FROM GENE TO PROTEIN: TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI PDF

Preview

Summary

Preface Biologi molekuler merupakan disiplin ilmu yang perkembangannya sangat cepat. Hampir semua sisi kehidupan manusia kini bersinggungan dengan biologi molekuler dari pangan, energi, sampai dunia pengobatan. Obat-obat yang ada sekarang utamanya memiliki target tertentu yang bertangung jawab pada...

Description

Preface Biologi molekuler merupakan disiplin ilmu yang perkembangannya sangat cepat. Hampir semua sisi kehidupan manusia kini bersinggungan dengan biologi molekuler dari pangan, energi, sampai dunia pengobatan. Obat-obat yang ada sekarang utamanya memiliki target tertentu yang bertangung jawab pada perkembangan suatu penyakit. Target obat umumnya adalah reseptor, juga enzim, kanal ion, dan transporter. Mempelajari transkripsi dan translasi merupakan bagian dasar dari proses pemahaman ekspresi gen. Bagaimana gen-gen yang ada tubuh kita terekspresi, sistem regulasi yang superketat akan dipelajari di kuliah kali ini. Banyak obat yang bekerja pada reseptor tertentu seperti antibiotik, oncology pipeline, dan masih banyak lagi. Sehingga mahasiswa farmasi setelah mengikuti kuliah ini bisa banyak bicara tentang mekanisme aksi obat sampai level molekuler. Pada bagian terakhir akan disinggung tentang perkembangan bioinformatika yang ledakannya juga luar biasa. Segala informasi biologis setelah selesainya Human Genome Project memicu munculnya databased dan analyzer yang jumlahnya kian banyak. Dengan kemampuan konsep “from gene to protein” diharapkan kita bisa menganalisis ekspresi gen dengan memanfaatkan informasi yang banyak tersedia di internet.

Yogyakarta, 28 Maret 2011 Sarmoko

Biologi Molekuler 2011

FROM GENE TO PROTEIN: TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI Oleh: Sarmoko

OVERVIEW Biologi molekuler merupakan suatu ilmu yang mempelajari fenomena biologis pada aras molekuler. Sejak ditemukannya struktur DNA oleh Watson dan Crick (Gambar 1), ilmu ini berkembang dengan sangat pesat. Hal ini terjadi karena hampir semua peristiwa fenomena biologis saat ini, dituntut untuk bisa dijelaskan sampai level molekuler. Ketika mendengar kata level molekuler berati sampai level DNA, RNA, protein dan sebagainya. Sebagai contoh, mekanisme kerja obat sekarang tidak cukup jika hanya dijelaskan sampai level seluler namun sudah bisa dijelaskan sampai level DNA. Pada masa kini, seorang apoteker dituntut untuk bisa menjelaskan mekanisme obat sampai level molekuler. Bahkan, ilmu-ilmu yang ada sekarang makin menyempit ke arah molekuler, misal Farmakologi Molekuler, Toksikologi Molekuler, dan Farmakoepidemiologi Molekuler. Empat ilmu di atas, memerlukan landasan ilmu Biologi Molekuler yang kuat.

Gambar 1. Struktur double helix DNA. Struktur DNA dikemukakan oleh Watson dan Crick pada tahun 1965, mereka menyatakan bahwa model struktur DNA adalah untai ganda, dengan orientasi yang berlawanan (antiparalel), rantai 1 membentuk arah 5’
3’, berpasangan dengan rantai dengan arah 3’
5’. Kedua rantai berikatan dengan ikatan hidrogen antara basa A=T (2 ikatan H), dan G=C (3 ikatan H). ©Visionlearning, Inc. 1

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Dogma Sentral Biologi Molekuler Salah satu hallmark (penanda/karakteristik) dari suatu kehidupan yaitu reproduksi. Informasi genetik dari suatu sel dengan segala keunikannya tentunya harus

dapat

diturunkan

ke

anakannya.

Informasi gentik

(genom)

disimpan

menggunakan asam nukleat, yaitu DNA. Asam nukleat ini mampu menyimpan sejumlah besar informasi secara stabil hanya melalui 4 macam yakni adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T), yang tersusun menjadi rantai DNA. Informasi yang disimpan DNA tersebut akan diduplikasikan saat terjadi pembelahan sel (REPLIKASI) dan akan disalin menjadi mRNA (TRANSKRIPSI), yang selanjutnya RNA yang terjadi tersebut akan ditranslasikan menjadi urutan asam amino dari protein (TRANSLASI). Proses tersebut dinyatakan sebagi Dogma Sentral dari biologi molekuler (Gambar 2).

Gambar 2. Dogma sentral biologi molekuler. (1) DNA ditranskripsi oleh enzim RNA polymerase menjadi mRNA, (2) mRNA yang terbentuk mengalami proses pasca-transkripsi berupa pembuangan intron sehingga menjadi RNA mature, (3) mRNA ditranslasi menjadi urutan asam amino/protein yang terjadi di sitosol, (4) DNA diperbanyak melalui proses replikasi melibatkan ezim DNA polymerase.

2

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Gen memberi perintah untuk membuat protein tertentu. Tetapi gen tidak membangun protein secara langsung. Jembatan antara DNA dan sintesis protein adalah RNA. Kita ketahui bahwa RNA secara kimiawi serupa dengan DNA, kecuali RNA mengandung ribosa, bukan deoksiribosa sebagai gulanya. Sedangkan untuk basa nitrogen pada RNA adalah urasil (U), bukan timin (T). Dengan demikian, setiap nukleotida di sepanjang untai DNA memiliki deoksiribosa sebagai gulanya dan A, G, C, T sebagai basanya. Sedangkan pada RNA memiliki gula ribose dan A, G, C, U sebagai basanya. Aliran informasi genetik mirip dengan urutan-urutan huruf tertentu yang menyampaikan informasi dalam bahasa tulisan. Pada DNA atau RNA, monomernya merupakan keempat jenis nukleotida yang berbeda dalam basa nitrogennya. Gen biasanya panjangnya mencapai ratusan atau ribuan nukleotida, masing-masing memiliki urutan basa yang spesifik. Setiap polipeptida dari suatu protein juga memiliki monomer yang tersusun pada struktur primer, tetapi monomernya adalah ke-20 asam amino tersebut. Dengan demikian, asam nukleat dan protein berisi informasi yang ditulis dalam dua bahasa kimia yang berbeda (Gambar 3). Untuk beralih dari DNA, yang ditulis dalam satu bahasa, ke protein, yang ditulis dalam bahasa lain, membutuhkan dua tahapan utama yaitu transkripsi dan translasi.

Gambar 3. Ilustrasi aliran informasi genetik yang ditulis dalam dua bahasa kimia yang berbeda

Transkripsi merupakan sintesis RNA berdasarkan template DNA. Kedua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama dan informasinya tinggal ditranskripsi (disalin) dari satu molekul ke molekul yang lain. Persis sebagai mana saat proses replikasi, untai DNA menyediakan suatu cetakan (template) untuk sintesis untai komplemen terbaru, pada transkripsi juga disediakan template untuk menyusun RNA. 3

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Molekul RNA yang dihasilkan merupakan transkrip penuh dari perintah pembangun protein dari gen tersebut. Jenis molekul RNA ini disebut RNA messenger (mRNA). Translasi merupakan sintesis polipeptida yang sesungguhnya, yang terjadi berdasarkan arahan mRNA. Selama tahapan ini terjadi perubahan bahasa, sel menerjemahkan (mentranslasi) urutan basa molekul mRNA ke dalam urutan asam amino polipeptida. Tempat translasi adalah ribosom yang terletak di sitoplasma. Walaupun mekanisme dasar transkripsi dan translasi serupa untuk prokariot dan eukariot, namun ter terdapat perbedaan penting dalam aliran informasi genetik di dalam sel. Karena bakteri tidak memiliki nukleus, DNA-nya tidak tersegregasi dari ribosom dan perlengkapan pensintesis-protein lainnya. Transkripsi dan translasi dipasangkan dengan ribosom menempel pada ujung depan molekul mRNA sewaktu transkripsi masih terus berlangsung. Sebaliknya, dalam sel eukariotik, selubung nukleus memisahkan transkripsi dan translasi dalam ruang dan waktu. Transkripsi terjadi di nukleus leus dan mRNA dikirim ke sitoplasma di mana terjadi translasi (Gambar 4). Tetapi sebelum mRNA meninggalkan nuk nukleus, leus, transkrip RNA dimodifikasi dengan berbagai cara untuk menghasilkan mRNA yang fungsional. Dengan demikian, pada proses 2 langkah ini, transkrip gen eukariotik menghasilkan pre-mRNA, pre dan pemrosesan RNA menghasilkan mRNA akhir.

Gambar 4. Lokasi terjadinya transkripsi dan translasi pada eukariot eukariot.. Transkripsi terjadi di nukleus dan mRNA dikirim ke sitoplasma di mana terjadi translasi. Gen memprogram sintesis protein melalui pesan genetik dalam bentuk mRNA. Dengan kata lain, sel diatur oleh rantai perintah molekuler: DNA
RNA
protein.

4

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

TRANSKRIPSI

Transkripsi adalah proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi molekul RNA. Mekanisme dasar sintesis RNA Transkripsi (sintesis RNA) dilakukan melalui beberapa tahapan yaitu: 1. Faktor-faktor pengendali transkripsi menempel di bagian promoter, misalnya RNA polimerase (Inisiasi). 2. Pembentukan kompleks promotor terbuka (open promoter complex). Tidak seperti replikasi di mana DNA benar-benar dibuka, pada transkripsi pilinan DNA dibuka namun masih tetap di dalam RNA polimerase. 3. RNA polimerase membaca DNA cetakan (template) dan mulai melakukan pengikatan nukleotida yang komplementer (Elongasi). 4. Setelah pemanjangan untaian RNA, diikuti dengan terminasi yang ditandai dengan lepasnya RNA polimerase dari DNA yang ditranskripsi (Terminasi). Walaupun tahapan-tahapan yang terjadi sama antara eukariot maupun prokariot, namun ada perbedaan fundamental dalam hal struktur gen, faktor-faktor pengendali, mekanisme serta regulasi. Meskipun ada perbedaan, namun secara umum pola mekanisme sintesis RNA serupa. Baik pada eukariot maupun prokariot, PRINSIP yang harus di pegang adalah: 1. Prekursor untuk sintesis RNA ada 4 macam ribonukleotida: 5′-trifosfat ATP, GTP, CTP, dan UTP (tidak ada timin pada RNA). 2. Reaksi polimerisasi atau pemanjangan RNA sama dengan replikasi DNA yaitu dengan arah 5′
3′ (5’-PO4 ke 3’-OH). 3. Urutan nukleotida RNA hasil sintesis ditentukan oleh urutan DNA template (Gambar 5). 4. Untai DNA yang berperan sebagai cetakan hanya salah satu untai. 5. Hasil transkripsi berupa molekul RNA untai tunggal.

5

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

DNA template

Gambar 5. Urutan nukleotida RNA hasil sintesis ditentukan oleh urutan DNA template. RNA polimerase bekerja dengan membaca template dengan arah 3′ → 5′, namun sintesis mRNA adalah dari 5′ → 3’.

Faktor-faktor pengendali transkripsi, salah satunya adalah Faktor Transkripsi. Terdapat lebih dari 50 protein berbeda dari faktor transkripsi berikatan pada situs promoter, umumnya pada sisi 5’ dari gen yang akan ditranskrip. Kemudian, enzim RNA polimerase berikatan ke kompleks dari Faktor Transkripsi, bekerja sama untuk membuka DNA. RNA polimerase bekerja dengan membaca template dengan arah 3′ → 5′, namun sintesis mRNA adalah dari 5′ → 3’ . RNA polimerase berjalan sepanjang template DNA, membangun ribonukleotida yang disuplai dari bentuk trifosfat dengan prinsip pasangan basa. Ketika bertemu G, maka pada RNA dimasukkan C, G-C, T-A, A-U (U, dari uridine triphosphate, UTP). Tidak ada T pada RNA. Ketika transkripsi selesai, transkrip (mRNA) dilepaskan dari polimerase dan polimerae lepas dari DNA.

Transkripsi pada Prokariot Salah satu ciri dari prokariot adalah adanya struktur operon. Operon adalah organisasi dari beberapa gen yang ekspresinya dikendalikan oleh satu promotor. Misal operon lac, pada metabolisme laktosa pada bakteri E.coli. Masing-masiang gen structural mempunyai kodon inisasi dan kodon terminasi, tetapi ekspresinya dikendalikan oleh satu promoter yang sama (Gambar 6). Pada waktu ditranskripsi, operon lac akan menghasilkan satu mRNA yang membawa kode genetik untuk 3 polipeptida berbeda, disebut dengan mRNA polisistronik. Masing-masing polipeptida akan ditranslasi secara independen dari satu untaian mRNA yang sama.

6

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Gambar 6. Organisasi operan lac pada E. coli. Operon lac punya 3 gen struktural yaitu lac Z (mengkode β-galaktosidase), lac Y (mengkode permease) dan lac A (mengkode transasetilase). Masing-masing dari gen mempunyai start codon dan stop codon sendiri-sendiri, namun ekspresinya dikendalikan oleh satu promoter (p) yang sama. Operator (o) adalah bagian dari promoter tempet penempelan protein repressor yang dikode oleh gen I. Catabolite activator protein (CAP). AUG adalah start kodon (materi ini akan dijelaskan lebih dalam setelah mid semester.

Struktur Gen Prokariot Gen prokariot secara tersusun atas promoter, gen struktural, dan terminator (Gambar 7).

Gambar 7. Struktur gen prokariot

Promoter adalah urutan DNA spesifik yang berperan dalam mengendalaikan transkripsi gen struktural dan terletak di daerah upstream (hulu) dari bagian struktural gen. Fungsi promoter adalah sebagai tempat awal pelekatan enzim RNA polimerase yang nantinya melakukan transkripsi pada bagian gen struktural. Salah satu bagian penting promoter disebut sebagai Pribnow box pada urutan nukleotida -10 dan -35. Oleh karena urutan consensus pada Pribnow box adalah TATAAT, maka seringkali disebut juga TATA box. Pribnow box berperanan dalam mengarahkan enzim RNA polymerase sehingga arah transkripsinya adalah dari ujung 5’
3’. Selain itu, daerah ini merupakan tempat pembukaan heliks DNA untuk membentuk kompleks promoter yang yang terbuka.

7

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Operator, merupakan urutan nukelotida yang terletak di antara promoter dan bagian struktural dan merupakan tempat pelekatan protein represor (penekan atau penghambat ekspresi gen). Jika ada represor yang melekat di operator maka RNA polimerase tidak bisa jalan dan ekspresi gen tidak bisa berlangsung. Selain adanya supresor ada juga enhancer. Jika supresor untuk menghambat, kebalikannya enhancer berfungsi meningkatkan transkripsi dengan meningkatkan jumlah RNA polimerase. Namun letaknya tidak pada lokasi yang spesifik, ada yg jauh di upstream atau bahkan downstream dari titik awal transkripsi. Coding Region (gen structural) merupakan bagian yang mengkode urutan nukleotida RNA. Transkripsi dimulai dari sekuens inisiasi transkripsi (ATG) sampai kodon stop (TAA / TGA / TAG). Pada prokariot tidak ada sekuens penyisip (intervening sequences atau intron, yang tidak dapat diekspresikan) sehingga semuanya berupa ekson (urutan nukleotida yang mengkode asam amino). Tidak semua gen mengkode urutan asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein. Gen dibagi menjadi 3 kelompok yaitu gen yang mengkode protein, gen yang mengkode RNA ribosom (rRNA) dan gen yang mengkode transfer-RNA (tRNA). Gen yang mengkode rRNA dan tRNA hanya akan ditranskripsi dan tidak pernah ditranslasi karena yang diperlukan dalam proses ekspresi genetic adalah molekul RNA-nya. rRNA digunakan untuk menyusun ribosom (tempat sintesis protein) sedangkan tRNA berfungsi membawa molekul asam amino spesifik yang akan dirangkaikan menjadi polipeptida dalam proses sintesis protein. Terminator, adalah bagian gen yang terletak di sebelah hilir dari gen structural. Fungsinya

adalah

memeberikan

signal

pada

enzim

RNA

polymerase

agar

menghentikan proses transkripsi. Signal terminasi dicirikan oleh struktur jepit rambut/hairpin dan lengkungan yang kaya yang akan urutan GC yang terbentuk pada molekul RNA hasil transkripsi. RNA Polimerase, merupakan enzim yang mengkatalisis proses transkripsi. Susunan lengkap adalah α2ββ’σ disebut holoenzim, jika σ tidak ada dan hanya ada α2ββ’ disebut core-enzyme. Fungsi subunit-subunit tersebut adalah: α = diduga berfungsi dalam penyusunan enzim, β = berfungsi dalam pengikatan nukleotida, β’ = berfungsi dalam penempelan DNA, σ = berfungsi untuk mengarahkan agar RNA polimerase menempel pada promoter.

8

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

MEKANISME TRANSKRIPSI PADA PROKARIOT Tahapan transkripsi terdiri dari inisiasi, elongasi, dan terminasi. Inisiasi. Transkripsi dimulai dengan penempelan RNA polimerase holoenzim pada bagian promoter. RNA polimerase menuju ke promoter atas bantuan faktor σ yang mampu menemukan bagian promoter suatu gen. Bisa diibaratkan RNA polymerase adalah pesawat, faktor sigma adalah antenanya, promoter adalah bandaranya. Pada prokariot, RNA polymerase menempel secara langsung pada DNA di daerah promoter tanpa melalui ikatan dengan protein lain (pada eukariot protein pembantu dibutuhkan sangat banyak !!). Kemudian, bagian DNA yang berikatan dengan RNA polimerase membentuk struktur gelembung transkripsi (transcription bubble) yang stabil. Selanjutnya adalah penggabungan beberapa nukleotida awal sekitar 10 nukleotida. Basa-basa RNA yang digabung membentuk ikatan hidrogen dengan basa DNA cetakan. Selanjutnya adalah pelepasan subunit σ setelah terbentuk molekul RNA sepanjang 8-9 nukleotida. Terjadi perubahan konformasi holoenzim jadi core enzyme (tanpa faktor σ). Faktor σ selanjutnya dapat digunakan lagi dalam proses inisiasi transkripsi selanjutnya (dapat digunakan oleh enzim inti RNA polimerase lain) (Gambar 8).

Gambar 8. Proses inisiasi transkripsi pada prokariot. Faktor sigma membantu mengenali promoter suatu gen.

Pada elongasi, nukleotida ditambahkan secara kovalen pada ujung 3′ molekul RNA yang baru terbentuk dengan arah 5′
3′ pada ikatan fosfodiester (Gambar 9). Nukleotida RNA yg ditambahkan bersifat komplementer dengan nukleotida untai DNA cetakan.

9

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Gambar 9. Proses pembentukan ikatan fosfodiester. Gugus OH pada posisi 3’ menyerang posphat pada posisi 5’ melepas 2P dan molekul H2O membentuk ikatan fosfodiester yang stabil.

Penghentian transkripsi (terminasi) ada 2 macam yaitu: 1. Rho-independent yaitu terminasi yang dilakukan tanpa harus melibatkan protein khusus, namun ditentukan oleh adanya urutan nukleotida tertentu pada bagian terminator. Ciri urutan adalah adanya struktur jepit rambut/hairpin yang kaya akan basa GC. Akibat struktur itu, RNA polimerase berhenti dan membuka bagian dari sambungan (hibrid) DNA-RNA. Sisa hibrid merupakan urutan oligo U (rU) yang tidak cukup stabil berpasangan dengan A (dA)
ikatan hidrogen hanya 2 buah, akibatnya ikatan lemah terlepas dan RNA hasil transkripsi lepas. 2. Rho-dependent yaitu terminasi memerlukan protein rho. Faktor rho terikat pada RNA transkrip kemudian mengikuti RNA polimerase sampai ke daerah terminator. Faktor rho membentuk destabilisasi ikatan RNA-DNA hingga akhirnya RNA terlepas.

10

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

TRANSKRIPSI PADA EUKARIOT Struktur gen Gen-gen pada eukariot bersifat monosistronik, artinya satu transkrip yang dihasilkan hanya mengkode satu macam produk ekspresi. Pada eukariot tidak dikenal namanya operon karena satu gen structural dikendalikan oleh satu promoter. Secara umum hampir sama sama prokariot yaitu adanya promotor, bagian struktural dan terminator. Bagian yang membedakan adalah pada bagian struktural gen. Bagian struktural/coding region pada eukariot ada bagian intron dan ekson (Gambar 10). Intron (intervening sequences) merupakan sekuens yang tidak mengkode asam amino. Bagian ini akan dibuang saat RNA processing. Ekson merupakan sekuen yang dikode menjadi asam amino (Gambar 10).

Gambar 10. Bagian struktural gen eukariot

Mekanisme Transkripsi Pada Eukariot RNA polimerase pada eukariot bermacam-macam yaitu RNA polimerase I (mentranskrip gen kelas I yaitu gen rRNA kecuali 5S rRNA), RNA Polimerase II (mensintesis mRNA dan small nulear RNA/snRNA yang diperlukan pada saat RNA splicing) dan RNA polymerase III (mentranskrip gen kelas III yaitu tRNA, 5S rRNA). Pada bab ini hanya dijelaskan RNA polimerase II karena terlibat pada transkripsi semua gen.

11

FARMASI UNSOED

Biologi Molekuler 2011

Berbeda dengan prokariot, RNA polymerase eukariot tidak menempel secara langsung pada DNA di daerah promoter namun melalui perantaraan protein-protein lain disebut faktor transkripsi/transcription factor (TF). TF ada 2 macam yaitu ada yang umum dan ada yang khusus. TF umum berfungsi mengarahkan RNA polymerase ke promoter. TF umum meiputi TFIIA, B, D, E, F, H, J (transcription factors regulating RNA pol II). Penempelan RNA polymerase [ada promoter oleh daktor transkripsi umum hanya menghasilkan transkripsi pada aras dasar (basal level). Pengaturan yang lebih spesifik dilakukan oleh FT yang khusus untuk suatu gen. Promoter eukariot sangat beragam dan sulit untuk dikarakterisasi. Basal promoter

elements

dikenal

dengan

TATA-box

dan

CCAAT-box,

dinamakan
...