SISTEM TRANSKRIPSI PADA PROKARYOT

SISTEM TRANSKRIPSI PADA PROKARYOT

Hasil-hasil penelitian menunjukkan bahwa ada perbedaan fundamental dalam hal struktur gen, faktor-faktor pengendali, mekanisme, serta sistem regulasi trankripsi antara jasad prokaryot dengan eukaryot. Perbedaan tersebut sangat erat kaitannya dengan perbedaan struktural sel prokaryot dengan sel eukaryot. Seperti diketahui, sel jasad prokaryot mempunyai struktur yang lebih sederhana dibandingkan dengan sel eukaryot. Pada jasad prokaryot tidak ada struktur seluler dengan fungsi spesifik seperti yang dapat diamati pada sel eukaryot. Sebagai contoh, pada jasad prokaryot tidak ada struktur inti sel (nukleus) sehingga tidak ada pemisahan ruang antara molekul bahan genetik dengan organel lainnya. Hal ini mempunyai implikasi yang sangat penting dalam hal mekanisme transkripsi pada prokariot. Pada jasad prokaryot, sebelum transkripsi selesai dilakukan, proses translasi juga sudah berlangsung. Sebaliknya pada eukaryot terdapat struktur nukleus yang memisahkan bahan genetik dari organel sel lainnya. Oleh karena itu, pada jasad eukaryot, proses transkripsi terjadi di dalam nukleus sedangkan proses translasi terjadi di sitoplasma. Dengan demikian, translasi baru dapat dilakukan jika proses transkripsi sudah selesai.

Meskipun ada perbedaan fundamental dalam hal mekanisme transkripsi antara prokaryot dengan eukaryot, namun secara umum pola mekanisme sintesis RNA serupa. Beberapa karakteristik kimiawi sintesis RNA pada prokaryot dan eukaryot dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. prekursor untuk sintesis RNA adalah empat macam ribonukleotida yaitu 5’-trifosfat ATP, GTP, CTP, dan UTP (pada RNA tidak ada thymin)

2. reaksi polimerisasi RNA pada prinsipnya sama dengan polimerisasi DNA yaitu dengan arah 5’ menuju 3’

3. Urutan nukleotida RNA hasil sintesis ditentukan oleh cetakannya, yaitu urutan DNA yang ditranskripsi. Nukleotida RNA yang digabungkan adalah nukleotida yang komplementer dengan cetakannya. Sebagai contoh jika urutan DNA yang ditranskripsi adalah ATG maka urutan nukleotida RNA yang digabungkan adalah UAC

4. molekul DNA yang ditranskipsi adalah molekul untai ganda tetapi yang berperan sebagai cetakannya hanya salah satu untaiannya

5. hasil transkripsi berupa molekul RNA untai tunggal

Pada umumnya gen yang mengkode protein pada prokaryot berupa gen dengan kopi tunggal, sedangkan gen yang mengkode tRNA dan rRNA berupa gen dengan jumlah kopi banyak. Gen-gen pada prokaryot yang bertanggungjawab dalam jalur biokimia tertentu pada umunya diorganisasikan dalam struktur operon. Suatu operon adalah organisasi beberapa gen struktural yang ekspresinya dikendalikan oleh satu promoter yang sama. Sebagai contoh adalah operon lac, yaitu operon yang mengendalikan kemampuan metabolisme laktosa bakteri E. coli. Dalam operon lac terdapat tiga macam gen struktural yang mengkode protein berbeda, yaitu gen Z (mengkode B galaktosidase, gen Y (mengkode permease), dan gen A (mengkode transasetilase). Masing-masing gen struktural tersebut mempunyai kodon inisiasi (awal) dan kodon terminasi, tetapi ekspresinya dikendalikan oleh satu promoter yang sama. Pada waktu ditranskripsi, operon lac akan menghasilkan satu mRNA yang membawa kode-kode genetik untuk tiga macam polipeptda yang berbeda (polisistronik). Masing-masing polipeptida akan ditranslasi secara independen dari satu untaian mRNA yang sama. Kejadian tersebut tidak ditemukan dalam sistem jasad eukaryot.pada jasad eukaryot, satu gen struktural yang mengkode suatu protein dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang spesifik sehingga mRNA yang dihasilkan berupa mRNA yang monosistronik. Molekul mRNA yang hanya membawa rangkaian kode genetik untuk 1 macam protein.

Tiga kelompok RNA yaitu: 1) mRNA, yaitu molekul RNAyang urutannya akan diterjemahkan menjadi urutan asam amino suatu polipeptida, 2) rRNA yaitu molekul yang menyusun ribosom yang merupakan molekul tempat sintesis protein, 3) tRNA yaitu molekul RNA yang khusus membawa asm-asam amino yang akan dipolimerisasi dalam proses sintesis protein. Operon adalah organisasi beberapa gen sruktural yang ekpresinya dikendalikan oleh satu promoter yang sama. Sebagai contoh: operon lac, yaitu operon yang mengendalikan kemampuan metabolisme laktosa pada bakteri E.coli.

Ciri utama gen struktural jasad prokaryot, khususnya gen sruktural yang mengkode suatu polipeptida, adalah bahwa sekuens yang ada pada DNA prokaryot mulai dari sekuens inisiasi translasi ATG sampai kodon terakhir sebelum titik akhir translasi kodon stop TAATAGTGA akan diterjemahkan ditranslasi menjadi rangkaian asma amino. Dengan kata lain tidak ada sekuen yang tidak mengkode asam amino (jika gen struktural terdiri atas 900 nukleotida maka gen struktual tersebut mengkode 300 asam amino karena satu asam amino dikode oleh tiga sekuen nukleotida yang berurutan.

Dengan demikian pada jasad prokaryot tidak ada sekuens penyisip (intervening sequences atau intron). Hal ini berbeda dengan eukariot ada banyak gen yang tidak semua sekuens nukleotidanya mengkode asam amino (intron), sedangkan ekson merupakan nukleotida pengkode asam amino. Tidak ada intron merupakan ciri khas gen struktural jasad prokaryot, meskipun ada perkecualian, misalnya pada archaebacter dan bakteriofag tertentu yang menyerang E. coli (pada genom kedua jasad tersebut diketahui terdapat intron). Tidak semua gen mengkode terutama asam amino yang menysusun suatu polipeptida atau protein. Secara garis besar gen dibagi 3: gen yang mengkode protein gen, yang mengkode rRNA, gen yang mengkode tRNA.

Urutan nukleotida yang mengkode protein akan disalin menjadi mRNA selanjutnya translasi menjadi urutan asam amio. Gen yang mengkode rRNA dan tRNA tidak pernah ditranslasi karena yang diperlukan dalam proses ekspresi genetik molekul mRNA.

 

1. Mekanisme transkripsi pada prokaryot

Transkripsi pada dasarnya adalah proses penyalinan urutan nukleotida yang terdapat pada molekul DNA. Dalam proses ttranskripsi, hanya salah satu untaian DNA yang disalin menjadi urutan nukleotida RNA (transkrip RNA). Urutan nukleotida pada transkrip RNA bersifat komplementer dengan urutan DNA cetakan/template, tetapi identik dengan urutan nukleotida DNA pada untaian pengkode/coding DNA strand/nontempate strand).

a. Inisiasi

Insisiasi meliputi empat langkah yaitu:1) pembentukan kompleks promoter tertutup, 2) pembentukan kompleks promoter terbuka, 3) penggabungan beberapa nukleotida awal sekiar 10 nukleotida, 4) perubahan konformasi RNA polimerase karena sub unit alfa dilepaskan dari kompleks holoenzim. Sub unit alfa tersebut selajutnya digunakan lagi dalam proses insisasi transkripsi selanjutny. Bagian DNA yang terbuka setelah RNA polimerase menempel biasanya terjadi pada daerah sekitar -9 sampai +3 sehingga menjadi struktur untai tunggal. Bagian DNA yang berikatan dengan DNA polimerase membentuk suatu struktur gelembung transkripsi (transcription bubble) sepanjang lebih kurang 17 pasangan basa. Setelah struktur promoter terbuka secara stabil, maka selanjutnya RNA polimerase melakukan proses inisiasi transkripsi dengan mengunakan urutan DNA cetakan sebagai panduannya. Dalam proses transkripsi, nukleotid RNA digabungkan sehingga membentuk transkrip RNA.

Sub unit alfa mempunyai peranan dalam menstimulasi inisiasi transkripsi tetapi tidak mempercepat laju pertambahan untaian RNA. Proses inisiasi transkripsi merupakan proses yang menentukan laju transkripsi. Setelah proses inisiasi transkripsi terjadi, selanjutnya sub unit alfa terlepas dari enzim inti dan dapat digunakan lagi oleh enzim inti RNA polimerase yang lain

b. Elongasi/proses pemanjangan transkrip

Pada bagian gelembung transkripsi, basa-basa molekul RNA membentuk hibrid dengan DNA cetakan sepanjang kurang lebih 12 nukleotida. Hibrid RNA-DNA ini bersifat sementara sebab setelah RNA polimerasenya berjalan, maka hibrid tersebut akan terlepas dan bagian DNA yang terbuka tersebut akhirnya akan menutup lagi. RNA polimerase akan berjalan membaca DNA cetakan untuk melakukan proses pemanjangan/elongation untaian RNA. Laju pemanjangan maksimum molekul transkrip antara 30 sampai 60 nukleotida per detik meskipun laju rata-ratanya lebih rendah dari nilai ini. Secara umum berdasarkan atas nilai laju semacam ini suatu gen yang mengkode protein akan disalin menjadi RNA dalam waktu sekitar satu menit. Meskipun demikian, laju pemanjangan transkrip dapat menjadi sangat rendah (sekitar 0,1 nukleotida perdetik) jika RNA polimerase melewati sisi jeda yang biasanya banyak mengandung basa GC. Dalam pemanajngan transkrip nukleotida ditambahkan secara kovalen pada ujung 3’ molekul RNA yang baru terbenuk. Nukleotida RNA yang ditambahkan tersebut bersifat komplementer dengan nukleotida pada untaian DNA cetakan .

Dalam proses pemanjangan transkrip ada dua hipotesis yang diajukan mengenai perubahan topologi DNA. Hipotesis pertama menyatakan bahwa enzim RNA polimerase bergerak melingkari untaian DNA sepanjang perjalanannya. Dengan cara demikian maka dapat dihindari terjadinya pelintiran pada struktur DNA, tetapi untaian RNA hasil transkripsinya akan melintir sepanjang untaian DNA. Sebaliknya hipotesis kedua, menyatakan bahwa enzim RNA polimerase bergerak lurus sepanjang untaian DNA sehingga RNA yang terbentuk tidak mengalami pelintiran, tetapi untaian DNA yang ditranskripsi harus mengalami puntiran. Untaian DNA yang ada di depan RNA polimerase akan membuka sedangkan DNA yang berada dibelakangnya akan memuntir kembali untuk menutup.

Dalam proses pemanjangan transkrip RNA, demikian juga pada proses inisiasi sintesis RNA, terjadi pembentukan ikatan fosfodisester antara nukleotida RNA yang satu dengan nukleotida berikutnya. Pembentukan ikatan fosfodiester tersebut, ditentukan oleh keberadaan sub unit beta pada RNA polimerase. Transkripsi akan berakhir pada saat RNA polimerase mencapai ujung gen yang disebut terminator.

c. Pengakhiran /terminasi transkripsi pada prokariot

Pada bakteri E. Coli ada dua macam terminator, yaitu: 1) terminator yang tidak tergantung pada protein rho (rho dependent terminator), 2) terminator yang tergantung pada protein rho (rho-independent terminator).

Protein Rho: Enzim ini mempunyai aktivitas RNA-DNA helikase, untuk aktivitasnya membutuhkan ATP, mungkin berfungsi untuk merusak/mengganggu hibrid RNA-DNA. ATP dihidrolisa oleh protein Rho pada terminasi.

Protein Rho-independent: terdiri atas 2 pola (Moeloprawiro, 2007):

1. urutan yang merupakan Self-Complementary 15-20 nukleotida sebelum RNA berakhir

2. Urutan basa adenylat pada DNA template ditranskrip menjadi uridylat pada RNA

Urutan jepit rambut ini mengganggu sebagian hybrid RNA-DNA

Tiga gambaran terjadinya terminasi

1. Gangguan hybrida RNA-DNA akibat pembentukan pasangan basa G-C (jepit rambut)

2. Penghentian peran RNA polimerase akibat terhalang tusuk/jepit rambut

3. Ketidakstabilan daerah Uridilat-Adenilat

(Moeljoprawiro, 2007)

1. Pengakhiran transkripsi yang tidak tergantung pada fakto rho

Pengakhran transkripsi yang tidaktergantung pada faktor rho dilakukan tanpa harus melibatkan suatu protein khusus, melainkan ditentukan oleh adanya sustu urutan nukleotida tertentu pada bagian terminator. Sinyal yang akan mengkhiri transkripsi dengan mekanisme semacam ini ditentukan oleh daerah yang banyak mengandung urutan GC yang dapat membentuk struktur batang dan lengkung (stem and loop) pada RNA dengan panjang sekitar 20 basa disebelah hulu dari ujung 3’ OH dan diikut oleh rangkaian 4-8 residu uridin berturutan. Struktur batang lengkung tersebut menyebabkan RNA polimerase berhenti dan merusak bagian dari hibrid RNA-DNA. Bagian sisa hibrid RNA-DNA tersebut berupa urutan oligo rU yang tiada cukup stabil berpasnagan dengan dA. Akibatnya ujung 3’ hibrid tersebut akan terlepas sehingga transkripsi berakhir.

Eksperimen yang dilakukan Peggy Franham dan Terry Platt menunjukkan bahwa pengakhiran transkripsi tanpa melibatkan faktor rho mempunyai dua ciri utama yaitu: 1) lengkungan, 2) adanya rangkaian basa T pada untaian DNA bukan cetakan/nontemplate strand sehingga terbentuk pasangan basa yang lemah antara rU-dA yang menahan transkrip RNA pada untaian DAN cetakan. Pada waktu lenkungan RNA terbentuk, maka RNA polimerase berhenti dan ikatan basa yang lemah menyebabkan RNA yang baru terbentuk akan terlepas.

2. Pengakhiran transkripsi yang tergantung pada faktor Rho

Mekanisme pengakhiran transkripsi semacam ini memerluka protein rho, hanya terjadi pada daerah jeda yang terletak pada jarak tertentu dari promoter. Dengan demikian jika ada daereh jeda yang terletak pada jarak tertentu dari promoter, tidak dapat berfungsi sebagai daerah pengakhiran transkipsi. Terminator yang tergantung pada rho terdiri atas suatu urutan berulang balik yang dapat membentuk lengkungan loop tetapi tidak ada rangkaian basa T seperti pada daerah terminator yang tidak melibatkan faktor rho.

Faktor rho diduga ikut terikat pada proses transkrip dan mengikuti pergerakan RNA polimerase sampai akhirnya RNA polimerase berhenti pada daerah terminator yaitu sesaat setelah menyintesis lengkungan RNA. Selanjutnya faktor rho menyebabkan destabilisasi ikatan RNA-DNA sehingga transkrip RNA terlepas dari cetakan (Yuwono, 2005).

Secara umum mekanisme dasar transkripsi pada eukariot serupa dengan yang terjadi pada prokariot, yaitu memerlukan DNA cetakan, DNA polimerase, NTP ribonukleotida serta molekul protein regulator. Transkripsi pada eukariot juga berlangsung dengan diawali proses inisiasi transkripsi kemudian dilanjutkan dengan pemanjangan transkrip, dan berhenti pada saat DNA polimerase mencapai daerah terminator. Meskipun demikian ada banyak perbedaan fundamental antara sistem transkipsi prokariot dengan transkripsi pada eukariot.

Berbeda halnya dari organisasi gen pada prokariot yang ada umumnya bersifat polisistronik, gen-gen pada jasad eukariot bersifat monosistronik, artinya satu transkrip yang dihasilkan hanya mengkode atau macam produk ekspresi. Pada jasad eukariot tidak dikenal adanya sistem operon karena satu gen struktural dikendalikan oleh satu promoter. Gen-gen eukariot tersebar pada beberapa kromosom. Hal ini berbeda dari organisasi gen prokariot yang umumnya hanya terdapat dalam satu unit bahan genetik utama. Banyak gen eukaryot yang bagian strukturalnya berselang seling antara sekuens yang mengkode suatu urutan spesifik (ekson), dan sekuens yang tidak mengkode urutan spesifik (intron).

Secara genetis jasad eukaryot yang paling sederhana mempunyai organisasi gen yang lebih kompleks dibandingkan prokaryot. Tidak seperti pada prokariot pada jasad eukariot terdapat tiga macam RNA polimerase yang bertanggungjawab di dalam proses transkripsi tiga kelas gen. Pada eukariot dapat dibedakan tiga kelas gen yaitu: 1) gen kelas I (ditranskripsi oleh RNA polimerae I) meliputi gen-gen yang mengkode 18S RNA dan 28S rRNA dan 5,8S rRNA; 2) gen kelas II (ditranskipsi oleh RNA polimerase II) meliputi semua gen yang mengkode protein dan beberapa RNA berukuran kecil yang terdapat di dalam nukleus; 3) gen kelas III (ditranskripsi oleh RNA polimerase III) meliputi gen-gen yang mengkode tRNA, 5S rRNA, dan beberapa RNA kecil yang ada di dalam nukleus. Perbedaan kelas gen tersebut mempunyai implikasi dalam hal struktur gen. Corebima (2002) menyatakan secara opeasional kajian transkripsi pada makhluk hidup eukariotik ini adalah yang dikatalisasi oleh enzim RNA polimerase I, II, III. Russel (1992) dalam Corebima (2002) menyatakan RNA polimerisasi I hanya mengkatalisasi transkripsi unit-unit transkripsi RNA r precursor.