EKSPRESI GEN DAN REGULASI LAC OPERON PADA BAKTERI

REGULASI EKSPRESI GEN Ekspresi gen: produksi protein oleh sel yang dikode oleh DNA Organisme menyesuaikan diri dengan perubahan lingkungan melalui mekanisme ekspresi gen . Ekspresi gen melibatkan interaksi protein pengikat “DNA binding protein” spesifik dg berbagai sekuens DNA di sekitar daerah awal “upstream” mula transkripsi. Fungsi ekspresi gen: untuk menjalankan metabolisme (protein dan enzim), perkembangan, diferensiasi, adaptasi. Proses pengendalian metabolisme oleh gen disebut regulasi ekspresi gen.

TIPE REGULASI EKSPRESI GEN Tipe positif jika ekspresi gen mengalami peningkatan scr kuantitatif dengan adanya elemen regulator spesifik (aktivator), contoh aktivator: hormon yang mengikat pada enhancer sequence Tipe negatif Jika ekspresi gen mengalami penurunan scr kuantitatif dengan adanya regulator spesifik (repressor)

REGULASI EKSPRESI GEN PD PROKARIOT (E.coli) Pertama kali dipelajari oleh Jacob dan Monood (1961) Menemukan model operon berdasarkan hasil pengamatan terhadap regulasi metabolisme laktosa oleh bakteri E. coli. Laktosa: sumber energi penting pada bakteri yang akan dipecah menjadi monosakarida (glukosa dan galaktosa) untuk substrat respirasi sel.

Alasan: pd prokariota, gen yang terlibat dlm lintasan metabolisme laktosa kerapkali ditemukan dalam suatu susunan liniear, satu promoter tiga macam gen (lac Y, lac Z, dan lac A) sehingga dinamakan operon E. coli tidak memiliki membran inti sehingga proses transkripsi dan translasi dapat berlangsung cepat dan hampir bersamaan. Sebuah operon dpt diatur oleh promotor atau sekuens pengatur tunggal pada beberapa macam gen.

Sistem regulasi yg paling umum dilakukan pd bakteri operon laktosa (operon lac ) Pada operon lac ekspresi gen diatur pada tingkat promotor, yaitu mengatur kontak antara promotor dengan enzim transkriptase (pengendali transkripsi). satu operon mengendalikan tiga macam gen (lac A, lac Y, lac Z) operon triptopan (operon Trp ) Pada operon trp ekspresi diatur dengan cara menghentikan transkripsi bila produk trankripsi, yaitu triptofan, sudah mencapai kuantitas yang dibutuhkan.

POSISI GEN STRUKTURAL dg GEN PENGATUR OPERON LAC - gen lac Z (pengkode enzim β- galaktosidase yg berfungsi memecah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa) - gen lac Y (pengkode enzim permease, untuk transport galaktosa ke dlm sel) - gen lac A (pengkode transasetilase) Gen pengatur: - gen regulator - gen promoter - gen operator

OPERON LAC pd E. coli berperan dalam mengatur produksi enzim ß-galaktosidase, ketika bakteri harus memilih menggunakan laktosa atau glukosa sebagai sumber karbonnya.

Bakteri E. coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik laktosa maupun glukosa tergantung gula mana yang tersedia di lingkungan sbg sumber karbon. bila tersedia laktosa dan glukosa maka bakteri akan memilih glukosa sebagai sumber karbon, karena glukosa merupakan gula yang lebih langsung dimanfaat dalam proses metabolisme Maka bakteri mampu mengatur ekspresi gen penyandi ß-galaktosidase sesuai dengan pilihan sumber karbon yaitu laktosa atau glukosa.

GEN REGULATOR Pengaturan ekspresi operon laktosa (lac operon) dilakukan oleh suatu protein regulator yang akan berinteraksi dengan promotor yg akan menetukan inisiasi translasi. Terdapat dua gen regulator yaitu gen lac-i dan gen crp. Lac i berhubungan dengan kehadiran laktosa, sedangkan gen crp berhubungan dengan kehadiran glukosa

Kontrol positif: bila aktivator terikat DNA, baru terjadi transkripsi 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 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 MAKSIMAL Ada glukosa → CAP tidak dapat terikat DNA → transkripsi SANGAT LAMBAT

Agar enzim yang memecah laktosa dapat disintesis dalam jumlah layak, tidak cukup dengan hanya adanya laktosa di dalam sel bakteri. Persyaratan lainnya adalah pasokan gula glukosa sederhana harus rendah

Bagaimana sel E. coli mengetahui konsentrasi glukosa ini, dan bagaimana informasi ini disampaikan ke genom? mekanisme tersebut mengandalkan interaksi antara protein pengatur alosterik dengan suatu molekul organic yang berukuran kecil. Molekul kecil itu adalah AMP siklik (cAMP), yang berakumulasi bila glukosa tidak ada. Protein pengaturnya adalah protein repressor cAMP (cAMP receptor protein atau CRP), dan protein ini merupakan activator transkripsi.

Ketika cAMP mengikatkan diri ke lokasi alosterik pada CRP, protein akan berubah ke bentuk aktifnya, dan dapat mengikatkan diri pada suatu tempat tertentu di sebelah promoter lac. Penempelan CRP pada DNA ini membuat RNA polymerase lebih mudah mengikatkan diri pada promoter di dekatnya dan memulai proses transkripsi operon. Karena CRP merupakan protein pengatur yang langsung menstimulasi ekspresi gen, mekanisme ini dapat disebut sebagai pengaturan positif.

Jika jumlah dari glukosa di dalam sel meningkat, konsentrasi cAMP menurun, dan CRP akan lepas dari operon lac. Oleh karena itu, operon lac berada di bawah control ganda; control negative oleh repressor lac dan kontrol positif oleh CRP. Kondisi repressor lac (dengan atau tanpa alolaktosa) menentukan terjadi atau tidaknya transkripsi dari gen-gen operon lac, kondisi CRP (dengan atau tanpa cAMP) mengontrol laju transkripsi jika operonnya bebas dari repressor. Yang tampak adalah operon seakan-akan memiliki saklar on-off dan kontrol volume kedua-duanya sekaligus.

REPRESI KATABOLIT GLUKOSA Terjadi karena adanya asosiasi antara CAP dg cAMP membentuk aktivator. CAP merupakan protein yang berperan mengaktifkan enzim transkriptase, protein ini disandikan oleh gen regulator crp Asosisasi antara CAP dengan transkriptase menyebabkan transkriptase menjadi aktif dan mampu mengkatalisis proses transkripsi; tanpa CAP transkriptase menjadi tidak aktif. Kuantitas cAMP berbanding terbalik dengan kuantitas glukosa - glukosa dlm sel sedikit, maka cAMP banyak - glikosa dlm sel banyak, maka cAMP sedikit cAMP rendah tdk berasosiasi dg CAP CAP tdk mjd aktivator tdk terjadi transkripsi operon lac tdk berlangsung

INDUCER OPERON LAC (GULA) Inducer: IPTG (iso-propiltiogalaktosida) berperan sbg laktosa Molekul represor Lac I memiliki afinitas yg tinggi thdp penginduksi merubah struktur represor lepas dr DNA Jika RNA polymerase sdh melekat pd promoter DNA mulai transkripsi menghasilkan RNA polysistronik Dgn penambahan inducer lebih cpt untuk terjadi translasi. Biasa digunakan untuk ekspresi rekombinan mamalia pada E. coli