Ekspresi dan regulasi gen · AP Biology

Bab 6 · Ekspresi dan regulasi gen

dari DNA ke protein

Gen adalah suatu segmen DNA yang urutan basanya menyusun RNA, dan biasanya protein. Pengekspresiannya melalui dua langkah: transkripsi, dari DNA ke RNA, dan translasi, dari RNA ke protein.

Gambar ini adalah potongan heliks ganda yang berputar. Kedua untainya disatukan oleh pasangan basa di tengah, dan urutan basa itulah informasinya.

Bab ini mengikuti informasi tersebut: bagaimana DNA disusun (6.1) dan disalin (6.2), bagaimana gen dibaca menjadi RNA (6.3) dan menjadi protein (6.4), bagaimana sel menentukan gen mana yang dibaca (6.5, 6.6), apa yang terjadi saat urutan berubah (6.7), dan bagaimana laboratorium memotong, menyalin, dan memilah DNA (6.8).

6.1 · DNA dan RNA

Struktur DNA dan RNA

DNA, dan pada sebagian virus RNA, adalah informasi terwariskan dari sebuah sel. Keduanya berupa rantai nukleotida: gula, fosfat, dan basa nitrogen.

Gula dan fosfat berselang-seling membentuk tulang punggung. Setiap untai punya arah: ujung 5′ dengan fosfat bebas dan ujung 3′ dengan gugus –OH bebas pada gula. Kedua untai DNA berjalan berlawanan arah, yaitu antiparalel, dan terpilin menjadi heliks ganda.

Basa berpasangan di tengah melalui ikatan hidrogen: A dengan T (dua ikatan) dan G dengan C (tiga ikatan). A dan G adalah purin, dengan dua cincin; C, T, dan U adalah pirimidin, dengan satu cincin. Setiap pasangan terdiri dari satu purin dan satu pirimidin, sehingga lebar heliks tetap sama (sekitar 2 nm), dan berputar sekali setiap 10.5 pasangan basa.

Aturan Chargaff. Karena pasangan basa itu, DNA untai ganda memiliki A = T dan G = C. Jika suatu sampel mengandung 30% A, maka ia mengandung 30% T, dan sisa 40% terbagi sama: 20% G dan 20% C.

	DNA	RNA
gula	deoksiribosa	ribosa
basa	A, T, G, C	A, U, G, C
untai	dua, heliks ganda	biasanya satu

Prokariota menyimpan DNA-nya dalam satu kromosom sirkular; eukariota dalam beberapa kromosom linear, yang melilit protein histon di dalam nukleus. Keduanya dapat membawa plasmid: DNA untai ganda kecil berbentuk lingkaran di luar kromosom.

6.2 · Menyalin DNA

replikasi

Replikasi bersifat semikonservatif: setiap heliks ganda baru mempertahankan satu untai lama dan mendapat satu untai baru, yang dibangun di atasnya sebagai cetakan melalui pasangan basa.

Pada garpu replikasi, helikase membuka heliks induk dengan memutus ikatan hidrogen antarbasa. Topoisomerase, di depan garpu, mengurangi puntiran yang ditimbulkan oleh pembukaan itu.

DNA polimerase menambahkan nukleotida hanya pada ujung 3′ suatu untai, sehingga untai baru hanya memanjang 5′→3′. Enzim ini juga tidak bisa memulai untai dari nol: ia memerlukan primer RNA pendek (biru) sebagai tempat membangun.

Kedua cetakan berjalan berlawanan arah, sehingga kedua untai baru (merah) dibuat dengan cara berbeda:

	untai pemandu	untai tertinggal
arah	menuju garpu	menjauhi garpu
dibuat	kontinu, satu primer	berpotong-potong, masing-masing satu primer

Potongan-potongan untai tertinggal disebut fragmen Okazaki. Primer RNA-nya diganti dengan DNA, dan DNA ligase menutup celah di antaranya menjadi satu untai kontinu.

DNA polimerase juga memeriksa dan mengoreksi, sehingga kesalahan replikasi jarang terjadi, meski tidak pernah nol: kesalahan yang tersisa adalah mutasi (6.7).

6.3 · DNA ke RNA

transkripsi dan pemrosesan RNA

Pada transkripsi, RNA polimerase membuka DNA pada suatu gen dan membangun salinan RNA dari salah satu untai.

Enzim ini menempel pada promotor, membaca untai cetakan 3′→5′, dan membangun RNA 5′→3′, dengan memasangkan A dengan U, T dengan A, G dengan C, dan C dengan G. Enzim berhenti pada terminator. RNA memiliki urutan untai lainnya, yaitu untai pengode, dengan U menggantikan T.

untai pengode 5′→3′	ATG TTC GGA AAA TGG TAA
untai cetakan 3′→5′	TAC AAG CCT TTT ACC ATT
mRNA 5′→3′	AUG UUC GGA AAA UGG UAA

Tiga jenis RNA berperan dalam pembuatan protein: mRNA membawa pesan gen; tRNA membawa asam amino; rRNA membentuk inti ribosom.

Pemrosesan. Pada eukariota, transkrip pertama, yaitu pra-mRNA, dimodifikasi di nukleus sebelum keluar: tudung 5′ (nukleotida guanin termodifikasi) dan ekor poli-A ditambahkan untuk melindunginya dan membantu translasi, dan intron dipotong sementara ekson disambung. Pra-mRNA di bawah ini terdiri dari 1530 nukleotida; total eksonnya 480.

Melalui penyambungan alternatif, satu gen dapat menghasilkan mRNA yang berbeda, dan juga protein yang berbeda, bergantung pada ekson mana yang dipertahankan.

6.4 · RNA ke protein

translasi

Dalam translasi, ribosom membaca mRNA tiga basa sekaligus, satu kodon untuk setiap asam amino.

Inisiasi. Subunit kecil berikatan dengan mRNA dan menemukan kodon start, AUG; tRNA pertama, yang membawa metionin, berpasangan dengannya; subunit besar bergabung.

Elongasi. Setiap tRNA memiliki antikodon yang berpasangan dengan satu kodon, dan membawa asam amino untuk kodon itu. Sebuah tRNA baru masuk ke situs A; ribosom menyambung rantai yang tumbuh dengan asam aminonya melalui ikatan peptida; ribosom bergeser satu kodon ke arah ujung 3′, dan tRNA kosong keluar dari situs E.

Terminasi. Pada kodon stop (UAA, UAG, UGA) tidak ada tRNA yang berpasangan; faktor pelepas membebaskan polipeptida.

mRNA	AUG	UUC	GGA	AAA	UGG	UAA
asam amino	Met	Phe	Gly	Lys	Trp	Stop

Kode dibaca dari tabel kode genetik, dan kode ini hampir universal: kodon yang sama berarti asam amino yang sama pada bakteri dan manusia, itulah sebabnya gen manusia dapat diekspresikan dalam bakteri. Kode ini juga redundan: 61 kodon untuk 20 asam amino.

Pada prokariota, ribosom menerjemahkan mRNA saat mRNA itu masih ditranskripsi. Retrovirus seperti HIV menjalankan alur ini terbalik lebih dulu: enzim transkriptase balik mereka menyalin RNA virus menjadi DNA, yang bergabung ke genom inang.

6.5 · Menghidupkan dan mematikan gen

regulasi ekspresi gen

Sel tidak mengekspresikan semua gennya sepanjang waktu. Urutan regulator pada DNA mengikat protein regulator, yang menaikkan atau menurunkan transkripsi.

Operon lac pada E. coli adalah sebuah operon: gen-gen untuk satu tugas (memanfaatkan laktosa) di bawah satu promotor dan satu operator, ditranskripsi menjadi satu mRNA. Operon ini dapat diinduksi, biasanya mati:

kondisi	represor	lacZYA
laktosa tidak ada	represor pada operator	off
laktosa ada	alolaktosa menahan represor agar terlepas	on

Represor, yang dibuat oleh gen terpisah lacI, menempel pada operator dan menghalangi RNA polimerase. Saat laktosa ada, alolaktosa (yang dibuat dari laktosa) mengikat represor dan mengubah bentuknya; represor terlepas, dan gen-gen ditranskripsi. (Transkripsi paling kuat saat glukosa juga langka.)

Operon trp bersifat dapat direpresi, biasanya menyala. Represornya dibuat dalam keadaan tidak aktif; saat triptofan melimpah, triptofan mengikatnya, represor mengikat operator, dan gen-gen pembuat triptofan dimatikan.

Perubahan epigenetik mengatur gen tanpa mengubah urutannya. Asetilasi histon melonggarkan DNA yang melilitnya dan memungkinkan transkripsi; metilasi DNA biasanya membungkamnya. Penanda ini dapat dibalik, dan dapat diwariskan saat sel membelah.

6.6 · Satu genom, banyak jenis sel

ekspresi gen dan spesialisasi sel

Hampir setiap sel di tubuhmu memiliki gen yang sama. Sel berbeda karena mengekspresikan gen yang berbeda.

Gen eukariota dinyalakan oleh faktor transkripsi. Faktor umum membantu RNA polimerase berikatan dengan promotor. Aktivator spesifik mengikat enhancer, yang mungkin berjarak ribuan basa; DNA melengkung sehingga aktivator menyentuh perangkat di promotor, dan transkripsi meningkat. Represor mengikat dan menghalanginya.

Pada gambar: kromatin terkondensasi dan diam; gugus asetil (merah) melonggarkan histon; aktivator (biru) mengikat enhancer, DNA membentuk lengkungan, dan mRNA dibuat.

sel	actin	albumin	insulin	crystallin
liver	on	on	—	—
pancreas	on	—	on	—
lens	on	—	—	on

Setiap jenis sel memiliki kumpulan faktor transkripsinya sendiri, sehingga memiliki kumpulan gen dan protein aktifnya sendiri. Gen yang berbagi urutan regulator merespons faktor yang sama, sehingga satu sinyal dapat menyalakan seluruh program sekaligus.

Ekspresi juga diatur setelah transkripsi: RNA kecil (seperti mikroRNA) berpasangan dengan mRNA tertentu dan menghalangi translasinya atau membuatnya dihancurkan.

6.7 · Ketika urutannya berubah

mutasi

Mutasi adalah perubahan pada urutan DNA. Mutasi dapat mengubah protein yang dibuat suatu gen, sehingga mengubah fenotipe.

Gambar ini memutasikan mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA, yang mengode Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:

mutasi	kodon	protein
silent	GAG → GAA	Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala
missense	GAG → GUG	Met-Val-Phe-Lys-Trp-Ala
nonsense	AAA → UAA	Met-Glu-Phe (stop)
frameshift	UUC → CUU	Met-Glu-Leu-Gln-Met-Gly-Leu

Substitusi senyap mengubah kodon menjadi kodon lain untuk asam amino yang sama. Substitusi missense mengubah satu asam amino: GAG → GUG, glutamat menjadi valin, adalah mutasi sel sabit pada hemoglobin. Substitusi nonsense menghasilkan kodon stop dan memotong protein menjadi pendek. Penyisipan atau penghilangan satu basa adalah pergeseran kerangka: setiap kodon setelahnya dibaca dalam kerangka yang salah.

Mutasi muncul dari kesalahan replikasi atau perbaikan, serta dari radiasi dan bahan kimia. Mutasi bersifat acak terhadap apa yang dibutuhkan organisme; efeknya dapat merugikan, netral, atau menguntungkan bergantung pada lingkungan. Mutasi adalah sumber asli variasi genetik.

Seluruh kromosom juga dapat berubah: nondisjungsi pada meiosis membuat gamet memiliki kromosom ekstra atau kekurangan kromosom, seperti pada trisomi 21 (sindrom Down). Bakteri juga memperoleh gen secara menyamping: transformasi (mengambil DNA), transduksi (dibawa oleh virus), konjugasi (dari sel ke sel) dan transposisi (gen berpindah di dalam genom).

6.8 · Membaca dan menyalin DNA

bioteknologi

Empat metode laboratorium muncul dari sifat DNA.

Elektroforesis gel memilah DNA menurut ukuran. DNA bermuatan negatif (karena fosfatnya), sehingga dalam medan listrik DNA bergerak ke arah kutub +; gel menahan potongan panjang lebih kuat daripada yang pendek, sehingga potongan terpendek bergerak paling jauh. Tangga berukuran diketahui dijalankan di samping sampel. Jarak menurun secara teratur terhadap logaritma ukuran:

ukuran (bp)	1500	1000	700	500	300	200	100
jarak (mm)	10.7	16.0	20.6	25.0	31.7	37.0	46.0

Pita yang berjarak 27.9 mm dari sumur terletak di antara pita 500 dan 300 bp; membacanya pada garis memberikan sekitar 400 bp. Pada gambar, pita sampel dari tempat kejadian perkara cocok dengan pita tersangka 2.

PCR (reaksi berantai polimerase) menyalin bagian DNA yang dipilih: panaskan hingga 95 °C untuk memisahkan untai, dinginkan hingga sekitar 55 °C agar primer berikatan di kedua sisi target, lalu 72 °C agar DNA polimerase tahan panas memperpanjangnya. Setiap siklus menggandakan target: 5 siklus mengubah satu salinan menjadi 32, dan 30 siklus menjadi sekitar 1.07 miliar.

Transformasi bakteri memasukkan gen ke dalam bakteri pada plasmid, sering bersama gen resistensi antibiotik sehingga hanya sel yang bertransformasi yang tumbuh pada cawan berantibiotik.

Sekuensing DNA membaca urutan basa.