Transkripsi DNA Eukaryotic

Nukleolus dalam Eukaryotes

Eukaryotes memiliki empat segmen ribosomal RNA dalam ribisosome dibandingkan

dengan tiga segmen dalam prokaroytes. Subunit ribosomal yang lebih kecil memiliki 188

buah RNA dan subunit yang lebih besar memiliki 58,5S dan 288 segmen. Semua selain

5S bagian ribosomal RNA diproduksi sebagai bagian dari potongan RNA yang sama.

Akan tetapi, sel eukaryotic memiliki banyak tiruand ari gen ribosomal RNA ini

tergantung dengan spesiesnya. Sebagai contoh, lalat buah, Drosophila melanogaster

memiliki sekitar 130 kopi area DNA dimana disana segmen ribosomal RNA yang lebih

besar dikopi. Daerah ini muncul bersamaan dengan kromosom seks (X dan Y) dan

secara bersaman dikenal sebagai organisatornukleolar (lihat Bab 3). Subunit RNA yang

terkecil juga dihasilkan dari gen yang dikopi tetapi pada poin yang berbeda dalam

genome. Sebagai contoh, pada D. melanogaster, subunit 5S diproduksi oleh kromosom 2.

Eukaryotes- tidak seperti prokaryotes, yang hanya memiliki satu RNA

polymerase- memiliki tiga RNA polymerase. Euckaryotic RNA polymerase I (atau

polymerase A) hanya mengkopi DNA organisatornukleolar. RNA polymerase II (atau

polymerase B) mentranskrip (mengkopi) kebanyakan gen. RNA polymerase III (atau

polymerase C) mentranskrip gen kecil terutama 58 gen ribosomal RNA dan mentransfer

gen RNA (Tabel 10.3). Selain itu, mitokondria, kloroplas, dan beberapa mikroba

memiliki RNA polymerase lainnya.

Pada organisator nukleolar, nukleolus membentuk gumpalan gelap yang sama

dalam nuklei eukaryotic. Nukleolus adalah tempat dimana ribosom terbentuk. Berbagai

macam protein ribosomal yang diproduksi dalam sitoplasma akan berpindah ke nukleus

dan pada akhirnya ke nukleolus dimana dengan bentuk akhir ribosomal RNA mereka

akan diubah menjadi ribosom.

Dalam organisator nukleolar, daerah spacer DNA yang tidak tertranskrip (terkopi)

akan memisahkan setiap pengulangan gen ribosomal yang besar. Ini seperti yang

ditunjukkan di gambar 10.20 dan dibuatkan diagramnya pada gambar 10.21. Pada

mikrograf elektron di gambar 10.20, polaritas transkripsi terlihat jelas dari RNA pendek

1

pada satu ujung segmen transkripsi dan RNA panjang di ujung lainnya dengan gradasi

(tahapan) yang sama diantaranya. Perhatikan bahwa banyak RNA polymerase

mentranskripsi (mengkopi/menduplikat) setiap daerah pada waktu yang bersamaan.

Daerah antara segmen DNA yang tertranskripsi adalah daerah spacer DNA.

Seperti ransfer RNA, ribosomal RNA juga akan dimodofikasi (diubah); beberapa

uridinei diubah menjadi pseudouridine dan beberapa gula ribose juga akan

termetalasikan. Perubahan ini terjadi di nukleolus disertai dengan partikel-partikel yang

terdiri dari segmen-segmen RNA dan protein yang kecil. RNA disebut sebagai partikel

ribonukleoprotein nukelolar kecil (snoRNP). Setiap snoRNP yang berbeda memiliki

snoRNA yang melengkapi daerah yang mengelilingi nucleotide yang termodifikasi.

Sehingga, tempat modifikasi dipilih berdasarkan sifat melengkapi dari snoRNA yang

akan mengarahkan tempat terjadinya modifikasi.

Perbedaan Antara Transkripsi Eukaryotik dan Prokaryotik

Meskipun semua aspek transkripsi berbeda dalam beberapa hal antara prokaryotes dan

eukaryotes; kita akan melihat dua perbedaan utama; gabungan transkripsi dan translasi

yang mungkin muncul dalam prokaryotes dan modifikasi pascatranskripsional yang

muncul secara ekstensif dalam RNA pembawa pesan eukaryoptic. Pada E.Coli translasi

(pemindahan) RNA pembawa pesan yang abru tertranskripsikan kedalam sebuah protein

dapat terjadi sebelum transkripsi selesai (gambar 10.22). RNA pembawa pesan

tersintesiskan dengan arah 5’ 3’ dan translasi mulai didekat ujung 5’. Jika sudah ada

ujung 5’ RNA, ribosome dapat melekat ke RNA pembawa pesan dan bergerak sepanjang

arah 5’ 3’ yang akan memperpanjang polypeptide yang sedang tumbuh ektika dia

bergerak. Ketika ribosome pertama bergerak menjauh dari ujung 5’dari transkrip,

ribosome kedua dapat melekat dan mulai pemindahan (translasi). Proses ini terkjadi

berulang-ulang seperti yang ditunjukkan jelas oleh mikrograf elektron (gambar 10.22b).

Meskipun demikian, pada eukaryotes RNA pembawa pesan tersintesis dalam nukelus

tetapi sintesis protein terjadi dalam sitoplasma. (pemisahan wilayah kerja ini tidak

ditemukan dalam E.coli karena diantara alasan-alasan lainnya, bakterium tidak memiliki

nukleus). Sebelum RNA pembawa pesan eukaryotic meninggalkan nukleus, RNA ini

akan dimodifikasi oleh proses yang umumnya tidak terjadi dalam prokaryotes.

2

Promotor

Promotor eukaryotic agak sama dengan promotor prokaryotic; kedua-duanya adalah area

DNA pada awal gen dengan sinyal yang memungkinkan pelekatan polymerase RNA dan

pemulaian transkripsi. Meskipun demikian dalam eukaryotes, lebih banyak protein

terlibat dalam upaya untuk mengenali promotor dan lebih banyak protein terlibat dalam

pengendalian transkripsi yang menunjukkan ribuan basis yang terpisah-pisah. Kita akan

membahas proses pengendalian (kontrol) ini pada eukaroytes di bab 16.

Semua tiga polymerase RNA eukaryotic (I,II dan III) menunjukkan tujuh urutan.

TATAAAA yang terdapat di sekitar –25 pada DNA promotor. Ini sama dengan urutan –

10 dalam prokaryotes dan dinamakan dengan kotak TATA (atau kotak Hogness setelah

dia ditemukan oleh D.Hogness). Karena RNA polymerase II mentranskrip

(mengkopi/menduplikat) gen dalam eukaryotes, maka pembahasan kita akan berkisar

disekitarnya.

Diantara sejumlah besar promotor yang telah disusun (diurutkan), sedikit

promotor kekurangan kotak TATA dan tetap saja di transkripkan (dikpoikan). Permulaan

transkripsi dalam promotor ini tampaknya dikontrol oleh area yang kaya akan CT yang

diberinama elemen awal (initiator element/Inr), pada 1 transkrip (dekat dengan tempat

awal transkripsi) disertai dengan elemen promotor bawah (downstream promoter

element/DPE) pada seitar +28 sampai +34 transkrip. Dalam promoter yang memiliki

sedikit TATA, protein yang bernama TFIID membutuhkan elemen-elemen ini untuk

melakukan pengikatan. Elemen awal memiliki susunan konsesus TCA(G atau T)T(T atau

C) dan elemen promotor bawah memiliki susunan konsesus (A atau G)G(A atau

T)CGTG. Kita akan berkonsentrasi pada gen RNA polymerase II dengan kotak TATA.

RNA Polymerase II pada ragi adalah protein dengan dua belas subunit. Enzim ini

tidak dapat meletakan promotor atau terikat pada DNA secara stabil. Agar terikat pada

permulaan gen, RNA polymerase II harus ebrinterkasi dengan beberapa protein yang

dinamakan dengan faktor transkripsi umum. Dalam eukaryotes, faktor transkripsi umum

dinamakan berdasarkan polymerase dimana mereka berfungsi. Sehingga faktor

transkripsi yang menunjukkan adanya kotak TATA untuk gen polymerase II dinamakan

dengan TFIID (D adalah huruf keempat di alfabet yang menandakan faktor transkripsi

keempat). TFIID terdiri dari satu sub-uniot yang menunjukkan adanya susunan TAT yang

3

dinamakan dengan protein pengikat TATA (TATA binding protein /TBP) dan sampai

lusinan protein yang dinamakan dengan faktor yang ada hubungannya dengan TBP

(TBP-associated factors/TAF) yang menunjukkan adanya elemen awal yang ada dan

membantu penyusunan transkripsi. TFIID sama dengan faktor sigma pada prokaryotic

RNA polymerase. Satu aspek pengikatan TBP yang menarik adalah bahwa pengikatan itu

akan mengakibatkan pengikatan dan pembukaan DNA yang signifikan (gambar 10.23).

Pengikatan mungkina dalah sinyal penting untuk protein pengikat lainnya.

Ketika TFIID mengikatkan dirinya pada kotak TATA, akan muncul proses

pengikatan faktor transkripsi lainnya. Akan muncul pengikatan faktor transkripsi IIA,

IIB, dan IIF seperti halnya juga RNA polymerase II dalam kondisi takterfosforilasi yang

akan membentuk preinisiasi kompleks (PIC) yang sama dengan holoenzim pada E.coli

(gambar 10.24a). RNA Polymerase II kemudian terfosforilasi, mungkin oleh TFIIH, yang

merupakan sebuah kinase: pada poin ini kebanyakan faktor transkripsi akan jatuh dan

menyisakan elongasi kompleks yang menjadi penghitungan dasar transkripsi (gambar

10.25). TPIIH juga memiliki peran. Tabel 10.4 meringkas perkiraan peran dari faktor

transkripsi umum.

Agar muncul transkripsi aktif, level transkripsi yang tinggi, faktor lainnya

diperlukan masuk dalam pengendalian dimana promoter ditranskrip (dikopi) dengan

aktif. Faktor-faktor lain ini adalah akifator atau faktor transkripsi tertentu yang mengikat

susunan DNA yang dinamakan dengan materi penguat. Materi penguat seringkali terdiri

dari ratusan atau ribuan pasangan atas dasar dari promotor (gamabr 10.24b).

Perhatikan bahwa banyak dari informasi ini dikumpulkan dari catatan kaki, studi

mutasional, kloning dan pengisolasian gen dan protein yang terlibat didalamnya dan

jemudian menghubungkan kembali berbagai macam kombinasi dalam tabung uji. Studi

ini dikombinasikan dengan penelitian kinetis untuk menentukan susunan mana yang

stabil, sebuah penelitian imunologis untuk mengisolasi berbagai amcam komponen

dengan antibodi dan studi photocrosslinking untuk menentukan moitas mana yang saling

berhubungan satu sama lain.

Aktifator transkripsional tertentu ini memiliki wilayah yang menunjukkan adanya

susunan materi penguat (enhancer) tertentu mereka, wilayah yang dapat menunjukkan

adanya protein yang berhubungan dengan polymerase (faktor transkripsi umum) dan

4

wilayah yang memungkinkan terbentuknya pengikatan faktor transkripsi lainnya (gambar

10.24b). Sama halnya dengan aktifator dan penguat (enhancer), penekan (represor) dapat

terikat ke wilayah silencer DNA pada arus jauh promotor untuk menekan transkripsi.

Sehingga, banyak gen berhubungan dengan berbagai macam susunan faktor transkripsi

yang kompleks yang memunculkan kontrol transkripsi yang rumit (lihat bab 16).

Agar faktor transkripsi tertentu dapat terikat pada penguat dan mesin polymerase,

mungkin ribuan pasangan dasar yang terpisah, DNA harus melipat dirinya agar mereka

menjadi susunan polymerase. Mikrograf elektron dengan jelas menunjukkan DNA yang

melipat dirinya dan menekuk membentuk semacam kurva (gambar. 10.26).

Meskipun RNA polymerase I dan III tampaknya memiliki sinyal penghentian

yang sama dengan promotor rho-independen dalam prokaryotes, penghentian transkripsi

gen RNA polymerase II lebih kompleks dengan disertai proses mRNA yang lebih lanjut.

Sebelum kita bergerak terus, ada beberapa poin lainnya yang butuh kita bahas.

Pertama, tidak seperti prokaryotik RNA polymerase, eukoryotic RNA polymerase betul-

betul dapat terlihat jelas (menunjukan aktifitas eksonuklease 3 ’ 5’ ). Kedua, seperti

yang kita bahas di bab 15, eukaryotik DNA semakin rumit karena adanya protein histone

yang dapat mengganggu jalannya ranskripsi. Sebaliknya, bagian dari RNA polymerase II

kompleks terbuatd ari protein yang dapat mengganggu histon yang terikat pada DNA.

Selain itu, RNA polymerase II kompleks terdiri dari protein yang berperan

sebagai perantara antara aktifator dan polymerase holoenzim. Koordinasi awal transkripsi

yang kompleks pada eukaryotes ini diberi nama dengan kontrol kombinatoerial: proses

awal yang sangat kompleks mungkin bisa terdiri dari 85 atau lebih polypeptide berbeda.

Pada akhirnya, transkripsi dalam archaea, meskipun dibawah kontrol yang lebih

sederhana daripada dalam eukaryotes, lebih mirip transkripsi dalam eukaryotes daripada

prokaryotes.

Studi tentang detail proses transkripsi- proses awal, kontrol dan penghentian-nya-

adalah satu dari area dalam ilmu genetika modern yang menarik.

Tutup dan Ekor

Transkripsi eukaryotik menghasilkan transkrip primer (utama). Berbeda dengan

kebanyakan transkrip prokaryotik yang terdiri dari informasi dari beberapa gen, semua

transkrip dari eukaryoptes yang lebih tinggi terdiri dari informasi dari hanya satu gen.

5

(Transkrip dari beberapa gen ditemukan dalam beberapa eukaryoptes yang lebih rendah

seperti cacing nematoda). Tiga perubahan utama terjadi dalam trnaskrip utama pada RNA

polymerase II sebelum pemindahan ke sitoplasma: modifikasi ke ujung 5 ’ dan 3’ dan

pembuangan susunan yang mengganggu. Kita menyebut perubahan ini sebagai

modifikasi pascatranskripsional.

Pada ujung 5’ transkrip polymerase II, 7-metil guanosine ditambahkan kedalam

arah yang “salah”, 5’ 5’ (Gambar 10.27). Tutup (cap) ini memungkunkan ribosom

untuk menunjukan munculnya RNA pembawa pesan. Di ujung lainnya, ujung 3 ’ transkrip

polymerase II, sebuah susunan yang terdiri dari dua puluh sampai dua ratus nukleotide

yang mengandung adenin yang disebut dengan ekor poli-A ditambahkan dari enzim poli-

A polymerase. Polyadenylation akan muncul setelah ujung 3’ transkrip dipindahkan oleh

nukleus yang memotong sekitar dua puluh nukeotitel kebawah menuju ke molekul dan

membantu pemindahannya dari nukleus.

Ketika RNA pembawa pesan pertama kali dipelajari pada cukaryotes, RNA

pembawa pesan dalam nukleus ditemukan jauh lebih besar daripada yang ditemukan di

sitoplasma dan dinamakan dengan mRNA inti heterogen atau hnRNA. Sekarang terlihat

inilah transkrip utamanya, RNA yang tidak memiliki modifikasi pascatranskripsional

utama. Mereka adalah RNA pra-pembawa pesan.

Intron

Eukaryotes memiliki segmen DNA didalam gen yang ditranskripkan kedalam RNA tetapi

tidka pernah dipindahkan (atau diubah) menjadi susunan protein. Susunan yang masuk

ditengah-tengah proses atau intron dipindahkan dari RNA dalam nukelus sebelum

pemindahannya kedalam sitoplasma (gamabr 10.28). P.Sharp dan temannya di MIT dan

R. Roberts, T.Broker, L. Chow dan teman-temannya di Universitas Cold Spring Harbor

menemukan intron di tahun 1977. (Sharp dan Roberts diberi penghargaan Nobel pada

tahun 1993). Contoh gen dengan nitron muncul pada gambar 10.29. Segmen gen antara

nitron yang ditranskripkan dan diubah- dan dipindahkan ke sitoplasma dan ditampilkan

dinamakan dengan exon. Hasil dari pemindahan intron terlihat jelas ketika RNA

pembawa pesan terhibidrasi dengan gen yanga sli (gamabr 10.30). DNA akan

membentuk struktur dengan jenis ganda dengan exon didalam RNA sehingga mereka

6

membentuk lingkaran dengan satu jenis. Intron juga muncul dalam RNA pemindahan

eukaryotic dan gen ribosomal.

Agar intron dapat dipindahkan, ujung exon harus dikumpulkan dan dihubungkan

dalam proses yang dinamakan dengan proses penyambungan. Setidaknya ada dua tipe

penyambungan meskipun mereka berhubungan: penyambungan sendiri dan

penyambungan dengan bantuan protein.

Penyambungan sendiri

Di tahun 1982, Thomas Cech dan temannya termasuk Sidney Altman yang mengatakan

bahwa RNA dapat memiliki sifat katalis menemukan penyambungan RNA sendiri. (Cech

dan Altman diberi hadiah Nobel dalam bidang Kimia). Dengan meneliti intron dalam 355

RNA ribosomal awal pada protozoa tersiliasi, Tetrahymena, Cech dan teman-temannya

menemukan bahwa mereka dapat memunculkan pmindahan intron secara in vitro tanpa

ada protein. Nucleotide yang mengandung guanine (GMP, GDP atau GTP) harus ada..

gambar 10.31 menunjukkan diagram terjadinya penyambungan sendiri. Intron bertindak

sebagai enzim; kita sebut dengan RNA dengan properti enzimatis sebuah ribosom.

Selama penyambungan sendiri, ikatan U-A di sisi kiri (5’) intron dipindahkan ke

GTP. U yang tidak terikat akan memindahkan RNA dengan hubungan U-U dan

melepaskan intron (gambar 10.31). Karena semua ikatan dapat dipindahkan secara

terbalik (transesterifikasi) dan bukanlah ikatan baru, tidak ada sumber energi eksternal

yang kita butuhkan. Intron penyambung sendiri tipe ini dinamakan dengan intron grup I.

Struktur sekunder (RNA lingkaran-batang) juga merupakan pemindahan intron yang

penting.

Smeskipun aktifitas enziamtis ribosim adalah pemindahannya sendiri, struktur

sekundernya setelah pemindahan memberikannya kemampuan untuk melakukan

katalisasi reaksi lebih lanjut (gambar 10.32). reaksi yang dikatalisasikan oleh ribosim

berisfat transesterifikasi dan reaksi hidrolisis yang akan memecahkan molekul RNA

menjadi dua bagian. Ribosim juga dapat melakukan fungsi lainnya termasuk

pembentukan formasi ikatan peptide yang dibahas di bab 11. Saat ini setidaknya ada

tujuh kelas ribosim yang berbeda berdasarkan apda sifat enzimatis mereka. Sebuah

ribosim dapat memecah RNA lainnya dan yang muncul di patogen tanaman kecil

7

dinamakan dengan hammerhead ribozyme (gamabr 10.33) karena bentuknya. Karena

molekul RNA ini ukurannya kecil mereka memiliki potensi untuk dimodifikasi dalam

laboratorium untuk tujuan tertentu yang berhubungan dengan perawatan klinis dan studi

proses RNA selanjutnya.

Penyambungan diri juga dapat ditemukan di gen di mitokondria ragi. Intron ini

disebut dengan Intron grup II karena mereka menggunakan mekanisme penyambungan

yang berbeda yang tidak membutuhkan nukleotide eksternal. Justru, ikatan pertama

dipindahkan didalam intron ke adenosine sehingga membentuk struktur lariate (gambar

10.34). Agar terbentuk lariate, ribose adenosine harus membuat tiga ikatan fosfodiester

(gambar 10.35).

8