Analisis Domain Protein Fungsional dan Tranduksi Sinyal

Pendahuluan
Pengetahuan mengenai struktur biologi saat ini menjadi sangat penting, misalnya pemahaman mengenai struktur protein. Karena dengan itu kita akan dapat mempelajari dan memahami mekanisme kerja enzim, ikatan ligan yang mengatur suatu fungsi, serta desain obat dan inhibitor obat baru.
Struktur sekunder protein pada dasarnya ada dua macam, yaitu  helix dan  sheet. Beberapa protein murni helix, dan beberapa protein lainnya murni  sheet. Namun, kebanyakan adalah kombinasi dari keduanya. Konbinasi tertentu dari  helix dan  sheet disebut struktur super sekunder atau disebut MOTIF. Macam motif:  motif (yang paling umum),  hairpin (anti parallel strands connected by reverse turns),  motif (two successive anti-parallel  helices which are packed with their axes inclined),  barrel ( sheet rolling up into barrels), helix-loop-helix (helix turn helix), leusine zipper motif (dimerization/trimerization motif). Motif-motif tersebut bergabung membentuk suatu struktur protein yang disebut domain.
DOMAIN merupakan suatu unit dari protein yang independent secara struktural yang memiliki karakteristik berupa protein globular kecil. Bentuk domain antara lain : / barrel, four helix bundle, / saddle, / sandwich. Domain bertanggung jawab terhadap aktivitas protein dan biasanya memiliki fungsi yang spesifik. Pembagian domain menurut fungsinya: DNA binding domains, RNA binding domains, ligand (regulatory) domains, oligomerization domains. Gen Bank Database dapat dimanfaatkan untuk melacak keberadaan motif dan domain tersebut. Dari database tersebut dapat diketahui protein yang berbeda yang memiliki motif dan domain yang sama, dan mereka digolongkan dalam satu FAMILY.


Cara Kerja
Analisis Domain Protein Fungsional
1. Buka situs web http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ dan pilih pada kolom Search: Conserved Domains, for: isikan target protein (misal: opg). Klik Go


2. Tampilan kedua, akan muncul accession number dari protein target. Klik accession number tersebut untuk melihat profil dari protein target.


3. Tampilan ketiga, akan muncul keterangan mengenai protein, struktur 3D, kaitan dengan protein lain dan perbandingan asam amino pada domain fungsional dengan domain pada protein lain. Klik bagian-bagian tertentu untuk melihat keterangan lebih lanjut.
Perhatikan tampilan paling atas:


Klik See full description untuk melihat keterangan lengkap mengenai protein target.

Tekan tanda panah ke bawah di bagian Evidence, kemudian pilih View Structure atau Cn3D untuk melihat struktur 3D dan penjelasan tentang protein target. Jika gambar tidak bisa dibuka, sebelumnya perlu dilakukan install software Cn3D 4.1 yang sudah tersedia pada situs NCBI.
.

Struktur 3D dari protein juga dapat dicari lewat NCBI structure.


Tampilan protein yang muncul juga dapat dilihat strukturnya melalui link ke PDB (Protein Data Bank) atau dilakukan pencarian langsung pada situs http://www.rscb.org/pdb./home/home.do


4. Perhatikan bagian paling bawah dari tampilan Conserved Domains. Pada bagian ini ditampilkan susunan asam amino protein yang homolog pada organism yang berbeda. Range asam amino yang berwarna merah menunjukkan persentase kemiripan asam amino yang tinggi sedangkan yang berwarna biru perbedaannya lebih tinggi. Lakukan analisis terhadap domain protein target dan 2 protein yang memiliki homologi!


Tugas
Salah satu karakteristik protein adalah hidrofilisitas/hidrofobisitasnya atau sering disebut hydropathy. Hydropathy plot dari protein dapat digunakan untuk memperkirakan posisi protein di dalam sel. Protein yang hidrofobisitasnya tinggi cenderung berada di membran sedangkan protein yang hidrofilitasnya lebih tinggi akan menempati sitosol. Protein yang berada pada posisi transmembran akan memiliki gambaran hydropathy yang khas pula. Mahasiswa ditugaskan untuk mencari dan menganalisis hydropathy plot dari protein target dengan memasukkan rangkaian asam aminonya pada kolom hydropathy analysis yang tersedia pada alamat situs http://www.tcdb.org/progs/hydro.php.
Tekan Click here to plot.





Tampilan hidropathy plot yang akan muncul:


Analisis hydropathy juga dapat dilakukan secara manual dengan menggunakan tabel di bawah ini. Kelemahan metode ini, selain memakan waktu, tidak dapat dilakukan perkiraan protein dengan posisi transmembran atau terletak pada perbatasan membran.

Hydrophobicity Scales
Kyte-Doolittle Hopp-Woods

Alanine 1.8 -0.5
Arginine -4.5 3.0
Asparagine -3.5 0.2
Aspartic acid -3.5 3.0
Cysteine 2.5 -1.0
Glutamine -3.5 0.2
Glutamic acid -3.5 3.0
Glycine -0.4 0.0
Histidine -3.2 -0.5
Isoleucine 4.5 -1.8
Leucine 3.8 -1.8
Lysine -3.9 3.0
Methionine 1.9 -1.3
Phenylalanine 2.8 -2.5
Proline -1.6 0.0
Serine -0.8 0.3
Threonine -0.7 -0.4
Tryptophan -0.9 -3.4
Tyrosine -1.3 -2.3
Valine 4.2 -1.5

Situs lain yang bisa dibuka:
http://www.clcbio.com/index.php?id=460,http://www.genome.ad.jp/dbget/aaindex.html, http://www.vivo.colostate.edu/molkit/hydropathy/scales.html


TRANSDUKSI SINYAL
Proses transkripsi diatur oleh beberapa regulator, utamanya adalah jenis protein Faktor Transkripsi atau Aktivator Transkripsi. Protein jenis tersebut merupakan protein yang mampu mengenali sekuen pendek pada daerah upstream suatu gen sehingga menjalankan RNA polimerase untuk melakukan transkripsi. Protein tersebut dapat diaktivasi atau diinaktivasi karena rangsang ekstraseluler melalui proses yang dinamakan tansduksi sinyal (signal transduction).
Transduksi sinyal merupakan proses penerusan sinyal (pesan) yang berupa rangsang dari luar sel (extra celluler stimulus/stimulator) melalui mediator intraseluler menuju ke dalam inti sel untuk mempengaruhi ekspresi gen dalam rangka memberikan tanggapan sesuai dengan kebutuhan lingkungan (cell environment).
 Stimulator transduksi sinyal (selanjutnya disebut Ligan) dapat berupa molekul kecil (misalnya hormon), tapi umumnya berupa polipeptida/protein. Stimulator memiliki reseptor spesifik yang akan diaktifkan bila terjadi kompleks antara ligan-reseptor.
 Mediator intraseluler dapat berupa molekul kecil atau protein sesuai dengan jenis sinyalnya.
 Terminal effector (efektor akhir) dari transduksi sinyal umumnya berupa Faktor Transkripsi atau disebut juga Aktivator transkripsi sehingga dapat berakibat menghambat atau mengaktifkan transkripsi.
Menurut sifat stimulatornya, transduksi sinyal dapat dibedakan menjadi 2:
1. Stimulator yang dapat larut dalam lipid (Lipid soluble) sehingga dapat langsung masuk ke dalam sitosol dan membentuk kompleks dengan reseptornya di dalam sel. Jenis transduksi sinyal ini merupakan jenis yang sederhana.
2. Stimulator yang tidak larut dalam lipid (Lipid insoluble) sehingga tidak dapat menembus membran sel. Jenis stimulator ini mempunyai reseptor di membran sel.
Contoh mekanisme transduksi sinyal:

Gambar 2. Mekanisme transduksi sinyal secara langsung melalui hormon steroid. Sebelum ada hormon, GR berikatan dengan Hsp90 (GR inaktif). Hormon yang lipid soluble melewati membran sel kemudian berikatan dengan Ligand-Binding Domain (LBD) dari GR sehingga konformasi GR berubah dan Hsp90 terlepas. GR lalu menuju ke nukleus dan bagian DNA binding Domain dari GR akan mengenli sekuen spesifik dalam DNA yang disebut Glucocorticoid Response Element (GRE) dan melakukan ikatan (binding). Dalam hal ini GR bertindak sebagai Aktivator Transkripsi, dan bagian Activation Domain akan memacu proses transkripsi gen.

TUGAS
Pada praktikum bagian yang kedua, mahasiswa ditugaskan untuk mencari posisi protein target pada jalur tansduksi sinyal (signal transduction pathway) di dalam sel dan menjelaskan peran dan regulasinya.

Pencarian pathway/cascade tansduksi sinyal, dapat dilakukan melalui searching gambar di Google atau situs pencarian yang lain. Contoh pada transduksi sinyal apoptosis:



Laporan akhir
Sebagai contoh penyusunan laporan akhir, dapat dilihat situ pada alamat:
http://www.bio.davidson.edu/Courses/genomics/genomics.html pada bagian student web pages.