Regulasi Ekspresi Gen pada Bakteri

Makhluk hidup mempunyai banyak sekali gen. Gen-gen tersebut diekspresikan hanya jika dibutuhkan saja, seperti pada bakteri Escherichia coli. Salah satu kebutuhan bakteri untuk hidup adalah asam amino triptofan. Bakteri Escherichia coli mempunyai gen yang berfungsi untuk mengaktifkan biosintesis asam amino triptofan. Namun jika media tempat hidup bakteri tersebut tidak mengandung asam amino triptofan, gen yang berfungsi untuk mengaktifkan biosintesis asam amino triptofan tidak akan terekspresi sehingga bakteri Escherichia coli  tidak melakukan sintesis asam amino.

Kontrol atau regulasi ekspresi gen tersebut terjadi pada 2 level, yaitu pada rangkaian reaksi biosintesis asam amino triptofan dan pada level transkripsi gen penyandi asam amino triptofan. Biosintesis asam amino triptofan melibatkan beberapa rangkaian reaksi enzimatis. Regulasi biosintesis asam amino triptofan terjadi dengan mekanisme feedback inhibition. Enzim yang pertama kali berperan dalam biosintesis asam amino triptofan aktivitasnya akan terhambat oleh asam amino triptofan. Sehingga semakin banyak asam amino triptofan di dalam sel, reaksi enzimatis dalam biosintesis asam amino triptofan akan terhambat. Setelah konsentrasi asam amino triptofan dalam sel menurun, reaksi biosintesis enzim tersebut dalam berlangsung kembali. Seperti yang diilustrasikan pada gambar berikut :

Gambar 1. Ada dua mekanisme regulasi biosintesis asam amino triptofan, yaitu (a) triptofan menghambat aktivitas enzim (b) triptofan menghambat transkripsi gen pengkode asam amino untuk biosintesis triptofan

Regulasi ekspresi gen pada bakteri juga terjadi pada level transkripsi DNA. Regulasi  ekspresi gen pada level transkripsi DNA dikenal dengan operon model.

Baca juga :
Aneuploidy : monosomi dan trisomi serta Penyakit yang Ditimbulkannya
Penentuan Jenis Kelamin, Pola Pewarisan Kromosom Sex dan Gen yang Terpaut Kromosom Sex
Penyakit Kelain Genetik yang Diwariskan Berdasarkan Sifat Resesif dan Cara Deteksinya

trp operon

Seluruh fragmen DNA yang bertanggung jawab dalam biositesis triptofan disebut dengan  trp operon. trp operon adalah seluruh fragmen atau bagian DNA yang bertanggung jawab dalam biositesis triptofan disebut dengan  trp operon. Fragmen atau bagian DNA tersebut adalah promotor, operator dan gen.

Promotor adalah bagian atau fragmen DNA yang merupakan tempat menempelnya RNA polimerase.

Operator adalah bagian atau fragmen DNA sebagai tempat untuk meregulasi transkripsi DNA

Gen adalah adalah bagian atau fragmen DNA yang menyandikan enzim atau protein.

Sintesis asam amino triptofan pada bakteri Escherichia coli melalui 3 reaksi enzimatis dan melibatkan 5 gen yang menyandikan sub unit untuk 3 reaksi enzimatis tersebut. Kelima gen yang menyandikan 5 sub unit enzim tersebut terletak dalam 1 mRNA (Gambar 1). Regulasi transkripsi trp operon tersebut terjadi pada bagian operator dan melibatkan repressor.

Repressor adalah suatu protein yang dapat menempel pada bagian operator. Protein repressor dikodekan oleh gen regulator yang disebut dengan trpR. Gen regulator (trpR) letaknya berjauhan dengan trp operon serta memiliki promotor sendiri.

 Repressor dari trp operon selalu diproduksi setiap saat. Repressor merupakan protein allosterik. Protein allosterik adalah protein yang mempunyai dua bentuk / struktur, yaitu bentuk aktif dan bentuk non-aktif. Repressor dalam bentuk aktif ketika di satu sisi berikatan dengan corepressor. Dalam regulasi biosintesis asam amino triptofan yang menjadi corepressor adalah asam amino triptofan. Ketika dalam bentuk aktif, suppressor mempunyai afinitas yang kuat terhadap operator sehingga akan berikatan kuat dengan operator. Namun ketika dalam bentuk non-aktif, suppressor mempunyai afinitas yang rendah terhadap operator, sehingga suppressor tidak berikatan dengan operator.

Operator terletak diantara promotor dan gen pengkode enzim dalam biosintesis asam amino triptofan sehinggga jika repressor aktif, repressor akan berikatan dengan dengan operator yang akan mengakibatkan transkripsi trp operon tidak dapat berlangsung. 

Gambar 2. Ketika dalam media terdapat triptofan, triptofan akan berikatan dengan repressor, repressor menjadi aktif, repressor yang aktif akan berikatan dengan operator, akibatnya transkripsi tidak bisa berlangsung

Jika asam amino triptofan (corepressor) tidak ada dalam sel / dalam media, repressor berubah menjadi bentuk non-aktif sehingga tidak berikatan dengan operator. Hal tersebut menyebabkan DNA polimerase dapat menempel pada promotor dan dapat berlangsung.

Gambar 3. Jika di media bakteri tidak terdapat asam amino triptofan, Repressor menjadi inaktif sehungga tidak berikatan dengan operator, akibatnya proses transkripsi bisa berlangsung

lac operon

lac operon adalah seluruh fragmen DNA yang bertanggung jawab dalam metabolisme laktosa. Berbeda dengan trp operon, lac operon hanya akan terekspresi jika terdapat induser sehingga lac operon seringkali disebut dengan inducible operon. Sedangkan trp operon ekspresinya terhenti hanya jika terdapat repressor aktif. Aktifnya repressor terjadi jika ada ikatan corepressor dan repressor sehingga lac operon seringkali disebut dengan repressible operon.

Laktosa merupakan disakarida yang biasanya terdapat dalam susu. Metabolisme laktosa dilakukan oleh bakteri, misalnya bakteri Escherichia coli dengan menghidrolisis laktosa tersebut menjadi glukosa dan galaktosa menggunakan enzim β-galactosidase. Enzim β-galactosidase dikodekan oleh salah satu gen yang terdapat dalam lac operon. Dalam lac operon, terdapat 3 gen, yaitu gen lacZ, lacY dan lacA. lacZ merupakan gen mengkodekan enzim β-galactosidase yang berfungsi menghidrolisis laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. lacY merupakan gen mengkodekan permease. Permease adalah protein membran yang berfungsi untuk transport laktosa ke dalam sel. lacA adalah gen yang menyandikan enzim yang juga dalam metabolisme laktosa.

lac operon terdiri dari promotor, operator dan gen. Terdapat pula gen regulator (lacI) yang berada di luar lac operon. Gen regulator (lacI) tersebut menyandikan protein repressor. Protein repressor yang dikodekan oleh gen regulator (lacI) merupakan protein allosterik. Protein allosterik adalah protein yang mempunyai dua bentuk / struktur, yaitu bentuk aktif dan bentuk non-aktif. Protein repressor yang dikodekan oleh gen regulator (lacI) merupakan protein aktif. Sehingga protein repressor yang terbentuk langsung berikatan dengan operator. Letak operator diantara promotor dan gen sehingga ketika repressor berikatan dengan operator, transkripsi DNA tidak dapat berlangsung.

Gambar 4. Ketika laktosa tidak dijumpai pada lingkungan bakteri, repressor aktif dan transkripsi DNA tidak dapat berlangsung.

Ketika dalam sel terdapat allolatose, suatu isomer laktosa yang terbentuk ketika laktosa memasuk dalam sel, allolatose akan berikatan dengan sisi lain dari repressor sehingga menyebabkan repressor menjadi inaktif dan ikatan repressor-operator lepas. Allolatose tersebut dinamakan dengan inducer. Lepasnya ikatan repressor-operator tersebut menyebabkan RNA polimerase dapat menempel pada pada promotor dan transkripsi DNA dapat berlangsung.

Gambar 5. Ketika dalam sel terdapat allolatose, suatu isomer laktosa yang terbentuk ketika laktosa memasuk dalam sel, allolatose akan berikatan dengan sisi lain dari repressor sehingga menyebabkan repressor menjadi inaktif dan ikatan repressor-operator lepas, akibatnya transkripsi DNA dapat berlangsung

Regulasi metabolisme Glukosa dan Laktosa

Ketika di dalam lingkungan atau media terdapat glukosa dan laktosa, bakteri lebih memilih untuk glukosa sebagai sumber energinya. Pengaturan metabolisme tersebut melibatkan suatu molekul ysng disebut dengan cyclic AMP (cAMP) dan catabolite activator protein (CAP). cAMP akan terakumulasi ketika konsentrasi glukosa dalam sel rendah. catabolite activator protein (CAP) adalah suatu protein yang dapat berikatan dengan DNA ketika berikatan catabolite activator protein (CAP)   dengan cAMP. Kompleks CAP- cAMP yang berikatan dengan DNA tersebut meningkatkan afinitas RNA polimerase terhadap promotor sehingga dapat meningkatkan laju transkripsi lac operon.

Gambar 6. Kompleks CAP- cAMP yang berikatan dengan DNA  meningkatkan afinitas RNA polimerase terhadap promotor sehingga dapat meningkatkan laju transkripsi lac operon

Namun ketika konsentrasi glukosa dalam sel tinggi, konsentrasi cAMP menjadi turun, sehingga catabolite activator protein (CAP)  tidak bisa mengikat cAMP. Akibatnya catabolite activator protein (CAP) menjadi inaktif dan tidak bisa menempel pada DNA. Tidak adanya Kompleks CAP- cAMP yang menempel pada DNA menyebabkan proses transkripsi pada lac operon menjadi lambat bahkan tidak dapat berlangsung meskipun dalam lingkungan / media terdapat banyak laktosa.

Gambar 7. Ketika dalam media bakteri terdapat laktosa dan glukosa, CAP inaktif karena tidak mengikat cAMP, CAP tidak dapat berikatan dengan DNA, sehingga afinitas RNA polimerase terhadap operator rendah,  mengakibatkan laju transkripsi rendah bahkan tidak dapat berlangsung

Demikian postingan kali ini tentang Regulasi Ekspresi Gen pada Bakteri. SEMOGA BERMANFAAT