Kontrol Ekspresi Gen

KONTROL EKSPRESI GEN
Banyak cara yang bisa digunakan untuk meregulasi ekspresi dari gen spesifik dari sebagian jaringan
Pada umumnya,control utama dari ekspresi gen berada pada tingkat transkripsi

TRANSCRIPTIONAL CONTROL
Regulatory sequence elements = sekuen DNA yang berperan dalam control transkripsi
1. Short regulatory elements
Short regulatory element merupakan suatu promotor,yaitu sekuen pendek dan khas pada DNA yang berikatan dengan TF(Transcription Factor)
Lokasi terletak pada daerah upstream dekat dengan startsite
Fungsi : mengatur transkripsi
Terdapat pada banyak gen,contohnya : TATA,CCAAT dan Sp1 box
Element ini hanya terdapat pada gen spesifik,contohnya heat-shock element:terdapat pada gen yang dapat meningkatkan transkripsi bila ada respon berupa kenaikan suhu









Berdasarkan gambar di atas,diketahui bahwa gen non-heat inducible akan menjadi gen heat inducible bila ter’tempel’I heat-shock element
Secara umum,short regulatory elements dapat mengatur transkripsi sesuai dengan sifat yang dibawanya.
Contoh short element regulatory lainnya yang terdapat pada gen yang lain dapat dilihat pada table di bawah ini

2. Enhancer atau enhancer elements
Sifat / ciri : - tissue spesifik(aktif pada jaringan tertentu) = terdapat hanya pada 1 jenis sel
- Posisi independen
- Posisi relative dekat dengan promotor
Fungsi : meningkatkan ekspresi gen
Enhancer dapat mengaktivasi promoter bila ditempatkan:
- Beberapa kb sebelum/di atas promoter
- Orientasi tidak berhubungan dengan promoter
- Upstream atau downstream daerah transkripsi,atau di dalam intron
Mekanisme tissue spesifik:






Contoh kasus : ekspresi tissue spesifik gen insulin in vivo
Enhancer gen insulin berikatan pada gen yang mengkode large T antigen(Ag) SV40 virus
Konstruksi ini menyebabkan terfertilisasinya telur tikus
Telur tikus kembali menjadi oviduk
Ekspresi large T Ag dianalisis dalam semua jaringan dari tikus transgenic(menggunakan antibody spesifik)
Ekspresi large T dapat dideteksi hanya pada pancreas(khususnya dalam sel β pancreas yang memproduksi insulin).
 Enhancer mampu member pola spesifik dari ekspresi gen insulin pada sebuah gen yang tidak berhubungan secara in vivo

Enhancher elements biasanya terdiri atas sekuen(motif) yang sama dengan motif yang ditemukan pada daerah yang berdekatan dengan promoter
Motif oktamer(ATGCAAAT)dari rantai enhancher besar immunoglobulin(Ig)juga ditemukan dalam promoter Ig
Kemungkinan mekanisme aksi:
a. Mengubah struktur kromatin yang menyebabkan pemindahan nukleosome
b. Berinteraksi secara langsung dengan protein apparatus transkripsi
Model (a dan b) hanya bisa mengaktivasi promoter yang pertama kali ditemui,tidak dapat menjelaskan kejadian berikut:
Enhancher immunoglobulin mengaktivasi 2 promotor dengan kekuatan yang sama pada 1,7 kb dan 7,7 kb pada molekul DNA yang sama
Model a dan b dapat dikatakan bahwa jalannay faktor2(enhancher2) atau pemasangan molekul penghubung dapat berhenti pada promoter pertama
Sedangkan Model (c) dapat menjelaskan hasil penemuan tersebut yang memperlihatkan bagian penting dari struktur DNA pada aksi enhancher
Daerah diantara SV40 enhancher dan promoter:
Multi pemindahan 10 basa (1 lilitan heliks)aktivasi
Pemindahan koresponding basa ke setengah lilitan heliksaktivasi terganggu
Enhancher mengikat protein menekuk DNA
 Membantu mempercepat proses transkripsi dengan cara memperpendek jarak antara promoter dan enhancher
enhancher mengikat protein khususnya menekuk sekuen DNA sehingga interaksi dapat terjadi antara protein regulator yang terikat pada jarak yang berdekatan pada DNA
misalnya reseptor sel T rantai α gen enhancher
factor LEF-1 mengikat pada daerah ditengah-tengan enhanchernya
 menekuk DNA
 Membawa factor regulasi lain pada jarak yang berdekatan(saling menempel)
Co-activator(pembantu activator): menyampaikan signal dari protein activator ke factor general
Locus control regions(LCRs)
LCRs merupakan sekuen (penambahan dari promoter dan enhancer)yang dibutuhkan untuk ekspresi gen tingkat tinggi(kebutuhan akan protei sangat banyak)
Mempengaruhi ekspresi gen2 yang berdekatan pada posisi yang bebas,yaitu tanpa memperhatikan posisi gen dalam genom(berpengaruh pada integrated gen/gen2 yang berkelompok dalam 1 untai)
Bersifat tissue-spesifik
Elements LCRs telah diidentifikasi pada kluster gen α- dan β-globin ,lokus mayor histocompatibility(MHC),CD2 dan gen2 lisozim
Contoh…
Pada kelompok gen β-globin,LCR terletak pada 10-20kb(jauh bo!)daerah upstream





Penghapusannya menyebabkan berkurangnya ekspresi beberapa gen dalam satu kluster
Pada manusia,hal ini dapat menyebabkan penyakit lethal(Hispanic Thalassaemia),dimana hemoglobin tidak fungsional diproduksi
LCRs banyak terdapat pada sekuen motif promoter dan enhancher
Fungsi LCRs ini dengan cara mempengaruhi struktur kromatin:
1. Saat gen mulai ditempatkan ke dalam sel(misalnya DNA eksogen tidak di pak ke dalam kromatin) LCRs tidak berefek pada aktivitas gen
2. Saat gen jadi bagian integral dari kromosomLCRs mempengaruhi aktivitas gen
LCRs menginduksi hipersensitivitas dari DNase I dalam daerah yang berdekatan(misalnya kluster β-globin)
Hipersensitivitas DNase I merupakan karakteridtik dari gen2 yang aktif atau berpotensial aktiv
Pengurangan gen LCRs akan menjadi subjek yang mempengaruhi element regulator yang berdekatan untuk menghambat ekspresi oleh membentuk konformasi tertutup kromatin secara langsung
Transkripsional control
Factor transkripsi atau activator transkripsi
Yaitu protein yang mengikat daerah spesifik DNA dan mengatur tingkat transkripsi.
Activator transkripsi memiliki struktur khusus,yaitu:
Motif helix-turn-helixhomeodomain protein
Motif zinc finger types of motif
Leucine zipper  protein fos dan jun
Motif helix-turn-helix
2 helix dihubungkan oleh 1 turn yang berupa struktur linier dari protein
Banyak factor transkripsi dengan tipe DNA-binding protein disebut protein homeodomain
homoedomain:protein regulator yang mengatur perkembangan tubuh
Nama ini diturunkan dari kelompok gen Drosophila(gen homeotik) yang merupakan struktur motif pertama yang ditemukan
Mutasi pada gen homeotik  transformasi dari 1 tubuh ke bagian tubuh lain selama pembentukan lalat
Gen ini mengkode protein regulator mengaktivasi atau menghambat aktivitas dari gen lain yang mengkode protein yang dibutuhkan untuk pembentukan struktur tertentu
Misalnya: protein Engrailed(Eng) mengikat sekuen identik yang di awali oleh Ftz(protein homeodomain lain)dan menginduksi pemblokan gen oleh Ftz
 Major group: sisi yang berikatan dengan DNA

Motif zinc finger
Motif ini umum terdapat pada protein eukariotik
1% dari gen mamalia mengkode protein zinc finger
Terdapat 6 versi berbeda dari motif ini
Pertama yang telah teridentifikasi Cys2His2finger
Sekuen kosensus:Tyr/Phe-X-Cys-X2-4-Cys-X3-Phe/Tyr-X5-Leu-X2-His-X3-4-His
Sturktur ini mengikati ion zinc2+ diantara 2 Cys dan 2 His pada rantai sampingnya
Factor transkripsi,TFIIIA merupakan protein yang pertamakali ditemukan adanya motif ini
Motif Cys4zinc finger
Tipe kedua yaitu Cys4 Zinc Finger
Ditemukan di lebih dari 100 aktivator transkripsi
Superfamily dari reseptor steroid atau reseptor nuclear
2 kelompok dari 4 residu Cys mengikat ion zinc2+
Protein Cys2His2 umumnya terdiri dari 3 atau 4 unit pengulangan finger dan mengikat DNA sebagai sebuah monomer
Protei Cys4 umumnya terdiri hanya 2 unit finger dan mengikat DNA sebagai homodimer atau heterdimer
Protein yeast Gal4 menunjukkan motif Cys6 zinc finger
Leucine zipper
Motif yang terdapat pada banyak activator transkripsi
Mengandung leucin hidrofobik pada posisi ke-7 dalam ujung-C pada DNA-binding domainnya
Mengikat DNA sebagai dimer
Bentuk dimer melalui interaksi hidrofobik antara daerah ujung-C dari α-helix,membentuk struktur koil-terkoil
Rantai samping hidrofobik membentuk stripe down pada satu sisi dari α-helix
Hydrophobic stripes menyebabkan interaksi permukaan antara helix2 dalam dimer koil-terkoil
Protein Fos dan Jun :
Contoh2 aktivator transkripsi yang mengandung motif leucine zipper:
Jun dapat mengikat sebagai sebuah homodimer pada sekuen pengenalan AP1 TGAGTCAG,induksi transkripsi phorbol esters
Fos tidak dapat mengikat DNA sendirian,tapi dapat membentuk heterodimer denga Jun
Heterodimer Jun-Fos mengikat AP1 dengan afinitas lebih besar dari 30-lekukan(30-fold greater affinity) daripada homodimer Jun
Modular nature of transcriptional activators
Activator transkripsi memiliki struktur modular(misalnya dengan sebuah DNA-binding dan domain aktivasi)
Tipe struktur – domain klasik terlihat pada activator transkripsi yeast GCN4
GCN4 menginduksi gen yang mengkode enzim2 biosintesis asam amino pada kondisi kekurangan/pelaparan asam amino
Expt:60 asam amino,daerah(mengandung DNA-binding site)terintoduksi ke dalam selmengikat GCN4-gen resposif tapi gagal mengaktivasi transkripsi
hanya bisa mengidentifikasi/menegaskan DNA-binding domain
tes fungsional diperlukan untuk mengidentifikasi domain aktivasi
identifikasi aktivasi domain:
menunjukkan eksperimen ‘Domain swap’ untuk ditempatkan domain aktivasi dari Faktor A
menghubungkan variasi daerah Faktor A pada DNA-binding domain Faktor B
DNA-binding domain Cuma duduk tapi g’ jalan,yang jalanin domain aktivasi
Gen reporter:gen yang dapat menghasilkan suatu signal atau tanda tertentu(misalnya fluoresensi)
An extreme example of(‘parasiitic’)modularity:
Protein Herpes simplex virus(HSV) VP16 mengaktivasi transkripsi gen viral secara cepat selama infeksi litik
VP16 mengandung daerah aktivasi potensial
VP16 tidak mengandung DNA-binding domain sehingga tidk bisa mengikat DNA sendirian
Tetapi selama infeksi,VP16 membentuk kompleks dengan protein Oct-1,yang mengikat sekuen TAATGARAT,pada promoter viral
Aktivasi tercapai
Oct-1 Cuma punya DNA-binding Domain tetapi g’ aktif tanpa adanya domain aktivasi(pada VP16)

General feature of activating domains:
Tidak memperlihatkan sekuen asam amino yang persis sama diantara activator transkripsi
Namun dalam beberapa kasus,activating domain mengandung asam amino bermuatan negativedaerah yang bermuatan negative
Misalnya 17 residu asam amino yang bersifat asam dapat ditemukan pada asam amino ke 82 pada ujung-N activating domain dari reseptor glukokortikoid. 17 residu asam amino yang bersifat asam lainnya terdapat pada asam amino ke pada 60 activating domain dari GCN4.
Oleh karena itu activating domain dikenal sebagai ‘acidic blobs’ atau ‘negative noodle’
Activating domain biasanya memiliki konformasi berupa sebuah α-heliks atau sebuah anti-paralel β sheet.
Regulasi prokariot
kontrol positif : transkripsi berjalan karena ada activator yang nempel di DNA
kontrol negaif : transkripsi berhenti karena ada repressor yang nempel di operator DNA
untuk detailnya buka lagi catatannya dari pak Kuswandi










Sel-sel prokariot merespon perubahan lingkungan dengan melakukan ekspresi gen
Operon : gen-gen yang mengatur satu jalur metabolic yang sama
Beberapa operon diinduksi saat kebutuhan metaboisme meningkat
Beberapa operon direpress saat tidak dibutuhkan metabolisme



Simple control : Lactose (lac) Operon in Bacteria  contoh kontrol positif
E.coli dapat menggunakan glukosa atau laktosa sebagai sumber karbon dan energy.
Pada medium yang mengandung glukosa : menghambat laktosa dalam mensintesis enzim pemetabolisme.
Pada medium yang mengandung laktosa : menginduksi laktosa dalam mensintesis enzim pemetabolisme
Enzim yang diinduksi dengan keberadaan laktosa dikode oleh lac operon
Gen lacy mengkode laktosa permease (memompa laktosa masuk ke sel)
Gen lacZ mengkode β-galaktosidase (memecah laktosa  glukosa + galaktosa)
Gen lacA mengkode thiogalaktosida transasetilase (fungsi belum jelas)



Gen lacI mengkode repressor laktosa
Pada keadaan tidak ada laktosa:
Repressor mengikat operatormenghalangi RNA polymerase berikatan dengan promotor
Bila laktosa/allolaktosa ada:
Repressor akan berikatan dengan allolaktosa  terjadi perubahan struktur menjadi motif HLH(heliks loop heliks) sehingga tidak dapat berikatan lagi dengan operator
RNA polymerase kini dapat berikatan dengan promotor sehingga sintesis lacZ,Y,A dan mengkode produk-produk lainnya.





Keberadaan CAP dan CAMP…saat glukosa rendah,konsentrasi CAMP tinggi karena glukosa menghambat pembentukan CAMP. CAP aktif jika berikatan dengan CAMP membentuk kompleks pada promoter lac operon sehingga transkripsi berjalan lebih mudah.
Trp operon….contoh kontrol negatif
Operon triptopan mengkode gen-gen yang berperan dalam biosintesis triptopan
Operon tidak akan terekspresi saat sel memiliki persediaan triptopan yang cukup
Operon akan terekspresi kalau keberadaan triptopan dalam sel sedikit
Trp operon Merupakan salah satu contoh dari kontrol negative yang dilakukan oleh protein repressor trp,mekanisme:
 Repressor trp berikatan dengan operator sehingga proses transkripsi terhambat
 Ikatan repressor dengan operator butuh corepresor yaitu triptopan
 Jumlah triptopan yang sedikit dapat mencegah repressor berikatan dengan operator
 Repressor + trp membentuk kompleks,bila berikatan pada operator transkripsi tidak akan berjalan.


kontrol oleh hormone-hormon steroid larut lemak
hormon-hormon steroid merupakan senyawa signaling yang mengkoordinasi wilayah aktivitas fisiologis dalam sel eukariot,yaitu hormone estrogen,progesterone,dan kortisol.
Steroid larut lemak (misalnya kortisol) mampu menembus membran sel secara langsung.
Sekali berada dalam sel,hormone steroid berinteraksi dengan protein reseptor spesifik steroid (juga dikenal sebagai repertory inti)yaitu reseptor glukokortikoid yang berada dalam sitoplasma










Bila kortisol tidak ada,reseptor glukokortikoid(GR) membentuk kompleks dengan Hsp90(heat-shock’chaperon’)di sitoplasma.
Selama berinteraksi dengan ligan ini (kortisol),GR mengalami perubahan konforamsi:
• Hsp90 lepas
• Reseptor dengan mengikat kortisol pindah menuju inti sel
• Reseptor (GR)berfungsi sebagai activator transkripsi
• DNA-binding domain (motif zinc finger) mengikat glukokortikoid respon elemen(GRE) di sekuen DNA
• Aktivasi domain menstimulasi transkripsi gen
Mediasi Signal Oleh Reseptor Permukaan Sel
Banyak senyawa-senyawa signaling extraseluler yang:
Tidak mampu menembus membran sel
Memiliki sedikit mekanisme transport spesifik untuk pengambilan(uptake)
Signaling diteruskan oleh ikatan dengan suatu protein reseptor spesifik yang mampu mengantarkan signal menembus membran:
 Ikatan  perubahan konformasi pada reseptor
 Menginduksi terjadinya proses biokimia misalnya terjadinya fosforilasi pada protein intraseluler
 Merupakan langkah awal dalam tahapan signal transduksi intraseluler






Transduksi Signal Langsung…
Stimulasi reseptor permukaan sel  aktivasi langsung dari suatu protein yang mempengaruhi aktivitas transkripsi
System langsung digunakan oleh beberapa cytokines (yaitu interleukin dan interferon)
Ikatan cytokines pada reseptor satu family:
aktivasi activator transkripsi yang disebut STAT(transducer dan activator signal transkripsi)
Jika suatu reseptor itu anggota dari family tirosin kinase  bisa mengaktivasi STAT secara langsung,misalnya fosforilasi residu tirosin tunggal (dekat ujung C)dari STAT
Jika reseptor tersebut merupakan tyrosine kinase-associated receptoraktivasi dilakukan melalui JAKs(Janus kinase),yang mengalami autofosforilasibaru mengaktivkan STAT
Jalur transduksi signal yang diaktivasi oleh interferon (IFN-γ)
IFN-γ disekresikan oleh antigen teraktivasi T-helper lymphocytes
Ikatan IFN-γ dengan reseptornya menginduksi oligomerisasi pada IFN-γ
Sub unit reseptornya terdiri dari IFNGR1 dan IFNGR2
Fosforilasi dan aktivasi JAK1,JAK2,IFNGR1 dan STAT1
Homodimer STAT 1 pindah menuju inti sel
Mengikat sekuen γ-teraktivasi (GAS)elemen,dan
Mengontrol ekspresi gen dengan activator transkripsi lainnya (yaitu BRCA1 dan MCM5)
Beberapa jalur signal transduksi juga diaktivasi secara parallel dengan jalur JAK-STAT dalam merespon IFN-γ.