan (trp) Operon)

Gen represo

r

59

lima gen struktural operon laktosa

daerah operato

r

daerah promoto

r

Gen represo

r

60

A Repressible Operon in the Presence of a Corepressor

(The Tryptophan (trp) Operon)

Without the transcription of the five genes, the five enzymes needed for the bacterium to synthesize the amino acid tryptophan are not made.

repressor gene

Regulasi operon trp :2. Attenuasi Terminasi transkripsi• Transkripsi Trp operon juga dikontrol

oleh attenuasi sehingga protein yang ditranslasikan menjadi lebih pendek dan non fungsional

• Ketika sel kekurangan triptofan, Trp operon diekspresikan maksimal dan sebaliknya.

• Attenuation dapat menurunkan level transkripsi 560-700 kali.

Fig. 17.17a, Attenuation model in Trp starved cells.

Fig. 17.17b, Attenuation model in Trp non-starved cells.