Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

“The Incredible”: Regulasi Molekuler, Housekeeping Genes vs Stress Inducible Genes

Berbicara tentang gen, banyak sekali hal yang dapat membuat kita berdecak kagum, betapa hebatnya sang Maha Pencipta dengan keteraturan dan ketepatan yang luar biasa. Saat mendengar kata “gen” ataupun DNA (Deoxyribonucleic Acid), apakah yang terlintas di pikiran Anda? Penurunan sifat dari orang tua kepada anaknya? Yah memang mungkin itulah hal yang pertama kali terlintas di pikiran kita. Akan tetapi, benarkah gen hanya berhubungan dengan penurunan sifat dari tetua kepada anaknya? Tentunya tidak. Mengapa? Karena genlah yang mengendalikan semua reaksi kimia dalam tubuh kita, apa, kapan dan di mana harus dibentuk, mulai dari sintesis protein, ekskresi enzim, sekresi, lemak, metabolisme bahan-bahan yang kita makan, sistem reproduksi, hingga respon stres. Genom ibarat bank data raksasa dengan kapasitas yang luar biasa yang menyimpan cetak biru kehidupan kita. Pada tulisan ini akan didiskusikan tentang housekeeping gene vs stress inducible gene pada tanaman sebagai model.

Mahadesain Struktur DNA

DNA tersusun di dalam kromosom, dan kromosom terdapat di dalam inti sel. DNA adalah sebuah polimer yang tersusun dari monomer-monomer nukleotida. Monomernya terdiri dari kompleks gula sederhana, fosfat, dan 4 macam basa nitrogen, A, T, G, C (adenine, timine, guanine, cytosine, dan basa-basa nitrogen ini selalu tersusun berpasangan, A-T, G-C), keempat huruf kode inilah yang berperanan besar sebagai pengkode informasi kehidupan. DNA berbentuk double helix. Kalau kerangka DNA diibaratkan seperti tangga, basa-basa nitrogen tersebut mengisi anak tangganya.

Struktur DNA. (gambar dari: http://ehrig-privat.de/ueg/images/dna-structure.jpg)

Struktur DNA.
(gambar dari: http://ehrig-privat.de/ueg/images/dna-structure.jpg)

Kita ambil contoh pada manusia, ukuran genom manusia adalah 3000 Mb (3 x 109 base pairs). Itu artinya dalam setiap sel kita terdapat 3 miliar pasang basa ATCG ini yang tersebar ke dalam 22+1 kromosom. Informasi yang terkandung di dalam genom kita, sepadan dengan 3 miliar huruf-huruf kimia ini. Bayangkan betapa ini adalah jumlah yang cukup besar, dan dalam setiap manusia dewasa terdapat tidak kurang dari 50 triliun sel. Berarti ada sekitar 1.5 x 1022 pasang informasi genetik ini di dalam tubuh kita. Sungguh suatu jumlah yang mengagumkan.

Struktur Kimia beberapa Basa Nitrogen penyusun DNA.

Struktur Kimia beberapa Basa Nitrogen penyusun DNA.

Kode genetik ini tersimpan dalam untai-untai berukuran mikro yang memiliki berat hanya 1/200 miliar gram dan lebar hanya 1/500.000 mm. Namun jika direnggangkan, dari satu sel saja mereka mempunyai panjang sekitar 3 meter. Lalu mengapa panjang 3 m bisa masuk ke dalam sel yang ukurannya hanya sekian mikron, apalagi adanya di dalam inti sel. Inilah hebatnya desain Sang Pencipta, ada sebuah protein yang dinamakan protein histon, yang berperan untuk mengatur struktur DNA, sehingga bisa berpillin dan menjadi sangat sangat-sangat rapat sehingga bisa pas dengan ukuran sel yang sedemikian kecil.

Sungguh mengagumkan bahwa struktur makhluk hidup yang begitu kompleks dapat ditentukan oleh informasi yang tersimpan hanya dalam 4 huruf kimia. Semua yang terjadi dalam tubuh kita adalah hasil dari reaksi-reaksi biokimia. Mungkin untuk menyebut hidup sebagai sebuah reaksi kimia memang tidak menyenangkan, namun ini memang benar secara ilmiah.

Mungkin ada yang bertanya, apakah DNA  sama dengan gen? jawabannya adalah tidak. Lalu kalau tidak sama, apa pula bedanya? Singkat kata, gen adalah untaian DNA yang diekspresikan, atau fungsional. Disebut fungsional karena gen mengkodekan asam amino yang pada akhirnya membentuk polipeptida atau protein.

Ekspresi gen dalam membentuk polipeptida, kemudian protein.

Ekspresi gen dalam membentuk polipeptida, kemudian protein.

Housekeeping Gene (HKG)

Housekeeping genes adalah sekumpulan gen yang terekspresi terus-menerus yang diperlukan untuk menjaga fungsi-fungsi dasar sel. Gen-gen ini senantiasa bekerja sepanjang waktu sepanjang kita hidup. Misalnya saja gen-gen yang berhubungan dengan metabolisme metabolit primer, aktin, kontraksi otot jantung, dan pemompaan darah dan lain-lain.

Ada berapakah kira-kira jumlah gen manusia yang terekspresi sepanjang waktu? Dari dua sumber yang diperoleh penulis, jawabannya berbeda, karena pendekatan yang digunakan juga berbeda. Ada yang menyimpulkan bahwa jumlah HKG manusia adalah 3.140 – 6.909 gen (penelitian Zu dkk, 2008). Ada juga publikasi yang menyatakan bahwa jumlah HKG manusia adalah 2.064 gen (Chang dkk, 2011). Terlepas dari pendekatan mana yang paling benar, satu hal yang bisa kita simpulkan adalah bahwa jumlah tersebut bukanlah jumlah yang sedikit. Bayangkan sebanyak 2000 lebih gen kita terekspresi terus menerus yang mengatur urusan beragam, tidak bisa dipungkiri lagi tentulah tubuh kita ini merupakan mesin supercanggih dengan kemampuan multitasking yang luar biasa. Bayangkan apa yang terjadi seandainya salah satu saja gen pencerna karbohidrat mogok bekerja, nasi yang kita makan tidak akan bisa diurai. Atau yang lebih ekstrem, bagaimana kalau gen-gen yang berhubungan dengan fungsi jantung tidak bekerja atau bagaimana pula kalau terjadi mutasi ataupun kesalahan replikasi yang mengakibatkan salah satu enzim fungsional tidak terbentuk.

Lalu, apakah ada gen-gen selain HKG? Selain HKG, banyak pula gen-gen yang terekspresi karena rangsangan tertentu yang disebut gen regulatorik. Biasanya gen-gen ini hanya diekspresikan pada saat dibutuhkan, misalnya gen stres. Lalu, ada berapakah total gen manusia? Lagi-lagi ini bukanlah jumlah yang sangat pasti. Dikutip dari laman Human Genome Project, dinyatakan bahwa jumah protein coding gene pada manusia sekitar 30.000. Ini merupakan jumlah yang sangat banyak sekali.

Stress Inducible Genes

Stres didefinisikan dengan semua kondisi lingkungan eksternal dan internal yang mengganggu status fisiologi suatu individu. Berbeda dengan pada hewan dan manusia yang bisa menyelamatkan diri jika kondisi lingkungan tidak optimum (misalnya: di tengah puncak musim dingin, kita bisa pakai pemanas), tumbuhan tidak bisa bergerak, karena itu tumbuhan merespon kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan dengan modifikasi metabolit dan tentunya ini semua dikendalikan oleh gen-gen. Dalam hal ini gen stres-lah yang berperan penting.

Memahami respon stres tumbuhan itu sangat menakjubkan. Kenapa tumbuhan yang kekurangan air, atau tumbuh di kadar garam tinggi itu produksinya menurun? Saat stres tumbuhan sangat sigap, sintesis metabolit ini dan itu, up regulation atau down regulation gen ini dan itu, dan berbagai respon lainnya, yang tentunya semuanya itu butuh energi, dan semuanya tidak lepas dari kerja gen dengan ketepatan dan regulasi yang dahsyat luar biasa.

Dalam kondisi stres kekeringan, tumbuhan akan berusaha untuk bertahan, secara morfologis respon stress bisa terlihat dari pemanjangan akar, menyempitnya daun, Secara fisiologis misalnya menurunnya laju transpirasi. Apa yang terjadi pada tingkat molekuler? Di saat tumbuhan merespon kekurangan air, sinyal akan diteruskan melalui transduksi dan terjadilah regulasi molekuler yang mengaktifkan faktor transkipsi, hormon, dan komponen lainnya yang pada akhirnya mengaktifkan gen-gen yang berperan untuk modifikasi metabolit, pengaturan fisiologi, pemanjangan akar dan respon lainnya. Uniknya setiap gen-gen ini bekerja sangat sigap dan rapih. Ada gen-gen yang diekspresikan saat awal-awal stress, kalau stress berlanjut ada lagi gen-gen lain yang bekerja dan juga tingkat ekspresinya disesuaikan dengan kebutuhan. Ini diatur sedemikian rupa untuk mempertahankan hidupnya. Menariknya, pada umumnya kalau tumbuhan dirangsang dengan stres tertentu bisa memunculkan keuntungan lain, misalnya saja buahnya menjadi lebih manis, atau kandungan zat gizi tertentu lebih tinggi.

Pada kondisi kekeringan, kalau jumlah air yang tersedia sangat sedikit, ada yang namanya mekanisme osmotic adjustment. Pada kondisi kekeringan itu berarti konsentrasi zat terlarut meningkat (lebih pekat) di sekitar perakaran tumbuhan sehingga mekanisme yang harus dilakukan oleh tumbuhan adalah meningkatkan juga konsentrasi cairan selnya supaya seimbang, agar selnya tidak rusak. Oleh karena itu, tumbuhan harus mengakumulasi banyak padatan di dalam selnya yang kebanyakan itu dari golongan gula, umumnya dengan up regulation gen-gen pembentuk golongan gula (glukosa, maltosa atau fruktosa), dan sebaliknya down regulation gen-gen pemecah gula, sehingga konsentrasi cairan sel bisa seimbang dengan lingkungan.

Efek kekeringan terhadap perkembangan tanaman. (Gambar dari http://www.nc-climate.ncsu.edu/edu/k12/.drought)

Efek kekeringan terhadap perkembangan tanaman.
(Gambar dari http://www.nc-climate.ncsu.edu/edu/k12/.drought)

Contoh lainnya pada cold stress, apa hubungannya tingkat kemanisan buah dengan suhu lingkungan? mungkin teman-teman masih ingat tentang sifat koligatif larutan. Salah satunya adalah menurunnya titik beku larutan (titik beku suatu larutan lebih rendah dibanding titik beku air murni). Ini jugalah sebenarnya prinsip mekanisme cold stress pada tumbuhan. Misalnya saja pada saat suhu lingkungan yang sangat dingin, supaya jaringan tumbuhan tidak membeku (tidak rusak), mekanisme yang diambil tumbuhan adalah mengakumulasi zat padat sebanyak-banyaknya sehingga titik bekunya menurun, sesuai dengan prinsip sifat koligatif larutan yang telah disebutkan di atas. Dengan demikian, buahnya menjadi lebih manis. Ini merupakan salah satu target penting para pemulia tanaman, bagaimana caranya untuk merakit varietas tanaman yang buahnya lebih manis namun tetap berproduksi normal pada cekaman abiotik tertentu.

Setiap makhluk hidup mempunyai mekanisme keteraturan yang luar biasa dan setiap ada perubahan lingkungan bisa merespon dengan sigap, rapi, cepat dan tepat. Apakah mungkin gen mempunyai kesadaran untuk berlaku, kapan harus terekspresi, kapan harus sintesis ini dan itu. Tumbuhan saja yang sistem komunikasinya hanyalah dengan transduksi sinyal yang artinya respon disampaikan lewat komunikasi antarsel, bisa merespon sedemikian rapi dan teratur. Apalagi manusia yang merespon berbagai stimulus dari lingkungan yang semuanya dikoordinasikan di saraf otak atau sumsum tulang belakang, pasti mekanismenya jauh lebih kompleks lagi. Sungguh suatu hasil penciptaan yang Maha Sempurna.

Bahan bacaan:

Penulis:
Sri Imriani Pulungan, mahasiswi S2 di School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba, Jepang.
Kontak: srie.mri(at)gmail.com