Regulation of Gene Expression and Development in Eukaryotes I

Regulation of Gene Expression and Development in Eukaryotes I

   November 28, 2013       Unknown

---

Regulation of Gene Expression and Development in Eukaryotes

RESUME

Untuk memenuhi tugas mata kuliah

Genetika II

Yang dibina oleh Prof. Dr. A. Duran Corebima, M.Pd

Oleh :

Bintang Kusuma T.H.             110342422008

Elhah N. Khasna                     110342422034

 

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

JURUSAN BIOLOGI

September, 2013

                Setiap organisme atau individu memiliki fenotip yang berbeda-beda. Perbedaan fenotip ini dihasilkan dari perbedaan gen dan perbedaan bentuk dari gen (perbedaan alel) dalam genom dari beberapa organisme atau individu. Diferensiasi sel pada eukariotik tingkat tinggi, hanya sebagian kecil (kurang dari 10%) dari gen, yang diekspresikan pada satu jaringan.

            Beberapa gen di kode oleh protein regulator trans-acting yang berikatan dengan daerah cis-acting dari set gen. Satu atau lebih dari gen akan diaktivasi oleh gen regulator orignal. hsilnya akan diproduksi oleh protein regulator trans-acting yang dihubungkan dengan set gen yang lain. Perkembangan dan diferensiasi dihasilkan dari adanya kunci gen regulator. Hasil dari beberapa kunci gen regulator ini akan terlihat sebagai aktivator transkripsional yang berikatan dengan promoter atau sekuen regulator yang lain dari gen struktural yang diregulasi.  Ekspresi gen diregulasi dan koordinasi regulasi dari jalur sekuens ekspresi gen bertanggungjawab terhadap keragaman fenotip selama perkembangan dari tumbuhan atau hewan tingkat tinggi.

Perbedaan Sel pada Eukariot Tingkat Tinggi

            Selama perkembangan eukariot tingkat tinggi diawali dengan satu sel (zigot) yang membelah secara mitosis untuk menjadi berbagai macam tipe sel yang mana memiliki bentuk morfologi dan komposisi molekular yang berbeda. Sel-sel tersebut sangat spesifik, dimana hanya membawa fungsi metabolisme yang khusus pada bagian-bagian tertentu. Hal tersebut terjadi karena pengontrolan ekspresi gen.

            Pengekspresian gen ditunjukkan pada berbagai proses yang berbeda-beda. Terkadang ekspresi gen ditunjukkan ketika transkripsi, proses pre-mRNA, transport mRNA, translasi, post-translasi, proses pembuatan protein, kestabian protein, dan berfungsinya enzim. Proses pengekspresian gen terutama terjadi pada saat transkripsi dan proses pre-mRNA.

            Banyak beberapa proses pada eukariot tinggkat tinggi yang di kontrol oleh preprogrammed circuits of gene expression. Pada kasus ini, beberapa peristiwa akan memicu ekspresi dari satu set gen. Suatu gen akan berfungsi untuk menghentikan transkripsi pada set gen pertama dan menghidupkan transkripsi pada set gen kedua dan seterusnya.

            Pada eukariot hormon bisa memicu ekspresi dari satu set gen, dan regulasi gen termasuk dalam pengontrol diferensiasi. Enhancers dan silencers adalah element pengatur regulasi pada ekspresi gen.    

Contoh-contoh Neoklasikal Perkembangan Regulasi Ekspresi Gen

Gambaran mengenai transkripsi pada kromosom lampbrush  dan amplifikasi gen-gen RNA ribosomal pada oosit amphibi merupakan dua contoh penting terkait peristiwa regulasi ekspresi gen yang mendahului teknologi DNA rekombinan.

Transkripsi Kromosom Lampbrush  pada Oosit Amphibi

Pada semua organisme tingkat tinggi, fertilisasi sel telur oleh sperma, memicu peningkatan sintesis protein yang diikuti oleh pembelahan nucleus dan pembelahan sel pada tahapan awal embriogenesis. Pada kebanyakan organisme eukariot, sintesis protein tidak diikuti dengan sintesis RNA. Sebagai gantinya, semua komponen yang dibutuhkan dalam sintesis protein telah disediakan oleh sel telur dan disimpan dalam kondisi dorman. Komponen ini telah disintesis bersamaan dengan peristiwa oogenesis pada tahap profase I. Pada tahapan ini, kromosom terlihat sebagai bentukan yang disebut struktur lampbrush.

Oleh karena itu molekul-molekul informasional yang terkait dengan sintesis protein selama tahap pembelahan awal harus disintesis selama oogenesis. Kajian oogenesis pada vertebrata, khususnya golongan amphibi, menunjukkan bahwa transkripsi terjadi selama profase I (khusus tahap diploten) meiosis. Pada tahap ini, kromosom tampak sebagai struktur lampbrush.

            Sebagian besar kromosom lampbrush dalam keadaan yang sangat terkondensasi, dan secara transkripsi merupakan bentuk inaktif sehingga disebut area aksial dari kromosom. Segmen tertentu dari DNA pada masing-masing kromosom lampbrush nampak sebagai gembungan lateral yang melebar. Masing-masing gelembung terdiri atas molekul-molekul sentral DNA yang dikelilingi oleh matriks RNA dan protein yang baru disintesis. Dengan menggunakan pelabelan uridin [H³] autoradiografi, gembungan kromosom lampbrush nampak terlihat sebagai daerah transkripsi aktif. Oosit kromosom lampbrush terlihat sebagai contoh yang baik untuk menunjukkan hubungan antara struktur dan fungsi morfologi kromosom lampbrush menjadi suatu struktur yang berkorelasi dengan transkripsi sekelompok gen-gen kromosomal spesifik. Gen-gen hasil transkripsi dari kromosom lampbrush kelihatannya merupakan produk yang diperlukan selama tahap awal embriogenesis.

Gen-gen hasil transkripsi yang disintesis selama oogenesis harus disimpan dalam keadaan inaktif tetapi tetap dalam bentuk yang stabil (kemungkinan sebagai kompleks RNA-protein) hingga terjadinya proses fertilisasi. Jelasnya, mekanisme regulasi yang dilibatkan terjadi/ berlangsung pada tahap post-transkripsi (pemrosesan RNAd)/ pada level translasi.

Sebagai tambahan, gen-gen tertentu hasil transkripsi dan atau produk gen lainnya harus ditempatkan di area tertentu dari sitoplasma telur selama oogenesis. Hal ini merupakan bukti dari eksperimen-eksperimen yang menunjukkan bahwa “nasib” sel-sel tertentu sangat tergantung pada bagian sitoplasma telur yang diterima oleh sel pada proses awal pembelahan.

Pada kelompok amphibi atau kemungkinan pada sebagian besar vertebrata lainnya, program genetik yang mengontrol perkembangan awal (di atas tahap blastula) ditentukan selama oogenesis. Pada tahap akhir perkembangan, saat diferensiasi sel mulai terjadi (dari tahap gastrula), maka diperlukan suatu program ekspresi gen yang baru.

Amplifikasi Gen RNAr pada Oosit Amphibi

Meskipun inisiasi sintesis protein secara cepat mengikuti fertilisasi, akan tetapi tidak terjadi sintesis RNAr pada embrio amphibi hingga tahap gastrula. Artinya, sejumlah besar RNAr juga harus disintesis selama oogenesis. Pada kenyataannya, banyak sekali telur amphibi yang mengandung sejumlah besar ribosom, pada umumnya yaitu 10¹² per telur matang. Kebutuhan untuk sintesis sejumlah besar ribosom tersebut pada gen-gen hasil transkripsi (the 40S amphibian RNAr precursor) pada sel tunggal dihasilkan dari mekanisme amplifikasi gen spesifik. Pada oosit amphibian, gen-gen RNAr secara selektif diamplifikasi sekitar seribu kali untuk memfasilitasi sintesis sejumlah besar RNAr yang disimpan dalam telur yang matang.

Gen-gen RNAr hadir sebagai kopi berulang acak yang terletak pada NOR kromosom. Hal tersebut ditunjukkan pada tiap-tiap NOR inti diploid Xenopus laevis. D. Brown dan I. David menunjukkan bahwa nucleus dari oosit X. laevis mengandung ratusan nucleolus. Masing-masing mengandung molekul DNA sirkuler yang membawa kopian berulang secara acak dari gen tRNA. Molekul DNA ekstrakromossomal ini bereplikasi melalui mekanisme rolling circle mechanism. Akan tetapi, bagaimana daerah nukleolar (NOR) kromosom secara selektif bereplikasi untuk menghasilkan molekul DNA kromosomal masih belum diketahui.

Replikasi selektif gen-gen RNAr di dalam oosit merupakan contoh terbaik mekanisme 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 RNAd dapat ditranslasi beberapa kali. Tentu saja, hal ini merupakan suatu hal yang tidak mengkin ketika produk gen yang diperlukan yaitu molekul RNA.

Populasi “Gen Transcript” Berbeda pada Tipe Sel yang Berbeda

Pada eukariot tingkat tinggi, hanya sebagian kecil proporsi genom yang direpresentasikan diantara molekul RNAd dalam suatu tipe sel tertentu. Hal ini telah dibuktikan melalui eksperimen hibridisasi penjenuhan RNA-DNA. RNA diekstrak dari tipe sel tertentu dan dibiarkan berhibridisasi dengan DNA inti total (di-denaturasikan). RNA ditambahkan ke reaksi hibridisasi dalam jumlah yang banyak (relatif terhadap konsentrasi DNA) sehingga sekuen DNA berkomplementer dengan sekuen-sekuen yang representatif pada populasi RNA dan akan membentuk hibrid DNA-RNA, hasil penentuan tersebut akan dipakai sebagi data pendukung perkiraan terhadap proporsi genom yang direpresentasikan melalui sekuen-sekuen dalam populasi RNAd pada tipe sel tertentu tersebut (proses kuantifikasi biasanya dilakukan dengan melabeli DNA secara radioaktif, meskipun beberapa prosedur lainnya juga digunakan).

Eksperimen hibridisasi penjenuhan RNA-DNA telah dilakukan terhadap sejumlah spesies eukariotik dengan menggunakan RNA dari beberapa tipe sel yang berbeda. Hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa kurang dari 10% dan DNA genom direpresentasikan oleh molekul RNAd dalam sitoplasma sel. Pada mencit misalnya, pada sel livernya dari 2-5% sekuen DNA direpresentasikan dalam bentuk molekul RNAd. Sel-sel otak kelihatannya memiliki variasi maksimum RNA hasil transkripsi.Sebagian besar sekuen DNA dalam genom eukariot tingkat tinggi tidak direpresentasikan di antara populasi RNAd dari suatu jaringan atau tipe sel.

Pada eksperimen hibridisasi kompetitif RNA-DNA, pengukuran sel pertama dilakukan terhadap jumlah RNA yang terlabel radioaktif dari suatu tipe sel yang berhibridisasi terhadap DNA genomik total dengan ada atau tidak ada kompetisi RNA non radioaktif dari tipe sel yang kedua. Apabila dua sel secara keseluruhan mengandung populasi RNA yang berbeda (non overlapping) maka sejumlah RNA yang terlabeli akan berhibridisasi dengan DNA, baik itu dengan ada tau tidak adanya kompetisi RNA. Jika dua populasi RNA saling overlap, maka sejumlah RNA yang terlabeli hibridisasi akan mengalami penurunan proporsi terhadap tingkat overlap.

Eksperimen hibridisasi kompetitif RNA-DNA mengindikasikan bahwa sekuen RNA yang hadir dalam populasi RNA yang diambil dari jaringan atau tipe sel yang yang berbeda bervariasi antara 10 sampai dengan 100%. Davidson dkk mendeteksi tidak adanya sekuen RNAd pada oosit dan blastula X. Laevis. Sel-sel hati, limpa, dan jantung tikus mengandung populasi RNAd dengan komposisi sekuen yang berbeda atau bervariasi dari 15-70%.

Telah diketahui bahwa lebih dari 90% sekuen-sekuen DNA dalam genom tidak direpresentasikan diantara populasi RNAd pada berbagai tipe sel, dan berdasarkan hal tersebut maka dihipotesiskan bahwa gen-gen eukariotik dikemas dalam kromatin pada tahap ter-represi secara non-spesifik, dan regulasi transkripsi atau pemrosesan hasil transkripsi terjadi melalui mekanisme positif yang melibatkan aktivator gen yang spesifik. Aktivator ini berperan dalam turning on atau mengaktivasi transkripsi gen-gen spesifik (sekelompok gen) pada waktu yang tepat dan pada sel yang tepat pula.

Bukti-bukti mengindikasikan bahwa protein kromosomal non histon tertentu berfungsi sebagai aktivator spesifik pada proses transkripsi. Bukti lain mengindikasikan bahwa regulasi pemrosesan hasil transkripsi RNA merupakan hal yang penting dalam pengontrolan proses differensiasi pada makhluk hidup eukariot.

            Histon diperkirakan bertanggung jawab untuk represi non spesifik gen-gen eukariot. Histon-histon ini, termasuk histon H₁ sangat terkonservasi melalui proses evolusi organisme eukariot dan histon-histon ini juga diketahui saling berikatan untuk membentuk kompleks dengan DNA di nukleosom. Lebih jauh lagi, kompleks histon-DNA ditranskripsikan sedikit lebih efisien dalam sistem transkripsi in vitro dibandingkan transkripsi pada DNA yang sama setelah histonnya dihilangkan.

Histon-histon yang sama biasanya hadir dalam kromatin berbagai macam sel yang berdiferensiasi, dan para ahli yakin bahwa histon-histon tersebut tidak berfungsi sebagai represor spesifik atau aktivator transkripsi. Para ahli lainnya percaya bahwa modifikasi histon, seperti fosforilasi dan alkilasi asam amino, terlibat dalam regulasi transkripsi. Jelasnya, kesimpulan terkait peran histon dalam regulasi transkripsi harus menunggu bukti-bukti berikutnya.

1. Bagaimana sintesis hemoglobin hanya terjadi pada sel darah dan tidak terjadi pada sel syaraf?

Sintesis hemoglobin hanya terjadi pada sel darah karena molukul mRNA dari hemoglobin hanya ada pada sel darah saja dan tidak ditemukan pada tope sel lain yang tidak mensintesis hemoglobin.

2. Mengapa sintesis protein selama tahap pembelahan awal harus disintesis pada saat oogenesis?

Sintesis protein selama tahap pembelahan awal harus disintesis pada saat oogenesis karena semua komponen yang diperlukan untuk sintesis protein selama embriogenesis awal sudah ada di telur hingga terjadinya fertilisasi.

3.      Bagaimana konsep eksperimen hibridisasi penjenuhan RNA-DNA?

RNA diekstrak dari tipe sel tertentu dan dibiarkan berhibridisasi dengan DNA inti total (di-denaturasikan). RNA ditambahkan ke reaksi hibridisasi dalam jumlah yang banyak (relatif terhadap konsentrasi DNA) sehingga sekuen DNA berkomplementer dengan sekuen-sekuen yang representatif pada populasi RNA dan akan membentuk hibrid DNA-RNA, hasil penentuan tersebut akan dipakai sebagai data pendukung perkiraan terhadap proporsi genom yang direpresentasikan melalui sekuen-sekuen dalam populasi RNAd pada tipe sel tertentu tersebut.