Regulasi Ekspresi Gen Pada Eukariotik Dewi

REGULASI EKSPRESI GEN PADA EUKARIOT RESUME Untuk Memenuhi Tugas Matakuliah Genetika II Yang dibina oleh: Prof. Dr. Hj. Siti Zubaidah, M. Pd dan Andik Wijayanto, SSi, MSi. Oleh: Kelompok 4/Off G Anindya Nirmala Permata (140342603635) Dewi Maspufah (140342601290)

UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN BIOLOGI September 2016

Amoeba tidak sama membingungkan dengan E.coli. fenotip dari tumbuhan jagung sangat berbeda dari fenotip tumbuhan oak. Manusia biasanya sangat mudah dibedakan kecuali kembar identik. Fenotip yang berbeda dihasilkan dari gen yang berbeda dan bentuk gen yang berbeda (alel yang berbeda) dalam genom dari variasi organisme dan individu. Perkembangan dan perbedaan sel dihasilkan dari aksi dari gen regulatorge. Produk utama dari gen regulator telah menunjukkan transkripsi aktivator yang berikatan dengan promotor atau sequence regulator yang lain dari struktur gen yang diregulasi. “house keeping“ gen seperti mengkode ribosom RNAs, protein ribosomal, dan transfer RNAs terungkap pada beberapa waktu dalam semua sel. Ekspresi gen adalah diregulasi, dan regulasi dikoordinasikan dari jalur utama ekspresi gen terutama responsible untuk diversi sel fenotip yang membuka selama perkembangan dari tumbuhan tingkat tinggi atau hewan. Diferensiasi Sel Dalam Eukariotik Tingkat Tinggi Selama perkembangan dari eukariotik tingkat tinggi sel satu, zigot memberikan kenaikan dengan sel mitosis untuk mengatur secara luas tipe sel (pada hewan, sel kulit, sel syaraf, sel tulang, sel darah dan seterusnya) dengan perbedaan morfologi dan komposisi molekul. Tipe sel yang berbeda memberikan beberapa fungsi metabolisme yang spesifik. Contohnya, sel darah merah sangat dikhususkan untuk sintesis dan menyimpan hemoglobin. 90% lebih dari molekul protein disintesis dalam sel darah merah selama masa aktifitas biosintesis maksimal. Pada amfibi nukleus dari sel yang berbeda dapat ditransplantasi menjadi enucleated telur (telur dari nukleus yang asli telah tergeser) dan menunjukkan sebenarnya perkembangan dari embrio normal. Selama perkembangan tumbuhan komplek atau hewan, ekspresi gen telah ditunjukkan diregulasi pada contoh yang berbeda mungkin semua penting pada tahap transkripsi, proses pre-mRNA, transport mRNA, stability mRNA, translasi, postransalasi, proses protein, stability protein, dan fungsi enzim. Beberapa proses perkembangan pada eukariot tingkat tinggi dikontrol melalui preprogrammed circuits dari ekspresi gen. Produk dari satu atau lebih dari fungsi gen yaitu menghentikan transkripsi dari set pertama pada gen atau memulai transkripsi dari set kedua dari gen. Pada eukariot, hormon-hormon dapat merangsang ekspresi sekelompok gen. Selain itu, gen-gen regulatori juga dilibatkan dalam pengontrolan pola-pola diferensiasi. Dalam beberapa kasus, elemen-elemen regulatori disebut “enhancers” dan “silencers” yang mengatur ekspresi gen dari promoter terdekatnya.

Mengendalikan Genetik Perkembangan Drosophila Perkembangan Drosophila dikontrol oleh gen regulator yang berperan pada untaian spesifik untuk menentukan bentuk atau pola yang berbeda dari ekspresi gen pada daerah yang berbeda di sel telur yang telah dibuahi, kemudian berkembang menjadi embrio, kemudian selsel yang berbeda pada blastula, dan sebagainya hingga morfologi yang lengkap dari lalat buah dewasa dihasilkan. Walaupun ratusan dari gen mungkin diekspresikan pada sebuah neuron, yang tidak diekspresikan pada sel-sel mata, lengan, atau sayap, perbedaan yang luas dalam bentuk ekspresi gen pada sel-sel yang berbeda tidak terjadi seluruhnya dalam sekali kejadian. Pada Drosophila, kebanyakan kunci dari regulator gen ini telah diidentifikasi, dan sekitar setengahnya diketahui mengkode protein transacting yang mengatur transkripsi gen lainnya, seringkali termasuk kunci gen regulator selanjutnya pada aliran regulator morfogenetik. Perkembangan dari Drosophila dimulai sebelum pembuahan dari telur dengan gradient molekular menjadi telur dewasa. Perkembangan selanjutnya setelah pembuahan dengan pola spesifik dari ekspresi gen dalam tingkat variasi dari perkembangan embrio. Embriogenesis pertama terjadi sangat cepat tanpa pertumbuhan sel. Besar telur pada awalnya mengandung dua nukleus haploid, jantan dan betina pronuklei. Mereka selanjutnya fusi dan menghasilkan nukleus diploid dari zigot. Selanjutnya membagi menjadi 9 bagian sel tunggal yang besar yang disebut sinsitium mengandung 512 nukleus.nukleus bermigrasi pada permukaan telur pada tingkat ini dan tambahan empat daerah tambahan. Membran sel lalu membentuk disekitar nukleus untuk menghasilkan blastula yang mengandung 4000 sel. Imaginal Disks dan Determinasi Persiapan metamorfosis serangga telah digunakan selama embriogenesis awal. Sel-sel blastoderm Drosophila berdiferensiasi menjadi dua jenis sel. 1) Sesuatu yang akan tumbuh dan berkembang menjadi jaringan larva. 2) Sesuatu yang akan berkembang menjadi berbagai jaringan dan organ pada lalat buah dewasa. Beberapa Kelompok dari sel yang tidak berdiferensiasi membentuk struktur yang disebut imaginal discs. Semuanya membentuk 17 imaginal discs, masing-masing akan berkembang menjadi suatu organ yang lebih spesifik dari lalat dewasa. Yang mencakup keping antena, mata, sayap, halter, tiga pasang kaki yang berbeda dan sebagainya. Transkripsi kromosom Lampbrush pada Oosit Amphibi

Pembuahan telur yang telah matang oleh sperma akan merangsang peningkatan sintesis protein, yang diikuti pembelahan nukleus

dan pembelahan sel pada tahap

pembelahan awal pada embriogenesis. Semua komponen dibutuhkan untuk sintesis protein selama embriogenesis pertama sebelum telur dibuahi. transkripsi gen dalam membentuk molekul m-RNA atau pre-mRNA harus disimpan dalam telur dalam keadaan dormansi. Sebagian besar kromosom lampbrush dalam keadaan yang sangat terkondensasi dan secara transkripsi merupakan bentuk inaktif sehingga disebut daerah aksial dari kromosom. Segmen tertentu dari DNA pada masing – masing kromosom lampbrush, nampak sebagai gembungan lateral yang melebar. Masing – masing gembungan terdiri atas molekul – molekul sentral DNA yang dikelilingi matriks RNA dan protein yang baru disintesis. Gen – gen hasil transkripsi yang disintesis selama oogenesis harus disimpan dalam keadaan inaktif tetapi tetap dalam bentuk yang stabil hingga terjadinya proses pembuahan. Transkripsi gen particular dan gen product yang lain harus dibatasi dalam daerah khusus dari sitoplasma telur selama oogenesis. Amplifikasi Gen RNAr pada Oosit Amphibi Meskipun laju inisiasi sintesis protein mengikuti fertilisasi, akan tetapi tidak terjadi sintesis RNAr pada embrio amphibi hingga tahap gastrula. Besarnya telur dari amfibi mengandung sangat banyak ribosom sekitar 10 12 per telur yang masak. D. Brown dan I. Dawid menunjukkan bahwa nukleus dari oosit X. laevis mengandung ratusan nukleolus, masing – masing mengandung molekul DNA sirkuler yang membawa gandaan berulang secara dua-dua dari gen rRNA. Setelah dibentuk, ekstrachromosomal molekul DNA nampak bereplikasi dengan mekanisme rolling circle. Replikasi selektif gen-gen rRNA dalam oosit merupakan contoh pengetahuan terbaik dari tipe amplifikasi gen spesifik. Saat sejumlah besar protein spesifik diperlukan, seperti pada kasus hemoglobin dalam sel darah merah, amplifikasi dapat diselesaikan pada tahap translasi; masing – masing molekul mRNA dapat ditranslasi beberapa kali. Hal ini merupakan suatu hal yang tidak mungkin ketika produk gen yang diperlukan yaitu molekul RNA. Populasi Transkripsi Gen Berbeda dalam Tipe Sel yang Berbeda Pada eukariot tingkat tinggi, hanya sebagian kecil proporsi dari genom yang direpresentasikan diantara molekul mRNA dalam suatu tipe sel tertentu. RNA ditambahkan

ke reaksi hibridisasi dalam jumlah yang banyak (relatif terhadap konsentrasi DNA) sehingga sekuen DNA berkomplementer dengan sekuen – sekuen yang representatif dalam populasi RNA dan akan membentuk hibrid DNA – RNA. Pada eksperimen hibridisasi penjenuhan RNA-DNA, pengukuran sel pertama dilakukan terhadap jumlah RNA yang berlabel radioaktif dari suatu tipe sel yang berhibridisasi terhadap DNA genomik dengan ada/tidak ada kompetisi RNA radioaktif dari tipe sel yang kedua. Apabila dua sel secara keseluruhan mengandung populasi RNA yang berbeda (non-overlapping), maka sejumlah RNA yang berlabel akan berhibridisasi dengan DNA, baik itu dengan ada/tidak adanya kompetisi RNA. Jika dua populasi RNA saling overlap, maka sejumlah RNA yang terlabeli hibridisasi akan mengalami penurunan proporsi terhadap tingkat overlap. Penelitian hibridisasi competitif RNA-DNA dari indikasi tipe ini menunjukkan sekuen RNA dalam populasi RNA mengambil dari jaringan yang berbeda atau tipe sel yang berbeda perbedaannya yaitu antara 10 hingga 100%. Histon yang sama biasanya ada dalam cromatin dari variasi tipe sel yang berbeda. Banyak ilmuan yang percaya bahwa histon tidak memiliki fungsi seperti repressor spesifik atau aktivator dari transkripsi. Mekanisme Regulasi Transkripsi Pada Eukariota Tingkat Tinggi Pada E. coli, holoenzim RNA polymerase (dengan factor sigma) mengandung semua informasi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya inisiasi transkripsi sebagai sinyal promoter. RNA polymerase II pada eukariot yang mentranskripsi kebanyakan gen nuclear pengkode protein tidak dapat menginisiasi transkripsi secara invitro tanpa adanya empat accesori protein tambahan (factor umum transkripsi). Kebanyakan Unit Transkripsi Eukariot Adalah Monogenik Set gen yang ditranskripsi pada tipe sel yang yang berbeda dalam eukariot tingkat tinggi dan ekspresi gen yang berbeda pada tiap jaringan dikendalikan oleh protein transacting yang dikode oleh gen regulasi yang ada pada sequence selama diferensiasi. Mekanisme regulasi pada tahap transkripsi penting dalam diferensiasi sel. Pada eukariot tingkat tinggi, operon jarang muncul bahkan tidak ada. Hal ini berbeda dengan eukariot tingkat rendah yang masih bergantung sepenuhnya dengan system operon. Sebagian besar mRNAs eukariot tingkat tinggi merupakan monogenic dimana mengandung sequence pengkode satu gen structural. Enhancher dan Silencer Mengatur Transkripsi pada Eukariotik

Gen eukariotik diregulasi elemen promoter yang terletak diujung (5’) dari tempat inisiasi transkripsi dengan pola yang mirip dengan regulasi gen prokariotik. Dalam penambahan untuk promoter terdekat, banyak gen eukariotik juga diregulasi oleh elemenelemen cis-acting yang disebut enhancher dan silencer. Seperti kesan namanya Enhancher meningkatkan transkripsi dan silencer menurunkan transkripsi gen-gen yang diregulasi. Dasar utama dari enhancers yang membedakannya dengan promoter adalah sebagai berikut: 1) Enhancher dapat bekerja pada jarak yang relative jauh, yaitu lebih dari beberapa ribu pasang nukleotida dari gen yang diregulasi. 2) Enhancer adalah orientasi yang bebas, mereka dapat berfungsi dengan salah satu orientasi, baik itu normal atau bolak-balik. 3) Enhancer adalah posisi yang bebas, mereka dapat berfungsi dengan baik pada posisi ujung (5’) atau ujung (3’) dari gen /ada dalam intron gen. Pengetahuan yang jauh lebih penting dari enhancer adalah adanya dalam minimicrosom dari virus simian 40 (SV40), yaitu sebuah virus dari monyet yang telah diselidiki dalam cultur sel. SV40 enhancer mengandung dua ulangan 72 pasang basa, dan penghapusan dari kedua pengulangannya merupakan aktifitas enhancer dalam penghapusan. Jika satu dari dua pengulangan itu berubah karena delesi atau insersi atau inversi, enhancer masih fungsional. Enhancer ini juga dapat berpindah lokasi pada minikromosom tanpa kehilangan fungsinya. Saat enhancer SV40 secara in vitro diletakkan pada gen β-globin manusia, akan meningkatkan tingkat transkripsi gen. Secara in vivo insersi dari enhancer dalam beberapa ribu pasang nukelutida dari gen struktural dapat meningkatkan kecepatan transkripsi sampai 100 kali lipat. Enhancer berada dalam intron dalam komplek heavy-chain gen. Pada genom ayam berada diantara β-hemoglobin gen dan €-hemoglobin gen, dia menstimulasi transkripsi dari €-globin selama perkembangan embrionik, dan pada β-globin saat dewasa. Regulasi Tahap Transkripsi Oleh methylasi DNA Pada kebanyakan tumbuhan tingkat tinggi dan hewan , DNA sering dimodifikasi setelah adanya sintesis methylisitosin.

oleh enzim yang menkonversi banyak basa sitosin menjadi basa 5-

Gugus metil pada 5-karbon pirimidin dapat menempati posisi terbuka dalam lekukan besar molekul DNA, dengan demikian mereka memiliki peranan yang potrensial pada interaksi antara DNA dengan protein spesifik. Hal yang menunjukkan bahwa metilasi mengendalikan regulasi ekspresi gen pada eukariot, yaitu. 1) Tingkat ekspresi gen dipengarui oleh tingkat metilasi yang terjadi. Metilasi rendah maka ekspresi gen tinggi. 2) Beberapa pola metilasi adalah spesifik jaringan. 3) 5-azasitidine (analog basa) yang tidak dapat dimetilasi setelah bergabung dengan DNA, menyebabkan ekspresi gen pada jaringan tidak muncul.

90 % metilasi DNA eukariot terjadi pada sequence dinucleotide CG dan sekuen ini merupakan dimetil simetri. Apakah Z-DNA Ikut berperan dalam sebuah regulasi? Menurut watson-crick b-form dari DNA merupakan double helix yang mengunting kekanan. Sedangkan, penemuan yang terbaru memperlihatkan adanya double helix yang mengunting kekiri yang disebut dengan Z-DNA dan pola zig zag nya terbentuk dari molekul gula-fosfat.

Pada keadaan normal Z-form dari pergantian purin dengan pirimidin sekuen DNA hanya terjadi saat konsentrasi garamnya tinggi. Ketika beberapa basa pada sekuen Z-form yang potensial mengandung metil maka comformasi Z yang stabil yaitu pada saat konsentrasi garam rendah. Ketika alternative purin-pirimidin dilengkapi dengan histone, sequence tersebut tidak akan mengalami transisi dari B-form menjadi Z-form. Pada observasi yang lain menunjukkan bahwa sekuen Z-DNA akan stabil dengan spesifik Z-DNA yang berikatan dengan protein dan sekuen Z-DNA tidak bisa ditemukan dalam nukleousom.

Nama : Dewi Maspufah Nim

: 140342601290

Off

: g-gw

Pertanyaan : 1. Bagaimana membedakan antara enhancer dengan promoter? Jawab : a. Enhancher dapat bekerja pada jarak yang relative jauh, yaitu lebih dari beberapa ribu pasang nukleotida dari gen yang diregulasi. b. Enhancer adalah orientasi yang bebas, mereka dapat berfungsi dengan salah satu orientasi, baik itu normal atau bolak-balik. c. Enhancer adalah posisi yang bebas, mereka dapat berfungsi dengan baik pada posisi ujung (5’) atau ujung (3’) dari gen /ada dalam intron gen. 2. Bagaimana pengaruh tingkat konsentrasi garam terhadap Z-form? Jawab: Pada keadaan normal Z-form dari pergantian purin dengan pirimidin sekuen DNA hanya terjadi saat konsentrasi garamnya tinggi. Ketika beberapa basa pada sekuen Zform yang potensial mengandung metil maka comformasi Z yang stabil yaitu pada saat konsentrasi garam rendah.