Ekspresi gen

Ekspresi gen adalah rangkaian proses penggunaan informasi dari suatu gen untuk sintesis produk gen fungsional. Produk-produk tersebut dapat berupa protein, juga gen penyandi non-protein seperti transfer RNA (tRNA) atau gen RNA inti kecil (snRNA) yang mana keduanya merupakan produk RNA fungsional.

Gen diekspresikan dengan cara ditranskripsi menjadi RNA, dan transkrip ini kemudian dapat diterjemahkan menjadi protein melalui proses translasi.

Proses ekspresi gen digunakan oleh semua makhluk hidup termasuk eukariota, prokariota (bakteri dan arkea), dan dimanfaatkan oleh virus - untuk menghasilkan mesin makromolekul untuk kelangsungan hidupnya.

Beberapa tahapan dalam proses ekspresi gen yaitu transkripsi, penyambungan atau splicing RNA, translasi, dan modifikasi pasca-translasi dari protein. Regulasi gen memberikan kontrol sel terhadap struktur dan fungsi, dan merupakan dasar untuk diferensiasi sel, morfogenesis, dan keserbagunaan dan kemampuan beradaptasi dari setiap organisme. Regulasi gen juga dapat berfungsi sebagai substrat untuk perubahan evolusioner, karena kontrol waktu, lokasi, dan jumlah ekspresi gen dapat memiliki efek besar pada fungsi (aksi) gen dalam sel atau dalam organisme multiseluler.

Dalam genetika, ekspresi gen merupakan tingkat paling mendasar yang mana genotipe memunculkan fenotipe, yaitu sifat yang dapat diamati. Kode genetik yang disimpan dalam DNA "ditafsirkan" oleh ekspresi gen, dan sifat-sifat ekspresi tersebut memunculkan fenotipe organisme. Fenotipe semacam itu sering diekspresikan oleh sintesis protein yang mengendalikan bentuk organisme, atau yang bertindak sebagai enzim yang mengkatalisasi lintasan metabolisme spesifik yang menjadi ciri organisme. Regulasi ekspresi gen dengan demikian penting untuk perkembangan suatu organisme.

Mekanisme

Transkripsi

Proses transkripsi dilakukan oleh RNA polimerase (RNAP), yang menggunakan DNA (hitam) sebagai cetakan dan menghasilkan RNA (biru).

Gen adalah bentangan DNA yang menyandikan informasi. DNA genomik terdiri dari dua untai antiparalel dan untai komplementer balik, masing-masing memiliki ujung 5' dan 3'. Terkait dengan gen, kedua untai tersebut dapat diberi label "untai cetakan," yang berfungsi sebagai cetak biru untuk produksi transkrip RNA, dan "untai penyandi," yang termasuk versi DNA dari sekuens transkrip. "Untai penyandi" secara fisik tidak terlibat dalam proses penyandian karena "untai cetakan"-lah yang dibaca selama transkripsi.

Produksi salinan RNA dari DNA disebut transkripsi, dan dilakukan di dalam nukleus oleh RNA polimerase, yang menambahkan satu nukleotida RNA sekaligus ke untai RNA yang tumbuh sesuai dengan aturan basa yang saling melengkapi. RNA ini komplementer dengan untai cetakan DNA 3 '→ 5', yang dengan sendirinya melengkapi komplemen untai penyandian 5 '→ 3'. Oleh karena itu, untai RNA 5 '→ 3' yang dihasilkan identik dengan untai penyandian DNA dengan pengecualian bahwa timin diganti dengan urasil (U) dalam RNA. Pembacaan untai penyandian DNA "ATG" secara tidak langsung ditranskripsi melalui untai non-coding sebagai "UAC" dalam RNA.

Pada prokariota, transkripsi dilakukan oleh satu jenis RNA polimerase, yang membutuhkan sekuens DNA yang disebut kotak Pribnow serta faktor sigma (faktor σ) untuk memulai transkripsi. Pada eukariota, transkripsi dilakukan oleh tiga jenis RNA polimerase, yang masing-masing membutuhkan sekuens DNA khusus yang disebut promoter dan satu set protein pengikat DNA — faktor transkripsi — untuk memulai proses. RNA polimerase I bertanggung jawab untuk transkripsi gen RNA ribosom (rRNA). RNA polimerase II (Pol II) mentranskripsikan semua gen protein-coding tetapi juga beberapa RNA non-coding (misalnya snRNA, snoRNA, atau RNA non-coding panjang). Pol II termasuk domain terminal-C (CTD) yang kaya akan residu serin. Ketika residu ini terfosforilasi, CTD mengikat berbagai faktor protein yang mendorong pematangan dan modifikasi transkrip. RNA polimerase III mentranskripsi RRNA 5S, mentransfer gen RNA (tRNA), dan beberapa RNA kecil non-coding (misalnya 7SK). Transkripsi berakhir ketika polimerase menemukan sekuens yang disebut terminator.

Pengolahan RNA

Transkripsi gen penyandi protein prokariotik menghasilkan messenger RNA (mRNA) yang siap untuk ditranslasi menjadi protein, sedangkan transkripsi gen eukariotik menghasilkan transkrip primer dari RNA (pre-mRNA), yang harus menjalani serangkaian modifikasi untuk menjadi mRNA matang.

Modifikasi termasuk 5'capping, yang merupakan rangkaian reaksi enzimatik dengan menambahkan 7-metilguanosin (m⁷G) ke ujung 5' pre-mRNA dan dengan demikian melindungi RNA dari degradasi oleh eksonuklease. Tutup m⁷G kemudian diikat oleh heterodimer kompleks pengikat tutup (CBC20/CBC80), yang membantu ekspor mRNA ke sitoplasma dan juga melindungi RNA dari de-capping.

Modifikasi lain adalah pembelahan dan polyadenylation ujung 3'. Proses ini terjadi jika sekuens sinyal poliadenilasi (5'- AAUAAA-3 ') hadir dalam pre-mRNA, yang biasanya antara sekuens kode protein dan terminator. Pre-mRNA pertama kali dibelah dan kemudian serangkaian ~ 200 adenin (A) ditambahkan untuk membentuk ekor poli(A), yang melindungi RNA dari degradasi. Ekor poli (A) diikat oleh berbagai poly(A)-binding proteins (PABP) yang diperlukan untuk ekspor mRNA dan re-inisiasi translasi.

Ilustrasi sederhana ekson dan intron pada pre-mRNA dan pembentukan mRNA matang dengan penyambungan (splicing). UTR adalah bagian non-coding ekson di ujung mRNA.

Modifikasi pre-mRNA eukariotik lainnya adalah penyambungan RNA (RNA splicing). Sebagian besar pre-mRNA eukariotik terdiri dari segmen bergantian yang disebut ekson dan intron. Selama proses penyambungan, kompleks katalitik protein RNA yang dikenal sebagai spliceosome mengkatalisasi dua reaksi trans-esterifikasi, yang membuang intron dan melepaskannya dalam bentuk struktur menjerat, dan kemudian menggabungkan ekson tetangga yang berdekatan bersama-sama. Dalam kasus tertentu, beberapa intron atau ekson dapat dihilangkan atau disimpan dalam mRNA dewasa. Proses disebut juga penyambungan alternatif yang menciptakan serangkaian transkrip berbeda yang berasal dari satu gen. Karena transkrip ini dapat berpotensi ditranslasi menjadi protein yang berbeda, penyambungan memperluas kompleksitas ekspresi gen eukariotik.

Pengolahan RNA yang luas mungkin merupakan keuntungan evolusi yang dimungkinkan oleh inti eukariota. Pada prokariota, transkripsi dan translasi terjadi bersamaan, sementara pada eukariota, membran inti memisahkan dua proses, memberikan waktu untuk proses pengolahan RNA.

Pematangan RNA non-coding

Pada sebagian besar organisme, gen non-coding (ncRNA) ditranskripsi sebagai prekursor yang menjalani proses lebih lanjut. Pada kasus RNA ribosom (rRNA), mereka sering ditranskripsi sebagai pre-rRNA yang mengandung satu atau lebih rRNA. Pre-rRNA dibelah dan dimodifikasi (2′-O-metilasi dan pembentukan pseudouridin) di lokasi tertentu oleh sekitar 150 spesies RNA kecil yang dibatasi nukleolus, yang disebut snoRNA. SnoRNA berasosiasi dengan protein, membentuk snoRNP. Sementara bagian snoRNA didasarkan pada target RNA dan dengan demikian memposisikan modifikasi pada lokasi yang tepat, bagian protein melakukan reaksi katalitik. Dalam eukariota, khususnya snoRNP yang disebut RNase, MRP memecah pre-rRNA 45S menjadi rRNA 28S, 5.8S, dan 18S. Faktor pengolah rRNA dan faktor pengolah RNA membentuk agregat besar yang disebut nukleolus.

Pada kasus RNA transfer (tRNA), misalnya urutan 5 'dihilangkan oleh RNase P, sedangkan ujung 3' dihilangkan oleh enzim tRNase Z, dan ekor CCA 3 'yang bukan cetakan ditambahkan oleh nukleotidil transferase. Pada kasusRNA-mikro (miRNA), miRNA pertama-tama ditranskripsikan sebagai transkrip primer atau pri-miRNA dengan topi dan ekor poli-A dan diproses menjadi struktur loop-70-nukleotida batang pendek yang dikenal sebagai pre-miRNA dalam inti sel oleh enzim Drosha dan Pasha. Setelah diekspor, kemudian diproses menjadi miRNA matang dalam sitoplasma melalui interaksi dengan Dicer endonuklease, yang juga memulai pembentukan RNA-induced silencing complex (RISC), yang terdiri dari protein Argonaute.

Bahkan snRNA dan snoRNA sendiri menjalani serangkaian modifikasi sebelum menjadi bagian dari kompleks RNP fungsional. Hal ini dilakukan baik dalam nukleoplasma atau di kompartemen khusus yang disebut badan Cajal. Selama proses, basa dimetilasi atau dipseudouridinilasi oleh sekelompok RNA spesifik badan Cajal kecil (scaRNAs), yang secara struktural mirip dengan snoRNA.

Ekspor RNA

Pada eukariota, sebagian besar RNA dewasa harus diekspor ke sitoplasma dari nukleus. Sementara beberapa fungsi RNA di dalam nukleus, banyak RNA diangkut melalui pori-pori inti dan masuk ke sitosol. Secara khusus ini termasuk semua jenis RNA yang terlibat dalam sintesis protein. PAda beberapa kasus, RNA juga diangkut ke bagian sitoplasma tertentu, seperti sinaps; kemudian ditarik oleh protein motor yang mengikat melalui protein penghubung ke urutan tertentu (disebut "kode pos") pada RNA.

Translasi

Selama translasi, tRNA yang diisi dengan asam amino memasuki ribosom dan sejajar dengan triplet mRNA yang benar. Ribosom kemudian menambahkan asam amino ke rantai protein tumbuh.

Untuk beberapa RNA (RNA non-coding), RNA matang adalah produk gen akhir. Pada kasus messenger RNA (mRNA), RNA adalah pembawa informasi yang menyandi untuk sintesis satu atau lebih protein. mRNA membawa sekuens protein tunggal (umum pada eukariota) bersifat monosistronik sedangkan mRNA membawa sekuens protein multipel (umum pada prokariota) dikenal sebagai polisistronik.

Setiap mRNA terdiri dari tiga bagian: daerah 5' yang tidak diterjemahkan (5'UTR), daerah penyandi protein atau bingkai pembacaan terbuka (ORF), dan daerah 3' yang tidak diterjemahkan (3'UTR). Wilayah penyandi membawa informasi untuk sintesis protein yang disandikan oleh kode genetik untuk membentuk triplet. Setiap triplet nukleotida dari wilayah penyandi disebut kodon dan sesuai dengan situs pengikatan yang saling melengkapi dengan triplet antikodon dalam RNA transfer. RNA transffer dengan urutan antikodon yang sama selalu membawa jenis asam amino yang identik. Asam amino kemudian dirangkai bersama oleh ribosom sesuai dengan urutan triplet di wilayah penyandi. Ribosom membantu mentransfer RNA untuk mengikat RNA messenger dan mengambil asam amino dari masing-masing RNA transfer dan membuat protein tanpa struktur. Setiap molekul mRNA ditranslasi menjadi banyak molekul protein, rata-rata ~ 2800 pada mamalia.

Pada translasi prokariota, umumnya terjadi pada titik transkripsi (ko-transkripsi), sering menggunakan messenger RNA yang masih dalam proses pembuatan. Pada translasi eukariota dapat terjadi di berbagai daerah sel tergantung di mana protein yang seharusnya ditargetkan. Lokasi utama adalah sitoplasma untuk protein sitoplasma terlarut dan membran retikulum endoplasma untuk protein yang untuk ekspor dari sel atau dimasukkan ke dalam membran sel. Protein yang seharusnya diekspresikan pada retikulum endoplasma dikenali sebagian melalui proses translasi. Proses ini diatur oleh partikel pengenal sinyal — suatu protein yang berikatan dengan ribosom dan mengarahkannya ke retikulum endoplasma ketika menemukan peptida sinyal pada rantai asam amino yang baru tumbuh.

Pelipatan

Protein sebelum (kiri) dan setelah pelipatan (kanan)

Polipeptida terlipat menjadi struktur tiga dimensi karakteristik dan fungsional dari koil acak. Setiap protein terdapat sebagai polipeptida terbuka atau koil acak ketika ditranslasi dari sekuens mRNA menjadi rantai linier asam amino. Kemudian, asam amino berinteraksi satu sama lain untuk menghasilkan struktur tiga dimensi yang terdefinisi dengan baik, protein terlipat (sisi kanan gambar) yang dikenal sebagai keadaan asli. Struktur tiga dimensi yang dihasilkan ditentukan oleh urutan asam amino (dogma Anfinsen).

Struktur tiga dimensi yang benar sangat penting untuk fungsi, meskipun beberapa bagian protein fungsional dapat tetap terbuka. Kegagalan untuk melipat ke dalam bentuk yang dimaksud biasanya menghasilkan protein tidak aktif dengan sifat yang berbeda, misalnya prion. Beberapa penyakit neurodegeneratif dan penyakit lain diyakini merupakan hasil dari akumulasi protein yang gagal melipat. Banyak alergi disebabkan oleh lipatan protein, karena sistem imun tidak menghasilkan antibodi untuk struktur protein tertentu.

Enzim yang disebut chaperone (kaperon) membantu protein yang baru terbentuk untuk dilipat ke struktur 3 dimensi yang diperlukan untuk berfungsi. Demikian pula, kaperon RNA membantu RNA mencapai bentuk fungsionalnya. Organel yang membantu pelipatan protein pada eukariota adalah retikulum endoplasma.

Translokasi

Protein sekretori dari eukariota atau prokariota harus dipindahkan untuk memasuki jalur sekretori. Protein yang baru disintesis diarahkan ke kanal translokasi eukariotik Sec61 atau prokariotik SecYEG oleh peptida sinyal. Efisiensi sekresi protein pada eukariota sangat tergantung peptida sinyal yang telah digunakan.

Pengangkutan protein

Banyak protein yang dikirimkan untuk bagian lain dari sel selain di sitosol, dan berbagai sekuens pensinyalan atau peptida sinyal digunakan untuk mengarahkan protein ke tempat mereka seharusnya. Pada prokariota, hal ini biasanya proses sederhana karena kompartmentalisasi sel yang terbatas. Namun, pada eukariota ada banyak variasi proses penargetan yang berbeda untuk memastikan protein tiba di organel yang benar.

Tidak semua protein tersisa di dalam sel dan banyak yang diekspor, misalnya enzim pencernaan, hormon, dan protein matriks ekstraseluler. Pada eukariota jalur ekspor berkembang dengan baik dan mekanisme utama untuk ekspor protein ini yaitu translokasi ke retikulum endoplasma, diikuti dengan pengangkutan melalui badan Golgi.

Regulasi ekspresi gen

Warna belang-belang pada kucing torti merupakan hasil dari tingkat ekspresi gen pigmentasi yang berbeda di berbagai area kulit.

Regulasi ekspresi gen mengacu pada kontrol jumlah dan waktu penampilan produk fungsional gen. Kontrol ekspresi sangat penting untuk memungkinkan sel menghasilkan produk gen yang dibutuhkannya saat dibutuhkan; pada gilirannya, ini memberi sel fleksibilitas untuk beradaptasi dengan lingkungan yang berubah-ubah, sinyal eksternal, kerusakan sel, dan rangsangan lainnya. Secara lebih umum, regulasi gen memberikan kendali sel atas semua struktur dan fungsi, dan merupakan dasar untuk diferensiasi sel, morfogenesis, dan keserbagunaan dan kemampuan beradaptasi dari setiap organisme.

Banyak istilah digunakan untuk menggambarkan jenis gen bergantung pada bagaimana mereka diatur seperti:

• Gen konstitutif adalah gen yang ditranskripsi secara terus-menerus sebagai lawan dari gen fakultatif, yang hanya ditranskripsi ketika dibutuhkan.
• Gen housekeeping adalah gen yang diperlukan untuk mempertahankan fungsi seluler dasar dan biasanya diekspresikan dalam semua jenis sel organisme. Contohnya termasuk aktin, GAPDH, dan ubiquitin. Beberapa gen housekeeping ditranskripsi pada tingkat yang relatif konstan dan gen ini dapat digunakan sebagai titik referensi dalam percobaan untuk mengukur tingkat ekspresi gen lain.
• Gen fakultatif adalah gen yang hanya ditranskripsikan bila diperlukan sebagai lawan dari gen konstitutif.
• Gen yang diinduksi adalah gen yang ekspresinya responsif terhadap perubahan lingkungan atau tergantung pada posisi dalam siklus sel.

Setiap langkah ekspresi gen dapat dimodulasi, dari langkah transkripsi DNA-RNA ke modifikasi protein pasca-translasi. Stabilitas produk gen akhir, apakah itu RNA atau protein, juga berkontribusi pada tingkat ekspresi gen — produk yang tidak stabil menghasilkan tingkat ekspresi rendah. Secara umum ekspresi gen diatur melalui perubahan dalam jumlah dan jenis interaksi antara molekul yang secara kolektif mempengaruhi transkripsi DNA dan translasi RNA.

Beberapa contoh sederhana di mana ekspresi gen penting adalah:

• Kontrol ekspresi insulin sehingga memberi sinyal untuk regulasi glukosa darah.
• Inaktivasi kromosom X pada mamalia betina untuk mencegah "overdosis" gen yang dikandungnya.
• Tingkat ekspresi cyclin mengontrol perkembangan melalui siklus sel eukariotik.

Regulasi transkripsional

Ketika laktosa muncul dalam prokariota, ia bertindak sebagai penginduksi dan menonaktifkan penekan sehingga gen untuk metabolisme laktosa dapat ditranskripsi.

Regulasi transkripsi dapat dipecah menjadi tiga jalur pengaruh utama; genetik (interaksi langsung dari faktor kontrol dengan gen), interaksi modulasi faktor kontrol dengan mesin transkripsi, dan epigenetik (perubahan non-sekuens dalam struktur DNA yang memengaruhi transkripsi).

Faktor transkripsi penekan lambda (hijau) berikatan sebagai dimer ke alur utama target DNA (merah dan biru) dan menonaktifkan inisiasi transkripsi. Dari PDB: 1LMB​ .

Interaksi langsung dengan DNA merupakan metode paling sederhana dan paling langsung dimana protein mengubah tingkat transkripsi. Gen sering memiliki beberapa situs pengikatan protein di sekitar wilayah penyandi dengan fungsi spesifik mengatur transkripsi. Terdapat banyak kelas situs pengikatan DNA resmi yang dikenal sebagai enhancer, insulator, dan silencer. Mekanisme untuk mengatur transkripsi sangat bervariasi, dari memblokir situs pengikatan kunci pada DNA untuk RNA polimerase hingga bertindak sebagai aktivator dan mempromosikan transkripsi dengan membantu pengikatan RNA polimerase.

Aktivitas faktor-faktor transkripsi dimodulasi lebih lanjut oleh sinyal-sinyal intraseluler yang menyebabkan modifikasi protein pasca-translasi termasuk fosforilasi, asetilasi, atau glikosilasi. Perubahan-perubahan ini memengaruhi kemampuan faktor transkripsi untuk mengikat, secara langsung atau tidak langsung ke DNA promotor, untuk merekrut RNA polimerase, atau untuk mendukung perpanjangan molekul RNA yang baru disintesis.

Membran inti pada eukariota memungkinkan pengaturan lebih lanjut dari faktor-faktor transkripsi dengan durasi kehadirannys dalam nukleus, yang diatur oleh perubahan reversibel dalam struktur mereka dan dengan mengikat protein lain. Rangsangan lingkungan atau sinyal endokrin dapat menyebabkan modifikasi protein pengatur memunculkan kaskade sinyal intraseluler, yang menghasilkan regulasi ekspresi gen.

Baru-baru ini telah menjadi jelas bahwa ada pengaruh signifikan efek spesifik sekuens non-DNA pada transkripsi. Efek ini disebut sebagai epigenetik dan melibatkan struktur urutan tinggi dari DNA, protein pengikat DNA non-sekuens spesifik, dan modifikasi kimiawi dari DNA. Secara umum efek epigenetik mengubah aksesibilitas DNA menjadi protein sehingga memodulasi transkripsi.

Pada eukariota, DNA diatur dalam bentuk nukleosom. Perhatikan bagaimana DNA (biru dan hijau) melilit inti protein yang terbuat dari histon oktamer (pita gulungan), membatasi akses ke DNA. Dari PDB: 1KX5​ .

Metilasi DNA adalah mekanisme luas untuk pengaruh epigenetik pada ekspresi gen dan terlihat pada bakteri dan eukariota serta memiliki peran dalam penghilangan transkripsi yang diwariskan dan regulasi transkripsi. Dalam eukariota, struktur kromatin yang dikendalikan oleh kode histon, mengatur akses ke DNA dengan dampak signifikan pada ekspresi gen di daerah eukromatin dan heterokromatin.

Regulasi transkripsional pada kanker

Sebagian besar promotor gen mengandung pulau CpG dengan banyak situs CpG. Ketika banyak situs CpG promotor gen dimetilasi, gen menjadi tidak teraktifkan (dihilangkan). Kanker kolorektal biasanya memiliki 3 hingga 6 mutasi <i>driver</i> dan 33 hingga 66 <i>hitchhiker</i> atau mutasi penumpang. Namun, penghilangan transkripsi mungkin lebih penting daripada mutasi dalam menyebabkan perkembangan menjadi kanker. Sebagai contoh, pada kanker kolorektal, sekitar 600 hingga 800 gen secara transkripsi dihilangkan oleh metilasi pulau CpG (lihat regulasi transkripsi pada kanker). Represi transkripsional pada kanker juga dapat terjadi dengan mekanisme epigenetik lainnya, seperti perubahan ekspresi RNA-Mikro. Pada kanker payudara, represi transkripsional BRCA1 dapat terjadi lebih sering oleh microRNA-182 yang diekspresikan secara berlebihan dibandingkan dengan hipermetilasi promotor BRCA1 (lihat Ekspresi rendah BRCA1 pada kanker payudara dan ovarium).

Regulasi pasca transkripsional

Pada eukariota, ekspor RNA diperlukan sebelum translasi terjadi, dan adanya ekspor inti ini dianggap memberikan kontrol tambahan atas ekspresi gen. Semua transpor baik masuk dan keluar dari nukleus melalui pori-pori inti dan transpor dikendalikan oleh berbagai protein impor dan ekspor.

Ekspresi gen yang menyandi protein hanya mungkin jika mRNA yang membawa kode bertahan cukup lama untuk ditranslasi. Dalam sel umumnya, molekul RNA hanya stabil jika secara khusus dilindungi dari degradasi. Degradasi RNA memiliki kepentingan khusus dalam regulasi ekspresi dalam sel eukariotik yang mana mRNA harus menempuh jarak yang jauh sebelum ditranslasi. Pada eukariota, RNA distabilkan oleh modifikasi post-transkripsional tertentu, terutama tutup 5' dan ekor poliadenilasi.

Degradasi mRNA yang disengaja digunakan tidak hanya sebagai mekanisme pertahanan dari RNA asing (biasanya dari virus) tetapi juga sebagai rute destabilisasi mRNA. Jika molekul mRNA memiliki sekuens komplementer untuk RNA kecil pengganggu (siRNA) maka ia ditargetkan untuk dihancurkan melalui jalur interferensi RNA.

Regulasi translasi

Neomisin adalah contoh molekul yang menurunkan ekspresi semua gen protein yang akhirnya menyebabkan kematian sel; dengan demikian bertindak sebagai antibiotik.

Regulasi translasi langsung kurang lazim daripada kontrol stabilitas transkripsi atau mRNA, tetapi kadang-kadang digunakan. Penghambatan translasi protein adalah target utama toksin dan antibiotik, sehingga mereka dapat membunuh sel dengan mengabaikan kontrol ekspresi gen normalnya. Penghambat sintesis protein misalnya antibiotik neomisin dan risin.

Degradasi protein

Setelah sintesis protein selesai, tingkat ekspresi protein itu dapat diturunkan oleh degradasi protein. Terdapat jalur degradasi protein utama di semua prokariota dan eukariota, dengan proteasom merupakan komponen umum. Protein yang tidak dibutuhkan atau rusak sering diberi label untuk degradasi dengan menambahkan ubiquitin.

Pengukuran

Profil RNA di Wikipedia

Profil ekspresi RNA dari Transporter GLUT4 (salah satu transporter glukosa utama yang ditemukan dalam tubuh manusia)

Profil seperti ini ditemukan untuk hampir semua protein yang terdaftar di Wikipedia. Profil dihasilkan oleh organisasi-organisasi seperti Genomics Institute dari Novartis Research Foundation dan European Bioinformatics Institute. Informasi tambahan dapat ditemukan dengan mencari di basis data (untuk contoh transporter GLUT4 yang digambarkan di sini, lihat kutipan). Profil-profil ini menunjukkan tingkat ekspresi DNA (dan produksi RNA) dari protein tertentu dalam jaringan tertentu, dan diberi kode warna sesuai dalam gambar yang terletak di Kotak Protein di sisi kanan setiap halaman Wikipedia.

Kuantifikasi protein

Untuk gen yang menyandi protein, tingkat ekspresi dapat secara langsung dinilai dengan sejumlah metode dengan beberapa analogi yang jelas dengan teknik kuantifikasi mRNA.

Teknik yang paling sering digunakan untuk kuantifikasi protein yaitu Western blot terhadap protein yang ingin diamati — metode ini memberikan informasi tentang ukuran protein selain identitasnya. Sampel (sering lisat seluler) dipisahkan pada gel poliakrilamida, ditransfer ke membran dan kemudian diperiksa dengan antibodi terhadap protein yang diinginkan. Antibodi dapat dikonjugasikan ke fluorofor atau horseradish peroxidase untuk pencitraan dan/atau kuantifikasi. Metode menggunakan basis gel membuat kuantifikasi kurang akurat, tetapi memiliki keuntungan untuk dapat mengidentifikasi modifikasi protein selanjutnya, misalnya proteolisis atau ubiquitination, dari perubahan ukuran.

Lokalisasi

Hibridisasi in situ embrio Drosophila pada tahap perkembangan yang berbeda untuk mRNA yang bertanggung jawab untuk ekspresi <i>hunckback</i>. Intensitas tinggi dari warna biru menandai tempat-tempat dengan kuantitas mRNA hunckback tinggi.

Analisis ekspresi juga dapat ditentukan melalui lokalisasi. mRNA dapat dideteksi dengan untaian mRNA komplementer yang sesuai dan protein dapat dideteksi melalui antibodi berlabel. Sampel yang diperiksa kemudian diamati dengan mikroskop untuk mengidentifikasi lokasi mRNA atau protein.

Struktur tiga dimensi protein berpendar hijau. Residu di pusat "barel" bertanggung jawab untuk produksi nyala hijau setelah mengekspos ke cahaya biru yang lebih berenergi. Dari PDB: 1EMA​ .

Dengan mengganti gen dengan versi baru yang menyatu dengan penanda protein berpendar hijau (atau serupa), ekspresi dapat langsung diukur dalam sel hidup. Hal ini dilakukan dengan pencitraan menggunakan mikroskop fluoresensi. Kloning protein yang tergabung GFP ke lokasi asalnya dalam genom sangat sulit tanpa memengaruhi level ekspresi sehingga metode ini sering tidak dapat digunakan untuk mengukur ekspresi gen endogen. Namun, teknik ini banyak digunakan untuk mengukur ekspresi gen yang secara artifisial dimasukkan ke dalam sel, misalnya melalui vektor ekspresi. Penting untuk dicatat bahwa dengan menggabungkan protein target ke reporter fluoresen, perilaku protein, termasuk lokalisasi seluler dan tingkat ekspresi, dapat berubah secara signifikan.

ELISA bekerja menggunakan antibodi yang diimobilisasi pada pelat mikrotiter untuk menangkap protein yang diinginkan dari sampel yang ditambahkan ke dalam sumuran. Dengan menggunakan antibodi pendeteksi yang terkonjugasi pada suatu enzim atau fluorofor, jumlah protein yang terikat dapat diukur secara akurat dengan deteksi fluorometrik atau kolorimetrik. Proses deteksi sangat mirip dengan Western blot, tetapi dengan menghindari tahap penggunaan gel, sehingga dapat dicapai kuantifikasi yang lebih akurat.

Sistem ekspresi

Sistem shRNA diinduksi tet-ON

Sistem ekspresi adalah sistem yang dirancang khusus untuk menghasilkan produk gen yang diinginkan. Produk tersebut biasanya protein, meskipun mungkin juga RNA, seperti tRNA atau ribozim. Sistem ekspresi terdiri dari gen, yang biasanya disandikan oleh DNA, dan mesin molekuler yang diperlukan untuk mentranskripsi DNA menjadi mRNA dan menerjemahkan mRNA menjadi protein menggunakan reagen yang disediakan. Virus merupakan contoh yang sangat baik di mana mereka mereplikasi dengan menggunakan sel inang sebagai sistem ekspresi untuk protein dan genom virus.

Ekspresi yang dapat diinduksi

Doksisiklin juga digunakan dalam aktivasi transkripsional terkontrol tetrasiklin "Tet-on" dan "Tet-off" untuk mengatur ekspresi transgen dalam organisme dan kultur sel.

Di alam

Selain alat biologis ini, konfigurasi DNA tertentu yang diamati secara alami (gen, promotor, peningkat, penekan) dan mesin yang terkait itu sendiri disebut sebagai sistem ekspresi. Istilah ini biasanya digunakan dalam kasus yang mana gen atau kelompok gen diaktifkan dalam kondisi yang terdefinisi dengan baik, misalnya sistem ekspresi pengalih represor sederhana dalam fag Lambda dan sistem operator lac pada bakteri. Beberapa sistem ekspresi alami secara langsung digunakan atau dimodifikasi dan digunakan untuk sistem ekspresi buatan seperti sistem ekspresi Tet-on dan Tet-off.

Jejaring gen

Gen kadang-kadang dianggap sebagai simpul dalam jejaring, dengan input menjadi protein seperti faktor transkripsi, dan output menjadi tingkat ekspresi gen. Nodus itu sendiri melakukan suatu fungsi, dan operasi dari fungsi-fungsi ini telah ditafsirkan sebagai melakukan semacam pengolahan informasi di dalam sel dan menentukan perilaku seluler.

Jejaring gen juga dapat dibangun tanpa merumuskan model sebab-akibat yang eksplisit. Hal ini sering terjadi ketika merakit jejaring dari sekelompok data ekspresi besar. Kovarian dan korelasi ekspresi dihitung pada sampel kasus dan pengukuran yang besar (sering kali data transkripom atau proteom). Sumber variasi dapat berupa eksperimental atau alami (observasional). Terdapat beberapa cara untuk membangun jejaring ekspresi gen, tetapi satu pendekatan yang umum adalah menghitung matriks semua korelasi ekspresi pasangan di seluruh kondisi, titik waktu, atau individu dan mengubah matriks (setelah ambang batas pada beberapa nilai batas) menjadi representasi grafis di mana nodus mewakili gen, transkrip, atau protein dan tepi yang menghubungkan nodus ini mewakili kekuatan hubungan (lihat [1] ).

Teknik dan alat

Teknik eksperimental berikut digunakan untuk mengukur ekspresi gen dan tertulis dalam urutan kronologis, dimulai dengan teknologi yang lebih tua. Mereka dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan tingkat multipleksitasnya.

• Teknik low-to-mid-plex:
  • Gen reporter
  • Northern blot
  • Western blot
  • Hibridisasi in-fluoresen in situ (FISH)
  • Reverse transcription PCR
• Teknik plex-tinggi:
  • SAGE
  • Microarray DNA
  • Tilling array
  • RNA-Sequencing

Basis data ekspresi gen

• Ekspresi gen omnibus (GEO) di NCBI
• Expression Atlas di EBI
• Basis Data Ekspresi Gen Mouse di Laboratorium Jackson
• CollecTF: basis data situs yang mengikat faktor transkripsi yang divalidasi secara eksperimental pada Bakteria.
• COLOMBOS: kumpulan compendia ekspresi bakteri.
• Many Microbe Microarrays Database: data Affymetrix mikrobial

Referensi

1. "Structure-function studies of the RNA polymerase II elongation complex". Acta Crystallographica D. 65 (Pt 2): 112–20. February 2009. doi:10.1107/S0907444908039875. PMC 2631633 . PMID 19171965. 
2. "Nucleolus: the fascinating nuclear body". Histochemistry and Cell Biology. 129 (1): 13–31. January 2008. doi:10.1007/s00418-007-0359-6. PMC 2137947 . PMID 18046571. 
3. "Ribonuclease P: unity and diversity in a tRNA processing ribozyme". Annual Review of Biochemistry. 67: 153–80. 1998. doi:10.1146/annurev.biochem.67.1.153. PMID 9759486. 
4. "tRNase Z". Protein and Peptide Letters. 14 (2): 137–45. 2007. doi:10.2174/092986607779816050. PMID 17305600. 
5. "tRNA maturation: RNA polymerization without a nucleic acid template". Current Biology. 14 (20): R883–5. October 2004. doi:10.1016/j.cub.2004.09.069. PMID 15498478. 
6. "Exporting RNA from the nucleus to the cytoplasm". Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 8 (10): 761–73. October 2007. doi:10.1038/nrm2255. PMID 17786152. 
7. "Cis-acting determinants of asymmetric, cytoplasmic RNA transport". RNA. 13 (5): 625–42. May 2007. doi:10.1261/rna.262607. PMC 1852811 . PMID 17449729. 
8. "The eukaryotic genome as an RNA machine". Science. 319 (5871): 1787–9. March 2008. Bibcode:2008Sci...319.1787A. doi:10.1126/science.1155472. PMID 18369136. 
9. "Maintenance of the correct open reading frame by the ribosome". EMBO Reports. 4 (5): 499–504. May 2003. doi:10.1038/sj.embor.embor825. PMC 1319180 . PMID 12717454. 
10. "Insights into protein biosynthesis from structures of bacterial ribosomes". Current Opinion in Structural Biology. 17 (3): 302–9. June 2007. doi:10.1016/j.sbi.2007.05.009. PMID 17574829. 
11. "Global quantification of mammalian gene expression control". Nature. 473 (7347): 337–42. May 2011. Bibcode:2011Natur.473..337S. doi:10.1038/nature10098. PMID 21593866. 
12. "Corrigendum: Global quantification of mammalian gene expression control". Nature. 495 (7439): 126–7. March 2013. Bibcode:2013Natur.495..126S. doi:10.1038/nature11848. PMID 23407496. 
13. "The concept of translocational regulation". The Journal of Cell Biology. 182 (2): 225–32. July 2008. doi:10.1083/jcb.200804157. PMC 2483521 . PMID 18644895. 
14. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walters P (2002). "The Shape and Structure of Proteins". Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition. New York and London: Garland Science. ISBN 0-8153-3218-1. 
15. "The formation and stabilization of protein structure". The Biochemical Journal. 128 (4): 737–49. July 1972. doi:10.1042/bj1280737. PMC 1173893 . PMID 4565129. 
16. Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer; Web content by Neil D. Clarke (2002). "3. Protein Structure and Function". Biochemistry. San Francisco: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4684-0. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
17. "Folding proteins in fatal ways". Nature. 426 (6968): 900–4. December 2003. Bibcode:2003Natur.426..900S. doi:10.1038/nature02264. PMID 14685251. 
18. Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2010). "Protein Structure and Function". Essential Cell Biology (edisi ke-3rd). New York: Garland Science, Taylor and Francis Group, LLC. hlm. 120–170. 
19. "In and out of the ER: protein folding, quality control, degradation, and related human diseases". Physiological Reviews. 87 (4): 1377–408. October 2007. doi:10.1152/physrev.00050.2006. PMID 17928587. 
20. "RNA misfolding and the action of chaperones". Frontiers in Bioscience. 13 (13): 1–20. January 2008. doi:10.2741/2557. PMC 2610265 . PMID 17981525. 
21. "Optimized signal peptides for the development of high expressing CHO cell lines". Biotechnology and Bioengineering. 110 (4): 1164–73. April 2013. doi:10.1002/bit.24776. PMID 23124363. 
22. "The plant ER-Golgi interface: a highly structured and dynamic membrane complex". Journal of Experimental Botany. 58 (1): 49–64. 2007. doi:10.1093/jxb/erl135. PMID 16990376. 
23. "Secretion without Golgi". Journal of Cellular Biochemistry. 103 (5): 1327–43. April 2008. doi:10.1002/jcb.21513. PMC 2613191 . PMID 17786931. 
24. "Intranuclear trafficking: organization and assembly of regulatory machinery for combinatorial biological control". The Journal of Biological Chemistry. 279 (42): 43363–6. October 2004. doi:10.1074/jbc.R400020200. PMID 15277516. 
25. "RNA regulation of epigenetic processes". BioEssays. 31 (1): 51–9. January 2009. doi:10.1002/bies.080099. PMID 19154003. 
26. "The interplay between transcription factors and microRNAs in genome-scale regulatory networks". BioEssays. 31 (4): 435–45. April 2009. doi:10.1002/bies.200800212. PMC 3118512 . PMID 19274664. 
27. "Regulation of mammalian gene expression by retroelements and non-coding tandem repeats". BioEssays. 30 (4): 338–48. April 2008. doi:10.1002/bies.20741. PMID 18348251. 
28. "One thousand and one ways of making functionally similar transcriptional enhancers". BioEssays. 30 (11-12): 1052–7. November 2008. doi:10.1002/bies.20849. PMID 18937349. 
29. "The Nrf2-antioxidant response element signaling pathway and its activation by oxidative stress". The Journal of Biological Chemistry. 284 (20): 13291–5. May 2009. doi:10.1074/jbc.R900010200. PMC 2679427 . PMID 19182219. 
30. "Dysfunction of the ubiquitin-proteasome system in multiple disease conditions: therapeutic approaches". BioEssays. 30 (11-12): 1172–84. November 2008. doi:10.1002/bies.20852. PMID 18937370. 
31. "Switching Akt: from survival signaling to deadly response". BioEssays. 31 (5): 492–5. May 2009. doi:10.1002/bies.200900005. PMC 2954189 . PMID 19319914. 
32. "A genome-wide analysis of CpG dinucleotides in the human genome distinguishes two distinct classes of promoters". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (5): 1412–7. January 2006. Bibcode:2006PNAS..103.1412S. doi:10.1073/pnas.0510310103. PMC 1345710 . PMID 16432200. 
33. "DNA methylation patterns and epigenetic memory". Genes & Development. 16 (1): 6–21. January 2002. doi:10.1101/gad.947102. PMID 11782440. 
34. "Cancer genome landscapes". Science. 339 (6127): 1546–58. March 2013. Bibcode:2013Sci...339.1546V. doi:10.1126/science.1235122. PMC 3749880 . PMID 23539594. 
35. "MicroRNAs in the DNA Damage/Repair Network and Cancer". International Journal of Genomics. 2014: 820248. 2014. doi:10.1155/2014/820248. PMC 3926391 . PMID 24616890. 
36. "GLUT4 RNA Expression Profile". 
37. "WebQTL: rapid exploratory analysis of gene expression and genetic networks for brain and behavior". Nature Neuroscience. 7 (5): 485–6. May 2004. doi:10.1038/nn0504-485. PMID 15114364. 
38. "Effects of hypoxia inducible factor-1alpha (HIF-1alpha) on the growth & adhesion in tongue squamous cell carcinoma cells". The Indian Journal of Medical Research. 129 (2): 154–63. February 2009. PMID 19293442. 
39. "A combination of LongSAGE with Solexa sequencing is well suited to explore the depth and the complexity of transcriptome". BMC Genomics. 9: 418. September 2008. doi:10.1186/1471-2164-9-418. PMC 2562395 . PMID 18796152. 
40. "The incredible shrinking world of DNA microarrays". Molecular bioSystems. 4 (7): 726–32. July 2008. doi:10.1039/b706237k. PMC 2535915 . PMID 18563246. 
41. "High-resolution mapping of plasmid transcriptomes in different host bacteria". BMC Genomics. 10: 12. January 2009. doi:10.1186/1471-2164-10-12. PMC 2642839 . PMID 19134166. 
42. "Annotating genomes with massive-scale RNA sequencing". Genome Biology. 9 (12): R175. 2008. doi:10.1186/gb-2008-9-12-r175. PMC 2646279 . PMID 19087247. 
43. "The Gene Expression Omnibus Database". Methods in Molecular Biology. 1418: 93–110. 2016. doi:10.1007/978-1-4939-3578-9_5. PMC 4944384 . PMID 27008011. 
44. "CollecTF: a database of experimentally validated transcription factor-binding sites in Bacteria". Nucleic Acids Research. 42 (Database issue): D156–60. January 2014. doi:10.1093/nar/gkt1123. PMC 3965012 . PMID 24234444. 
45. "COLOMBOS v3.0: leveraging gene expression compendia for cross-species analyses". Nucleic Acids Research. 44 (D1): D620–3. January 2016. doi:10.1093/nar/gkv1251. PMC 4702885 . PMID 26586805. Pemeliharaan CS1: Tampilkan authors (link)
46. "Many Microbe Microarrays Database: uniformly normalized Affymetrix compendia with structured experimental metadata". Nucleic Acids Research. 36 (Database issue): D866–70. January 2008. doi:10.1093/nar/gkm815. PMC 2238822 . PMID 17932051. Pemeliharaan CS1: Tampilkan authors (link)