Hanya saat struktur DNA ditemukan pada awal
1950-an barulah menjadi jelas bagaimana informasi herediter
dalam sel dikodekan dalam urutan DNA nukleotida.
Kemajuan sejak saat itu sangat mencengangkan. Dalam
limapuluh tahun kami tahu urutan genom lengkap untuk
banyak organisme, termasuk manusia. Karena itu, kami
mengetahui informasi jumlah maksimum yang diperlukan
untuk menghasilkan organisme yang kompleks seperti kami.
Batas-batas pada informasi herediter yang diperlukan untuk
kehidupan membatasi ciri-ciri biokimia dan struktural sel
dan memperjelas bahwa biologi tidak rumit yang tak
terhingga.
Dalam bab ini, kami menjelaskan bagaimana sel
memecahkan kode dan menggunakan informasi dalam
genomnya. Banyak yang telah dipelajari tentang bagaimana
instruksi genetik yang ditulis dalam alfabet hanya dengan
empat "huruf" - empat nukleotida berbeda dalam DNA -
mengarahkan pembentukan bakteri, lalat buah, atau
manusia. Namun demikian, kami masih memiliki banyak
hal untuk mengetahui tentang bagaimana informasi yang
disimpan dalam menghasilkan genom organisme bahkan
bakteri uniseluler paling sederhana dengan 500 gens, apalagi
cara mengarahkan perkembangan manusia dengan sekitar
25.000 gen. Masih banyak ketidaktahuan; karena itu banyak
tantangan menarik yang menunggu generasi ahli biologi sel
berikutnya.
Masalah yang dihadapi bahwa sel-sel dalam genom
pengkodean dapat dipahami dengan mempertimbangkan
sebagian kecil dari genom lalat buah Drosophila melanogaster
(Gambar 1). Sebagian besar informasi yang dikodekan-DNA
hadir dalam hal ini dan genom lainnya menentukan urutan
linier — urutan — asam amino untuk setiap protein yang
dihasilkan organisme. Seperti dijelaskan dalam Bab 3, urutan
asam amino pada gilirannya menentukan bagaimana setiap
protein terlipat untuk memberikan molekul dengan bentuk
dan kimia yang berbeda. saat sebuah sel membuat protein
tertentu, ia harus memecahkan kode wilayah genom secara
akurat. Informasi tambahan yang dikodekan dalam DNA
genom menentukan kapan tepatnya dalam kehidupan suatu
organisme dan di mana jenis sel masing-masing gen akan
diekspresikan menjadi protein. Karena protein yaitu unsur
utama sel, penguraian genom menentukan tidak hanya
ukuran, bentuk, sifat biokimia, dan perilaku sel, namun juga
ciri khas masing-masing spesies di Bumi.
Orang mungkin telah meramalkan bahwa informasi
yang ada dalam genom akan diatur secara teratur,
menyerupai kamus atau direktori telepon. Meskipun genom
dari beberapa bakteri tampak terorganisasi dengan cukup
baik, genom dari sebagian besar organisme multiseluler,
seperti contoh Drosophila, secara mengejutkan tidak teratur.
Bagian-bagian kecil dari pengkodean DNA (yaitu, DNA
yang mengkode protein) diselingi dengan sejumlah besar
DNA yang tampaknya tidak berarti. Beberapa bagian genom
mengandung banyak gen dan yang lainnya kekurangan gen
sama sekali. Protein yang bekerja erat satu sama lain di
dalam sel sering memiliki gen yang terletak pada kromosom
yang berbeda, dan gen yang berdekatan biasanya
menyandikan protein yang tidak ada hubungannya dengan
satu sama lain di dalam sel. Oleh karena itu, genom
pengkodean ulang bukan masalah sederhana. Bahkan
dengan bantuan komputer yang kuat, masih sulit bagi para
peneliti untuk menentukan secara pasti awal dan akhir gen
dalam sekuens DNA genom kompleks, apalagi untuk
memprediksi kapan masing-masing gen diekspresikan dalam
kehidupan organisme. Meskipun urutan DNA genom
manusia diketahui, mungkin diperlukan setidaknya satu
dekade untuk mengidentifikasi setiap gen dan menentukan
urutan asam amino yang tepat dari protein yang
dihasilkannya. Namun sel-sel dalam tubuh kita melakukan
ini ribuan kali per detik.
Gambar 1 (halaman sebelah) Penggambaran skematis dari sebagian
kromosom 2 dari genom lalat buah Drosophila melanogaster. Angka ini
mewakili sekitar 3% dari total genom Drosophila, disusun sebagai enam
segmen yang berdekatan. Sebagaimana dirangkum dalam kunci,
representasi simbolis yaitu : garis-garis hitam vertikal dengan berbagai
ketebalan: lokasi elemen transposable, dengan bar yang lebih tebal
menunjukkan kelompok elemen; kotak berwarna: gen (baik yang
diketahui maupun yang diprediksi) dikodekan pada satu untai DNA
(kotak di atas garis tengah) dan gen dikodekan pada untai lainnya (kotak
di bawah garis tengah). Panjang setiap kotak gen mencakup eksonnya
(DNA pengkode protein) dan intronnya (DNA nonkode) (lihat Gambar
4-15); tingginya sebanding dengan jumlah cDNA diketahui yang cocok
dengan gen. (Seperti dijelaskan dalam Bab 8, cDNA yaitu salinan
DNA dari molekul mRNA, dan koleksi besar urutan nukleotida cDNA
telah disimpan dalam berbagai basis data, semakin banyak kecocokan,
semakin tinggi keyakinan bahwa gen yang diprediksi ditranskripsi
menjadi RNA dengan demikian merupakan gen asli.). Warna dari
masing-masing kotak gen menunjukkan apakah gen yang berkaitan erat
diketahui terjadi pada organisme lain. Misalnya, MWY berarti gen
tersebut memiliki kerabat dekat pada mamalia, dalam cacing nematoda
Caenorhabditis elegans, dan dalam ragi Saccharomyces cerevisiae. MW
menunjukkan gen memiliki kerabat dekat pada mamalia dan cacing
namun tidak dalam ragi. Bilah berwarna pelangi menunjukkan persen
pasangan basis G – C; di banyak genom yang berbeda, persentase ini
menunjukkan variasi regional yang mencolok, yang asal dan
signifikansinya tidak pasti. (Dari M.D. Adams et al., Sains 287: 2185–
2195, 2000. Dengan izin dari AAAS.)
DNA dalam genom tidak mengarahkan sintesis protein
itu sendiri, namun sebaliknya menggunakan RNA sebagai
perantara. saat sel membutuhkan protein tertentu, urutan
nukleotida dari bagian yang sesuai dari molekul DNA yang
sangat panjang dalam kromosom pertama kali disalin ke
dalam RNA (proses yang disebut transkripsi). Ini yaitu
salinan RNA segmen DNA yang dipakai secara langsung
sebagai contoh untuk mengarahkan sintesis protein (suatu
proses yang disebut translasi). Aliran informasi genetik
dalam sel karena itu dari DNA ke RNA ke protein (Gambar
2). Semua sel, dari bakteri hingga manusia, mengekspresikan
informasi genetiknya dengan cara ini — sebuah prinsip yang
sangat mendasar sehingga disebut dogma sentral pada biologi
molekuler.
Meskipun universalitas dogma pusat, ada variasi
penting dalam cara informasi mengalir dari DNA ke protein.
Yang terutama di antaranya yaitu transkrip RNA dalam sel
eukariotik tunduk pada serangkaian langkah pemrosesan di
dalam nukleus, termasuk penyambungan RNA, sebelum
diizinkan keluar dari nukleus dan diterjemahkan menjadi
protein. Langkah-langkah pemrosesan ini dapat secara kritis
mengubah "makna" dari molekul RNA dan karena itu sangat
penting untuk memahami bagaimana sel eukariotik
membaca genomnya. Akhirnya, meskipun kami fokus pada
produksi protein yang dikodekan oleh genom dalam bab ini,
kami melihat bahwa bagi banyak gen, RNA yaitu produk
akhir. Seperti protein, banyak dari RNA ini terlipat menjadi
Gambar 2 Jalur dari
DNA ke protein.
Aliran informasi genetik
dari DNA ke RNA
(transkripsi) dan dari
RNA ke protein
(translasi) terjadi di
semua sel hidup.
struktur tiga dimensi yang tepat yang memiliki peran
struktural, katalitik, dan pengatur dalam sel.
Kita memulai bab ini dengan langkah pertama dalam
mendekode genom: proses transkripsi di mana molekul RNA
dihasilkan dari DNA suatu gen. Kami kemudian mengikuti
nasib molekul RNA ini melalui sel, menyelesaikan saat
molekul protein terlipat dengan benar telah terbentuk. Pada
akhir bab ini, kami mempertimbangkan bagaimana skema
penyimpanan informasi yang cukup rumit saat ini,
transkripsi, dan terjemahan mungkin muncul dari sistem
yang lebih sederhana pada tahap awal evolusi sel.
DARI DNA KE RNA
Transkripsi dan terjemahan yaitu cara sel membaca,
atau mengekspresikan, instruksi genetik dalam gen mereka.
Karena banyak salinan RNA identik dapat dibuat dari gen
yang sama, dan setiap molekul RNA dapat mengarahkan
sintesis banyak molekul protein yang identik, Sel-sel dapat
mensintesis sejumlah besar protein dengan cepat bila
diperlukan. namun setiap gen juga dapat ditranskripsi dan
diterjemahkan dengan efisiensi yang berbeda,
9
memungkinkan sel untuk membuat sejumlah besar protein
dan sejumlah kecil lainnya (Gambar 3). Selain itu, seperti
yang kita lihat pada bab berikutnya, sel dapat mengubah
(atau mengatur) ekspresi masing-masing gen sesuai dengan
kebutuhan saat ini — paling umum dengan mengendalikan
produksi RNA-nya.
Gambar 3 Layar dapat diekspresikan dengan
efisiensi berbeda. Dalam contoh ini, gen A
ditranskripsi dan diterjemahkan jauh lebih efisien
dibandingkan gen B. Hal Ini memungkinkan jumlah
protein A dalam sel menjadi lebih besar dibandingkan
protein B.
Bagian-bagian dari Urutan DNA Ditranskripsi menjadi
RNA
Langkah pertama sel dalam membaca bagian yang
diperlukan dari instruksi genetiknya yaitu menyalin bagian
tertentu dari urutan nukleotida DNA-nya suatu gen ke
dalam urutan nukleotida RNA. Informasi dalam RNA,
meskipun disalin ke dalam bentuk kimia lain, pada dasarnya
masih ditulis dalam bahasa yang sama seperti pada DNA —
bahasa dari urutan nukleotida. Oleh Karena itu nama nya
transkripsi.
Seperti DNA, RNA yaitu polimer linier yang terbuat
dari empat jenis subunit nukleotida yang berbeda yang
dihubungkan bersama oleh ikatan fosfodiester (Gambar 4).
Ini berbeda dari DNA secara kimiawi dalam dua hal: (1)
nukleotida dalam RNA yaitu ribonukleotida yaitu
mengandung gula ribosa (oleh karena itu disebut asam
ribonukleat) dibandingkan deoksiribosa; (2) meskipun, seperti
DNA, RNA mengandung basa adenine (A), guanine (G),
dan cytosine (C), mengandung urasil basa (U) bukan timin
(T) dalam DNA. Karena U, seperti T, dapat membuat
11
pasangan basa dengan hidrogenbonding dengan A (Gambar
5), sifat pasangan basa komplementer yang dijelaskan untuk
DNA dalam Bab 4 dan 5 berlaku juga untuk RNA (dalam
RNA, pasangan G dengan C, dan pasangan A dengan U).
Kami juga menemukan jenis pasangan basa lain dalam
RNA: misalnya, G terkadang berpasangan dengan U.
Meskipun perbedaan kimia ini sedikit, DNA dan RNA
berbeda secara dramatis dalam struktur keseluruhan.
Gambar 4. Struktur kimia RNA. (A) RNA mengandung gula
ribosa, yang berbeda dari deoksiribosa, gula yang dipakai
dalam DNA, dengan adanya gugus –OH tambahan. (B) RNA
mengandung urasil basa, yang berbeda dari timin, basa setara
dalam DNA, dengan tidak adanya gugus –CH3.
Sedangkan DNA selalu terjadi dalam sel sebagai heliks
beruntai ganda, RNA yaitu untaian tunggal. Oleh karena
itu rantai RNA dapat dilipat menjadi bentuk tertentu, sama
seperti rantai polipeptida terlipat untuk membentuk bentuk
akhir protein (Gambar-6). Seperti yang kita lihat nanti
dalam bab ini, kemampuan untuk melipat ke dalam bentuk
tiga dimensi yang kompleks memungkinkan beberapa
molekul RNA memiliki fungsi struktural dan katalitik yang
tepat.
Gambar 5. Urasil membentuk
pasangan basa dengan adenin.
Tidak adanya gugus metil di U
tidak berpengaruh pada pasangan
basa; dengan demikian, pasangan
basa U – A sangat mirip dengan
pasangan basa T – A
Gambar 6 RNA dapat dilipat ke dalam struktur tertentu. RNA
sebagian besar beruntai tunggal, namun sering mengandung bentangan
pendek nukleotida yang dapat membentuk pasangan basa konvensional
dengan urutan pelengkap yang ditemukan di tempat lain pada molekul
yang sama. Interaksi-interaksi ini, bersama dengan interaksi pasangan-
basa “non-konvensional” tambahan, memungkinkan molekul RNA
melipat menjadi struktur tiga dimensi yang ditentukan oleh urutan
nukleotida-nya. <AATC> (A) Diagram struktur RNA terlipat yang
hanya memperlihatkan interaksi pasangan-basis konvensional. (B)
Struktur dengan interaksi pasangan-basis konvensional (merah) dan non-
konvensional (hijau). (C) Struktur RNA yang sebenarnya, bagian dari
intron grup I (lihat Gambar 36). Setiap interaksi basa-pasangan
konvensional ditandai dengan "anak tangga" dalam heliks ganda. Basis
dalam konfigurasi lain ditunjukkan oleh anak tangga yang rusak.
Transkripsi Menghasilkan RNA Komplementer untuk Satu
Untai DNA
RNA dalam sel dibuat dari transkripsi DNA, suatu
proses yang memiliki kesamaan tertentu dengan proses
replikasi DNA yang dibahas pada Bab 5. Transkripsi dimulai
dengan pembukaan dan pelepasan sebagian kecil dari heliks
ganda DNA untuk mengekspos basis pada setiap untai
DNA. Salah satu dari dua untai heliks ganda DNA
kemudian bertindak sebagai contoh untuk sintesis molekul
RNA. Seperti dalam replikasi DNA, urutan nukleotida
rantai RNA ditentukan oleh pasangan basa komplementer
antara nukleotida yang masuk dan cetakan DNA. saat
kecocokan yang baik dibuat, ribonukleotida yang masuk
secara kovalen terkait dengan rantai RNA yang tumbuh
dalam reaksi yang dikatalisis secara enzimatik. Rantai RNA
yang dihasilkan oleh transkripsi — transkrip — karena itu
memanjang satu nukleotida pada suatu waktu, dan ia
memiliki urutan nukleotida yang persis komplementer
dengan untai DNA yang dipakai sebagai contoh
(Gambar 7).
Transkripsi, bagaimanapun, berbeda dari replikasi
DNA dalam beberapa cara penting. Tidak seperti untai
DNA yang baru terbentuk, untai RNA tidak tetap
terhidrogenasi dengan untai cetakan DNA. Sebaliknya, tepat
di belakang wilayah dimana tempat ribonukleotida
ditambahkan, rantai RNA dipindahkan dan DNA heliks
kembali terbentuk. Dengan demikian, molekul RNA yang
dihasilkan oleh transkripsi dilepaskan dari cetakan DNA
sebagai untaian tunggal. Selain itu, karena mereka disalin
hanya dari wilayah DNA yang terbatas, Molekul RNA jauh
lebih pendek dibandingkan molekul DNA. Molekul DNA dalam
kromosom manusia bisa mencapai 250 juta pasang
nukleotida; sebaliknya, kebanyakan RNA tidak lebih dari
beberapa ribu nukleotida, dan banyak yang lebih pendek
Gambar 7. Transkripsi
DNA menghasilkan
molekul RNA untai
tunggal yang saling
melengkapi dengan satu
untai DNA
Enzim yang melakukan transkripsi disebut RNA
polimerase. Seperti DNA polimerase yang mengkatalisasi
replikasi DNA (dibahas pada Bab 5), RNA polimerase
mengkatalisasi pembentukan ikatan fosfodiester yang
menghubungkan nukleotida bersama untuk membentuk
rantai linier. RNA polimerase bergerak bertahap di
sepanjang DNA, membuka ikatan heliks DNA tepat di
depan situs aktif untuk polimerisasi untuk mengekspos
wilayah baru untai cetakan untuk pemasangan pasangan
basa komplementer. Dari sini, rantai RNA yang tumbuh
diperpanjang oleh satu nukleotida pada suatu waktu dalam
arah 5’-3’ (Gambar 8). Substratnya yaitu nukleosida
trifosfat (ATP, CTP, UTP, dan GTP); seperti dalam replikasi
DNA, hidrolisis ikatan berenergi tinggi menyediakan energi
yang dibutuhkan untuk mendorong reaksi ke depan (lihat
Gambar 5-4).
Gambar 8. DNA ditranskripsi oleh enzim RNA polimerase. (A) RNA
polimerase (biru pucat) bergerak bertahap di sepanjang DNA,
melepaskan ikatan DNA helix di situs aktifnya. Saat berlangsung,
polimerase menambahkan nukleotida (direpresentasikan sebagai bentuk
"T" kecil) satu per satu ke rantai RNA di lokasi polimerisasi,
menggunakan untai DNA yang terpapar sebagai contoh. Transkrip RNA
dengan demikian merupakan salinan pelengkap dari salah satu dari dua
untai DNA. Karenanya, wilayah pendek heliks DNA / RNA
(panjangnya sekitar sembilan pasang nukleotida) hanya terbentuk secara
sementara, dan “jendela” heliks DNA / RNA bergerak di sepanjang
DNA dengan polimerase. Nukleotida yang masuk yaitu dalam bentuk
ribonukleosida trifosfat (ATP, UTP, CTP, dan GTP), dan energi yang
tersimpan dalam ikatan fosfat-fosfatnya memberikan kekuatan
pendorong untuk reaksi polimerisasi (lihat Gambar 5-4). (B) Struktur
bakteri RNA polimerase, sebagaimana ditentukan oleh kristalografi
sinar-x. Empat subunit yang berbeda, ditunjukkan oleh warna yang
berbeda, terdiri dari RNA polimerase ini. Untai DNA yang dipakai
sebagai contoh berwarna merah, dan untai non-contoh berwarna kuning.
(A, diadaptasi dari Gambar milik Robert Landick; B, milik Seth Darst.)
Pelepasan untai RNA yang hampir segera dari DNA
saat disintesis berarti bahwa banyak salinan RNA dapat
dibuat dari gen yang sama dalam waktu yang relatif singkat,
dengan sintesis molekul RNA tambahan dimulai sebelum
RNA pertama selesai (Gambar 9). saat molekul RNA
polimerase mengikuti dengan keras pada tumit masing-
masing dengan cara ini, masing-masing bergerak sekitar 20
nukleotida per detik (kecepatan dalam eukariota), lebih dari
seribu transkrip dapat disintesis dalam satu jam dari satu
gen.
Gambar 9 Transkripsi dua gen seperti yang diamati di bawah
mikroskop elektron. Mikrograf menunjukkan banyak molekul RNA
polimerase secara bersamaan menyalin masing-masing dari dua gen yang
berdekatan. Molekul RNA polimerase terlihat sebagai serangkaian titik
di sepanjang DNA dengan transkrip yang baru disintesis (benang halus)
yang melekat padanya. Molekul RNA (RNA ribosom) yang ditunjukkan
dalam contoh ini tidak diterjemahkan ke dalam protein namun sebaliknya
dipakai langsung sebagai komponen ribosom, mesin di mana
terjemahan berlangsung. Partikel-partikel di ujung 5 '(ujung bebas) dari
setiap transkrip rRNA diyakini mencerminkan permulaan perakitan
ribosom. Dari panjang transkrip yang baru disintesis, dapat disimpulkan
bahwa molekul RNA polimerase mentranskripsi dari kiri ke kanan. (Atas
perkenan Ulrich Scheer.)
Meskipun RNA polimerase pada dasarnya
mengkatalisis reaksi kimia yang sama dengan DNA
polimerase, ada beberapa perbedaan penting antara aktivitas
kedua enzim. Pertama, dan yang paling jelas, RNA
polimerase mengkatalisasi hubungan ribonukleotida, bukan
deoksiribonukleotida. Kedua, tidak seperti DNA polimerase
yang terlibat dalam replikasi DNA, RNA polimerase dapat
memulai rantai RNA tanpa primer. Perbedaan ini mungkin
ada karena transkripsi tidak perlu seakurat replikasi DNA
(lihat Tabel 5-1, hal. 271). Tidak seperti DNA, RNA tidak
secara permanen menyimpan informasi genetik dalam sel.
RNA polimerase membuat sekitar satu kesalahan untuk
setiap 104 nukleotida yang disalin ke dalam RNA
(dibandingkan dengan tingkat kesalahan untuk penyalinan
langsung oleh DNA polimerase sekitar satu dalam 107
nukleotida), dan konsekuensi dari kesalahan dalam
transkripsi RNA jauh kurang signifikan dibandingkan dalam
replikasi DNA.
Meskipun RNA polimerase hampir tidak seakurat
polimerase DNA yang mereplikasi DNA, mereka tetap
memiliki mekanisme proofreading sederhana. Jika
ribonukleotida yang salah ditambahkan ke rantai RNA yang
tumbuh, polimerase dapat kembali, dan situs aktif enzim
dapat melakukan reaksi eksisi yang menyerupai kebalikan
dari reaksi polimerisasi kecuali bahwa air sebagai pengganti
pirofosfat dipakai dan nukleosida monofosfat dilepaskan.
Mengingat bahwa DNA dan RNA polimerase,
keduanya melakukan polimerisasi nukleotida yang
bergantung pada contoh, mungkin diharapkan bahwa kedua
jenis enzim tersebut akan terkait secara struktural. Namun,
studi kristalografi x-ray dari kedua jenis enzim
mengungkapkan bahwa, selain mengandung ion Mg2+ kritis
di situs katalitik, mereka hampir tidak berhubungan satu
sama lain; memang enzim nukleotida yang bergantung pada
contoh tampaknya telah muncul secara independen dua kali
selama evolusi awal sel. Satu garis keturunan mengarah pada
DNA polimerase modern dan transkriptase terbalik yang
dibahas pada Bab 5, serta beberapa polimerase RNA subunit
tunggal dari virus. Silsilah lainnya membentuk semua
polimerase RNA seluler modern (Gambar 10), yang akan
kita bahas dalam bab ini.
Gambar 10 Evolusi RNA polimerase seluler modern. Menurut hipotesis
ini, RNA polimerase berevolusi dari domain protein kuno, yang disebut
barel psi ganda. Langkah-langkah evolusi penting diperkirakan
mencakup dimerisasi domain, penyisipan "loop" polipeptida besar,
akuisisi dua lisin penting yang diperlukan untuk memposisikan contoh,
dan akuisisi tiga asam aspartat yang diperlukan untuk mengkelat
magnesium di lokasi aktif. Skema ini menggambarkan evolusi dua
subunit terbesar RNA polimerase, yang membentuk situs aktif enzim.
Struktur yang diperlihatkan β yaitu subunit band β' dari enzim E. coli,
namun subunit yang sesuai dari enzim eukariotik berhubungan erat.
Sel Menghasilkan Beberapa Jenis RNA
Mayoritas gen yang dibawa dalam DNA sel
menentukan urutan asam amino protein; molekul RNA yang
disalin dari gen ini (yang akhirnya mengarahkan sintesis
protein) disebut molekul messenger RNA (mRNA). Namun,
produk akhir dari sebagian kecil gen yaitu RNA itu sendiri.
Analisis cermat dari urutan DNA lengkap genom ragi S.
cerevisiae telah menemukan lebih dari 750 gen (agak lebih
dari 10% dari jumlah total gen ragi) yang menghasilkan
RNA sebagai produk akhir mereka. RNA ini, seperti protein,
berfungsi sebagai komponen enzimatik dan struktural untuk
berbagai proses di dalam sel. Pada Bab 5 kami menemukan
salah satu RNA itu, contoh yang dibawa oleh enzim
telomerase. Meskipun banyak dari RNA nonkoding ini
masih misterius, kita akan melihat dalam bab ini bahwa
molekul RNA nuklir kecil (snRNA) mengarahkan
penyambungan pra-mRNA untuk membentuk mRNA,
bahwa molekul RNA ribosom (rRNA) membentuk inti dari
ribosom, dan bahwa mentransfer molekul RNA (tRNA)
membentuk adaptor yang memilih asam amino dan
menahannya pada ribosom untuk dimasukkan ke dalam
protein. Akhirnya, kita akan melihat di Bab 7 bahwa molekul
microRNA (miRNA) dan molekul kecil yang mengganggu RNA
(siRNA) berfungsi sebagai pengatur utama ekspresi gen
eukariotik (Tabel 1).
Setiap segmen DNA yang ditranskripsi disebut unit
transkripsi. Dalam eucaryotes, unit transkripsi biasanya
membawa informasi hanya satu gen, dan oleh karena itu
mengkode molekul RNA tunggal atau protein tunggal (atau
kelompok protein terkait jika transkrip RNA awal
disambungkan dalam lebih dari satu cara untuk
menghasilkan mRNA yang berbeda. Pada bakteri, satu set
gen yang berdekatan sering ditranskripsi sebagai satu unit;
molekul mRNA yang dihasilkan membawa informasi untuk
beberapa protein berbeda.
Secara keseluruhan, RNA membentuk beberapa persen
dari berat kering sel. Sebagian besar RNA dalam sel yaitu
rRNA; mRNA hanya terdiri dari 3-5% dari total RNA dalam
sel mamalia yang khas. Populasi mRNA terdiri dari puluhan
ribu spesies yang berbeda, dan rata-rata hanya ada 10-15
molekul setiap spesies mRNA yang ada di setiap sel.
Tabel 1 Jenis RNA Khusus yang Diproduksi dalam Sel
JENIS RNA FUNGSI
mRNAs Messenger RNA, kode
untuk protein
rRNAs RNA ribosom, membentuk
struktur dasar ribosom dan
mengkatalisis sintesis
protein
tRNAs Mentransfer RNAs, pusat
sintesis protein sebagai
adaptor antara mRNA dan
asam amino
snRNAs RNA nuklir kecil, berfungsi
dalam berbagai proses
nuklir, termasuk
penyambungan pra-mRNA
snoRNAs RNA nukleolar kecil,
dipakai untuk
memproses dan
memodifikasi rRNA secara
kimia
snoRNAs
RNA nukleolar kecil,
dipakai untuk
memproses dan
memodifikasi rRNA secara
kimia
25
scaRNAs RNA cajal kecil, dipakai
untuk memodifikasi
snoRNA dan snRNA
miRNAs MicroRNAs, mengatur
ekspresi gen biasanya
dengan memblokir
terjemahan mRNA selektif
siRNAs RNA kecil yang
mengganggu, matikan
ekspresi gen dengan
mengarahkan degradasi
mRNA selektif dan
pembentukan struktur
kromatin padat
RNA
nonkoding lainnya
Fungsi dalam berbagai
proses sel, termasuk sintesis
telomer, inaktivasi
kromosom X, dan
pengangkutan protein ke
ER
Sinyal yang Dikodekan dalam DNA Memberi tahu RNA
Polymerase Dimana untuk Mulai dan Berhenti
Untuk menyalin gen secara akurat, RNA polimerase
harus mengenali dari mana genom memulai dan di mana
26
harus selesai. Cara RNA polimerase melakukan tugas-tugas
ini agak berbeda antara bakteri dan eukariota. Karena proses
pada bakteri lebih sederhana, kami membahasnya terlebih
dahulu.
Inisiasi transkripsi merupakan langkah yang sangat
penting dalam ekspresi gen karena merupakan titik utama di
mana sel mengatur protein mana yang akan diproduksi dan
pada tingkat berapa. Enzim inti RNA polimerase bakteri
yaitu kompleks multisubunit yang mensintesis RNA
menggunakan contoh DNA sebagai panduan. Subunit yang
dapat dilepas yang disebut faktor sigma (σ) berasosiasi dengan
enzim inti dan membantunya membaca sinyal dalam DNA
yang menentukan di mana ia harus mulai menyalin
(Gambar 11). Bersama, σ faktor dan enzim inti dikenal
sebagai holoenzyme RNA polimerase; kompleks ini hanya
melekat lemah pada DNA bakteri saat keduanya
bertabrakan, dan holoenzyme biasanya meluncur dengan
cepat di sepanjang molekul DNA yang panjang sampai
berdisosiasi kembali. Namun, saat holoenzyme polimerase
meluncur ke suatu wilayah pada heliks ganda DNA yang
disebut promoter, urutan nukleotida khusus yang
27
menunjukkan titik awal untuk sintesis RNA, polimerase
berikatan erat dengan DNA ini. Holoenzim polimerase,
melalui faktornya, mengenali sekuens DNA promotor
dengan membuat kontak spesifik dengan bagian-bagian basa
yang terpapar di luar heliks (langkah 1 pada Gambar 11).
Setelah holoenzyme RNA polimerase berikatan erat
dengan DNA promotor dengan cara ini, holoenzim RNA
polimerase terbuka untuk mengekspos bentangan nukleotida
pada setiap untai (langkah 2 pada Gambar 11). Tidak seperti
reaksi DNA helicase (lihat Gambar 5-14), pembukaan helix
yang terbatas ini tidak memerlukan energi hidrolisis ATP.
Sebagai gantinya, polimerase dan DNA keduanya
mengalami perubahan struktural yang dapat dibalik yang
menghasilkan keadaan yang lebih baik secara energetik
dibandingkan pengikatan awal. Dengan DNA yang tidak terurai,
salah satu dari dua untai DNA yang terpapar bertindak
sebagai contoh untuk pemasangan pasangan basa
komplementer dengan ribonukleotida yang masuk, dua di
antaranya bergabung bersama oleh polimerase untuk
memulai rantai RNA (langkah 3 pada Gambar 11). Setelah
sepuluh atau lebih nukleotida RNA pertama telah disintesis
28
(proses yang relatif tidak efisien selama polimerase
mensintesis dan membuang oligomer RNA pendek), enzim
inti memutuskan interaksinya dengan DNA promotor,
melemahkan interaksinya dengan faktor σ, dan mulai
bergerak menuruni DNA, mensintesis RNA (langkah 4 dan
5 pada Gambar 11). Pemanjangan rantai berlanjut (pada
kecepatan sekitar 50 nukleotida / detik untuk RNA
polimerase bakteri) sampai enzim menemukan sinyal kedua
dalam DNA, terminator (dijelaskan di bawah), di mana
polimerase berhenti dan melepaskan kedua rantai RNA yang
baru dibuat dan Contoh DNA (langkah 7 pada Gambar 11).
Setelah enzim inti polimerase dilepaskan pada terminator,
enzim tersebut bekerja sama dengan σ faktor bebas untuk
membentuk holoenzim yang dapat memulai proses
transkripsi lagi
Gambar 11 Siklus transkripsi bakteri RNA polimerase. Pada langkah 1,
holoenzyme RNA polimerase (enzim inti polimerase ditambah sfaktor)
berkumpul dan kemudian mencari promotor (lihat Gambar 12).
Polimerase melepaskan DNA pada posisi di mana transkripsi akan
dimulai (langkah 2) dan mulai menyalin (langkah 3). Sintesis RNA awal
ini (kadang-kadang disebut "inisiasi gagal") relatif tidak efisien. Namun,
begitu RNA polimerase berhasil mensintesis sekitar 10 nukleotida RNA,
ia memutuskan interaksinya dengan DNA promotor dan melemahkan,
dan akhirnya memutus interaksinya dengan s. Polimerase sekarang
bergeser ke mode elongasi sintesis RNA (langkah 4), bergerak ke kanan
sepanjang DNA dalam diagram ini. Selama mode perpanjangan
(langkah 5), transkripsi sangat prosesif, dengan polimerase meninggalkan
templat DNA dan melepaskan RNA yang baru ditranskripsi hanya
saat bertemu dengan sinyal terminasi (langkah 6 dan 7). Sinyal
terminasi biasanya dikodekan dalam DNA, dan banyak fungsi dengan
membentuk struktur RNA yang mengganggu kestabilan pegangan
polimerase pada RNA (langkah 7). Pada bakteri, semua molekul RNA
disintesis oleh satu jenis RNA polimerase dan oleh karena itu siklus yang
digambarkan dalam gambar berlaku untuk produksi mRNA serta RNA
struktural dan katalitik. (Diadaptasi dari figur yang berasal dari Robert
Landick.)
Proses inisiasi transkripsi kompleks dan mensyaratkan
bahwa RNA polimerase holoenzyme dan DNA mengalami
serangkaian perubahan konformasi. Kita dapat melihat
perubahan ini sebagai membuka dan memposisikan DNA di
situs aktif diikuti oleh pengetatan enzim di sekitar DNA dan
RNA untuk memastikan bahwa itu tidak berdisosiasi
sebelum selesai menyalin gen. Jika RNA polimerase
terdisosiasi sebelum waktunya, ia tidak dapat melanjutkan
sintesis namun harus memulai dari awal lagi pada promotor.
Bagaimana sinyal terminasi dalam DNA
menghentikan polimerase memanjang? Untuk sebagian besar
gen bakteri, sinyal terminasi terdiri dari serangkaian
pasangan nukleotida A-T yang didahului oleh urutan DNA
simetris dua kali lipat, yang saat ditranskripsi menjadi
RNA, dilipat ke dalam struktur "jepit rambut" melalui
pairing pasangan Watson-Crick (lihat Gambar 11). saat
polimerase mentranskripsikan melintasi terminator,
pembentukan jepit rambut dapat membantu untuk "menarik"
transkrip RNA dari situs aktif. Hibrid DNA-RNA di situs
aktif, yang disatukan di terminator yang didominasi oleh
pasangan basa U-A (yang kurang stabil dibandingkan
pasangan basa G-C karena mereka membentuk dua dibandingkan
tiga ikatan hidrogen per pasangan basa), tidak cukup kuat
untuk menahan RNA di tempatnya, dan terdisosiasi
menyebabkan pelepasan polimerase dari DNA (langkah 7
pada Gambar 11). Dengan demikian, dalam beberapa hal,
pemutusan transkripsi tampaknya melibatkan pembalikan
transisi struktural yang terjadi selama inisiasi. Proses
penghentian juga merupakan contoh tema umum dalam bab
ini: pelipatan RNA ke dalam struktur spesifik mempengaruhi
banyak langkah dalam mendekode genom.
Sinyal Mulai dan Berhenti Transkripsi Heterogen dalam
Urutan Nukleotida
32
Seperti yang baru saja kita lihat, proses inisiasi dan
terminasi transkripsi melibatkan serangkaian transisi
struktural yang rumit dalam molekul protein, DNA, dan
RNA. Sinyal yang dikodekan dalam DNA yang menentukan
transisi ini seringkali sulit untuk dikenali oleh para peneliti.
Memang, perbandingan banyak promotor bakteri yang
berbeda mengungkapkan tingkat variasi yang mengejutkan.
Namun demikian, semuanya mengandung sekuens terkait,
mencerminkan sebagian aspek DNA yang dikenali langsung
oleh faktor σ. Ciri-ciri umum ini sering dirangkum dalam
bentuk urutan konsensus (Gambar 12). Urutan nukleotida
konsensus diperoleh dengan membandingkan banyak urutan
dengan fungsi dasar yang sama dan menghitung nukleotida
yang paling umum ditemukan di setiap posisi. Karena itu
berfungsi sebagai ringkasan atau "rata-rata" dari sejumlah
besar urutan nukleotida individu.
Urutan DNA dari masing-masing promotor bakteri
berbeda dalam cara yang menentukan kekuatan mereka
(jumlah peristiwa inisiasi per unit waktu promotor). Proses
evolusi telah menyelaraskan masing-masing untuk memulai
sesering yang diperlukan dan dengan demikian telah
33
menciptakan spektrum yang luas dari para promotor.
Promotor untuk gen yang mengkode protein berlimpah jauh
lebih kuat dibandingkan yang terkait dengan gen yang mengkode
protein langka, dan urutan nukleotida mereka bertanggung
jawab atas perbedaan ini.
Gambar 12 Urutan konsensus untuk kelas utama E. colipromoter. (A)
Promotor ditandai oleh dua sekuens DNA heksamerik, urutan -35 dan
urutan -10 yang dinamai berdasarkan perkiraan lokasi mereka relatif
terhadap titik awal transkripsi (ditunjuk +1). Untuk kenyamanan, urutan
nukleotida dari untai tunggal DNA ditunjukkan; pada kenyataannya
RNA polimerase mengenali promotor sebagai DNA beruntai ganda.
Atas dasar perbandingan 300 promotor, frekuensi dari empat nukleotida
pada setiap posisi dalam hexamers –35 dan –10 diberikan. Urutan
konsensus, yang ditunjukkan di bawah grafik, mencerminkan nukleotida
yang paling umum ditemukan pada setiap posisi dalam kumpulan
promotor. Urutan nukleotida antara hexamers -35 dan -10 tidak
menunjukkan kesamaan yang signifikan di antara promotor. (B)
Distribusi jarak antara hexamers –35 dan -10 ditemukan di promotor E.
coli
Informasi yang ditampilkan dalam dua grafik ini berlaku untuk
promotor E. coli yang diakui oleh RNA polimerase dan σ faktor utama
(ditunjuk σ70). Seperti yang akan kita lihat pada bab berikutnya, bakteri
juga mengandung faktor-faktor kecil, yang masing-masing mengenali
urutan promotor yang berbeda. Beberapa promotor yang sangat kuat
yang dikenali oleh RNA polimerase dan σ70 memiliki urutan tambahan,
yang terletak di hulu (ke kiri, dalam gambar) dari hexamer -35, yang
dikenali oleh subunit lain dari RNA polimerase.
Seperti promotor bakteri, terminator transkripsi juga
memiliki berbagai urutan, dengan potensi untuk membentuk
struktur RNA jepit rambut sederhana yang menjadi fitur
umum yang paling penting. Karena sekuens nukleotida yang
jumlahnya hampir tak terbatas memiliki potensi ini, sekuens
terminator bahkan lebih heterogen dibandingkan sekuens
promotor.
Kami telah membahas promotor dan terminator
bakteri dalam beberapa detail untuk mengilustrasikan poin
penting mengenai analisis sekuens genom. Meskipun kita
tahu banyak tentang promotor dan terminator bakteri dan
35
dapat membangun urutan konsensus yang meringkas fitur
yang paling menonjol, variasi mereka dalam urutan
nukleotida membuatnya sulit untuk menemukan mereka
secara definitif hanya dengan menganalisis urutan
nukleotida genom. Bahkan lebih sulit untuk menemukan
urutan analog dalam genom eukariotik, sebagian karena
kelebihan DNA yang dibawa di dalamnya. Seringkali, kita
memerlukan informasi tambahan, beberapa di antaranya
dari eksperimen langsung, untuk menemukan dan secara
akurat menafsirkan sinyal DNA pendek yang terkandung
dalam genom.
Karena DNA beruntai ganda, pada dasarnya dua
molekul RNA yang berbeda dapat ditranskripsi dari gen
manapun, menggunakan masing-masing dari dua untai
DNA sebagai contoh. Namun, gen biasanya hanya memiliki
satu promotor, dan karena sekuen nukleotida promotor
bersifat asimetris (lihat Gambar 12), polimerase dapat
mengikat hanya dalam satu orientasi. Polimerase
mensintesis RNA dalam arah 5’-3’, dan karena itu hanya
dapat menyalin satu untai per gen (Gambar 13). Urutan
genom mengungkapkan bahwa untai DNA yang dipakai
36
sebagai contoh untuk sintesis RNA bervariasi dari gen ke gen
tergantung pada lokasi dan orientasi promotor (Gambar 14).
Setelah mempertimbangkan transkripsi pada bakteri,
kita sekarang beralih ke situasi pada eucaryotes, di mana
sintesis molekul RNA yaitu urusan yang jauh lebih rumit.
Gambar 13 Pentingnya
orientasi RNA
polimerase. Untai DNA
yang berfungsi sebagai
contoh harus dilalui
dalam arah 3’-5’ Dengan
demikian, arah gerakan
RNA polimerase
menentukan yang mana
dari dua untai DNA yang
berfungsi sebagai contoh
untuk sintesis RNA,
seperti yang ditunjukkan
pada (A) dan (B). Arah
polimerase, pada
gilirannya, ditentukan
oleh orientasi urutan
promotor, situs di mana
RNA polimerase memulai
transkripsi.
Gambar 14. Arah transkripsi sepanjang bagian pendek dari kromosom
bakteri. Beberapa gen ditranskripsi menggunakan satu untai DNA
sebagai contoh, sementara yang lain ditranskripsi menggunakan untai
DNA lainnya Arah transkripsi ditentukan oleh promotor pada awal
setiap gen (panah hijau). Diagram ini menunjukkan sekitar 0,2% (9000
pasangan basa) dari kromosom E. coli. Gen yang ditranskripsi dari kiri
ke kanan menggunakan untai DNA bawah sebagai contoh; yang
ditranskripsikan dari kanan ke kiri menggunakan strand atas sebagai
contoh.
Inisiasi Transkripsi pada Eucaryotes Membutuhkan
Banyak Protein
Berbeda dengan bakteri, yang mengandung satu jenis
RNA polimerase, inti eukariotik memiliki tiga: RNA
polimerase I, RNA polimerase II, dan RNA polimerase III. Tiga
polimerase secara struktural mirip satu sama lain (dan
dengan enzim bakteri) dan berbagi beberapa subunit yang
sama, namun mereka menuliskan berbagai jenis gen (Tabel–
38
2). RNA polimerase I dan III mentranskripsikan gen yang
mengkode RNA transfer, RNA ribosom, dan berbagai RNA
kecil. RNA polimerase II mentranskripsikan sebagian besar
gen, termasuk semua gen yang mengkode protein, dan
diskusi selanjutnya kami berfokus pada enzim ini.
Tabel–2 Tiga RNA Polymerase dalam Sel Eukariotik
JENIS
POLIMERASE
DUPLIKAT GEN
RNA polimerase I
RNA polimerase II
RNA polimerase III
5.8S, 18S, dan 28S rRNA gen
Semua gen penyandi protein, ditambah
snoRNAgen, gen miRNA, gen siRNA, dan
sebagian besar gen snRNA
gen tRNA, gen 5S rRNA, beberapa gen
snRNA dan gen untuk RNA kecil lainnya
rRNA diberi nama sesuai dengan nilai "S" mereka,
yang merujuk pada tingkat sedimentasi mereka dalam
ultrasentrifuge. Semakin besar nilai S, semakin besar rRNA.
1. Sementara RNA polimerase bakteri hanya
membutuhkan satu protein tambahan (faktor) untuk
inisiasi transkripsi terjadi secara in vitro, RNA
polimerase eukariotik membutuhkan banyak
39
protein tambahan, secara kolektif disebut faktor
transkripsi umum.
2. Inisiasi transkripsi eukariotik harus berurusan
dengan pengemasan DNA menjadi nukleosom dan
bentuk struktur kromatin tingkat tinggi, fitu yang
tidak ada pada kromosom bakteri.
Meskipun RNA polimerase II eukariotik memiliki
banyak kesamaan struktural dengan RNA polimerase bakteri
(Gambar 15), ada beberapa perbedaan penting dalam cara di
mana fungsi bakteri dan eukariotik berfungsi, dua di
antaranya menjadi perhatian kita segera
Gambar 15. Kesamaan struktural antara RNA polimerase bakteri dan
RNA polimerase II eukariotik. Daerah dua RNA polimerase yang
memiliki struktur serupa ditunjukkan dalam warna hijau. Eukariotik
polimerase lebih besar dari enzim bakteri (12 subunit bukannya 5), dan
beberapa daerah tambahan ditunjukkan dalam warna abu-abu. Bola biru
mewakili atom Zn yang berfungsi sebagai komponen struktural dari
polimerase, dan bola merah mewakili atom Mg yang ada di situs aktif,
tempat polimerisasi berlangsung RNA polimerase dalam semua sel
modern (bakteri, archaea, dan eucaryotes) terkait erat, menunjukkan
bahwa fitur dasar enzim berada di tempat sebelum divergensi dari tiga
cabang utama kehidupan. (Atas perkenan P. Cramer dan R. Kornberg.)
RNA Polymerase II Membutuhkan Faktor Transkripsi
Umum
Faktor transkripsi umum membantu memposisikan
RNA polimerase eukariotik dengan benar pada promotor,
membantu memisahkan dua untai DNA untuk
memungkinkan transkripsi dimulai, dan melepaskan RNA
polimerase dari promotor ke mode perpanjangan begitu
transkripsi dimulai. <CTAT> Proteinnya "umum" karena
dibutuhkan di hampir semua promotor yang dipakai oleh
RNA polimerase II; terdiri dari satu set protein yang
berinteraksi, mereka ditunjuk sebagai TFII (untuk faktor
transkripsi untuk polimerase II), dan dilambangkan secara
41
sewenang-wenang sebagai TFIIB, TFIID, dan sebagainya.
Dalam arti luas, faktor-faktor transkripsi umum eukariotik
menjalankan fungsi yang setara dengan faktor-faktor dalam
bakteri; memang, bagian dari TFIIF memiliki struktur tiga
dimensi yang sama dengan bagian yang setara dari σ.
Gambar 16. Inisiasi transkripsi gen
eukariotik oleh RNA polimerase II. Untuk
memulai transkripsi, RNA polimerase
memerlukan beberapa faktor transkripsi
umum. (A) Promotor berisi sekuens DNA
yang disebut kotak TATA, yang terletak 25
nukleotida dari situs di mana transkripsi
dimulai. (B) Melalui subunit TBPnya, TFIID
mengenali dan mengikat kotak TATA, yang
kemudian memungkinkan pengikatan TFIIB
(C) yang berdekatan. Untuk kesederhanaan,
distorsi DNA yang dihasilkan oleh
pengikatan TFIID (lihat Gambar 18) tidak
diperlihatkan. (D) Sisa faktor transkripsi
umum, serta RNA polimerase itu sendiri,
berkumpul di promotor. (E) TFIIH
kemudian menggunakan ATP untuk
mencabut heliks ganda DNA pada titik awal
transkripsi, secara lokal memperlihatkan
untai cetakan. TFIIH juga memfosforilasi
RNA polimerase II, mengubah konformasi
sehingga polimerase dilepaskan dari faktor
umum dan dapat memulai fase pemanjangan
transkripsi. Seperti yang ditunjukkan, situs
fosforilasi yaitu ekor polipeptida terminal-C yang panjang, juga disebut
domain terminal-C (CTD), yang memanjang dari molekul polimerase.
42
Skema perakitan yang ditunjukkan pada gambar disimpulkan dari
percobaan yang dilakukan secara in vitro, dan urutan yang tepat di mana
faktor transkripsi umum berkumpul pada promotor dapat bervariasi dari
gen ke gen in vivo. Faktor transkripsi umum telah sangat dilestarikan
dalam evolusi; beberapa di antaranya dari sel manusia dapat diganti
dalam percobaan biokimia oleh faktor yang sesuai dari ragi sederhana
Gambar 16 mengilustrasikan bagaimana faktor
transkripsi umum berkumpul di promotor yang dipakai
oleh RNA polimerase II, dan Tabel–3 merangkum kegiatan
mereka. Proses perakitan dimulai saat faktor transkripsi
umum TFIID berikatan dengan urutan DNA heliks ganda
pendek yang utamanya terdiri dari nukleotida T dan A.
Karena alasan ini, urutan ini dikenal sebagai urutan TATA,
atau kotak TATA, dan subunit TFIID yang mengenalinya
disebut TBP (untuk protein yang mengikat TATA). Kotak
TATA biasanya terletak 25 nukleotida di hulu dari situs awal
transkripsi. Ini bukan satu-satunya sekuens DNA yang
memberi sinyal dimulainya transkripsi (Gambar 17), namun
bagi sebagian besar promotor polimerase II, ini yaitu yang
paling penting. Pengikatan TFIID menyebabkan distorsi
besar pada DNA kotak TATA (Gambar 18). Distorsi ini
dianggap berfungsi sebagai tengara fisik untuk lokasi
promotor aktif di tengah-tengah genom yang sangat besar,
43
dan itu membawa sekuens DNA pada kedua sisi distorsi
bersama-sama untuk memungkinkan langkah-langkah
perakitan protein berikutnya. Faktor-faktor lain kemudian
berkumpul, bersama dengan RNA polimerase II, untuk
membentuk kompleks inisiasi transkripsi lengkap (lihat
Gambar 16). Faktor transkripsi umum yang paling rumit
yaitu TFIIH. Terdiri dari 9 subunit, hampir sama besar
dengan RNA polimerase II itu sendiri, dan seperti yang akan
kita lihat sebentar lagi, melakukan beberapa langkah
enzimatik yang diperlukan untuk memulai transkripsi.
Tabel–3 Faktor Transkripsi Umum yang Dibutuhkan untuk
Inisiasi Transkripsi oleh Eukariotik RNA Polymerase II
Nama
Nama
Jumlah
Sub-
Unit
Peran Inisiasi
Transisi
TFIID
TBP
Subunit
TAF
Subunits
1
~ 11
Mengenali kotak
TATA
Mengenali urutan
DNA lain di dekat
titik awal transkripsi;
mengatur
pengikatan DNA
oleh TBP
44
TFIIB
1
Mengenali elemen
BRE dalam
promotor; secara
akurat
menempatkan RNA
polimerase di tempat
awal transkripsi
TFIIF 3
Menstabilkan
interaksi RNA
polimerase dengan
TBP dan TFIIB;
membantu menarik
TFIIE dan TFIIH
TFIIE 2
Menarik dan
mengatur TFIIH
TFIIH 9
Membuka DNA
pada titik awal
transkripsi,
memfosforilasi Ser5
dari RNA
polimerase CTD;
melepaskan RNA
polimerase dari
promotor
TFIID terdiri dari TBP dan ~ 11 subunit tambahan yang disebut TAF (faktor
terkait TBP); CTD, domain terminal-C.
Setelah membentuk kompleks inisiasi transkripsi pada
DNA promotor, RNA polimerase II harus mendapatkan
akses ke untai contoh pada titik awal transkripsi. TFIIH,
yang mengandung DNA helicase sebagai salah satu
subunitnya, memungkinkan langkah ini dengan
45
menghidrolisis ATP dan melepaskan DNA, sehingga
membuka untai cetakan. Selanjutnya, RNA polimerase II,
seperti bakteri polimerase, tetap berada pada promotor
mensintesis RNA dengan panjang pendek sampai
mengalami serangkaian perubahan konformasi yang
memungkinkannya untuk menjauh dari promotor dan
memasuki fase pemanjangan transkripsi. Langkah kunci
dalam transisi ini yaitu penambahan gugus fosfat ke "ekor"
RNA polimerase (dikenal sebagai domain CTD atau
terminal-C). Pada manusia, CTD terdiri dari 52 ulangan
tandem dari urutan tujuh asam amino, yang meluas dari
struktur inti RNA polimerase. Selama inisiasi transkripsi,
serin yang terletak di posisi kelima dalam urutan berulang
(Ser5) difosforilasi oleh TFIIH, yang mengandung protein
kinase di subunitnya yang lain (lihat Gambar 16D dan E).
Polimerase kemudian dapat melepaskan diri dari kelompok
faktor transkripsi umum. Selama proses ini, ia mengalami
serangkaian perubahan konformasi yang mempererat
interaksinya dengan DNA, dan ia memperoleh protein baru
yang memungkinkannya untuk menyalin jarak jauh, dan
dalam beberapa kasus selama berjam-jam, tanpa
memisahkan diri dari DNA
46
Gambar 17 Urutan konsensus ditemukan di sekitar titik awal RNA
polimerase II eukariotik. Nama yang diberikan untuk setiap urutan
konsensus (kolom pertama) dan faktor transkripsi umum yang
mengenalinya (kolom terakhir) ditunjukkan. N menunjukkan adanya
nukleotida, dan dua nukleotida yang dipisahkan oleh garis miring
menunjukkan probabilitas yang sama dari kedua nukleotida tersebut
pada posisi yang ditunjukkan. Pada kenyataannya, setiap urutan
konsensus yaitu representasi singkatan dari histogram yang mirip
dengan Gambar 12.
Untuk sebagian besar titik awal transkripsi RNA polimerase II,
hanya dua atau tiga dari empat urutan yang ada. Misalnya, banyak
promotor polimerase II memiliki urutan kotak TATA, namun mereka
yang biasanya tidak memiliki urutan INR "kuat". Meskipun sebagian
besar sekuens DNA yang mempengaruhi inisiasi transkripsi terletak di
hulu dari titik awal transkripsi, beberapa, seperti DPE yang ditunjukkan
pada gambar, terletak di wilayah transkripsi.
Setelah polimerase II mulai memanjang, transkrip
RNA, sebagian besar faktor transkripsi umum dilepaskan
47
dari DNA sehingga mereka tersedia untuk memulai putaran
transkripsi lain dengan molekuk RNA polimerase baru.
Seperti yang kita lihat sebentar lagi, fosforilasi ekor RNA
polimerase II juga menyebabkan komponen mesin
pemprosesan RNA memuat ke polimerase dan dengan
demikian diposisikan untuk memodifikasi RNA yang baru
ditranskripsi saat muncul dari polimerase.
Gambar 18 Struktur tiga dimensi TBP (protein pengikat TATA) terikat
pada DNA. TBP yaitu subunit dari faktor transkripsi umum TFIID
yang bertanggung jawab untuk mengenali dan mengikat urutan kotak
TATA dalam DNA (merah). Pembengkokan DNA unik yang
disebabkan oleh TBP — dua kekusutan dalam heliks ganda yang
dipisahkan oleh sebagian DNA yang tidak terurai — dapat berfungsi
sebagai tengara yang membantu menarik faktor transkripsi umum
lainnya. TBP yaitu rantai polipeptida tunggal yang dilipat menjadi dua
48
domain yang sangat mirip (biru dan hijau). (Diadaptasi dari J.L. Kim et
al., Nature 365: 520–527, 1993. Dengan izin dari Macmillan Publishers
Ltd.)
Polymerase II Juga Membutuhkan Aktivator, Mediator,
dan Protein Pemodifikasi Chromatin
Studi tentang perilaku RNA polimerase II dan faktor
transkripsi umum pada contoh DNA murni secara in vitro
membentuk model untuk inisiasi transkripsi yang baru saja
dijelaskan. Namun, seperti yang dibahas pada Bab 4, DNA
dalam sel eukariotik dikemas menjadi nukleosom, yang
selanjutnya diatur dalam struktur kromatin tingkat tinggi.
Akibatnya, inisiasi transkripsi dalam sel eukariotik lebih
kompleks dan membutuhkan lebih banyak protein dibandingkan
pada DNA murni. Pertama, protein pengatur gen yang
dikenal sebagai aktivator transkripsional harus mengikat
urutan spesifik dalam DNA dan membantu menarik RNA
polimerase II ke titik awal transkripsi (Gambar –19). Kami
membahas peran aktivator dalam Bab 7, karena mereka
yaitu salah satu cara utama di mana sel mengatur ekspresi
gen mereka. Di sini kami hanya mencatat bahwa kehadiran
mereka pada DNA diperlukan untuk inisiasi transkripsi
49
dalam sel eukariotik. Kedua, inisiasi transkripsi eukariotik in
vivo membutuhkan adanya kompleks protein yang dikenal
sebagai Mediator, yang memungkinkan protein aktivator
untuk berkomunikasi dengan baik dengan polimerase II dan
dengan faktor transkripsi umum. Akhirnya, inisiasi
transkripsi dalam sel eukariotik biasanya membutuhkan
rekrutmen lokal dari enzim pemodifikasi kromatin, termasuk
kompleks remodeling kromatin dan enzim pemodifikasi
histon. Seperti dibahas pada Bab 4, kedua jenis enzim ini
dapat memungkinkan akses yang lebih besar ke DNA yang
ada dalam kromatin, dan dengan demikian, mereka
memfasilitasi perakitan mesin inisiasi transkripsi ke dalam
DNA. Kami akan meninjau kembali peran enzim ini dalam
inisiasi transkripsi di Bab 7.
50
Gambar 19 Inisiasi transkripsi oleh RNA polimerase II dalam sel
eukariotik. Inisiasi transkripsi in vivo membutuhkan adanya protein
aktivator transkripsional. Seperti dijelaskan dalam Bab 7, protein-protein
ini berikatan dengan urutan pendek spesifik dalam DNA. Meskipun
hanya satu yang ditampilkan di sini, gen eukariotik khas memiliki
banyak protein aktivator, yang bersama-sama menentukan laju dan pola
transkripsi. Kadang-kadang bertindak dari jarak beberapa ribu pasangan
nukleotida (ditunjukkan oleh molekul DNA putus-putus), protein
pengatur gen ini membantu RNA polimerase, faktor transkripsi umum,
dan mediator semuanya berkumpul di promotor. Selain itu, aktivator
menarik kompleks remodeling kromatin ATP dan asetilen yang
bergantung pada ATP.
Seperti dibahas dalam Bab 4, keadaan "default" chromatin
mungkin yaitu filamen 30-nm (lihat Gambar 4-22), dan ini
kemungkinan merupakan bentuk DNA yang menjadi dasar transkripsi.
Untuk kesederhanaan, itu tidak ditampilkan dalam gambar.
51
Seperti diilustrasikan dalam Gambar 19, banyak
protein (lebih dari 100 subunit individu) harus berkumpul
pada titik awal transkripsi untuk memulai transkripsi dalam
sel eukariotik. Urutan perakitan protein ini tampaknya tidak
mengikuti jalur yang ditentukan; alih-alih, urutannya
berbeda dari gen ke gen. Memang, beberapa kompleks
protein yang berbeda ini dapat berinteraksi satu sama lain
menjauh dari DNA dan dibawa ke DNA sebagai
subassemblies yang telah dibentuk sebelumnya. Untuk mulai
menyalin, RNA polimerase II harus dilepaskan dari protein
kompleks yang besar ini, dan, di samping langkah-langkah
yang dijelaskan dalam Gambar 16, ini sering memerlukan
proteolisis in situ dari protein aktivator. Kami kembali ke
beberapa masalah ini di Bab 7, di mana kami membahas
bagaimana sel eukariotik dapat mengatur proses inisiasi
transkripsi.
Pemanjangan Transkripsi Menghasilkan Ketegangan
Superhelis dalam DNA
Setelah memulai transkripsi, RNA polimerase tidak
berjalan dengan lancar di sepanjang molekul DNA; alih-alih,
52
ia bergerak tersentak-sentak, berhenti pada beberapa urutan
dan dengan cepat menyalin melalui yang lain. RNA
polimerase memanjang, baik bakteri maupun eukariotik,
dikaitkan dengan serangkaian faktor perpanjangan, protein
yang mengurangi kemungkinan RNA polimerase akan
berdisosiasi sebelum mencapai akhir gen. Faktor-faktor ini
biasanya terkait dengan RNA polimerase tak lama setelah
inisiasi dan membantu polimerase untuk bergerak melalui
berbagai sekuens DNA berbeda yang ditemukan dalam gen.
Polimerase RNA eukariotik juga harus bersaing dengan
struktur kromatin saat mereka bergerak di sepanjang
cetakan DNA, dan mereka biasanya dibantu oleh kompleks
remodeling kromatin yang bergantung pada ATP (lihat hal.
215–216). Kompleks ini dapat bergerak dengan polimerase
atau hanya mencari dan menyelamatkan polimerase terhenti
sesekali. Selain itu, beberapa faktor perpanjangan yang
terkait dengan RNA polimerase eukariotik memfasilitasi
transkripsi melalui nukleosom tanpa memerlukan energi
tambahan. Belum dipahami secara rinci bagaimana hal ini
dilakukan, namun protein-protein ini dapat secara sementara
mengeluarkan dimer H2A-H2B dari inti nukleosom,
53
menggantikannya saat polimerase bergerak melalui
nukleosom.
Masih ada penghalang lain untuk memperpanjang
polimerase, baik bakteri dan eukariotik. Untuk membahas
masalah ini, pertama-tama kita perlu mempertimbangkan
sifat halus yang melekat dalam heliks ganda DNA yang
disebut DNA supercoiling. Supercoiling DNA merupakan
konformasi yang diadopsi oleh DNA sebagai respons
terhadap ketegangan superhelical; sebaliknya, membuat
berbagai loop atau gulungan di helix dapat menciptakan
ketegangan seperti itu. Gambar 20 menggambarkan kendala
topologi yang menyebabkan supercoiling DNA. Ada sekitar
10 pasangan nukleotida untuk setiap belokan heliks dalam
heliks ganda DNA. Bayangkan sebuah helix yang kedua
ujungnya tetap terkait satu sama lain (seperti mereka berada
dalam lingkaran DNA, seperti kromosom bakteri, atau
dalam lingkaran yang dijepit ketat, seperti yang diperkirakan
ada dalam kromosom eukariotik). Dalam hal ini, satu
supercoil DNA besar akan terbentuk untuk mengimbangi
setiap 10 pasangan nukleotida yang dibuka (tidak dicabut).
Pembentukan supercoil ini sangat menguntungkan karena
54
mengembalikan lilitan heliks normal ke daerah berpasangan-
basa yang tersisa, yang jika tidak perlu perlu dilindas karena
ujung yang tetap.
RNA polimerase juga menciptakan ketegangan
superhelical saat bergerak sepanjang bentangan DNA yang
berlabuh di ujungnya (lihat Gambar 20C). Selama
polimerase tidak bebas berputar dengan cepat (dan rotasi
seperti itu tidak mungkin diberikan dengan ukuran RNA
polimerase dan transkrip terlampir), polimerase yang
bergerak menghasilkan ketegangan superhelical positif pada
DNA di depannya dan ketegangan heliks negatif di
belakangnya. Untuk eucaryotes, situasi ini dianggap
memberikan bonus: ketegangan superhelical positif di depan
polimerase membuat heliks DNA lebih sulit untuk dibuka,
namun ketegangan ini harus memfasilitasi pembukaan DNA
dalam nukleosom, seperti pelepasan DNA dari inti histone
membantu mengendurkan ketegangan superhelical positif
55
Gambar 20 Ketegangan superhal dalam DNA menyebabkan
superkoiling DNA. (A) Untuk molekul DNA dengan satu ujung bebas
(atau nick in one strand yang berfungsi sebagai swivel), heliks ganda
DNA berputar dengan satu putaran untuk setiap 10 pasangan nukleotida
yang dibuka. (B) Jika rotasi dicegah, ketegangan superhelical
dimasukkan ke dalam DNA dengan pembukaan heliks. Salah satu cara
mengakomodasi ketegangan ini yaitu dengan meningkatkan putaran
heliks dari 10 menjadi 11 pasangan nukleotida per putaran dalam heliks
ganda yang tersisa; DNA helix, bagaimanapun, tahan deformasi seperti
itu dengan cara seperti musim semi, lebih memilih untuk meredakan
ketegangan superhelical dengan membungkuk ke loop supercoiled.
Akibatnya, satu supercoil DNA terbentuk dalam heliks ganda DNA
untuk setiap 10 pasangan nukleotida yang dibuka. Supercoil yang
terbentuk dalam hal ini yaitu supercoil positif. (C) Supercoiling DNA
diinduksi oleh pelacakan protein melalui heliks ganda DNA. Kedua
56
ujun
.jpg)
