EKSPRESI GEN PADA SEL PROKARIOT

          Di dalam sel prokariot, terdapat beberapa gen struktural yang diekspresikan secara bersama-sama dengan menggunakan suatu promotor yang sama. Kelompok gen semacam ini disebut Operon. Ekspresi gen pada sel prokariot bersifat polisistronik, yaitu sekali mengalami proses transkripsi akan diekspresikan lebih dari satu gen yang dihasilkan.

Pada prokariot dikenal dua macam sistem pengendalian ekspresi gen yaitu pengendalian positif dan pengendalian negatif. Pada kontrol positif, protein pengatur merangsang transkripsi. Sedangkan pada kontrol negatif, protein pengatur menghambat transkripsi. Dua sistem regulasi yang paling umum dilakukan pada bakteri yaitu sistem operon laktosa (Operon lac) dan sistem operon triptophan (Operon trp).

1.    Sistem operon laktosa (Operon lac)

Sistem operon laktosa terjadi pada bakteri E.colli. Regulasi lac operon merupakan kontrol negatif karena pada awalanya gen tidak dihasilkan. Pada kondisi normal, gen tidak dapat terekspresi. Bakteri E.colli yang ditumbuhkan pada medium akan mengkonsumsi glukosa memasuki fase adaptasi, kemudian memasuki fase eksponensial yang ditandai dengan laju pertumbuhan yang meningkat secara eksponensial dan akhirnya mencapai tahap stasioner dimana jumlah glukosa yang dikonsumsi telah habis. Akan tetapi ketika terjadi Operon lac yaitu pada kondisi ditambahkan laktosa pada medium, bakteri yang telah mencapai fase stasioner beberapa saat akan tumbuh lagi memasuki fase eksponensial yang kedua sampai akhirnya akan mencapai fase stasioner akhir. Fase eksponensial kedua terjadi yaitu ketika bakteri E.colli mengkonsumsi laktosa sebagai sumber karbon setelah glukosa habis, pada fase inilah terjadi induksi sistem operon laktosa.

Operon laktosa terdiri atas 3 gen struktural utama yaitu

- Gen lacZ (mengkode enzim β galaktosidase)

Memotong ikatan β galactosidik yang ada pada molekul laktosa sehingga dihasilkan dua monosakarida, yaitu glukosa dan galaktosa.

- Gen lacY (mengkode permease galaktosida)

Mengangkut laktosa dari luar ke dalam sel.

- Gen lacA (transasetilase thiogalaktosida)

Mengikat molekul mirip laktosa

Ketiga gen struktural yang berbeda tersebut dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang sama dan menghasilkan satu mRNA yang bersifat polisistronik. Selain ketiga gen structural tersebut, juga terdapat gen regulator lac I yang mengkode suatu protein repressor.

Pengendalian operon laktosa secara negatif dilakukan oleh protein represor yang dikode oleh gen lac I. Repressor ini menempel pada daerah operator (lacO) yang terletak disebelah hilir dari promotor. Penempelan represor semacam ini menyebabkan RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural lacZ, lacY, dan lacA sehingga operon laktosa dikatakan mengalami represi.

Jika sel E.colli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung glukosa dan laktosa maka setelah glukosa benar-benar habis sel akan melakukan metabolisme laktosa yang ada dengan cara mengaktifkan terlebih dahulu sistem operon laktosa. Proses pengaktifan operon laktosa semacam ini disebut sebagai proses induksi. Dengan adanya induser (laktosa yang diubah menjadi alolaktosa) maka molekul induser akan menempel pada repressor. Penempelan tersebut akhirnya mengubah secara allosterik konformasi molekul repressor sehingga repressor tidak dapat menempel lagi pada operator. Oleh karena itu, daerah operator berada dalam keadaan bebas sehingga dapat dilewati oleh RNA polimerase untuk melakukan transkripsi gen lacZ, lacY, dan lacA. Setelah ditranskripsi, transkripsi yang membawa kodon-kodon untuk ketiga macam enzim tersebut selanjutnya di translasi menghasilkan enzim  b-galaktosidase dan permase galaktosida dan transasetilase thiogalaktosida. Ketiga gen tersebut menghasilkan lebih dari satu enzim yang dihasilkan dalam satu promoter (polisistronik)

2.    Sistem operon triptophan (Operon trp)

Operon trp berperanan di dalam sintesis asam amino triptofan pada E. colli. Operon trp, dikendalikan melalui dua macam mekanisme yaitu :

a)      Penekanan (represi) oleh produk akhir ekspresi

Pengendalian positif operon trp dilakukan dengan cara menekan ekspresi gen-gen dalam operon itu pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak. Operon trip terdiri atas 5 gen struktural, yaitu tripE, D, C, B dan A.

Pada saat triptofan tidak tersedia, atau hanya tersedia dalam jumlah sangat terbatas, gen trpR hanya menghasilkan aporepresor yang tidak mampu menempel pada daerah operator sehingga RNA polimerase dapat dengan mudah melakukan transkripsi gen-gen struktural trpE, D, C, B dan A setelah melewati daerah attenuator. Sebaliknya, pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak, aporepresor yang dikode oleh trpR akan berikatan dengan molekul triptofan (disebut sebagai ko-represor) sehingga terjadi perubahan struktural pada protein aporepresor menjadi protein represor yang fungsional. Perubahan struktural tersebut mengakibatkan represor dapat menempel pada daerah promotor operon trp sehingga RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural.

b)      Pelemahan (attenuation)

Jika triptofan dalam jumlah banyak, pada awalnya RNA polimerase akan melakukan transkripsi sekuens trpL yang kemudian langsung diikuti dengan translasi trpL. Meski trpL dapat ditranskripsi namun proses transkripsi tersebut akan segera diakhiri karena daerah attenuator mempunyai sekuens terminator transkripsi sehingga akhirnya RNA polimerase terlepas dari DNA sebelum mencapai gen-gen struktural trpEDCBA.