From Gene to Protein Transkripsi Dan Tra

Preface

Biologi molekuler merupakan disiplin ilmu yang perkembangannya sangat cepat. Hampir semua sisi kehidupan manusia kini bersinggungan dengan biologi molekuler dari pangan, energi, sampai dunia pengobatan. Obat-obat yang ada sekarang utamanya memiliki target tertentu yang bertangung  jawab pada perkembangan suatu penyakit. Target obat umumnya adalah reseptor, juga enzim, kanal ion, dan transporter. Mempelajari transkripsi dan translasi merupakan bagian dasar dari proses pemahaman ekspresi gen. Bagaimana gen-gen yang ada tubuh kita terekspresi, sistem regulasi yang superketat akan dipelajari di kuliah kali ini. Banyak obat yang bekerja pada reseptor tertentu seperti antibiotik, oncology pipeline, dan masih banyak lagi. ehingga mahasiswa !armasi setelah mengikuti kuliah ini bisa banyak bicara tentang mekanisme aksi obat sampai le"el molekuler. #ada bagian terakhir akan disinggung tentang perkembangan bioin!ormatika yang ledakannya juga luar biasa. egala in!ormasi biologis setelah selesainya Human $enome #roject memicu munculnya databased dan analyzer yang  jumlahnya kian banyak. %engan kemampuan konsep &!rom gene to protein' diharapkan kita bisa menganalisis ekspresi gen dengan meman!aatkan in!ormasi yang banyak tersedia di internet.

 (ogyakarta, )* Maret )+ Sarmoko

Biologi Molekuler

FROM GENE TO PROTEIN: TRANSKRIPSI DAN T RANSLASI Oleh: Sarmoko

OVERVIEW Biologi molekuler merupakan suatu ilmu yang mempelajari fenomena biologis pada aras molekuler. Sejak ditemukannya struktur DNA oleh Watson dan Crik !"ambar #$% ilmu ini berkembang dengan sangat pesat. &al ini terjadi karena hampir  semua peristi'a fenomena biologis saat ini% dituntut untuk bisa dijelaskan sampai le(el molekuler. )etika mendengar kata le(el molekuler berati sampai le(el DNA% *NA% protein dan sebagainya. Sebagai ontoh% mekanisme kerja obat sekarang tidak ukup  jika hanya dijelaskan sampai le(el seluler namun sudah bisa dijelaskan sampai le(el DNA. +ada masa kini% seorang apoteker dituntut untuk bisa menjelaskan mekanisme obat sampai le(el molekuler. Bahkan% ilmu,ilmu yang ada sekarang makin menyempit ke arah molekuler% misal -armakologi olekuler% /oksikologi olekuler% dan -armakoepidemiologi olekuler. 0mpat ilmu di atas% memerlukan landasan ilmu Biologi olekuler yang kuat.

Gambar 1. Struktur double helix DNA. DNA. Struktur DNA dikemukakan oleh Watson dan Crik pada tahun #123% mereka menyatakan bah'a model struktur DNA adalah untai ganda% dengan orientasi yang berla'anan !antiparalel$% rantai # membentuk arah 34 54% berpasangan dengan rantai dengan arah 54 34. )edua rantai berikatan dengan ikatan hidrogen antara basa A6/ !7 ikatan &$% dan "6C !5 ikatan &$. 89isionlearning% n.

Dogma Setra! "#o!og# Mo!eku!er  Salah satu hallmark !penanda;karakteristik$ dari suatu kehidupan yaitu reproduksi. nformasi genetik dari suatu sel dengan segala keunikannya tentunya harus

dapat

diturunkan

ke

anakannya.

nformasi gentik

!genom$

disimpan

menggunakan asam nukleat% yaitu DNA. Asam nukleat ini mampu menyimpan sejumlah besar informasi seara stabil hanya melalui < maam yakni adenin !A$% sitosin !C$% guanin !"$ dan timin !/$% yang tersusun menjadi rantai DNA. nformasi yang disimpan DNA tersebut akan diduplikasikan saat terjadi pembelahan sel !*0+=)AS$ dan akan disalin menjadi m*NA !/*ANS)*+S$% yang selanjutnya *NA yang terjadi tersebut akan ditranslasikan menjadi urutan asam amino dari protein !/*ANS=AS$. +roses tersebut dinyatakan sebagi Dogma Sentral dari biologi molekuler !"ambar 7$.

Gambar $. Dogma %etra! b#o!og# mo!eku!er. !#$ DNA ditranskripsi oleh en>im *NA polymerase menjadi m*NA% !7$ m*NA yang terbentuk mengalami proses pasa,transkripsi berupa pembuangan intron sehingga menjadi *NA mature% !5$ m*NA ditranslasi menjadi urutan asam amino;protein yang terjadi di sitosol% !im DNA polymerase.

"en memberi perintah untuk membuat protein tertentu. /etapi gen tidak membangun protein seara langsung. &embata atara DNA 'a %#te%#% (rote# a'a!a) RNA. )ita ketahui bah'a *NA seara kimia'i serupa dengan DNA% keuali *NA mengandung r#bo%a* buka 'eok%#r#bo%a %ebaga# gu!a+a. Sedangkan untuk basa nitrogen pada *NA adalah urasil !?$% bukan timin !/$. Dengan demikian% setiap nukleotida di sepanjang untai DNA memiliki deoksiribosa sebagai gulanya dan A% "% C% / sebagai basanya. Sedangkan pada *NA memiliki gula ribose dan A% "% C% ? sebagai basanya.  Aliran informasi genetik mirip dengan urutan,urutan huruf tertentu yang menyampaikan informasi dalam bahasa tulisan. +ada DNA atau *NA% monomernya merupakan keempat jenis nukleotida yang berbeda dalam basa nitrogennya. "en biasanya panjangnya menapai ratusan atau ribuan nukleotida% masing,masing memiliki urutan basa yang spesifik. Setiap polipeptida dari suatu protein juga memiliki monomer yang tersusun pada struktur primer% tetapi monomernya adalah ke,7@ asam amino tersebut. Dengan demikian% asam nukleat dan protein berisi informasi yang ditulis dalam dua bahasa kimia yang berbeda !"ambar 5$. ?ntuk beralih dari DNA% yang ditulis dalam satu bahasa% ke protein% yang ditulis dalam bahasa lain% membutuhkan dua tahapan utama yaitu transkripsi dan translasi.

Gambar ,. I!u%tra%# a!#ra #-orma%# geet#k +ag '#tu!#% 'a!am 'ua ba)a%a k#m#a +ag berbe'a

Tra%kr#(%# merupakan sintesis *NA berdasarkan template DNA. )edua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama dan informasinya tinggal ditranskripsi !disalin$ dari satu molekul ke molekul yang lain. +ersis sebagai mana saat proses replikasi% untai DNA menyediakan suatu etakan !template$ untuk sintesis untai komplemen terbaru% pada transkripsi juga disediakan template untuk menyusun *NA.

olekul *NA yang dihasilkan merupakan transkrip penuh dari perintah pembangun protein dari gen tersebut. enis molekul *NA ini disebut *NA messenger !m*NA$. Tra%!a%# merupakan sintesis polipeptida yang sesungguhnya% yang terjadi berdasarkan arahan m*NA. Selama tahapan ini terjadi perubahan bahasa% sel menerjemahkan !mentranslasi$ urutan basa molekul m*NA ke dalam urutan asam amino polipeptida. /empat translasi adalah ribosom yang terletak di sitoplasma. Walaupun mekanisme dasar transkripsi dan translasi serupa untuk prokariot dan eukariot% namun terdapat perbedaan penting dalam aliran informasi genetik di tersegregasi dari dalam sel. )arena bakteri tidak memiliki nukleus% DNA,nya tidak ribosom dan perlengkapan pensintesis,protein lainnya. /ranskripsi dan translasi dipasangkan dengan ribosom menempel pada ujung depan molekul m*NA se'aktu berlangsung. Sebaliknya% dalam sel eukariotik% selubung transkripsi masih terus nukleus memisahkan transkripsi dan translasi dalam ruang dan

'aktu. /ranskripsi

terjadi di nukleus dan m*NA dikirim ke sitoplasma di mana terjadi translasi !"ambar  im

*NA

polymerase

agar  

menghentikan proses transkripsi. Signal terminasi diirikan oleh struktur jepit rambut /hairpin dan lengkungan yang kaya yang akan urutan "C yang terbentuk pada molekul *NA hasil transkripsi. RNA Po!#mera%e% merupakan en>im yang mengkatalisis proses transkripsi. Susunan lengkap adalah G 74H disebut )o!oe=#m% jika H tidak ada dan hanya ada G74 disebut im%  6 berfungsi dalam pengikatan nukleotida% 4 6 berfungsi dalam penempelan DNA% H 6 berfungsi untuk mengarahkan agar *NA polimerase menempel pada promoter.

MEKANISME TRANSKRIPSI PADA PROKARIOT /ahapan transkripsi terdiri dari inisiasi% elongasi% dan terminasi. I#%#a%#. /ranskripsi dimulai dengan penempelan *NA polimerase holoen>im pada bagian promoter. *NA polimerase menuju ke promoter atas bantuan faktor H yang mampu menemukan bagian promoter suatu gen. Bisa diibaratkan *NA polymerase adalah pesa'at% faktor sigma adalah antenanya% promoter adalah bandaranya. +ada prokariot% *NA polymerase menempel seara langsung pada DNA di daerah promoter tanpa melalui ikatan dengan protein lain !pada eukariot protein pembantu dibutuhkan sangat banyak II$. )emudian% bagian DNA yang berikatan dengan *NA polimerase membentuk struktur gelembung transkripsi !transcription bubble$ yang stabil. Selanjutnya adalah penggabungan beberapa nukleotida a'al sekitar #@ nukleotida. Basa,basa *NA yang digabung membentuk ikatan hidrogen dengan basa DNA etakan. Selanjutnya adalah pelepasan subunit H setelah terbentuk molekul *NA sepanjang J,1 nukleotida. /erjadi perubahan konformasi holoen>im jadi core enzme !tanpa faktor H$. -aktor H selanjutnya dapat digunakan lagi dalam proses inisiasi transkripsi selanjutnya !dapat digunakan oleh en>im inti *NA polimerase lain$ !"ambar J$.

Gambar >. Pro%e% ##%#a%# tra%kr#(%# (a'a (rokar#ot. -aktor sigma membantu mengenali promoter suatu gen.

+ada e!oga%#% nukleotida ditambahkan seara ko(alen pada ujung 5 molekul *NA yang baru terbentuk dengan arah 3

5 pada ikatan fosfodiester !"ambar 1$.

Nukleotida *NA yg ditambahkan bersifat komplementer dengan nukleotida untai DNA etakan.

Gambar ?. Pro%e% (embetuka #kata -o%-o'#e%ter. "ugus O& pada posisi 54 menyerang posphat pada posisi 34 melepas 7+ dan molekul & 7O membentuk ikatan fosfodiester yang stabil.

+enghentian transkripsi !term#a%#$ ada 7 maam yaitu: #. !ho"independent yaitu terminasi yang 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 "C. Akibat struktur itu% *NA polimerase berhenti dan membuka bagian dari sambungan !hibrid$ DNA,*NA. Sisa hibrid merupakan urutan oligo ? !r?$ yang tidak ukup stabil berpasangan dengan A !dA$ ikatan hidrogen hanya 7 buah% akibatnya ikatan lemah terlepas dan *NA hasil transkripsi lepas. 7. !ho"dependent yaitu terminasi memerlukan protein rho. -aktor rho terikat pada *NA transkrip kemudian mengikuti *NA polimerase sampai ke daerah terminator. -aktor rho membentuk destabilisasi ikatan *NA,DNA hingga akhirnya *NA terlepas.

TRANSKRIPSI PADA E6KARIOT Struktur ge "en,gen pada eukariot bersifat moo%#%tro#k% artinya satu transkrip yang dihasilkan hanya mengkode satu maam produk ekspresi. +ada eukariot tidak dikenal namanya operon karena satu gen strutural dikendalikan oleh satu promoter. Seara umum hampir sama sama prokariot yaitu adanya promotor% bagian struktural dan terminator. Bagian yang membedakan adalah pada bagian struktural gen. Bagian struktural;coding region pada eukariot ada bagian intron dan ekson !"ambar #@$. ntron !intervening sequences$ merupakan sekuens yang tidak mengkode asam amino. Bagian ini akan dibuang saat *NA proessing. 0kson merupakan sekuen yang dikode menjadi asam amino !"ambar #@$.

Gambar 1@. "ag#a %truktura! ge eukar#ot

Meka#%me Tra%kr#(%# Pa'a Eukar#ot *NA polimerase pada eukariot bermaam,maam yaitu *NA polimerase  !mentranskrip gen kelas  yaitu gen r*NA keuali 3S r*NA$% *NA +olimerase  !mensintesis m*NA dan small nulear *NA;sn*NA yang diperlukan pada saat *NA spliing$ dan *NA polymerase  !mentranskrip gen kelas  yaitu t*NA% 3S r*NA$. +ada bab ini hanya dijelaskan *NA polimerase  karena terlibat pada transkripsi semua gen.

Berbeda dengan prokariot% *NA polymerase eukariot tidak menempel seara langsung pada DNA di daerah promoter namun melalui perantaraan protein,protein lain disebut -aktor tra%kr#(%#tra%ation domains. t is postulated to bind to a p35,binding site and ati(ate eFpression of do'nstream genes that inhibit gro'th and;or in(asion% and thus funtion as a tumor  suppressor. utants of p35 that freYuently our in a number of different human aners fail to bind the onsensus DNA binding site% and hene ause the loss of tumor suppressor  ati(ity. Alterations of this gene our not malignanies% but

also

as

only

as

somati mutations in

human

germline mutations in some aner,prone families 'ith =i,

-raumeni syndrome. ultiple p35 (ariants due to

alternati(e promoters and multiple

alternati(e spliing ha(e been found. /hese (ariants enode distint isoforms% 'hih an regulate p35 transriptional ati(ity. Kpro(ided by *efSeYM

DNA SeBueed in the N,terminal of p35. Some of the antibodies are able to bind to p35 in its nati(e onformation% 'hile other antibodies% like pAb7