Substansi genetika dan Kontrol Epigenetik

Kromosom

Setiap sel yang ada dalam tubuh kita tersusun dari nukelus dan organel-organel pendukung lainnya. Dalam nucleus terdapat benang-benang halus yang dinamakan kromatin. Ketika sel tersebut membelah maka benang-banang halus tersebut akan membentuk kromosom. Kromososm terdiri dari protein serta DNA.

Nukleosom (Unit Dasar Kromosom)

Pemyusunan DNA terjadi pada tahap profase dari pembelahan sel. Pada awalnya DNA terpintal pada suatu sel protein yang disebut histon untuk menjadi suatu unit yang disebut nukleosom. Nukleosom ini akan membentuk benang-benang padat dan terpintal menjadi suatu lipatan solenoid. Lipatan solenoid ini akan tersusun menjadi benang kromatin. Benang tersebut tersusun dari sepasang lengan kromatid yang membentuk kromosom.

            Bagian-bagian dan bentuk kromosom

            1. Kromatid

                        Kromatid merupakan salah satu dari kedua lengan kromosom. Kromatid masih melekat satu sama lain pada bagian sentromer. Kromatid juga sering disebut kromonema. Kromonema atau kromatid ini terlihat selama tahap profase dan berbentuk filament yang tipis.

            2. Kromomer

                        Kromomer memiliki struktur yang seperti manik-manik. Kromomer merupakan hasil dari akumulasi dari materi kromatin yang terkadang terlihat pada tahap interfase.

            3. Sentromer

                        Sentromer adalah daerah pelekukan di sekitar daerah pertengahan kromosom. Terdapat kinetokor pada sentromer yang merupakan tempat pelekatan benang-benang spindel selama pembelahan inti.

            4. Satelit

                        Satelit merupakan bagian dari kromosom yang berbentuk bulatyang terletak di ujung lengan kromatid.

            5. Telomer

                        Telomer merupakan daerah terujung pada kromosom dan berfungsi untuk menjaga stabilitas bagian ujung kromosom. Terdapat 4 jenis telomer berdasarkan letaknya pada lengan kromatid.

o   . Kromosom metasentrik

§  letak sentromer pada kromosom ini berada di tengah-tengah lengan kromatid.

o   Kromosom submetasentrik

§  Letak sentromernya tidak berada di tengah-tengah sehingga kromatid tidak terbagi sama panjang.

o   Kromosom akrosentrik

§  Letak sentromernya berada pada posisi antara ujung dengan bagian tengah kromatid.

o   Kromosom telosentril

§  Letak sentromernya di ujung suatu kromatid.

Tipe dan jumlah kromosom

Tampilan visual kromosom setiap individu dinamkan kariotipe. Tipe dan jumlah kromosom setiap makhluk hidup berbeda-beda.  Seperti pada manusia yang setiap sel somatik (semua sel selain sperma dan ovum)  berjumlah 46 kromosom. Pasangan kromosom yang memiliki panjang, posisi sentromer, dan pola pewarnaan yang sama disebut kromosom homolog. Setiap pasangan membawa gen yang membawa sifat herediter tertentu dan mengendalikan sifat pewarisannya. Terdapat perbedaan antara sel somatik pada betina dan jantan yaitu pada betina terdapat XX dan pada jantan terdapat XY. Karena menentukan jenis kelamin suatu individu dinamakan genosom atau kromosom seks. Kromosom lain selain genosom disebut autosom. 

Peranan Kromosom

Seperti yang telah kita ketahui bahwa kromosom tersusun atas protein dan DNA. DNA adalah tempat penyimpanan seluruh informasi genetic. Total informasi yang disimpan dalam gen disebut genom.penjelasa lebih lanjut sebagai berikut.

o   Gen

Gen pertama kali ditemukan oleh W. Johannsen pada tahun 1909. Secara kimia, dapat dikatakan bahwa unit informasi genetik adalah DNA. Letak gen pada kromosom disenut lokus. Letak gen pada suatu kromosom dilambangkan dengan garis pendek horizontal yang melewati garis panjang vertikal.

o   Alel

Alel adalah bentuk lain dari gen. Alel pertama kali diperkenalkan oleh  W. Bateson dan E. R. Saunders pada tahun 1902. Alel inilah yang menjelaskan mengapa adanya variasi pada pewarisan suatu sifat. Ketika suatu satu pasang alel menimbulkan suatu karakter yang sama disebut homozigot. Kebalikannya adalah heterozigot yang merupakan 2 alel yang berbeda untuk sebuah gen. Penampakan luar suatu organisme tidak menandakan susunan gen atau komposisi gen orang tersebut. penampakan luar atau secara fisik suatu organisme disebut fenotip dan penyusunnya disebut genotip.

DNA

DNA merupakan deoxyribonucleic acid yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan seluruh informasi genetic.DNA adalah makromolekul polinukleotida. Dibawah ini adalah unsur-unsur wajib yang terdapat dalam setiap DNA :

·         Gula 5 karbon (2-deoxyribosa

·         Basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin yaitu adenine (A) dan guanin (G),  serta golongan pirimidin, yaitu sitosin (C), dan timin (T).

·         Gugus fosfat

Perlu diketahui bahwa unsur utama pembentuk deoxyribonukleosida yang berikatan dengan gugus fosfat adalah nukleotida atau deoxyribonukleotida. Dalam DNA jumlah Adenin selalu sama dengan Timin, serta Guanin selalu sama dengan Sitosin. Ketentuan ini disebut ketentuan Chargaff. Adenin selalu berpasangan denga Timin dan begitu pula Guanin yang selalu berpasangan dengan Sitosin.

Replikasi DNA

Suatu sel membelah secara terus-menerus diamana di setiap selnya terdiri dari DNA penuh dan identik seperti induknya, oleh karena itu DNA harus secara tepat direplikasi atau diperbanyak. Kemungkinan terjadinya replikasi dapat melalui 3  cara:

a.       Model konservatif

Yaitu 2 rantai DNA lama tetap tidak berubah yang akan digunakan sebagai cetakan bagi 2 rantai DNA yang baru.

b.      Model semikonservatif

Yaitu 2 rantai DNA lama terpisah dan rantai baru disintesis dengan prinsip komplementasi  pada masing-masing rantai DNA tersebut.

c.       Model dispersif

Yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru. 

RNA(Ribonucleic Acid)

RNA berfungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi genetik dan sebagai enzim (ribozim) yang dapat mengkatalis formasi RNA-nya sendiri atau molekul RNA lain.

Berikut ini adalah ketiga gugus molekul yang terdapat pada RNA :

a.       5 karbon (ribosa)

b.      Basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin dan pirimidin dimana Timin diganti dengan urasil dan sitosin (C).

c.       Gugus fosfat

Perlu diingat bahwa Purin dan pirimidin yang berikatan dengan ribose membentuk suatu molekul yang dianmakan nukleosida atau ribonukleosida yang merupakan precursor dasar dari sintesis DNA. Ribonukleosida yang berikatan dengan gugus fosfat membentuk suatu nukleotida atau disebut dengan ribonukleosida.

Tipe RNA

1.      RNAd

Berfungsi membawa pesan atau kode genetik (kodon) dari kromosom yang berada pada inti sel ke ribosom yang berada di sitoplasma.

2.      RNAr

Merupakan komponen utama dalam ribosom. Setiap subunit ribosom terdiri dari 30-46% molekul RNAr.

3.      RNAt

Merupakan RNA yang membawa asam amino satu per satu ke ribosom. Pada salah satu ujung RNAt ada tiga rangkaian basa pendek yang disebut antikodon.

Perbedaan antara DNA dan RNA

 Bentuk

            DNA memiliki rantai panjang, ganda, dan berpilin (double helix), sedangkan RNA memiliki rantai pendek, tunggal, dan tidak berpilin.

Letak

            DNA terletak di dalam nucleus, kloroplas, mitokondria, sedangkan RNA terletak di dalam nucleus, sitplasma, kloroplas, mitokondria.

Kadar

            DNA memiliki kadar yang tetap sedangkan RNA memiliki kadar yang tidak tetap.

Komponen

Dari segi komponen gula yang terdapat pada DNA adalah deoxyribosa, sedangkan pada RNA hanya ribosa. Walaupun RNA dan DNA memiliki purin yang sama yaitu Adenin dan Guanin, namun RNA dan DNA memiliki basa pirimidin yang berbeda dimana DNA  memiliki Timin dan Sitosin dan RNA memiliki Urasil dan Sitosin.

Kode Genetik

Merupakan cara pengkodean urutan nukleotida pada DNA atau RNA untuk menentukan urutan asam amino pada sintesis protein.

Informasi pada kode genetic ini ditentukan oleh basa nitrogen pada DNA. Berikut ini adalah kamus kode genetik.

§  Dapat dilihat bahwa kode diatas mengandung U dan bukan T dalam susunan triplet. Hal ini karena para ahli genetic memandang triplet yang dibawa oleh molekul RNAd sebagai komponen kode genetika, bukan yanf dibawa DNA.

§  Kodon adalah informasi suatu asama mino tertentu.

§  Kode genetik bersifat degeneratif karena 18 dari 20 macam asam amino ditentukan oleh lebih dari satu kodon yang disebut juga dengan kodon sinonimus.

Ekspresi GEN

Ekspresi gen merupakan proses penterjemaahan informasi yang dikode di dalam gen menjadi urutan asam amino selama sintesis protein. Dogma sentral ekspresi gen adalah sebagai berikut:

1. Transkripsi

Ø Transkripsi merupakan sintesis RNA dari salah satu rantai DNA, yaitu rantai cetakan yang disebut sense, sedangkan pasangan rantai DNAnya disebut rantai antisense. Terjadi di dalam inti sel.

Ø Transkripsi terdiri dari tiga tahap, yaitu:

a. Inisiasi (permulaan). Transkripsi diawali oleh promoter, yaitu daerah DNA tempat RNA polimerase melekat. Promoter mencakup titik awal transkripsi dan biasanya membentang beberapa pasang nukleotida di depan titik awal tersebut. Fungsi promoter selain menentukan di mana transkripsi dimulai, juga menentukan yang mana dari kedua rantai ganda DNA yang digunakan sebagai cetakan.

b. Elongasi (pemanjangan). Ketika RNA bergerak di sepanjang DNA, pilinan rantai ganda DNA tersebut terbuka secara berurutan kira-kira 10-20 basa DNA. Enzim RNA polimerase menambahkan nukleotida ke ujung 3’ dari molekul RNA yang dibentuk di sepanjang rantai ganda DNA. Setelah sintesis RNA berlangsung, rantai ganda DNA akan terbetuk kembali dan RNA baru akan terlepas dari cetakannya.

c. Terminasi (pengakhiran). Transkripsi berlangsung hingga RNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang dinamakan terminator. Terminator merupakan urutan DNA yang berfungsi untuk mengakhiri proses transkripsi. Pada prokariotik, transkripsi berhenti pada saat RNA polimerase mencapai titik terminasi. Pada eukariotik, RNA polimerase terus melewati titik terminasi, 10-35 nukleotida, RNA yang telah terbentuk terlepas dari enzim tersebut.

2. Translasi

Ø Translasi berlangsung di dalam sitoplasma dan ribosom. Translasi merupakan proses penterjemaahan sutu kode genetik menjadi protein yang sesuai. Kode genetik tersebut berupa kodon di sepanjang molekul RNAd, sebagai penterjemaahnya RNAt. RNAt membawa asam amino dari stoplasma ke ribosom.

Ø Molekul RNAt membawa asam amino spesifik pada salah satu ujungnya yang sesuai dengan triplet nukleotida pada ujung RNAt lainnya yang disebut antikodon.

Ø Misalnya, perhatikan kodon RNAd UUU yang ditranslasi sebagai asam amino fenilalanin. RNAt pembawa fenilalanin mempunyai antikodon AAA yang komplemen dengan UUU agar terjadi reaksi penambahan fenilalanin pada rantai polipeptida sebelumnya.

RNAt yang mengikat diri pada kodon RNAd harus membawa asam amino yang sesuai ke dalam ribosom. Melekatnya asam amino pada RNAt dibantu oleh enzim aminoasil-RNAt sintetase (aminoacyl-tRNA synthetase). Ribosom memudahkan pelekatan antara antikodon RNAt dengan kodon RNAd selama sintesis protein. Ribososm tersususn atas subunit besar dan subunit kecil yang dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNAt.

       

Gambar 14. Sintesis tRNA-aminoasil dan

Struktur ribosom(Cambell, 2002)

Ø Tahap Transalasi ada tiga yaitu:

a.       Inisiasi. Terjadi dengan adanya RNAd, RNAt dan dua subunit ribosom. Pertama-tama subunit kecil ribosom melekat pada tempat tertentu diujung 5’ dari RNAd. Pada RNAd terdapat kodon “start” AUG, yang memberikan tanda dimulainnya proses translasi. RNAt inisiator membawa asam amino metionin, melekat pada kodon inisiasi

Gambar 15. Inisiasi translasi  (Cambell, 2002)

b. Elongasi. Pada tahap elongasi, sejumlah asam amino ditambahkan satu persatu pada asam amino pertama (metionin). Kodon RNAd pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul RNAt yang komplemen dengannya. RNAr dari subunit besar berperan sebgai enzim, yang berfungsi mengkatalisis pempentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba. Polipeptida memisahkan diri dari RNAt tempat perlekatan semula, dan asam amino pada ujung karboksilnya berikatan dengan asam amino yang dibawa oleh RNAt yang baru masuk. Ketika RNAd berpindah tempat, antikodonnya tetap berikatan dengan kodon RNAt. RNAd bergerak bersama-sama dengan antikodon ini dan bergeser ke kodon berikutnya yang akan ditranslasi. Disamping itu, RNAt sekarang tanpa asam amino karena telah diikat pada polipeptida yang telah memanjang. Selanjutnya RNAt keluar dari ribosom. Langkah ini membutuhkan energi yang disediakan oleh hidrolisis GTP.

                                 Gambar 16. Siklus elongasi dan translasi (Cambell, 2002)

c. Terminasi. Elongasi berlanjut sampai ribosom mencapai kodon stop. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sebagai tanda untuk menghentikan proses translasi dan berakhir pula proses sintesis protein.

Gambar 17. Terminasi translasi (Campbell, 2002)

Epigenetika (bahasa Inggris: epigenetics), di dalam biologi, adalah studi tentang perubahan fenotipeatau ekspresi genetika yang disebabkan oleh mekanisme selain perubahan sekuens DNA dasar. Epigenetika berasal dari bahasa Yunani, epi- yang berarti "di atas" atau "menutupi", dan -genetika. Tidak ada perubahan pada sekuens DNA dasar, melainkan faktor non genetika yang menyebabkan ekspresi gen organisme berubah.

Contoh terbaik perubahan epigenetika pada eukariotik adalah proses diferensiasi sel. Selama morfogenesis, sel induk totipoten berubah menjadi bermacam-macam sel pluripoten pada embrio yang kemudian akan berubah menjadi sel yang berdiferensiasi secara penuh. Dengan kata lain, zigot, sebuahsel telur yang telah dibuahi, berubah menjadi berbagai jenis sel, seperti neuron (sel saraf), sel otot,epitel, pembuluh darah, dan sebagainya, yang kemudian akan terus membelah. Hal ini terjadi di mana pengaktifan beberapa gen dapat mengakibatkan peredaman gen lainnya. Contoh lainnya adalah seperti yang terlihat pada gambar, dua tikus hasil kloning dengan gen yang sama dan status metilasi DNA yang berbeda menghasilkan ekspresi genetika yang berbeda.

Sejarah epigenetika berhubungan dengan studi evolusi dan perkembangan, tetapi kemudian istilah epigenetika telah mengalami perubahan seiring dengan meningkat pesatnya pengertian tentang mekanisme molekuler yang mendasari pengaturan ekspresi gen pada eukariota. Hingga tahun 1950-an, istilah epigenetika digunakan secara berbeda yaitu untuk mengelompokkan semua kejadian perkembangan dimulai dari zigot hingga organisme dewasa, dalam hal ini semua proses regulasi, dimulai dari materi genetika yang kemudian membentuk hasil akhir (Waddington, 1953).

Organisme yang digunakan dalam penelitian epigenetika antara lain Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Neurospora crassa, yang merupakan organisme sel tunggal dan eukariotik tingkat rendah dengan siklus hidup pendek, Arabidopsis thaliana di mana pada organisme ini terdapat peredaman transkripsi gen oleh kompleks RNAi, Tetrahymena dan Paramecium yang memiliki inti sel dimorfisme yang unik, Caenorhabditis elegans dan Drosophila melanogaster,invertebrata yang merupakan organisme multiselular, hingga organisme vertebrata (mamalia).

Mekanisme epigenetika

Mekanisme Epigenetika: metilasi DNA dan modifikasi histon

Mekanisme epigenetika antara lain adalah metilasi DNA, modifikasi histon, dan perubahan bentuk kromatin

Metilasi DNA

Metilasi DNA terjadi pada posisi 5 dari cincin pirimidin sitosina, dalam konteks dinukleotida CpG.  Metilasi sendiri merupakan peristiwa dimana terjadi penambahan gugus metil pada sitosina. Mekanisme ini mendasari berbagai macam fenomena transkripsi, termasuk imprinting, inaktivasi kromosom X, sertatransgenerational epigenetic inheritance.  Enzim yang berperan dalam proses metilasi diantaranya adalah DNA metiltransferase (DNMT). 

Kebalikan dari metilasi adalah demetilasi. Proses demetilasi DNA pada tumbuhan diketahui melibatkan 5-metilsitosina glikosilase melalui jalur koreksi DNA dengan pemotongan basa, sedangkan pada mamalia proses demetilasi ini belum diketahui secara pasti mekanismenya.  Penelitian pada awal tahun 2010 menyatakan proses demetilasi kemungkinan diperantarai suatu reaksi yang membutuhkan radikalS-adenosine metionin (SAM) utuh.

Modifikasi histon

Modifikasi histon memengaruhi perubahan bentuk kromatin. Ada berbagai macam modifikasi yang dapat terjadi pada histon, diantaranya adalah metilasi,fosforilasi, dan asetilasi.

Pada berbagai sel eukariota tingkat tinggi, ada dua tipe kromatin pada tahap interfase yaitu :

·              Eukromatin, merupakan bentuk yang kurang padat, atau yang bentuk terbuka. Eukromatin berbentuk padat selama pembelahan sel, tetapi mengendur menjadi bentuk yang terbuka selama interfase.

·              Heterokromatin, merupakan bentuk yang lebih padat, atau bentuk tertutup. Heterokromatin sangat padat pada pembelahan sel, demikian pula pada saat interfase.

Saat suatu gen yang secara normal terekspresi pada bentuk eukromatin berpindah pada daerah heterokromatin, dapat menghentikan ekspresi gen tersebut, dan terjadilah peredaman gen.

REGULASI EKSPRESI GEN

Gen merupakan unit molekul DNA atau RNA dengan panjang molekul tertentu yang membawa informasi mengenai urutan asam amino yang lengkap suatu protein atau yang menentukan struktur lengkap suatu molekul rRNA atau tRNA (Yuwono, 2005 : 79). Gen dapat diwariskan dan diekspresikan.

Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik dalam bentuk urutan basa pada DNA atau RNA menjadi protein (Moran, 634). Ekspresi gen adalah suatu rangkaian kompleks yang melibatkan banyak faktor. Salah satu ciri penting pada sistem jasad hidup adalah keteraturan sistem. Oleh karena itu dalam ekspresi gen proses pengendalian (regulasi) sistem menjadi bagian mendasar dan penting. Secara umum dapat dikatakan bahwa proses ekspresi genetik dimulai dan diatur sejak pra inisiasi transkripsi. Mekanisme pengaturan ekspresi gen ini disebut dengan regulasi ekspresi gen.

Regulasi ekspresi gen merupakan aspek yang sangat penting bagi jasad hidup. Tanpa sistem pengendali yang efisien, sel akan kehilangan banyak energi yang akan merugikan jasad hidup. Dalam sistem molekuler ada banyak sistem pengendali ekspresi gen yang menentukan kapan suatu gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi. Regulasi ekspresi gen paling banyak dimengerti melalui mekanisme yang dipelajari pada bakteri. Baca selanjutnya..

Bakteri Escheria coli merupakan salah satu jasad hidup prokariotik yang paling banyak dipelajari aspek fisiologi dan molekulernya. Bakteri ini mempunyai lebih dari 4.000 gen yang berbeda dan sekarang jasad ini telah selesai dipetakan dan diketahui urutan nukleotidanya secara lengkap. Jasad ini memiliki DNA yang lebih sederhana dan lebih sedikit mengandung pasangan basa nukleotida, berbentuk sirkuler. Jasad ini juga memiliki operon yang nantinya berperan dalam regulasi ekspresi gen.

Masih termasuk dalam regulasi ekspresi gen adalah proses diferensial sel pada eukariotik multiseluler. Semua makhluk hidup termasuk manusia berasal dari satu sel, sehingga semua sel yang berasal dari sel awal ini akan mempunyai kandungan genetik yang sama. Melalui proses diferansial sel akan dihasilkan berbagai jaringan dan organ. Dalam suatu organ disintesis suatu produk, sedangkan pada organ lain disintesis produk yang lain. Jadi walaupun semua sel tersenut mempunyai kandungan genetik yang sama, ternyata terdapat gen-gen yang diekspresikan hanya pada organ tertentu.

A. Ekspresi Gen

Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik, dalam bentuk urutan basa pada DNA atau RNA, menjadi protein. Ekspresi genetik adalah suatu rangkaian proses kompleks yang melibatkan banyak faktor. Salah satu ciri penting pada jasad hidup adalah keteraturan sistem (Lehninger, 2004:1084).

Ekspresi gen di dalam sel memerlukan dua proses yaitu transkripsi dan translasi. Transkripsi adalah proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi RNA. Transkripsi adalah proses yang mengawali ekspresi sifat-sifat genetik (Yuwono, 2010:133). Urutan nukleotida pada salah satu untaian molekul DNA digunakan sebagai cetakan (template) untuk sintesis molekul RNA. Molekul RNA yang disintesis adalah mRNA (messenger RNA), tRNA (transfer RNA) dan rRNA (ribosomal RNA). Molekul mRNA adalah RNA yang merupakan salinan kode-kode genetik pada DNA yang dalam proses selanjutnya (pada proses translasi) akan diterjemahkan menjadi urutan asam-asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein tertentu. tRNA  adalah RNA yang berperan membawa asam-asam amino spesifik yang akan digabungkan dalam sisntesis protein (translasi). Molekul rRNA adalah RNA yang digunakan untuk menyusun ribosom, yaitu partikel sel yang digunakan sebagai tempat untuk sintesis protein.

Dalam transkripsi beberapa komponen utama yang terlibat adalah : (1) urutan DNA yang akan ditranskripsi, (2) enzim RNA polimerase, (3) faktor-faktor yang ditranskripsi dan (4) prekursor untuk sintesis RNA. Urutan DNA yang ditranskripsi adalah gen yang yang diekspresikan. Secara garis besar gen merupakan suatu urutan DNA yang mengkode urutan lengkap asam amino suatu polipeptida atau molekul RNA tertentu.

Secara umum gen prokatiotik tersusun atas atas tiga bagian utama yaitu ; daerah pengendali yang disebut promoter, bagian struktural dan terminator. Promoter adalah bagian gen yang berperan dalam mengendalikan proses transkripsi dan terletak pada ujung. Bagian struktural adalah bagian yang terletak pada hilir dari promoter. Bagian inilah yang mengandung urutan DNA spesifik yang akan ditranskripsi. Terminator adalah bagian gen yang terletak di sebelah hilir dari bagian struktural yang berperan dalam pengakhiran proses transkripsi. Secara umum struktur gen digambarkan sebagai berikut :

Gen-gen yang bertanggung jawab dalam jalur kimia tertentu biasanya diorganisasikan dalam struktur operon. Operon adalah organisasi beberapa gen struktural yang ekspresinya dikendalikan satu promoter yang sama. Dalam operon terdapat operator, yaitu urutan nukleotida yang terletak diantara promoter dan bagian struktural dan merupakan tempat pelekatan protein represor. Masing-masing gen struktural tersebut mengkode protein  yang  berbeda,  tetapi  protein  tersebut  digunakan  untuk   rangkaian   proses metabolisme  yang  sama. Salah satu contoh adalah operon lac.

Operon lac terdiri atas   tiga  macam  gen  struktural  yang  mengkode tiga  macam  enzim  yaitu, gen Z (mengkode β–galaktosidase), gen Y  (mengkode permease) dan gen A (mengkode trans-asetilase). Ketiga macam gen tersebut diatur ekspresinya oleh satu promoter yang sama. Aktivitas promoter diatur oleh gen represor yang mengkode protein represor. Struktur operon lac pada bakteri E.Coli digambarkan sebagai berikut :

Pada waktu ditranskripsi operon lac akan menghasilkan satu untaian mRNA yang membawa kode-kode genetik untuk tiga macam polipeptida berbeda. Oleh karena itu mRNA disebut juga sebagai mRNA polisistronik. Selanjutnya mRNA yang polisistronik tersebut akan ditranslasi menghasilkan tiga macam protein yang mempunyai fungsi yang berbeda dalam proses metabolisme laktosa.

B. Regulasi Ekspresi Gen

Regulasi ekspresi gen merupakan proses pengaturan dalam penterjemahan informasi genetik. Regulasi ekspresi gen adalah suatu pengendalian gen yang berfungsi untuk memunculkan fenotipe dari genotipe. Proses pengaturan ini dilakukan dengan cara menghentikan produksi enzim, melalui penghentian gen penyandinya. Regulasi ekspresi gen pada bakteri dimulai dari proses transkripsi. Ini artinya jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) diperlukan, protein akan ditranskripsi. Sedangkan jika  suatu protein (yang dikodekan oleh gen) tidak diperlukan, maka protein tidak akan ditranskripsi.

Pengendalian ekspresi gen merupakan aspek penting bagi jasad hidup. Tanpa sistem pengendalian yang efisien, sel akan kehilangan banyak energi yang justru merugikan jasad hidup. Bakteri E.coli merupakan salah satu contoh jasad hidup prokariotik yang paling banyak dipelajari aspek fisiologi dan molekulernya. Dalam sistem molekulernya bakteri ini mempunyai banyak sistem pengendalian ekspresi genetik yang menentukan kapan suatu gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi.

Pengendalian suatu gen melibatkan aktivitas gen regulator (Lehninger, 2004: 1082). Secara umum dikenal dua sistem pengendalian ekspresi gen, yaitu: pengendalian positif dan negatif. Pengendalian positif pada suatu operon artinya operon  diaktifkan oleh produk gen regulator. Sebaliknya, pengendalian negatif berarti operon tersebut dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Pengendalian positif membutuhkan protein untuk terjadinya transkripsi, sedangkan pengendalian negatif membutuhkan protein untuk menghambar terjadinya transkripsi.

Produk gen regulator ada dua macam yaitu : aktivator dan represor. Aktivator berperan dalam pengendalian secara positif, dan represor berperan dalam pengendalian secara negatif. Produk gen regulator bekerja dengan cara menempel pada sisi pengikatan protein regulator pada daerah promoter gen yang diaturnya. Pengikatan aktivator atau represor pada promoter ditentukan oleh keberadaan molekul efektor yang biasanya berupa molekul kecil seperti asam amino, gula dan metabolit serupa lainnya. Molekul efektor yang mengaktifkan ekspresi gen disebut induser. Sedangkan yang bersifat menekan ekspresi gen disebut represor.

Lebih jauh pengendalian positif dan negatif dapat dibedakan menjadi dua sistem yaitu sistem yang dapat diinduksi (inducible system) dan sistem yang dapat ditekan (repressible system).

C. Induksi Dan Represi Operon

      Pengendalian secara negatif pada operon artinya operon dinoaktifkan oleh produk gen regulator (represor), sehingga bila represor ini menempel pada operator akan dapat menghambat transkripsi.  Operon dapat diaktifkan dengan cara diinduksi. Induksi operon terjadi apabila ada molekul efektor dalam sel. Molekul efektor merupakan molekul yang mengikat protein dan dapat merubah aktivitas protein. Molekul efektor yang dapat meningkatkan aktivitas protein disebut dengan induser. Dalam hal ini induser akan berikatan dengan represor, untuk kemudian mengubah struktur dari represor. Hal ini mengakibatkan represor tidak dapat lagi berikatan dengan operator. Dengan demikian transkripsi dapat berjalan. Secara skematis sistem pengendalian negatif dapat digambarkan sebagai berikut :

Dari gambar dapat dijelaskan bahwa pada pengendalian negatif dilakukan oleh protein represor yang dihasilkan oleh gen regulator. Pada gambar satu, represor ini menempel pada operator. Penempelan menyebabkan RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural, sehingga operon mengalami represi (penekanan). Proses ini akan terjadi secara terus menerus selama tidak ada induser di dalam sel. Ini disebut dengan mekanisme efisiensi seluler karena sel tidak perlu mengaktifkan operon jika memang tidak ada induser sehingga energi seluler dapat dihemat. Pada gambar dua, menjelaskan  jika ada induser maka, induser melekat pada bagian represor dan mengubah struktur dari represor, sehingga mengubah allosterik konformasi molekul represor. Hal ini mengakibatkan represor tidak dapat menempel lagi pada operator dan represor tidak mampu menghambat transkripsi, sehingga  RNA polimerase akan terus berjalan. Pada gambar ketiga, represor yang dihasilkan pada gen regulator tidak berikatan dengan ko-represor akan menjadi tidak aktif dan transkripsi pun akan tetap berjalan. Terakhir pada gambar ke empat represor yang berikatan dengan ko-represor pada sisi allosteriknya akan menghambat transkripsi.

      Pada sistem pengendalian positif pada gen operon, operon diaktifkan oleh produk gen regulator, yaitu aktivator. Aktivator dapat bekerja (diaktifkan) bila ada induser. Kemudian aktivator yang telah berikatan dengan induser akan menempel pada operator. Dengan demikian transkripsi dapat berjalan. Transkripsi dapat dihentikan kembali bila ada ko-represor. Ko-represor dapat berikatan dengan aktivator dan menonaktifkan kerja aktivator. Secara skematis pengendalian positif operon dapat digambarkan sebagai berikut :

Berdasarkan gambar dapat dijelaskan bahwa pengendalian positif operon diaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Pada gambar pertama menjelaskan bahwa gen regulator menghasilkan suatu aktivator yang belum aktif, sehingga transkripsi tidak bisa berjalan. Pada gambar kedua menjelaskan bahwa aktivator yang dihasilkan oleh gen berikatan dengan protein induser sehingga aktivator akan mengalami reaktivasi dan transkripsi pun berjalan. Pada gambar ketiga gen regulator yang menghasilkan aktivator yang sudah aktif dan transkripsi pun berjalan. Pada gambar ke empat menjelaskan bahwa aktivator akan berikatan dengan ko-represor sehinggan menjadi tidak aktif, sehingga tidak akan terjadi transkripsi.