Semua sel mengandung satu set gen, yang dapat dianggap sebagai satu set instruksi untuk membuat masing-masing jumlah yang sangat besar protein. Penciptaan protein dari gen yang disebut ekspresi gen. Namun, untuk sel yang diberikan tidak semua petunjuk ini benar-benar digunakan, dan di antara mereka yang, ada pula yang digunakan lebih dari orang lain atau hanya dalam keadaan tertentu. Mengontrol ekspresi gen sangat penting untuk sel karena memungkinkan untuk menghindari pemborosan energi dan bahan baku dalam sintesis protein tidak perlu. Dengan demikian, memungkinkan sel untuk menjadi entitas yang lebih ramping dan serbaguna yang dapat merespon perubahan kondisi dengan menyesuaikan fisiologi nya.
Untuk memahami kontrol ekspresi gen, dua konsep kunci harus dipahami. Pertama, ekspresi gen memerlukan transkripsi, proses pembuatan utusan asam ribonukleat (mRNA) salinan asam deoksiribonukleat (DNA) gen. Transkripsi hanya bisa terjadi jika RNA polimerase atase pertama, atau mengikat, untuk DNA. Mengontrol proses pengikatan ini adalah cara utama yang ekspresi gen dikendalikan, dan protein merupakan pengendali utama mengikat.
Konsep penting kedua adalah bahwa molekul protein yang membantu mengatur mengikat sendiri bisa diatur. Hal ini biasanya terjadi ketika beberapa molekul lain mengikat protein, menyebabkan protein untuk mengalami perubahan struktural, dengan kata lain, untuk mengubah bentuk. Dalam beberapa kasus perubahan bentuk ini akan membantu RNA polimerase untuk mengikat DNA, dan dalam kasus lain itu akan mencegahnya dari melakukannya.
Pengendalian Ekspresi Gen
Kontrol dalam Prokariota
Kontrol negatif. Konsep bahwa ekspresi gen dapat dikontrol berasal dengan studi yang dilakukan pada tahun 1950 oleh ilmuwan Perancis François Jacob dan Jacques Monod. Mereka mempelajari metabolisme gula, yang disebut laktosa, dengan coli bakteri E.. metabolisme β-laktosa membutuhkan tiga protein. Galaktosidase dan permease laktosa keduanya terlibat langsung dalam metabolisme laktosa; β-galaktosidase menghidrolisis laktosa menjadi galaktosa dan glukosa, dan laktosa permease mengangkut laktosa melintasi membran sel bakteri. Peran fisiologis protein ketiga, Acetylase thiogalactoside, tidak jelas. Yakub dan Monod menemukan bahwa jumlah dari tiga protein semua meningkat ketika E. coli dikultur dalam laktosa yang mengandung menengah (sumber nutrisi). Hal ini menyebabkan hipotesis bahwa tiga gen yang diatur bersama-sama sebagai satu kesatuan.
Pengendalian Ekspresi Gen
Jenis unit multigene dijuluki sebagai “operon” dan terdiri dari gen struktural, yang protein encode, ditambah urutan peraturan berbaring hulu pada DNA. Gen-gen struktural dalam operon ditranskripsi sebagai mRNA tunggal, dan mRNA demikian poligenik (atau polisistronik). Sebuah seri elegan percobaan menunjukkan bahwa transkripsi dimulai ketika turunan laktosa, alolaktosa, menyebabkan represor untuk dihapus dari situs inisiasi transkripsi. Dengan demikian, laktosa mengatur sintesis enzim yang diperlukan untuk metabolisme sendiri dengan melepaskan represi transkripsi dikenakan atas mereka. Jenis regulasi disebut regulasi negatif, karena mempekerjakan represi untuk mencegah transkripsi. Penggunaan protein aktivator dalam kontrol positif ekspresi gen juga sering terjadi pada prokariota. Dalam sistem ini, protein aktivator mempromosikan transkripsi.
Kontrol positif. Kontrol positif dari ekspresi gen diilustrasikan oleh aktivator transkripsi, protein aktivator gen katabolit (CAP). CAP mengaktifkan transkripsi operon lac, di samping banyak operon diinduksi lainnya. Karena glukosa merupakan sumber makanan yang disukai, operon lac tidak diaktifkan dalam sel E. coli dikultur dalam medium yang mengandung glukosa dan laktosa sampai glukosa habis. Namun, karena laktosa, orang mungkin berharap operon lac akan derepressed dan karenanya aktif. Tapi percobaan telah menunjukkan bahwa glukosa itu sendiri merepresi aktivitas operon lac, sehingga hanya ketika laktosa merupakan satu-satunya sumber energi itu diaktifkan. Represi glukosa ini diamati untuk beberapa operon lain yang menyandikan enzim untuk pemanfaatan sumber energi alternatif. Represi glukosa terjadi melalui mekanisme yang positif. Glukosa yang dikonsumsi, tingkat dalam sel tetes. Kadar glukosa yang rendah merangsang produksi molekul kecil yang disebut cyclic- AMP (cAMP), yang kemudian mengikat CAP. CAP mengalami perubahan struktural yang memungkinkan untuk mengikat DNA dan mengaktifkan transkripsi. Dengan demikian, regulasi operon lac dicapai oleh sebuah kolaborasi antara kontrol negatif dari represor lac dan kontrol positif CAP.
The lac represor dan CAP adalah contoh regulator inisiasi transkripsi. Meskipun sebagian besar regulator bertindak pada tingkat ini, beberapa tindakan di tingkat pemanjangan mRNA, setelah transkripsi telah dimulai. Tryptophan operon (trp operon) terdiri dari lima gen struktural yang diperlukan untuk biosintesis asam amino triptofan. Hal ini diatur pada tingkat inisiasi melalui skema peraturan negatif seperti itu untuk operon lac; Namun, mekanisme tambahan, yang disebut redaman transkripsi, juga di tempat kerja. Bagian dari mRNA yang dihasilkan dari operon trp spontan lipatan ke dalam struktur stem-loop yang memperlihatkan urutan terminasi, menyebabkan transkripsi untuk mengakhiri sebelum waktunya. Namun, ketika triptofan kurang, ribosom bekerja lebih lambat (karena tryptophan yang dibutuhkan untuk membuat protein). Hal ini memungkinkan waktu untuk pembentukan struktur yang berbeda, batang-loop, yang menyembunyikan urutan terminasi, dengan hasil yang transkripsi yang terus dan transkrip full-length diproduksi. Dengan demikian, produk akhir dari operon, triptofan, aktif berpartisipasi dalam regulasi sintesis sendiri. Ini adalah tema umum dalam regulasi transkripsi prokariotik. Redaman transkripsi dapat terjadi pada prokariota karena terjemahan dari mRNA dimulai sebelum sintesis selesai. Pada eukariota itu tidak terjadi karena transkripsi dan translasi adalah proses benar-benar terpisah yang tidak terjadi secara bersamaan.
Transkripsi eukariotik
Peraturan transkripsi adalah dengan kebutuhan yang kompleks jauh lebih dalam sel eukariotik (sel dengan inti) daripada di sel prokariotik. Tidak hanya sel eukariotik lebih besar dan lebih tinggi terkotak, tapi eukariota multiselular melewati beberapa tahap perkembangan, masing-masing memerlukan protein yang berbeda, di jalan menuju negara yang berbeda terakhir mereka. Juga, organisme multisel mengandung banyak jenis sel yang berbeda, masing-masing mengungkapkan set yang berbeda dari protein.
Fitur dasar tertentu regulasi transkripsi dibagi antara prokariota dan eukariota; dalam kedua kasus itu melibatkan interaksi antara aktivator dan represor yang mengikat urutan cis-acting pada DNA. Namun, salah satu perbedaan utama adalah bahwa, tidak seperti DNA prokariotik, eukariotik kromosom yang melilit protein yang disebut histon, untuk membentuk bentuk kental dari DNA yang disebut kromatin. Hal ini cenderung untuk menekan transkripsi gen, dan beberapa aktivator transkripsi telah ditemukan berfungsi dengan menghilangkan kromatin diinduksi represi. Fitur lain yang membedakan eukariotik dari transkripsi prokariot adalah bahwa RNA polimerase tidak mengikat langsung ke DNA melainkan mengikat melalui satu set protein yang disebut faktor transkripsi dasar. Dengan demikian, dalam banyak kasus peran aktivator adalah untuk merekrut faktor transkripsi ini ke situs promotor daripada langsung merekrut polimerase sendiri. Akhirnya, sedangkan gen prokariotik sering dikendalikan oleh hanya satu atau dua protein regulator, gen eukariotik biasanya dikendalikan oleh banyaknya faktor. Kompleksitas tambahan ini memungkinkan untuk fine-tuning aktivitas gen dalam menanggapi berbagai rangsangan.
Struktur transkripsi Aktivator
Banyak aktivator transkripsi pada dasarnya modular dalam struktur dalam domain DNA-binding dan transactivation (atau aktivasi) domain hampir dapat dianggap sebagai dua protein yang berbeda yang secara fisik terhubung. Domain DNA-binding adalah bagian dari molekul DNA yang kontak di situs promotor. Domain transactivation adalah bagian yang merekrut faktor lain promotor sehingga laju transkripsi gen meningkat. Meskipun faktor transkripsi domain DNA-binding bervariasi dalam urutan asam amino, banyak dapat ditempatkan dalam kategori struktural berdasarkan struktur tiga dimensi mereka. Di antaranya adalah kelas zinc finger, helix-loop-helix, dan helix-turn-helix. Meskipun struktur tiga dimensi dalam kelas yang sama, domain mengikat setiap individu dapat mengenali urutan DNA yang berbeda karena perbedaan asam amino tertentu dan kontak asam amino DNA yang berbeda. Banyak domain aktivasi transkripsi juga dapat ditempatkan ke dalam kategori, yang paling umum yang merupakan kategori domain aktivasi asam. Lainnya termasuk kelas-glutamin kaya dan kaya prolin.
Peraturan transkripsi Aktivator
Peraturan transkripsi kadang-kadang terjadi melalui kehadiran sederhana atau tidak adanya faktor transkripsi. Contoh dari hal ini adalah dalam regulasi imunoglobulin (protein kekebalan tubuh, juga disebut antibodi) gen rantai berat, yang dinyatakan dalam limfosit B (sel darah putih yang membuat antibodi) tetapi tidak jenis sel lainnya. Enhancer ini gen (daerah yang jauh dari promotor) mengandung sedikitnya sembilan situs mengikat protein regulator. Enhancer yang bertindak dengan aktivator hadir dalam limfosit B, sedangkan pada sel nonlymphocyte represor yang hadir yang menghambat transkripsi. Hal ini membatasi ekspresi gen untuk limfosit.
Seringkali, bagaimanapun, regulasi tidak terjadi pada tingkat kehadiran atau tidak adanya protein regulator melainkan dengan modulasi aktivitasnya. Dengan demikian, faktor transkripsi banyak yang selalu hadir dalam sel, menunggu sinyal tertentu yang akan mengkonversi mereka dari aktif ke bentuk aktif. Bagaimana ini dicapai? Tiga mekanisme yang paling umum adalah peraturan lokalisasi nuklir, regulasi DNA mengikat, dan regulasi transactivation.
Peraturan Nuklir Localization. Dalam banyak kasus protein disimpan dalam sitoplasma, jauh dari gen target, sampai sinyal stimulus untuk memasuki inti dan mengaktifkan transkripsi. Ini modus regulasi bekerja karena transportasi ke dalam inti diatur, sehingga hanya protein yang memiliki tag khusus yang diperbolehkan masuk. Faktor transkripsi NF-kB, yang mengatur sejumlah gen dalam sel kekebalan yang membantu melawan infeksi, diatur dengan cara ini. NF-kB hadir dalam sitoplasma sel kekebalan distimulasi sebagai kompleks dengan protein inhibitor disebut iκB. Setelah menerima rangsangan, seperti infeksi virus, iκB menjadi terfosforilasi dan kemudian terdegradasi, meninggalkan NF-kB bebas untuk masuk inti dan mengaktifkan gen target untuk membantu melawan infeksi. Menariknya, salah satu dari gen target gen i B, dan dengan demikian penghambatan NF-kB dibangun kembali tak lama kemudian. Semacam ini mekanisme umpan balik negatif, membawa sel kembali ke negara yang tidak distimulasi, adalah umum di antara gen diinduksi. Selain itu, aktivasi NF-kB menggambarkan fitur umum lain transkripsi regulasi faktor eukariota: fosforilasi sering digunakan sebagai saklar yang interconverts faktor transkripsi bolak-balik antara bentuk tidak aktif dan aktif.
Peraturan DNA Binding. Mekanisme umum kedua di mana aktivitas faktor transkripsi dikendalikan melalui perubahan kemampuan DNA-binding nya. Keluarga reseptor hormon steroid adalah contoh yang baik dari ini. Keluarga ini faktor transkripsi memiliki banyak anggota, semua yang terkait dalam struktur, namun mengikat hormon steroid yang berbeda di satu sisi, dan mengaktifkan set yang berbeda dari gen di sisi lain. Beberapa reseptor hormon ini berada dalam sitoplasma dan lain-lain dalam inti, tapi semua tidak dapat mengikat urutan DNA target mereka sampai mereka pertama kali mengikat hormon steroid yang sesuai mereka. Hal ini menyebabkan mereka mengalami perubahan konformasi yang meningkatkan afinitas mereka untuk DNA, yang memungkinkan mereka untuk mengikat. Hal ini melalui tindakan mereka pada reseptor hormon dan DNA bahwa hormon steroid memberi efek kuat terhadap sel-sel tubuh.
Cara lain untuk meningkatkan kemampuan DNA-pengikatan faktor transkripsi adalah untuk mendorong ke multimerize. Banyak faktor yang tidak aktif dengan sendirinya, tetapi ketika diinduksi untuk mengikat faktor-faktor lain, mereka dapat mengikat sasaran urutan mereka dan mengaktifkan transkripsi. Faktor-faktor lain dapat berupa molekul identik faktor yang sama, sehingga membentuk homo-multimers, atau protein yang berbeda, membentuk hetero-multimers. Contoh dari ini terjadi dengan kejutan panas factor (HSF) dalam sel mamalia, yang setelah bentuk stimulasi homotrimers. Afinitas DNA-pengikatan molekul tunggal HSF untuk situs yang mengikat terlalu rendah untuk menjadi fisiologis signifikan; Namun, sebuah kompleks tiga molekul mengikat situs target yang sangat erat, membuat HSF salah satu faktor transkripsi yang paling diinduksi dikenal.
Peraturan transactivation. Akhirnya, beberapa aktivator transkripsi sudah terikat ke situs target mereka di promotor gen namun tetap transcriptionally aktif sampai mereka distimulasi. Dalam ragi, HSF sudah trimerized dan terikat dengan beberapa gen target dalam sel yang tidak distimulasi. Heat shock (kenaikan suhu) menyebabkan fosforilasi HSF di beberapa situs, yang menginduksi perubahan struktural dalam protein yang merilis domain transactivation.
Contoh-contoh tersebut menggambarkan sejumlah cara di mana aktivator transkripsi dapat diatur. Namun, harus diingat bahwa banyak diatur dalam lebih dari satu cara. Sebagai contoh, kedua lokalisasi nuklir dan kemampuan DNA-pengikatan aktivator dapat dikendalikan. Jadi, bahkan jika beberapa molekul harus terjadi ke dalam inti karena kesalahan, mereka tidak akan mampu mengikat dan mengaktifkan gen target mereka. Semacam ini kontrol ketat ini penting karena tingkat kadang-kadang bahkan kecil protein dapat memicu kaskade reaksi yang dapat secara dramatis mengubah fisiologi sel. Hal ini penting untuk menghindari jenis alarm palsu agar sel tidak membuang-buang energi yang berharga dan sumber daya, dan sehingga tetap siap untuk merespon stimulus asli.