Mata kuliah Genetika Molekuler Prodi S1 Biologi

1. 6. Regulation of
Gene Expression
Prof. Drs. Sutarno,MSc., PhD.

4. Gene regulation
• Pada setiap sel atau organisme memiliki banyak sekali
gen, tetapi hanya sebagian gen yang perlu aktif
(mentranskripsi RNA) setiap saat.
• Bagaimana sebagian besar gen berada dalam keadaan
tdk aktif, dan bagaimana suatu gen yang ‘off’ dapat di
‘on’ kan?, atau bagaimana gen-gen ini di kontrol?
• Untuk menjawab pertanyaan ini menyangkut proses
yang dikenal dengan pengaturan gen (gene regulation).
Proses ini lebih efisien dibanding dengan proses
“feedback inhibition”, karena enzim yg terlibat dalam
setiap tahap metabolisme yang tidak diperlukan secara
sederhana tidak ada (dengan demikian dapat
mengurangi penggunaan energi dlm sel).

5. • Gen pada umumnya mengandung dua bagian:
– 1).bagian/ daerah koding (coding region) , dan
– 2). Suatu bagian/daerah pengatur (regulatory region).
Regulatory region inilah yang berfungsi mengatur dan
berfungsi sebagai switch ON atau Off nya bagian
koding dari suatu gen.
• Didalam regulatory region terdapat suatu sekuen
nukleotida yang disebut promoter. RNA polymerase
berikatan secara paling efisien pada sekuen promoter dan
mentranskripsikan ke arah downstream pada arah 5' ke 3‘.

6. • Gen pengatur pada prokaryot: enzim-enzim untuk suatu
jalur metabolik tertentu dikelompokkan secara bersama
(polycistronic) dan dapat dikontrol oleh suatu single
regulatory region.
• Sebagai tambahan pada promoter, regulatory region
memiliki suatu sekuen nukleotida yang dikenal dengan ‘
operator’ yang merupakan sisi tempat berikatannya
molekul ‘repressor’. Kombinasi dari promoter, operator,
dana beberap ‘structural genes’ terkait dikenal dengan
operon

14. Operon adalah kelompok gen-gen yang
diekspresikan oleh Prokaryote
• Gen-gen yang terkelompok dalam satu operon semua
diperlukan untuk menyelesaikan suatu tugas (reaksi
metabolik) tertentu.
• Setiap operon dikendalikan oleh satu sekuen pengatur
tunggal dalam DNA.
• Karena gen-gen dalam kelompok bersama, maka dapat
ditranskripsikan bersama.

17. Bacteria group genes together
• Operon
– genes grouped together with related functions
• example: all enzymes in a metabolic pathway
– promoter = RNA polymerase binding site
• single promoter controls transcription of all genes in operon
• transcribed as one unit & a single mRNA is made
– operator = DNA binding site of repressor protein

18. Bagian-bagian utama dari satu operon bakteri adalah: (a)
kelompok dari satu atau lebih gen struktural yang
menyandikan enzim atau protein lain (1, 2, ...n) dibawah
kontrol regulatory region tunggal, dan (b) sebuah
regulatory region yang terdiri dari sebuah promoter (P)
dan sebuah operator (O).

19. The Lactose Operon
• Jacob dan Monod, adalah peneliti
pertama yang mengidentifikasi
adanya ‘gene regulation’ pada
prokaryote.
• Operon dapat bersifat ‘Inducible’
atau ‘repressible’

20. Inducible dan repressible
operon
Inducible operons Repressible operons
Repressor alone binds
Operator
Operon usually OFF
Repressor alone cannot bind
to Operator
Operon usually ON
Inducer binds Repressor
Repressor does not bind to
Operator, allowing operon to
turn ON
Co-Repressor binds to
Repressor to form Active
Repressor complex
Active Repressor complex
binds Operator to turn

21. Lac Operon
• Gen-gen pada lac operon memungkinkan bakteri E. coli
melakukan metabolisme lactosa.
• Lactosa adalah gula. Produksi enzim-enzim untuk
metabolisme laktosa, ketika tidak diperlukan dapat menjadi
sampah.
• Metabolisme laktosa untuk energi hanya mungkin apabila 2
kriteria berikut terpenuhi:
• 1. glukosa, bahan yang lebih siap utk metabolisme, tidak
tersedia
• 2. laktosa tersedia.

22. Bagian-bagian dari Lac Operon
• lac operon tersusun dari sebuah daerah
pengatur (control region) dan empat
gen:
1. LacZ - b-galactosidase – menghidrolisis ikatan
antara galactosa dan glukosa
2. LacY – menyandikan ‘permease’ yang
memungkinkan laktosa melewati membran
sel.
3. LacA - Transacetylase – suatu enzim yang
berfungsi dalam metabolisme laktosa, tdk
pasti.
4. Repressor – suatu protein yang bekerja
dengan daerah pengatur (control region)
untuk mengatur ekspresi operon.

23. Sugar(s) in Growth
Medium
Relative Amount of b-
galactosidase
glucose 1
glucose + lactose 50
lactose 2500
Addition of lactose appears to increase or induce
the synthesis of b-galactosidase.
Reading from bottom to top, we see that the addition
of glucose appears to decrease or repress the
synthesis of b-galactosidase.
These two views reflect the two different
mechanisms that operate to regulate
b-galactosidase expression.

24. Repressor Gene – memproduksi suatu protein repressor yang
sesuai berikatan dengan operator untuk mematikan kerja operon
Promoter – Tempat melekatnya RNA polymerase untuk memulai
transkripsi gen.
Operator adalah sisi/ tempat dimana sebuah molekul repressor
(biasanya suatu metabolit) dapat berikatan untuk mencegah
RNA polymerase memulai transkripsi.
Structural Genes – Gen-gen jalur metabolik yang menyandikan
pembentukan enzim; misalnya untuk mencerna lactosa.
Struktur Lac Operon,
Bagian-bagian dan fungsi dari lac operon

25. Kontrol dari Lac Operon
• Daerah kontrol (control region) terdiri dari 2 bagian:
1. Promoter
– Merupakan sekuen DNA khusus untuk terjadinya ikatan dengan
RNA Polymerase sehingga memungkinkan terjadinya
transkripsi.
– Promoter lac operon juga memiliki sisi ikat untuk protein lain
yang disebut CAP (catabolic activator protein)
2. Operator
– Merupakan sisi ikat dari protein repressor
– Operator ini terletak downstream (pada arah ke 3’) dari
promoter,dengan demikian apabila repressor berikatan dengan
RNA Polymerase maka tidak bisa terjadi transkripsi.

26. Inducible lac operon
• Kerja dari lac operon, secara normal:
• Sintesis enzim tertahan karena transkripsi dihambat
ketika tidak ada laktosa.
• Gen regulator "i“ tetap menghasilkan protein repressor
yang berikatan dengan operator, sehingga memblock
RNA polymerase untuk berikatan dengan promoter.

27. Induksi:
• Ketika laktosa masuk ke dalam suatu
bakteri, maka laktosa berikatan
dengan protein repressor.

28. • Kompleks laktose-repressor tidak
lama melekat pada operator.
Keadaan ini memungkinkan RNA
polymerase berikatan dengan
promoter, sehingga transkripsi
berlangsung, meskipun lambat.

29. • Kontrol tambahan:
• Promoter menjadi lebih menarik bagi
RNA polymerase ketika:
– ATP hampir semuanya terpakai dan
dirubah menjadi cyclic AMP
– Catabolite activator protein (CAP)
tersedia.
• cAMP dan CAP membentuk suatu
kompleks yang mengikat lac
promoter sehingga menstimulasi
transkripsi.

31. Lac Operon:
Ketika ada glukosa,tetapi tidak ada
laktosa
Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAP
Binding
RNA
Pol.
Repressor
Repressor
Repressor
mRNA
Hey man, I’m
constitutive
Come on,
let me through
No way
Jose!
CAP

32. Lac Operon:
Ketika glukosa dan laktosa keduanya tersedia
Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAP
Binding
Repressor
Repressor
mRNA
Hey man, I’m
constitutive
CAP
Repressor
Repressor
X
RNA
Pol.
RNA
Pol.
Great, I can
transcribe!
Some transcription
occurs, but at a slow rate
This lactose has
bent me
out of shape

33. Lac Operon:
Ketika laktosa ada tetapi tidak ada glukosa
Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAP
Binding
Repressor
Repressor
mRNA
Hey man, I’m
constitutive
CAPcAMP
Repressor
Repressor
X
This lactose has
bent me
out of shape
CAP
cAMP
CAP
cAMP
Bind to me
Polymerase
RNA
Pol.
RNA
Pol.
Yipee…!

34. Lac Operon:
Ketika laktosa dan glukosa keduanya tidak tersedia
Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAP
Binding
CAPcAMP
CAP
cAMP
CAP
cAMP
Bind to me
Polymerase
RNA
Pol.
Repressor
Repressor
mRNA
Hey man, I’m
constitutive
Repressor
STOP
Right there
Polymerase
Alright, I’m off to
the races . . .
Come on, let
me through!

36. • How are genes regulated?
They are turned off if there is no need for the enzymes
they code for or turned on when the environment
changes and the enzymes are once again needed
Example
E. coli in an environment without lactose does not
produce the enzymes for lactose digestion. When
lactose is present the enzymes for digestion are
produced.
• Why is this off/on switch important?
Energy is not wasted. It would be similar to having all
the electrical appliances in your house on at once.
Which of course would be very wasteful. Also
unecessary materials would lead to sluggish
functioning .
• How are the genes for a particular metabolic pathway
turned on or off?
On the prokaryote chromosome a combination of
genes and regulatory DNA sequences known as the
operon accomplishes this.
• An example of an operon discovered by Jacob and
Monod in E. coli
The lac operon which is off if no lactose is present but
can be induced to turn on in the presence of lactose.