GENETIKA MIKROBA

GENETIKA MIKROBA

            Material genetik bakteri dan terdiri atas kromosom dan plasmid. Keduanya terdiri atas DNA. Material genetik virus terdiri atas DNA atau RNA.  Dua fungsi utama materi genetik adalah replikasi dan ekspresi. Material genetik harus bereplikasi secara akurat sehingga dihasilkan 2 replikan (anakan) yang identik dengan induknya. Materi genetik juga terekspresi dalam bentuk karakter terobservasi atau fenotip.

ORGANISASI GENOM

            Molekul DNA yang dapat bereplikasi sebagai unit genetik pada bakteri disebut replikon. Pada beberapa bakteri replikon hanya berupa kromosom (genom), tetapi sebagian besar bakteri replikon terdiri dari kromosom dan plasmid.

Kromosom

            Genom bakteri  bervariasi dari 0,4x10⁹ Dalton sampai 8,9x10⁹ Dalton. Jumlah DNA dalam genom menentukan jumlah maksimum yang informasi genetik yang dapat dikode. Sebagian besar bakteri memiliki genom haploid (kromosom tunggal) dan sirkuler. Namun beberapa bakteri gram positif seperti Borrelia dan Streptomyces memiliki kromosom linier. Bakteri gram negatif Agobacterium tumefaciens memiliki kromosom linier dan sirkuler. Bakteri E. coli saluran pencernaan memiliki ukuran genom 3X10⁹ Dalton dengan 4.500 kilo pasang basa (kbp). Genom E. coli tersebut hanya 0,1% (dibandingkan genom manusia), tetapi mampu mengkode ribuan polipeptida.

            Kemampuan bakteri bereplikasi sangat cepat. E. coli mampu mereplikasi DNA hanya dalam waktu 40 menit. Namun pada bakteri yang tumbuh cepat replikasi dapat dimulai sebelum replikasi DNA selesai.

Plasmid

            Plasmid adalah material genetik ektrakromosomal. Ukuran plasmid lebih kecil daripada kromosom. Plasmid biasanya mengkode polipeptida yang tidak penting bagi pertumbuhan secara langsung. Plasmid berbentuk sirkuler, tetapi terdapat plasmid berbentuk linier seperti terlihat pada Borrelia dan Streptomyces. Plasmid dibedakan menjadi 2, yaitu plasmid konjugatif dan non-konjugatif. Plasmid konjugatif adalah plasmid yang mampu didonorkan ke resepien, sedangkan plasmid non-konjugatif tidak dapat didonorkan. Plasmid non-konjugatif biasanya berukuran kurang dari 7,5 kbp dan biasanya berjumlah banyak (10—20 perkromosom). Plasmid didistribusikan secara acak ke sel anakan.

            Meskipun plasmid tidak berperan langsung dalam pertumbuhan, tetapi plasmid memiliki fungsi penting secara medis. Fungsi penting plasmid secara medis, yaitu kemampuan plasmid mengkode polipeptida resistensi antibiotik, toksin, struktur permukaan sel untuk perlekatan dan kolonisasi. Plasmid yang berperan dalam resistensi antibiotika disebur plasmid R atau faktor R. 

DNA (ASAM NUKLEAT)

            Asam nukleat merupakan polimer nukleotida. Setiap nukleotida terdiri atas fosfat, pentosa, dan basa. Pentosa asam nukleat adalah ribosa atau deoksiribosa, sedangkan basa asam nukleat adalah adenin dan guanin (purin) dan timin, urasil, dan sitosin (pirimidin). DNA berbeda dengan RNA dalam 2 hal, struktur dan komposisi asam nukleat. Struktur DNA adalah pita heliks ganda (Gambar 8.1), sedangkan RNA adalah pita heliks tunggal (beberapa virus memiliki RNA ganda). Komposisi gula pentosa dan basa pirimidin DNA adalah deoksiribosa dan timin dan sitosin. Komposisi gula pentosa dan basa pirimidin RNA adalah ribosa dan urasil dan sitosin. DNA bakteri baik kromosom maupun plasmid berbentuk sirkuler.

Gambar 8.1 Struktur DNA heliks ganda yang bergerak antipararel. Diameter heliks ganda adalah 2 nm dan panjang satu putaran penuh heliks ganda adalah 3,4 nm yang terdiri atas 10 pasang basa.

Replikasi DNA

            DNA heliks ganda tereplikasi menjadi 2 DNA heliks ganda, di mana ke-2 DNA heliks ganda mewarisi masing-masing 1 pita DNA induk (Gambar 8.2). Oleh karena itu tipe replikasi DNA adalah semikonservatif. Replikasi DNA dimulai dari tempat yang disebut awal replikasi (origin of replication).

           

Gambar 8.2 Autoradiografi replikasi kromosom bakteri E. coli.

Replikasi DNA dimulai dengan terbukanya pita DNA heliks ganda di daerah awal replikasi. Dengan terputusnya ikatan atarbasa, maka enzim DNA polimerase dapat bekerja menyintesis pasangan basa baru. Dengan demikian masing-masing pita DNA berperan sebagai cetakan (template) bagi DNA anakan. Replikasi DNA bergerak 2 arah (biodireksi) dengan enzim DNA polimerase berbeda untuk masing-masing arah. Replikasi berakhir ketika kedua enzim DNA polimerase bertemu (sekitar 180° dari awal replikasi).  Masing-masing DNA polimerase menyintesis 2 pita DNA anakan dengan cetakan 2 pita induknya. Karena DNA polimerase bergerak satu arah (dari 3’ ke 5’ DNA induk atau 5’ ke 3’ DNA anakan), maka terjadi 2 tipe sintesis pita DNA anakan yaitu pita menerus (leading strand) dan pita sendat (lagging strand). Pita menerus adalah pita DNA anakan yang dicetak tanpa putus. Pita sendat adalah pita DNA anakan yang dicetak terputus-putus. Urutan replikasi DNA adalah pemisahan 2 pita DNA induk, sintesis RNA primer, sintesis DNA anakan, pengantian RNA primer dengan DNA, dan penyambungan pita DNA anakan (menjadi pita sirkuler).

EKSPRESI DNA

            DNA bakteri terekpresi melalui beberapa tahapan, yaitu transkripsi, translasi, dan maturasi protein. Disebut transkripsi karena terjadi sintesis nonidentik dari DNA menjadi RNA. Seperti diketahui DNA dan RNA berbeda. Disebut traslasi karena urutan RNA diubah menjadi urutan asam amino. Disebut maturasi karena terjadi proses finishing, sehingga urutan asam amino awal (nonfungsional) berbeda dengan urutan asam amino baru (fungsional).

Transkripsi

            DNA ditranskripsi menjadi RNA. Pita DNA yang menjadi cetakan disebut DNA template. Karena RNA hasil transkripsi membawa “pesan” untuk ditranslasi, maka RNA tersebut disebut RNA messenger (mRNA). Urutan basa mRNA sama dengan urutan basa DNA non-template, kecuali timin diganti urasil. Enzim yang berperan dalam sintesis mRNA adalah enzim RNA polimerase. Urutan DNA yang ditranskrip dapat terdiri atas 1 gen atau lebih. Transkripsi yang multigen terjadi pada gen-gen yang terekspresi dalam suatu paket fungsional. 

            Transkripsi DNA terdiri atas 3 tahap, yaitu inisiasi, pemanjangan, dan penghentian. Inisiasi melibatkan pengikatan RNA polimerase ke DNA template. Elongasi adalah proses sintesis mRNA oleh RNA polimerase. Penghentian meliputi penghentian pemanjangan dan pelepasan mRNA dari DNA template.

 Translasi

            Proses translasi lebih kompleks daripada replikasi dan transkripsi. Translasi melibatkan 4 hal, yaitu mRNA, tRNA, ribosom, dan asam amino. mRNA adalah kode yang akan diterjemahkan. tRNA adalah penterjemah mRNA. Ribosom adalah tempat terjadingan penerjemahan. Asam amino adalah hasil terjemahan kode mRNA oleh tRNA. Ribosom terdiri atas 2 subunit, yaitu subunit besar dan subunit kecil. Ke-2 subunit bergabung jika terjadi translasi.

Translasi mRNA oleh ribosom dapat terjadi sebelum transkripsi selesai dan translasi dapat dilakukan oleh banyak robosom (poliribosom). Mekanisme demikian memungkinkan pertumbuhan dan respons bakteri yang luar biasa cepat. Translasi dimulai dari masuknya mRNA ke dalam ribosom (subunit kecil). Urutan translasi adalah sebagai berikut. mRNA terikat pada subunit kecil ribosom. Dengan terikatnya mRNA, maka subunit besar berasosiasi dengan subunit kecil menghasilkan ribosom utuh. Proses penterjemahan berlangsung dengan terjadinya proses penterjemahan mRNA oleh tRNA menjadi asam amino. Proses penterjemahan berhenti ketika tRNA mengenali kode berhenti pada mRNA.

Kode awal mRNA adalah AUG. Proses terjemahan mRNA berlangsung per 3 kode (triplet kodon). Terdapat 64 kode untuk 20 asam amino, sehingga terdapat lebih dari 1kode untuk 1 asam amino (Tabel 8.1). Dengan demikian terdapat 64 tRNA berasosiasi dengan 20 asam amino. 

Tabel 8.1 Triplet kodon asam amino pada mRNA

Kode pertama	Kode kedua				Kode ketiga
	U	C	A	G
U	Fenilalanin Fenilalanin Leusin Leusin	Serin Serin Serin Serin	Tirosin Tirosin Stop Stop	Sistein Sistein Stop Triptofan	U C A G
C	Leusin Leusin Leusin Leusin	Prolin Prolin Prolin Prolin	Histidin Histidin Glutamin Glutamin	Arginin Arginin Arginin Arginin	U C A G
A	Ileusin Ileusin Ileusin Metionin	Treonin Treonin Treonin Treonin	Asparagin Asparagin Lisin Lisin	Serin Serin Arginin Arginin	U C A G
G	Valin Valin Valin Valin	Alanin Alanin Alanin Alanin	Aspartat Aspartat Glutamat Glutamat	Glisin Glisin Glisin Glisin	U C A G

Maturasi Protein

            Proses maturasi terjadi selama proses translokasi protein dari sitoplasma ke lokasi kerja protein tersebut (di dalam sel, diluar sel, atau dimebran sel). Protein fungsional lebih pendek daripada protein mentah hasil sintesis. Bagian protein yang dihilangkan biasanya pada bagian urutan awal protein mentah. Urutan awal protein mentah berfungsi dalam proses translokasi protein.

MUTASI

            Mutasi adalah perubahan urutan DNA genom dan diwariskan. Mutasi spontan jarang terjadi pada bakteri. Beberapa mutasi dapat mengubah karakter fenotip. Para ahli mikrobiologi sepakat bahwa organisme referensi disebut tipe liar dan turunan yang mengalami mutasi disebut mutan. Jadi mutan adalah organisme yang berbeda dengan nenek moyangnya yang liar.

Deteksi Mutan

            Media selektif dan difensial sangat membantu dalam mengisolasi bakteri mutan. Beberapa media selektif dapat menumbuhkan bakteri mutan tertentu, tetapi tidak menumbuhkan bakteri tipe liar. Namun kebanyakan media selektif bekerja sebaliknya. Media diferensial dapat membedakan kenampakan koloni bakteri tipe liar dan mutan. E. coli mutan (resisten streptomisin) biasanya secara spontan terjadi setiap 10⁹ koloni bakteri E. coli tipe liar (sensitif streptomisin). Mutan E. coli ini dapat mudah diisolasi dengan media selektif berisi streptomisin. Mutasi yang terjadi pada gen esensial pada organisme haploid biasanya letal. Meskipun demikian organisme mutan letal dapat diisolasi dan dipelajari dengan manipulasi faktor-faktor pertumbuhan.

Dasar Molekuler Mutasi

            Mutasi dikelompokan berdasarkan perubahan strukturan pada DNA (Tabel 8.2). beberapa mutasi terjadi pada segmen pendek DNA seperti substitusi nukleotida, mikrodelesi, dan mikro insersi. Mutasi lainnya dapat terjadi pada segmen panjang DNA seperti delesi, insersi, dan aransemen ulang segmen DNA. Ketika substitusi nukleotida terjadi pada urutan DNA yang mengkode asam amino, maka terdapat 3 kemungkinan, yaitu terjadi perubahan asam amino (mutasi missense), penghentian translasi (mutasi nonsense) dan tidak ada perubahan (mutasi diam). Jika terjadi mikordelesi atau mikroinsersi 1 atau 2 nukleotida, maka akan terjadi perubahan pengkodean (frameshift ) asam amino dari awal terjadinya mutasi sampai ke akhir. Tentusaja frameshift urutan asam amino akan mengubah struktur polipeptida, sehingga kemungkinan besar terjadi nonfungsional polipeptida.

Tabel 8.2 Jenis jenis mutasi

Perubahan pada DNA	Pengaruh terhadap struktur polipeptida	Pengaruh terhadap fungsi polipeptida	Jenis Mutasi
Substitusi nukleotida Mikrodelesi atau mikroinsersi Insersi Delesi	1.   Tidak ada 2.   Substitusi asam amino 3.   Penghentian prematur Frameshift urutan asam amino Berubah Berubah	1.  Tidak ada 2.  Bervariasi 3.  Kehilangan fungsi Kehilangan fungsi Kehilangan fungsi Kehilangan fungsi	1.    Mutasi diam 2.    Mutasi missense 3.    Mutasi Nonsense Mutasi frameshift Insersi Delesi

PERUBAHAN INFORMASI GENETIK

            Mikroba jarang bereproduksi secara seksual. Reprduksi seksual akan meningkatkan probabilitas, sehingga keanekaragaman genotip dan fenotip terjadi. Namun mikroba khususnya bakteri mampu melakukan interaksi genetik di antara sesama species maupun genus. Interaksi genetik ini dapat mengubah karakteristik fenotip, seperti variasi flagela pada Salmonella, variasi antigenik permukaan pada Neisseria dan Borrelia.

Gambar 8.3 Jenis-jenis interaksi genetik pada bakteri.

Interaksi genetik pada bakteri dibedakan menjadi 3, yaitu konjugasi, transformasi, dan transduksi. Konjugasi adalah interaksi genetik secara langsung (terjadi kontak) antara donor dan resepien. Transformasi adalah interaksi genetik secara tidak langsung antara donor dan resepien, di mana donor melepaskan materi genetik ke lingkungan, sedangkan resepien menyerap materi genetik donor tersebut. Transduksi adalah interaksi genetik secara tidak langsung antara 2 donor dan resepien dan melalui perantara (bakteriofag), di mana donor menginsersikan materi genetik ke dalam materi genetik bakteriofag dan resepien menerima materi genetik dari donor setelah terinfeksi bakteriogag. Hasil interaksi genetik disebut rekombinan. Ilustrasi ketiga model interaksi genetik dapat dilihat pada Gambar 8.3.

Konjugasi

            Konjugasi memerlukan kontak langsung antara donor dan resepien. Kontak terjadi melalui jembatan konjugasi (pili) maupun tanta jembatan konjugasi. Donor merupakan bakteri yang memiliki kemampuan mendonorkan materi genetik baik melalui jembatan konjugasi (pili) ataupun tidak. Kemampuan tersebut terletak pada plasmid. Oleh karena itu plasmid yang mampu mendonorkan materi genetik disebut plasmid F atau plasmid seksual.

            Setiap bakteri F+ memiliki 1—3 pili yang mampu mengikat protein membran sel resepien untuk memulai proses inisiasi konjugasi (Gambar 8.4). Setelah terjadi kontak, maka pili berubah fungsi menjadi jembatan konjugasi. Jembatan konjugasi biasanya memendek untuk mempermudah proses konjugasi. Plasmid bakteri donor memisah menjadi 2 pita tunggal dan salah satu untai plasmid ditransfer ke bakteri resepien. Pada proses transfer pita DNA plasmid, bakteri donor segera mengganti pita terdonor dengan mekanisme replikasi. Ketika bakteri resepien menerima DNA, maka dia juga melakukan replikasi untuk DNA baru sehingga DNA plasmid donor menjadi 2 untai.

Gambar 8.4 Proses konjugasi plasmid.

            Plasmid F pada E. coli dapat dapat berintegrasi dengan kromosom bakteri (Gambar 8.5). Hal ini dapat terjadi karena kromosom dan plasmid F E. coli memiliki elemen urutan insersi. Integrasi intragenetik disebut mutasi horisontal dan menghasilkan rekombinan yang mempunyai kemampuan mentransfer kromosom (konjugasi) tinggi.

Gambar 8.5 Mutasi horisontal. F^- adalah sel nonkonjugatif, F⁺ adalah sel konjugatif, Hfr sel rekombinan dengan kemampuan frekuensi tinggi konjugasi, F’ adalah sel berplasmid dengan gen kromosomal.

            Konjugasi tanpa jembatan konjugasi terjadi pada bakteri gram positif. Bakteri gram positif menghasilkan adesin untuk agregasi antara sel donor dan sel resepien, tetapi tidak melibatkan pili. Pada beberapa species Streptococcus resepien menghasilkan feromon seksual untuk menarik Streptococcus donor mendekat dan melakukan kontak.

Transformasi

            Pada transformasi bakteri donor melepaskan sepotong pita ganda DNA dan bakteri resepien menerima/menyerap hanya 1 pita DNA saja. Materi genetik yang ditransfer melalui transformasi dapat DNA kromosom maupun DNA plasmid. Transformasi alami ditemukan pada Streptococcus pneumoniae, Haemophilus, Neisseria, Bacillus, dan Staphylococcus. Bakteri yang biasanya tidak mampu (tidak kompeten) mengambil DNA dari lingkungan dapat menjadi kompeten dengan manipulasi eksperimental, seperti kejutan elektrik voltase tinggi, kejutan kalsium, penambahan urutan nukleotida tertentu. Bakteri kompeten juga dapat menyerap semua DNA bakteriofag (transfeksi) maupun seluruh plasmid dan mereplikasikannya di dalam sel. Namun jika yang terserap hanya sebagian materi geneti, maka materi genetik tersebut tidak terekspresi dan tereplikasi sebelum terintegrasi ke dalam replikon.

Transduksi

            Pada transduksi, bakteriofag berfungsi sebagai “carrier” DNA dari donor ke resepien. Ketika bakteriofag menginfeksi bakteri donor, maka bakteri donor mengalami lisis (mati) dan bakteriofag melepaskan diri. Namun ketika bakteriofag menginfeksi bakteri resepien, maka bakteri resepien tidak mengalami lisis.

            Transduksi dibedakan menjadi transduksi umum (generalized transduction), transduksi abortif (abortive transduction), dan transduksi khusus (specialized transduction). Transduksi umum menghasilkan rekombinan yang mampu mengekspresikan DNA donor, sedangkan transduksi abortif tidak. Transduksi khusus berbeda dengan transduksi umum dalam hal bakteriofag yang mampu menginfeksi hanya bakteriofag tertentu.

REKOMBINASI

            Rekombinasi melibatkan pemutusan DNA resepien dan pengabungan DNA donor ke DNA induk menghasilkan hibrida (molekul rekombinan). Enzim khusus yang berperan dalam rekombinasi DNA adalah eksonuklease, endonuklease, polimerase, dan ligase.

            Rekombinasi umum (generalized recombination) melibatkan DNA donor dan resepien yang memiliki urutan homolog. Perubahan resiprokal dapat terjadi pada rekombinasi umum. Produk gen recA sangat penting dalam rekombinasi umum, tetapi produk gen lainnya juga berperan. Rekombinasi lokasi khusus (site-specific recombination) hanya dapat terjadi pada lokasi khusus pada DNA donor dan resepien. Produk gen recA tidak berperan dalam rekombinasi lokasi khusus. Integrasi molekul DNA bakteriofag 1 ke kromosom E. coli pada lokasi khusus (attachment site; att) merupakan contoh rekombinasi lokasi khusus  (Gambar 8.6).

Gambar 8.6 Rekombinasi lokasi khusus yang menghasilkan rekombinasi resiprokal

Kloning

            Banyak metode untuk menghasilkan hibridisasi DNA secara in vitro (DNA rekombinan). Metode tersebut meliputi isolasi gen khusus pada replikon hibrid, menentukan urutan nukleotida, dan membuat mutasi pada lokasi yang ditentukan (site-directed mutation). Klon adalah populasi organisme atau molekul yang diperoleh dari reproduksi aseksual dari nenek moyang tunggal. Kloning gen adalah proses penggabungan gen asing ke replikon DNA hibrid. Kloning gen dapat terekspresi pada sel yang cocok dan fenotipnya dapat dianalisis.

            Beberapa konsep dasar dalam kloning gen adalah sebagai berikut. Pertama harus tersedia fragmen DNA donor (diperoleh dengan metode mekanik atau enzimatik). Dipersiapkan enzim endonuklease retriksi khususnya klas II, sehingga dihasilkan fragmen dengan kedua ujung yang siap disisipkan (ujung lancip atau ujung rata), mempersiapkan vektor kloning dapat berupa fag, plasmid tergantung ukuran DNA yang hendak disisipkan (fag dan plasmid hanya menerima 10 kb DNA asing, cosmid fag P1 mampu menerima 100 kb DNA asing). Vektor kloning harus dapat mengenali promotor dan regulator ekspresi lainnya dari DNA asing. Kedua menghasilkan replikon hibrid yang terdiri atas fragmen DNA donor dan vektor kloning dengan enzim ligase untuk meggabungkan DNA donor ke vektor kloning (Gambar 8.7). Terakhir mengintroduksikan replikon hibrid ke dalam sel yang cocok sehingga dapat dilihat ekspresi gen asing yang disisipkan. Introduksi replikon hibrid dapat secara langsung (transformasi atau transfeksi) atau secara tidak langsung (transduksi)

Tabel 8.3 Spesifikasi enzim endonuklease retriksi klas II

Enzim	Diisolasi dari	Daerah pengenalan		Struktur fragmen
		kilobasa	5’®3’
Sau3A NlaIII DpnI SspI PstI EcoRI ClaI NorI	Staphylococcus aureus Neissaria lactamica Diplococcus pneumoniae Sphaerotilus natans Providencia stuartii Escherichia coli Caryophanon latum Nocardia otitidis-caviarum	4 4 4 6 6 6 6 8	¯GATC CATG¯ GA¯TC AAT¯AAT CTGCA¯G G¯AATTC AT¯CGAT GC¯GGCCGC	Lancip ujung 5’ Lancip ujung 3’ Rata Rata Lancip ujung 3’ Lancip ujung 5’ Lancip ujung 5’ Lancip ujung 5’

Gambar 8.7 Diagram percobaan kloning gen. Plasind vektor kloning adalah pBR322 yang memiliki gen untuk resistensi ampisilin (amp^r) dan tetrasiklin (tet^r) dan hanya memiliki 1 lokasi retriksi HindIII.

REGULASI EKSPRESI GEN

             Fenotip bakteri ditentukan oleh properti genotip dan kondisi pertumbuhan. Perubahan kondisi pertumbuhan pada kultur murni bakteri sering menghasilkan adaptasi fisiologik terprediksi pada semua populasi. Adaptasi fisiologik biasanya berasosiasi dengan perubahan aktivitas metabolisme. Arus metabolisme merupakan jalur biokimiawi yang dikontrol oleh enzim baik enzim tersintesis baru dan enzim terdahulu. Karena enzim merupakan ekspresi gen, maka regulasi ekspresi gen menentukan adaptasi fisiologik bakteri.

            Ekspresi gen dimulai dari aktivitas RNA polimerase dalam mentranskrip DNA. Pengikatan RNA polimerase ke DNA terjadi di lokasi khusus yang disebut promotor. Promotor kuat mampu berinteraksi dengan RNA polimerase dan menginisiasi transkripsi dengan cepat. Hal sebaliknya terjadi pada promotor lemah. Transkripsi berjalan dari 3’®5’ DNA template atau mRNA disintesis dari 5’®3’. Transkripsi berakhir ketika RNA polimerase mencapai daerah penghentian atau terminasi. Kemudia RNA polimerase keluar dari DNA, sehingga diperoleh 1 pita mRNA lengkap.

            Satu mRNA dapat mengkode 1 atau lebih polipeptida. mRNA yang dapat mengkode lebih dari 1 polipeptida disebut mRNA polisistronik. mRNA polisistronik ditranslasi menghasilkan beberapa polipeptida terpisah dalam sekali translasi. Translasi berlangsung di dalam ribosom. Setelah dutranslasi mRNA akan terdegradasi dengan cepat dalam beberapa menit.

Regulasi Transkripsi

            Beberapa mRNA disintesis dengan kecepatan konstan dan terkode menghasilkan enzim konstitutif. Jumlah mRNA dan polipeptida yang diprosuksi dari beberapa enzim konstitutif bervariasi tergantung kekuatan promoternya. Selain promoter, operon berperan dalam menentukan kecepatan transkripsi.  Banyak operon diregulasi secara tidak langsung oleh perubahan kondisi lingkungan. Namun regulasi transkripsi pada promotor dan operon secara langsung dilakukan oleh protein regulasi. Protein regulasi mengikat operon pada daerah yang disebut operator atau lokasi regulasi. Pengikatan protein regulasi pada operator dapat meregulasi transkripsi dalam 2 bentuk, yaitu regulasi positif (menaikan kecepatan) dan regulasi negatif (menurunkan kecepatan) inisiasi transkripsi. Laktosa operon E. coli merupakan contoh regulasi negatif operon.

Selain diregulasi oleh protein regulasi, operon juga diregulasi oleh struktur sekunder mRNA. Struktur sekunder mRNA yang dapat meregulasi transkripsi adalah tusuk konde. Struktur tusuk konde mRNA menghasilkan 3 bentuk regulasi, yaitu penundaan (pausing), atenuasi (attenuation), dan antiterminasi. Ketiga struktur tusuk konde terletak di lokasi sangat dekat. Tusuk konde penundaan terletak di segmen 1 dan 2, tusuk konde atenuasi terletak di segmen 3 dan 4, sedangkan tusuk konde antiterminasi terletak di segmen 2 dan 3 dari segmen operon, tepatnya di urutan pemimpin (leader sequence). Dengan demikian hanya akan dijumpai maksimal 2 tusuk konde pada satu mRNA.

Mutasi nonsense juga dapat menghentikan transkripsi secara prematur pada proses elongasi. Jika pada regulasi atenuasi tidak menghasilkan polipeptida, tetapi pada regulasi nonsense menghasilkan polipeptida. Namun polipeptida hasil regulasi nonsense dapat berfungsi maksimal, sebagian, bahkan tidak sama sekali. Hal ini tergantung lokasi terjadinya mutasi nonsense. Jika mutasi terjadi di urutan awal sampai pertengahan, maka polipeptida yang dihasilkan tidak berfungsi. Namun jika mutasi terjadi pada urutan akhir, maka polipeptida yang dihasilkan dapat berfungsi sebagian atau penuh.

Regulasi Translasi

            Lokasi pengikatan mRNA pada ribosom yaitu urutan komplementer ujung 3’ rRNA 16S. Interaksi rRNA 16S dengan mRNA menghasilkan kompleks yang dapat menginisiasi sintesis protein. Kontrol translasi tergantung pada jumlah tRNA, produksi ribosom dan jumlah ribosom bebas. Jumlah tRNA pasti mempengaruhi kecepatan translasi, karena tRNA membawa asam amino untuk mentranslasi mRNA. Semakin banyak produksi ribosom, maka semakin cepat proses translasi. Semakin sedikit jumlah ribosom bebas, maka semakin cepat translasi. Beberapa ribosom bebas dapat menghambat translasi mRNA polisistronik yang seharusnya dikode.