Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

20Kendali Pengungkapan Gen

Sebuah bakteri yang tumbuh pada glukosa membawa lima molekul enzim yang mencerna laktosa; berilah ia laktosa dan, dalam beberapa menit, ia membawa lima ribu. Sebuah sel hati dan sebuah neuron membawa dua puluh ribu gen yang sama lalu membuat perangkat protein yang hampir seluruhnya berbeda, dan tak satu pun akan pernah membuat perangkat yang lain. Tak ada dalam Bab 19 yang menerangkan hal ini: mesin pengungkapannya sama bagi tiap gen. Yang berbeda adalah apakah sebuah gen dibaca, seberapa sering, dan berapa lama — keputusan yang diambil pada promotornya oleh protein yang mengikat DNA, dan sesudahnya oleh nasib pembawa pesan serta proteinnya. Bab ini memerikan bagaimana bakteri menyalakan dan memadamkan gennya sebagai tanggapan atas makanannya, bagaimana eukariot mengendalikan gennya lewat kromatin, penguat yang jauh dan gabungan faktor, serta bagaimana kendali yang sama, yang diterapkan pada gen yang berbeda dalam sel yang berbeda, membuat sebuah tubuh dari satu genom.

20.1 Mengapa dan di mana gen dikendalikan

Proposisi 20.1 (Pengungkapannya diatur, pada tiap tingkat)

Sebagian gen bersifat konstitutif — selalu diungkapkan, pada aras yang mantap, sebab hasilnya selalu dibutuhkan (protein ribosomnya, enzim glikolisisnya). Sebagian besarnya diatur: diungkapkan hanya pada sebagian keadaan, sebagian sel, sebagian saat. Kendalinya bekerja pada tiap langkah aliran itu — terutama pada awal transkripsinya, tempat termurah untuk memutuskan, tetapi juga pada pemrosesan, ekspor, kemantapan dan translasi pembawa pesannya, serta pada perubahan dan penguraian proteinnya — dan waktu tanggapnya berkisar dari beberapa sekon (sebuah protein yang diubah) lewat beberapa menit (sebuah gen bakteri yang dinyalakan) sampai beberapa hari (sebuah keadaan kromatin yang diubah).

Contoh 20.2 (Membuat enzim hanya ketika dibutuhkan)

Enzim $\beta$ -galaktosidase, yang membelah laktosa, adalah sebuah tetramer berisi empat rantai $1024\,$ residu: lima ribu salinannya adalah $3\,\%$ protein sebuah sel dan memakan biaya $8 \times 10^{7}\,$ ATP tiap generasi. Sebuah bakteri yang membuatnya tanpa laktosa untuk dicerna akan tumbuh sekitar satu persen lebih lambat daripada seorang pesaing yang tidak membuatnya, dan dalam beberapa ratus generasi akan kalah jumlah. Pengaturannya terpilih karena pengungkapannya mahal.

20.2 Operon lac

Definisi 20.3 (Operon, penekan, operator)

Yang disebut operon adalah sekelompok gen bakteri yang ditranskripsikan bersama dari satu promotor menjadi satu pembawa pesan, sehingga dikendalikan bersama. Operon lac E. coli terdiri atas tiga gen bagi pemakaian laktosa — lacZ ( $\beta$ -galaktosidase), lacY (permease laktosa yang mengimpornya) dan lacA — di belakang sebuah promotor dan sebuah operator, yaitu urutan pendek yang bertindih dengan promotornya. Sebuah gen terpisah, lacI, membuat penekan lac, yaitu protein yang mengikat operatornya lalu menghalangi polimerasenya. Laktosa, yang diubah dalam selnya menjadi alolaktosa, adalah penginduksinya: ia mengikat penekannya, mengubah bentuknya, lalu membuatnya melepaskan operatornya. Karena itu operonnya padam kecuali laktosanya hadir — kendali negatif yang diangkat lewat induksi.

Operon lac. Tanpa laktosa penekannya duduk pada operatornya dan polimerasenya tak dapat mulai; dengan laktosa penginduksinya menarik penekannya lepas dan ketiga gennya ditranskripsikan menjadi satu pembawa pesan.

Proposisi 20.4 (Model operonnya)

Gen lac dikendalikan sebuah penekan yang dapat berdifusi yang bekerja pada sebuah sisi di sebelah gennya: kendalinya negatif, penekannya bekerja secara trans (dari mana pun dalam selnya), dan operatornya bekerja secara cis (hanya pada gen di sebelahnya).

Bukti eksperimental. Jacob dan Monod (1959–1961) menalar dari mutannya. Galur yang mutan pada lacI ( $I^-$ ) membuat enzimnya dengan atau tanpa laktosa (konstitutif); sebuah gen lacI yang normal yang dimasukkan pada salinan kedua kawasan itu memulihkan pengaturannya, sehingga hasil gennya adalah sebuah penekan yang dapat berdifusi yang tidak dimiliki mutannya. Galur yang mutan pada operatornya ( $O^c$ ) juga konstitutif, tetapi sebuah operator normal kedua pada salinan yang lain tidak memulihkan pengaturannya — operatornya hanya mengendalikan gen yang terpaut padanya secara fisik, sehingga ia sebuah sisi, bukan sebuah hasil. Golongan ketiga ( $I^s$ ) sama sekali tak dapat diinduksi, dan bersifat dominan: sebuah penekan yang tak lagi mengikat penginduksinya. Dalam percobaan PaJaMo (1959) sebuah gen lacI normal yang dipindahkan lewat konjugasi ke dalam sebuah sel $I^-$ memadamkan sintesis enzimnya dalam beberapa menit: penekannya bekerja cepat, dan pada transkripsinya — pembawa pesannya kemudian terbukti berwaktu paruh beberapa menit. ∎

Definisi 20.5 (Kendali positif: CAP dan cAMP)

Promotor lac itu lemah: bahkan tanpa penekannya, polimerasenya jarang mulai kecuali sebuah protein kedua, CAP (protein pengaktif katabolit), terikat tepat di hulunya, yang membengkokkan DNA-nya lalu memegang polimerasenya di tempat. CAP mengikat DNA hanya ketika membawa AMP siklik, yang arasnya dalam selnya turun ketika glukosanya berlimpah. Karena itu operonnya sepenuhnya nyala hanya ketika laktosanya hadir dan glukosanya tidak ada: dua isyarat, satu negatif dan satu positif, dipadukan pada satu promotor. Bila diberi kedua gulanya, E. coli memakan glukosanya lebih dahulu, berhenti sejenak sementara cAMP-nya naik dan enzim lac-nya dibuat, lalu memakan laktosanya — yaitu kurva pertumbuhan dua tahap yang disebut diauksi, yang diperikan Monod pada 1941 dan yang membawanya ke jalan menuju operonnya.

Pertumbuhan diauksik E. coli pada glukosa ditambah laktosa. Biakannya tumbuh pada glukosa saja, berhenti ketika glukosanya habis, lalu berlanjut pada laktosa sesudah setengah jam yang dibutuhkan untuk menginduksi operon lac-nya. — Pertumbuhan diauksik *E. coli* pada glukosa ditambah laktosa. Biakannya tumbuh pada glukosa saja, berhenti ketika glukosanya habis, lalu berlanjut pada laktosa sesudah setengah jam yang dibutuhkan untuk menginduksi operon lac-nya.

Operon lac yang dibuat tampak: koloni pada sebuah lempeng yang memuat X-gal, yaitu substrat tak berwarna yang diubah -galaktosidase menjadi biru. Koloni biru mengungkapkan lacZ; yang putih membawa gen yang rusak — pelapor yang dipakai dalam seribu percobaan. — Operon lac yang dibuat tampak: koloni pada sebuah lempeng yang memuat X-gal, yaitu substrat tak berwarna yang diubah $\beta$ -galaktosidase menjadi biru. Koloni biru mengungkapkan *lacZ*; yang putih membawa gen yang rusak — pelapor yang dipakai dalam seribu percobaan.

Metode 20.6 (Meramalkan sebuah fenotipe lac)

Tuliskan genotipe tiap salinan kawasannya: $I$ , $P$ , $O$ , $Z$ ( $^+$ normal, $^-$ tak aktif, $O^c$ operator konstitutif, $I^s$ penekan super).
Penekannya bekerja secara trans: satu $I^+$ di mana pun menekan tiap operator normal; $I^s$ menekan apa pun penginduksinya.
Operator dan promotornya bekerja secara cis: sebuah $O^c$ hanya membebaskan $Z$ pada DNA-nya sendiri; sebuah $P^-$ hanya membungkam gennya sendiri.
Tanyakan, dengan dan tanpa penginduksinya, apakah tiap gen $Z^+$ -nya ditranskripsikan; fenotipenya adalah dapat diinduksi, konstitutif atau tak dapat diinduksi sesuai dengan itu. Lalu tambahkan glukosa: tanpa cAMP–CAP, transkripsinya rendah apa pun yang diperbuat penekannya.

Contoh 20.7 (Dua diploid parsial)

$I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : salinan $I^+$ -nya membuat penekan yang mengikat $O^+$ di sebelah $Z^+$ -nya; dapat diinduksi — mutasinya dilengkapi. $I^+\,O^c\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$ : satu-satunya $Z$ yang bekerja duduk di belakang sebuah operator yang tak dapat diikat penekannya; konstitutif — operator normal pada salinan yang lain tak dapat menolong, sebab ia hanya mengendalikan $Z$ yang rusak.

20.3 Siasat bakteri yang lain

Proposisi 20.8 (Penekanan, atenuasi dan faktor sigma)

Operon bagi biosintesis dikendalikan dalam arti yang berlawanan: operon trp, yaitu lima gen bagi pembuatan triptofan, ditranskripsikan kecuali triptofannya hadir — asam aminonya mengikat penekan trp lalu memungkinkannya mengikat operatornya (sebuah korepresor). Kendali kedua yang lebih halus, yaitu atenuasi, memakai penggandengan transkripsi dan translasi pada bakteri: awal pembawa pesannya menyandi sebuah peptida pendek dengan dua triptofan berderet; bila tRNA bermuatan triptofannya berlimpah, sebuah ribosom mentranslasikannya dengan cepat dan RNA di belakangnya melipat menjadi sebuah jepit rambut pengakhir yang menghentikan polimerasenya sebelum gennya; bila triptofannya langka, ribosomnya terhenti pada kodon triptofannya dan RNA-nya melipat secara lain, sehingga membiarkan transkripsinya berlanjut. Bakteri juga menyalakan seluruh perangkat gen dengan mengganti subunit $\sigma$ polimerasenya: sebuah $\sigma$ kejut panas mengarahkannya ke promotor gen pendamping proteinnya; sebuah $\sigma$ sporulasi ke promotor pembentukan sporanya.

20.4 Kendali pada eukariot

Definisi 20.9 (Faktor transkripsi, penguat)

Pada eukariot polimerasenya tak pernah mulai sendiri: faktor umum pada promotornya (Bab 19) merekrutnya, dan lajunya ditetapkan faktor transkripsi yang terikat pada urutan pengatur — sebagian dekat promotornya, banyak dalam penguat yang dapat terletak ribuan pasangan basa jauhnya, di hulu, di hilir atau di dalam sebuah intron, pada arah hadap mana pun, dan bekerja lewat penggelungan DNA-nya sehingga faktor yang terikat padanya menyentuh kompleks promotornya lewat protein perantara. Sebuah faktor transkripsi bersifat bermodul: sebuah ranah pengikat DNA yang mengenali sebuah urutan pendek (keluarga heliks-belok-heliks, jari seng, ritsleting leusina) dan sebuah ranah pengaktif atau penekan yang merekrut atau menghalangi mesinnya. Sebuah gen dibaca ketika gabungan faktor yang tepat hadir: beberapa ratus faktor, dalam gabungan, mengendalikan dua puluh ribu gen.

Kerja penguatnya. Pengaktif yang terikat pada sebuah penguat yang jauh dibawa ke promotornya lewat penggelungan DNA-nya, dan sebuah kompleks perantara meneruskan isyaratnya ke polimerasenya.

Proposisi 20.10 (Kromatin adalah bagian kendalinya)

Sebuah gen yang terbungkus nukleosom yang terkemas menjadi heterokromatin tak dapat dibaca: faktornya tak sanggup mencapainya. Pengaktif merekrut enzim yang mengasetilasi histonnya, sehingga melonggarkan cengkeramannya pada DNA-nya dan menandai kawasan itu sebagai terbuka; penekan merekrut enzim yang menyingkirkan gugus asetilnya lalu menambahkan tanda yang memampatkan kromatinnya. Gugus metil yang ditambahkan pada sitosina sebuah promotor membungkamnya secara awet, dan tandanya disalin pada replikasinya, sehingga pola gen terbuka dan tertutup sebuah sel diwarisi anaknya — yaitu ingatan yang membuat anak sebuah sel hati tetap sel hati (jilid Tahun ke-3 membahas mekanisme epigenetik ini secara mendalam).

Bukti eksperimental. Pada kromosom politen raksasa larva lalat (seribu salinan tiap kromosom berdampingan, berpita), gen yang sedang ditranskripsikan muncul sebagai puf tempat kromatinnya membuka; hormon ekdison, yang memicu pergantian kulit, membuat seperangkat puf tertentu muncul dalam beberapa menit dan yang lain beberapa jam kemudian, dalam urutan yang tetap — transkripsi yang terlihat langsung, dan yang disakelar sebuah isyarat. Gen yang dipindahkan lewat penataan ulang kromosom ke sebelah heterokromatin dibungkam pada sebagian sel dan tidak pada yang lain, dan keadaannya diwarisi anaknya. ∎

Sebuah kromosom politen dari kelenjar ludah seekor lalat: berpita, dengan dua puf tempat kromatinnya membuka bagi transkripsinya. Puf muncul dan lenyap seiring gennya dinyalakan dan dipadamkan.

Contoh 20.11 (Sebuah isyarat menjadi sebuah pola pengungkapan)

Kortisol masuk ke sebuah sel hati lalu mengikat reseptornya, yaitu sebuah faktor transkripsi yang dijaga tak aktif dalam sitosolnya; kompleksnya masuk ke intinya, mengikat sebuah urutan lima belas basa yang hadir dekat seratus gen — gen glukoneogenesisnya termasuk (Bab 16) — lalu merekrut asetilase dan perantaranya: dalam sejam enzim sintesis glukosanya sedang dibuat. Hormon yang sama dalam sebuah limfosit, yang kromatin terbukanya memaparkan perangkat urutan itu yang berbeda, menyalakan gen yang membunuh selnya. Satu isyarat, satu reseptor, dua tanggapan: perbedaannya adalah gen mana yang terjangkau.

20.5 Sesudah transkripsi, dan pembuatan sebuah tubuh

Proposisi 20.12 (Kendali di luar promotornya)

Sebuah sel eukariot juga memutuskan bagaimana sebuah transkrip disambung (penyambungan berselang-selang memberi sebuah otot dan sebuah otak protein yang berbeda dari satu gen), apakah ia diekspor, berapa lama ia bertahan (waktu paruhnya dari beberapa menit bagi pesan protein pengatur sampai beberapa hari bagi pesan hemoglobin, yang ditetapkan urutan pada kawasan tak tertranslasinya yang mengikat protein dan RNA pengatur yang kecil), dan apakah ia ditranslasikan (sel yang kelaparan besi menghalangi translasi pesan feritinnya lewat sebuah protein yang terikat pada ujung $5'$ -nya, lalu melepasnya ketika besinya hadir). Proteinnya, begitu dibuat, dikendalikan lewat perubahan dan penguraiannya (Bab 13). Tiap tingkat yang belakangan lebih cepat dan lebih setempat daripada yang mendahuluinya, dan lebih mahal: transkripsinya memutuskan apa yang dapat dilakukan selnya, tingkat yang belakangan memutuskan apa yang dilakukannya sekarang.

Proposisi 20.13 (Pengungkapan yang berbeda membuat sebuah tubuh)

Tiap sel sebuah organisme bersel banyak membawa genom yang sama; selnya berbeda karena mengungkapkan bagian yang berbeda darinya. Gen rumah tangga — beberapa ribu bagi metabolisme, ribosom, rangka selnya — nyala pada tiap sel; selebihnya dinyalakan pada sebagian sel dan dipadamkan pada yang lain oleh gabungan faktor transkripsi yang dibawa tiap selnya dan keadaan kromatin yang diwarisinya. Prazat sebuah sel merah menyalakan globinnya lalu memadamkan hampir semua yang lain; sebuah neuron menyalakan salurannya lalu tak pernah membelah lagi. Diferensiasi adalah perolehan sebuah pola pengungkapan yang mantap, dan perkembangan (jilid Tahun ke-2) adalah proses yang lewatnya isyarat antarsel menetapkan pola itu di tempat yang tepat.

Bukti eksperimental. Sebuah inti yang diambil dari sebuah sel katak yang terdiferensiasi lalu ditaruh dalam sebuah sel telur yang intinya sendiri telah disingkirkan dapat mengarahkan perkembangan seekor berudu utuh (Gurdon, 1962; diingat kembali dari jilid Sekolah Menengah): sel yang terdiferensiasi itu tidak kehilangan gen, hanya memadamkannya, dan sitoplasma sel telurnya menyetel ulang sakelarnya. Protein sebuah jenis sel, yang dipisahkan pada sebuah gel, berbeda dari protein jenis yang lain; pembawa pesannya, begitu diurutkan, adalah bagian genomnya yang khas baginya; dan segelintir faktor transkripsi yang dimasukkan ke dalam sebuah sel kulit dapat memrogram ulangnya menjadi sebuah sel punca atau sebuah neuron. ∎

Contoh 20.14 (Sebuah gen yang dibaca pada dua organ)

Gen bagi enzim yang membuat glukosa dari glukosa-6-fosfat diungkapkan di hati dan di ginjal dan tidak pada jaringan lain: promotornya membawa sisi bagi faktor yang hanya hadir di sana, dan pada sel yang lain promotornya termetilasi dan kromatinnya tertutup. Sebuah otot, yang membawa gennya secara utuh, tak sanggup melepas glukosa ke dalam darahnya (Bab 16) — bukan karena kekurangan gennya melainkan karena gennya tidak dibaca. Genomnya sama; pengungkapannya adalah organnya.

20.6 Latihan

Latihan 20.1 ★

Sebutkan unsur operon lac dan berikan keadaan operonnya dengan dan tanpa laktosa, dengan dan tanpa glukosa.

Solusi

Solusi Latihan 20.1.

lacI (gen penekannya), promotor, operator, lacZ, lacY, lacA, dan sisi CAP-nya. Tanpa laktosa: padam (penekannya terikat). Laktosa ada, glukosa ada: nyaris tak nyala (penekannya lepas, tetapi tanpa cAMP–CAP). Laktosa ada, tanpa glukosa: nyala penuh. Tanpa kedua gulanya: padam.

Latihan 20.2 ★

Jelaskan perbedaan antara sebuah hasil gen yang bekerja secara trans dan sebuah sisi yang bekerja secara cis, dengan satu contoh masing-masing dari operonnya.

Solusi

Solusi Latihan 20.2.

Sebuah hasil yang bekerja secara trans adalah molekul yang dapat berdifusi yang dapat bekerja pada salinan sasarannya mana pun dalam selnya: penekannya. Sebuah sisi yang bekerja secara cis adalah urutan DNA yang hanya memengaruhi gen yang terpaut padanya secara fisik: operatornya.

Latihan 20.3 ★

Dari gambar diauksinya, bacalah lama jedanya dan waktu lipat dua pada tiap gulanya.

Solusi

Solusi Latihan 20.3.

Jedanya sekitar $36\,\mathrm{min}$ (dari $2\,\mathrm{h}$ ke $2.6\,\mathrm{h}$ ); lipat duanya $20\,\mathrm{min}$ pada glukosa, $30\,\mathrm{min}$ pada laktosa.

Latihan 20.4 ★

Definisikan penguat, faktor transkripsi dan gen rumah tangga.

Solusi

Solusi Latihan 20.4.

Penguat: sebuah urutan pengatur, sering jauh, yang menaikkan transkripsi sebuah gen ketika faktor mengikatnya. Faktor transkripsi: sebuah protein dengan ranah pengikat DNA dan ranah pengaktif atau penekan yang mengatur transkripsinya. Gen rumah tangga: gen yang diungkapkan pada tiap sel pada aras yang mantap.

Latihan 20.5 ★★

Berikan fenotipe (dapat diinduksi, konstitutif, tak dapat diinduksi): $I^-$ ; $O^c$ ; $I^s$ ; $I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ; $I^s\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$ ; $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ .

Solusi

Solusi Latihan 20.5.

$I^-$ : konstitutif. $O^c$ : konstitutif. $I^s$ : tak dapat diinduksi. $I^-/I^+$ : dapat diinduksi (penekan $I^+$ -nya bekerja secara trans). $I^s/I^+$ : tak dapat diinduksi ( $I^s$ dominan). $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$ : dapat diinduksi — satu-satunya $Z$ yang bekerja berada di belakang sebuah operator yang normal.

Latihan 20.6 ★★

Bandingkan operon lac dan trp: apa yang diperbuat molekul kecilnya pada penekannya masing-masing, dan mengapa logikanya berlawanan.

Solusi

Solusi Latihan 20.6.

Lac: gulanya (penginduksi) mengikat penekannya lalu melepaskannya dari operatornya — enzimnya dibuat ketika substratnya hadir. Trp: asam aminonya (korepresor) mengikat penekannya lalu memungkinkannya mengikat — enzimnya dibuat ketika hasilnya tidak ada. Lintasan katabolik dinyalakan oleh masukannya, lintasan anabolik dipadamkan oleh keluarannya.

Latihan 20.7 ★★

Sebuah mutan tak sanggup membuat cAMP. Ramalkan pertumbuhannya pada glukosa, pada laktosa saja, dan pada keduanya, serta aras $\beta$ -galaktosidasenya pada tiap hal.

Solusi

Solusi Latihan 20.7.

Pada glukosa: pertumbuhan normal (glukosa tak memerlukan CAP). Pada laktosa saja: nyaris tak tumbuh — tanpa cAMP, CAP tak dapat mengaktifkan promotor lac-nya, sehingga enzimnya tinggal pada beberapa persen aras terinduksinya bahkan dengan penekannya terlepas. Pada keduanya: tumbuh pada glukosa, lalu berhenti; tak ada tahap kedua. Enzimnya rendah pada tiap halnya.

Latihan 20.8 ★★

Jelaskan mengapa atenuasi mustahil pada eukariot, dari arsitektur sel eukariotnya.

Solusi

Solusi Latihan 20.8.

Atenuasi menuntut ribosomnya mentranslasikan pembawa pesannya sementara polimerasenya masih mentranskripsikannya, sehingga letak ribosomnya membentuk RNA di belakang polimerasenya. Pada eukariot transkripsinya berada dalam intinya dan translasinya dalam sitosolnya, dan pesannya tidak ditranslasikan sampai ia diproses lalu diekspor.

Latihan 20.9 ★★

Sebuah penguat dipindahkan dari $5\,\mathrm{kb}$ di hulu gennya ke $5\,\mathrm{kb}$ di hilirnya lalu dibalik; gennya tetap diungkapkan. Jelaskan apa yang diperlihatkan hal ini tentang cara kerja penguat.

Solusi

Solusi Latihan 20.9.

Penguat bekerja dari jauh, pada arah hadap mana pun dan pada sisi mana pun, sehingga ia tak dapat bekerja lewat dibaca atau lewat menempatkan polimerasenya secara langsung; ia bekerja lewat mengikat faktor yang menyentuh promotornya lewat sebuah gelung DNA, yang jarak dan arah hadapnya sedikit berpengaruh.

Latihan 20.10 ★★★

Lima ribu tetramer $\beta$ -galaktosidase berisi $4096\,$ residu memakan biaya berapa ATP (empat tiap residu)? Anggaran sebuah sel tiap generasi sekitar $1 \times 10^{10}\,$ ATP. Hitunglah kerugian pertumbuhan sebuah mutan konstitutif, dan banyaknya generasi sampai bagiannya dari sebuah populasi campuran turun dari separuh menjadi seperseratus.

Solusi

Solusi Latihan 20.10.

$5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ ATP: $0.8\,\%$ anggarannya. Laju pertumbuhannya lebih rendah $0.8\,\%$ : tiap generasi bagian mutannya turun sebesar faktor $2^{-0.008} = 0.9945$ . Dari $1:1$ ke $1:99$ : $0.9945^n = 1/99$ , $n = \ln 99/0.00555 = 830$ generasi — beberapa minggu biakan sinambung.

Latihan 20.11 ★★★

Sebuah sel hati dan sebuah neuron orang yang sama dibandingkan: genom yang sama, protein yang berbeda, dan tiap pembelahan sel hatinya memberikan sel hati. Jelaskan, dengan kromatin, faktor dan pewarisan tandanya, bagaimana perbedaannya dibuat dan bagaimana ia dipertahankan.

Solusi

Solusi Latihan 20.11.

Tiap jenis sel membawa seperangkat faktor transkripsi yang khas, yang mengikat penguat gennya lalu merekrut asetilase yang membuka kromatinnya, sementara gen jenis yang lain termetilasi dan terkemas menjadi heterokromatin yang tak terjangkau faktor mana pun. Faktornya saling memelihara pengungkapan satu sama lain (sebuah jaringan dengan keadaan yang mantap), dan tanda kromatinnya disalin pada replikasinya, sehingga anaknya mewarisi faktornya maupun kawasan terbuka dan tertutupnya. Genomnya sama; genom yang terjangkau tidak, dan ketakterjangkauannya diwariskan.

Latihan 20.12 ★★★

“Sebuah bakteri membaca lingkungannya; sebuah sel sebuah tubuh membaca sejarahnya.” Bahaslah dalam satu paragraf kedua macam kendalinya, isyaratnya, skala waktunya dan keberbalikannya.

Solusi

Solusi Latihan 20.12.

Kendali sebuah bakteri disetel menurut mediumnya: sebuah gula, sebuah asam amino, sebuah suhu mengikat sebuah penekan atau sebuah faktor sigma dan tanggapannya lengkap dalam beberapa menit lalu dibalik begitu isyaratnya pergi — pengungkapannya mengikuti lingkungannya. Sebuah sel sebuah tubuh juga menjawab isyarat, tetapi keputusan utamanya diambil selama perkembangannya lalu dikunci dalam kromatinnya: apa yang dapat diungkapkannya ditetapkan faktor yang diwarisinya dan tanda pada DNA-nya, yang hanya berubah lewat pembelahan dan sebagian besarnya tak berbalik. Bakterinya adalah pembaca masa kini; sel yang terdiferensiasi memiliki sebuah ingatan yang menjadi jati dirinya.

20.7 Soal: Diauksi

Soal 20.1

Soal akhir pekan — kurva pertumbuhan dua tahap Monod yang disusun ulang sel demi sel: glukosanya yang habis, laktosanya yang diinduksi, enzimnya yang dihitung, mutannya yang diramalkan dan biaya pengaturannya yang diperhitungkan, berakhir pada faktor induksi $\beta$ -galaktosidase

Sebuah biakan E. coli mulai pada $10^7$ sel tiap mililiter dalam sebuah medium berisi $0.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ glukosa dan $1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ laktosa. Pada glukosa selnya berlipat dua tiap $20\,\mathrm{min}$ , pada laktosa tiap $30\,\mathrm{min}$ ; sebuah sel memerlukan $1.5 \times 10^{-12}\,\mathrm{g}$ gula tiap pembelahan ( $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ bagi glukosa; laktosa, $342\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , dihitung sebagai dua glukosa). Sel yang belum terinduksi memegang 5 molekul $\beta$ -galaktosidase; yang terinduksi penuh, $5000$ . Induksinya memakan $30\,\mathrm{min}$ . Enzimnya adalah tetramer berisi $4\times 1024$ residu; tiap residu memakan biaya 4 ATP; anggaran ATP sebuah sel adalah $10^{10}$ tiap pembelahan dan proteinnya $1.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}$ ( $110\,\mathrm{Da}$ tiap residu).

Bagian I — Tahap glukosanya.

Hitunglah glukosa yang tersedia tiap mililiter, dalam gram.
Berapa banyak pembelahan tiap mililiter yang dapat ditopangnya?
Mulai dari $10^7$ sel, berapa banyak sel yang ada ketika glukosanya habis? (Sebuah pembelahan membuat satu sel baru.)
Berapa kali lipat dua itu, dan berapa lama tahap glukosanya berlangsung?
Selama tahap ini, bagaimana keadaan operon lac-nya, dan mengapa, dalam istilah molekul (penekan dan CAP)?

Bagian II — Sakelarnya.

Ketika glukosanya habis, apa yang naik di dalam selnya dan apa yang diikatnya?
Laktosanya hadir sejak semula. Mengapa operonnya tetap saja nyaris padam selama tahap glukosanya?
Selama jeda $30\,\mathrm{min}$ itu tiap sel membuat $5000$ enzimnya. Hitunglah molekul enzim yang dibuat tiap sekon tiap selnya, dan residu tiap sekonnya.
Sebuah sel memegang $20\,000$ ribosom pada $20\,$ residu tiap sekon. Berapa fraksi translasinya yang dikerahkan bagi $\beta$ -galaktosidase selama jedanya?
Hitunglah massa $5000$ tetramernya dan fraksi protein selnya yang diwakilinya.
Hitunglah faktor induksinya.
Mengapa permeasenya (lacY) sama perlunya dengan enzimnya bagi pertumbuhan pada laktosa, dan apa yang terjadi pada sebuah mutan lacY $^-$ yang diberi laktosa?

Bagian III — Tahap laktosanya.

Hitunglah laktosa yang tersedia tiap mililiter dalam setara glukosa, dalam gram.
Berapa banyak pembelahan lanjutan yang ditopangnya, dan berapa cacah sel akhirnya?
Berapa lama tahap laktosanya berlangsung?
Susunlah garis waktunya: tahap glukosa, jeda, tahap laktosa, seluruhnya.
Jelaskan mengapa waktu lipat duanya lebih lama pada laktosa (dua alasan: satu tentang langkah enzimnya, satu tentang permeasenya).

Bagian IV — Mutan dan biayanya.

Sebuah mutan $I^-$ : perikan kurva pertumbuhannya pada medium yang sama dan aras enzimnya sepanjang itu.
Sebuah mutan CAP $^-$ : perikan kurvanya dan aras enzimnya.
Sebuah mutan $O^c$ dalam medium berlaktosa saja: adakah perbedaannya dari tipe liarnya? Dan dengan glukosa saja?
Hitunglah biaya ATP tiap generasi untuk membuat $5000$ tetramernya, dan fraksinya dari anggaran selnya.
Bila fraksi itu memperpanjang waktu generasinya sebesar fraksi yang sama, seberapa besar laju pertumbuhan mutan $I^-$ -nya tertinggal dari tipe liarnya pada glukosa?
Mulai dari jumlah yang sama, sesudah berapa generasi pada glukosa mutannya menjadi sepersepuluh populasinya? ( $r^n = 0.1/0.9$ dengan $r$ rasio laju pertumbuhannya tiap generasi, yakni $2^{-\delta}$ bagi ketertinggalan $\delta$ dalam lipat dua.)
Jelaskan mengapa, meskipun demikian, mutan $I^-$ lazim pada galur laboratorium yang ditumbuhkan pada laktosa.
Nyatakan hasilnya: faktor induksi $\beta$ -galaktosidase, biaya membuatnya tanpa perlu sebagai fraksi anggaran ATP-nya, dan waktu total percobaan diauksinya.

Solusi

Solusi Soal 20.1.

1. $0.5\times 10^{-3}\times 180 = 0.09\,\mathrm{g}/\mathrm{L} = 9 \times 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . 2. $9\times 10^{-5}/1.5\times 10^{-12} = 6 \times 10^{7}$ pembelahan. 3. $10^7 + 6 \times 10^{7} = 7 \times 10^{7}$ sel tiap mL. 4. $7 = 2^n$ : $n = 2.8$ kali lipat dua, $56\,\mathrm{min}$ . 5. Padam: laktosanya (alolaktosa) telah melepaskan penekannya, tetapi glukosanya menjaga cAMP tetap rendah, sehingga CAP tidak terikat dan promotornya nyaris bisu; lagi pula permeasenya langka, sehingga sedikit laktosa yang masuk. 6. cAMP naik lalu mengikat CAP, yang mengikat promotornya. 7. Kendali negatifnya diangkat tetapi kendali positifnya tak ada: sebuah promotor lemah tanpa CAP jarang mulai (penekanan katabolit). 8. $5000/1800 = 2.8$ tetramer tiap sekon; $2.8\times 4096 = 11\,400$ residu tiap sekon. 9. Kemampuannya $20\,000\times 20 = 4 \times 10^{5}$ residu tiap sekon: $3\,\%$ ribosomnya. 10. $5000\times 4096\times 110\times 1.66\times 10^{-24} = 3.7 \times 10^{-15}\,\mathrm{g}$ : $2.5\,\%$ protein selnya. 11. $5000/5 = 1000$ . 12. Laktosa tak dapat melintasi membrannya tanpa permeasenya; sebuah mutan lacY $^-$ memiliki enzimnya tetapi tak memiliki substrat di dalamnya dan tidak tumbuh pada laktosa (dan tidak terinduksi dengan baik pula, sebab penginduksinya dibuat dari laktosa di dalam selnya). 13. $1.0\times 10^{-3}\times 342 = 0.342\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ , yang senilai $2\times 180 = 360\,\mathrm{g}$ glukosa tiap mol, yakni $0.36\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ $= 3.6 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . 14. $3.6\times 10^{-4}/1.5\times 10^{-12} = 2.4 \times 10^{8}$ pembelahan; akhirnya $7 \times 10^{7} + 2.4 \times 10^{8} = 3.1 \times 10^{8}$ tiap mL. 15. $3.1/0.7 = 4.4 = 2^n$ : $n = 2.1$ kali lipat dua, $64\,\mathrm{min}$ . 16. Glukosa $56\,\mathrm{min}$ , jeda $30\,\mathrm{min}$ , laktosa $64\,\mathrm{min}$ : $150\,\mathrm{min}$ seluruhnya. 17. Laktosanya harus dihidrolisis lebih dahulu, sebuah langkah enzim tambahan yang lajunya membatasi pasokan glukosanya; dan permeasenya memakai gradien protonnya untuk mengimpornya, sebuah biaya yang tidak dibayar pengangkutan glukosanya. 18. $I^-$ : enzimnya $5000$ sepanjang itu (konstitutif, begitu glukosanya habis; pada glukosa CAP masih membatasinya, sehingga arasnya pertengahan); jedanya lebih pendek atau tak ada, sehingga kurvanya memperlihatkan jeda yang lebih kecil; biayanya sedikit memperlambatnya pada glukosa. 19. CAP $^-$ : tumbuh pada glukosa sampai $7 \times 10^{7}$ , lalu berhenti: operon lac-nya tak dapat diaktifkan, enzimnya tinggal dekat 5 molekul, dan laktosanya tak pernah terpakai. 20. Pada laktosa saja: tak ada perbedaan pada aras enzimnya begitu terinduksi (keduanya nyala penuh) dan pada dasarnya tak ada pada pertumbuhannya; $O^c$ sekadar tidak mengalami tundaan induksinya. Pada glukosa saja: $O^c$ membuat enzimnya tanpa guna (sejauh yang diizinkan CAP), tipe liarnya tidak. 21. $5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ ATP: $0.8\,\%$ dari $10^{10}$ . 22. Waktu generasinya lebih panjang $0.8\,\%$ : laju pertumbuhannya lebih rendah $0.8\,\%$ , $\delta = 0.008$ kali lipat dua tiap generasi. 23. $r = 2^{-0.008} = 0.99447$ ; $r^n = 0.111$ : $n = \ln 0.111/\ln 0.99447 = 2.20/0.00555 = 400$ generasi. 24. Pada laktosa enzimnya memang dibutuhkan, sehingga mutannya tidak membayar apa pun lalu memperoleh jedanya: ia tidak terpilih lawan, dan kadang terpilih menguntungkan; lagi pula galur laboratorium ditumbuhkan demi kemudahan, bukan demi persaingan. 25. Faktor induksinya 1000 (5 ke $5000$ molekul); sintesis yang tak perlu memakan biaya $0.8\,\%$ anggaran ATP-nya; percobaannya berlangsung sekitar dua setengah jam.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium