Prof. Drs. Sutarno,MSc., PhD. Gene Regulation Prof. Drs. Sutarno,MSc., PhD.

Gene regulation Pada setiap sel atau organisme memiliki banyak sekali gen, tetapi hanya sebagian gen yang perlu aktif (mentranskripsi RNA) setiap saat. Bagaimana sebagian besar gen berada dalam keadaan tdk aktif, dan bagaimana suatu gen yang ‘off’ dapat di ‘on’ kan?, atau bagaimana gen-gen ini di kontrol? Pertanyaan ini menyangkut proses yang dikenal dengan pengaturan gen (gene regulation). Proses ini lebih efisien dibanding dengan proses “feedback inhibition”, karena enzim yg terlibat dalam setiap tahap metabolisme yang tidak diperlukan secara sederhana tidak ada (dengan demikian dapat mengurangi penggunaan energi dlm sel).

Gen pada umumnya mengandung dua bagian: 1).bagian/ daerah koding (coding region) , dan 2). Suatu bagian/daerah pengatur (regulatory region). Regulatory region inilah yang berfungsi mengatur dan berfungsi sebagai switch ON atau Off nya bagian koding dari suatu gen.

Didalam regulatory region terdapat suatu sekuen nukleotida yang disebut promoter. RNA polymerase berikatan secara paling efisien pada sekuen promoter dan mentranskripsikan ke arah downstream pada arah 5' ke 3‘. Gen pengatur pada prokaryot: enzim-enzim untuk suatu jalur metabolik tertentu dikelompokkan secara bersama (polycistronic) dan dapat dikontrol oleh suatu single regulatory region. Sebagai tambahan pada promoter, regulatory region memiliki suatu sekuen nukleotida yang dikenal dengan ‘ operator’ yang merupakan sisi tempat berikatannya molekul ‘repressor’. Kombinasi dari promoter, operator, dan beberapa ‘structural genes’ terkait dikenal dengan operon

Operon adalah kelompok gen-gen yang diekspresikan oleh Prokaryote Gen-gen yang terkelompok dalam satu operon semua diperlukan untuk menyelesaikan suatu tugas (reaksi metabolik) tertentu. Setiap operon dikendalikan oleh satu sekuen pengatur tunggal dalam DNA. Karena gen-gen dalam kelompok bersama, maka dapat ditranskripsikan bersama.

  Bagian-bagian utama dari satu operon bakteri adalah: (a) kelompok dari satu atau lebih gen struktural yang menyandikan enzim atau protein lain (1, 2, ...n) dibawah kontrol regulatory region tunggal, dan (b) sebuah regulatory region yang terdiri dari sebuah promoter (P) dan sebuah operator (O).

The Lactose Operon Jacob dan Monod, adalah peneliti pertama yang mengidentifikasi adanya ‘gene regulation’ pada prokaryote. Operon dapat bersifat ‘Inducible’ atau ‘repressible’

Inducible dan repressible operon Inducible operons Repressible operons Repressor alone binds Operator Operon usually OFF Repressor alone cannot bind to Operator Operon usually ON Inducer binds Repressor Repressor does not bind to Operator, allowing operon to turn ON Co-Repressor binds to Repressor to form Active Repressor complex Active Repressor complex binds Operator to turn operon OFF

Lac Operon Gen-gen pada lac operon memungkinkan bakteri E. coli melakukan metabolisme lactosa. Lactosa adalah gula. Produksi enzim-enzim untuk metabolisme laktosa, ketika tidak diperlukan dapat menjadi sampah. Metabolisme laktosa untuk energi hanya mungkin apabila 2 kriteria berikut terpenuhi: 1. glukosa, bahan yang lebih siap utk metabolisme, tidak tersedia 2. laktosa tersedia.

Bagian-bagian dari Lac Operon lac operon tersusun dari sebuah daerah pengatur (control region) dan empat gen: LacZ - b-galactosidase – menghidrolisis ikatan antara galactosa dan glukosa LacY – menyandikan ‘permease’ yang memungkinkan laktosa melewati membran sel. LacA - Transacetylase – suatu enzim yang berfungsi dalam metabolisme laktosa. Repressor – suatu protein yang bekerja dengan daerah pengatur (control region) untuk mengatur ekspresi operon.

Sugar(s) in Growth Medium Relative Amount of b-galactosidase glucose 1 glucose + lactose 50 lactose 2500 Addition of lactose appears to increase or induce the synthesis of b-galactosidase. Reading from bottom to top, we see that the addition of glucose appears to decrease or repress the synthesis of b-galactosidase. These two views reflect the two different mechanisms that operate to regulate b-galactosidase expression.

Promoter – Tempat melekatnya RNA polymerase untuk Struktur Lac Operon, Bagian-bagian dan fungsi dari lac operon Repressor Gene – memproduksi suatu protein repressor yang sesuai utk berikatan dengan operator untuk mematikan kerja operon Promoter – Tempat melekatnya RNA polymerase untuk memulai transkripsi gen. Operator adalah sisi/ tempat dimana sebuah molekul repressor (biasanya suatu metabolit) dapat berikatan untuk mencegah RNA polymerase memulai transkri Structural Genes – Gen-gen jalur metabolik yang menyandikan pembentukan enzim; misalnya untuk mencerna lactosa.

Kontrol dari Lac Operon Daerah kontrol (control region) terdiri dari 2 bagian: 1. Promoter Merupakan sekuen DNA khusus untuk terjadinya ikatan dengan RNA Polymerase sehingga memungkinkan terjadinya transkripsi. Promoter lac operon juga memiliki sisi ikat untuk protein lain yang disebut CAP 2. Operator Merupakan sisi ikat dari protein repressor Operator ini terletak downstream (pada arah ke 3’) dari promoter,dengan demikian apabila repressor berikatan dengan RNA Polymerase maka tidak bisa terjadi transkripsi.

Inducible lac operon Kerja dari lac operon, secara normal: Sintesis enzim tertahan karena transkripsi dihambat ketika tidak ada laktosa. Gen regulator "i“ tetap menghasilkan protein repressor yang berikatan dengan operator, sehingga memblock RNA polymerase untuk berikatan dengan promoter.

Induksi: Ketika laktosa masuk ke dalam suatu bakteri, maka laktosa berikatan dengan protein repressor.

Kompleks laktose-repressor tidak lama melekat pada operator Kompleks laktose-repressor tidak lama melekat pada operator. Keadaan ini memungkinkan RNA polymerase berikatan dengan promoter, sehingga transkripsi berlangsung, meskipun lambat.

Promoter menjadi lebih menarik bagi RNA polymerase ketika: Kontrol tambahan: Promoter menjadi lebih menarik bagi RNA polymerase ketika: ATP hampir semuanya terpakai dan dirubah menjadi cyclic AMP Catabolite activator protein (CAP) tersedia. cAMP dan CAP membentuk suatu kompleks yang mengikat lac promoter sehingga menstimulasi transkripsi.

Lac Operon: Ketika ada glukosa,tetapi tidak ada laktosa Come on, let me through Repressor mRNA Hey man, I’m constitutive RNA Pol. Repressor Promoter LacY LacA LacZ Operator CAP Binding Repressor No way Jose! Repressor CAP

Lac Operon: Ketika glukosa dan laktosa keduanya tersedia Great, I can transcribe! Repressor mRNA Hey man, I’m constitutive RNA Pol. RNA Pol. Repressor Promoter LacY LacA LacZ Operator CAP Binding X Repressor Repressor Lac This lactose has bent me out of shape Repressor CAP Some transcription occurs, but at a slow rate

Lac Operon: Ketika laktosa ada tetapi tidak ada glukosa Repressor Promoter LacY LacA LacZ Operator CAP Binding mRNA Hey man, I’m constitutive cAMP Lac X This lactose has bent me out of shape Bind to me Polymerase RNA Pol. Yipee…!

Lac Operon: Ketika laktosa dan glukosa keduanya tidak tersedia Alright, I’m off to the races . . . Bind to me Polymerase Repressor mRNA Hey man, I’m constitutive Come on, let me through! RNA Pol. Repressor Promoter LacY LacA LacZ Operator CAP Binding CAP cAMP STOP Right there Polymerase CAP cAMP CAP cAMP

How are genes regulated How are genes regulated? They are turned off if there is no need for the enzymes they code for or turned on when the environment changes and the enzymes are once again needed Example E. coli in an environment without lactose does not produce the enzymes for lactose digestion. When lactose is present the enzymes for digestion are produced. Why is this off/on switch important? Energy is not wasted. It would be similar to having all the electrical appliances in your house on at once. Which of course would be very wasteful. Also unecessary materials would lead to sluggish functioning .

How are the genes for a particular metabolic pathway turned on or off How are the genes for a particular metabolic pathway turned on or off? On the prokaryote chromosome a combination of genes and regulatory DNA sequences known as the operon accomplishes this. An example of an operon discovered by Jacob and Monod in E. coli The lac operon which is off if no lactose is present but can be induced to turn on in the presence of lactose.