Bab 1. Embriologi - Yang Lama Dan Baru Serta Introduksi Kepada Regulasi Dan Pembentukan Sinyal Molekular

Embriologi: Yang Lama dan Baru serta lntroduksi kepada Regulasi dan Pembentukan Sinyal Molekular

fitHi-.ffi1q44h{51 K;".1 N iS

Dari sebuah sel menjadi seorang bayi dalam 9 bulan (lihat Gambar 1. 1 A,B). Suatu proses perkembangan yang mencerminkan integrasi luar biasa dari suatu fenomena yang semakin kompleks. Studi tentang fenomena ini disebut embriologi, dan kajiannya mencakup faktor molekular, selular, dan struktural yang berperan dalam pembentukan suatu organisme. Studi-studi ini diperlukan karena menghasilkan pengetahuan yang esensial untuk menciptakan strategi perawatan kesehatan untuk menghasilkan produk reproduksi yang lebih baik. Karena itu, meningkatnya pemahaman kita tentang embriologi telah menghasilkan berbagai teknik baru untuk diagnosis dan terapi pranatal, prosedur terapeutik untuk mengatasi masalah infertilitas, dan mekanisme untuk mencegah cacat lahir yang merupakan penyebab utama kematian bayi. Berbagai peningkatan dalam perawatan kesehatan pranatal dan reproduktif ini sangat signifikan, tidak saja karena kontribusinya dalam meningkatkan hasil akhir kehamilan tetapi juga karena efek jangka-panjangnya pada masa pascanatal. Pada kenyataannya, baik kapasitas kognitif maupun karakteristik perilaku kita dipengaruhi oleh pengalaman pranatal kita, dan faktor-faktor pada ibu seperti merokok, nutrisi, stres, diabetes,

disertai oleh faktor molekular dan seluiar, menentukan kemungkinan timbulnya penyakit tertentu pada masa dewasa, seperti kanker dan penyakit kardiovaskular. Karena itu, perkembangan prenatal kita menghasilkan banyak hal yang berpengaruh pada kesehatan j angka-pendek dan jangka-panj ang kita sehingga studi tentang embriologi dan per-

kembangan janin merupakan topik penting bagi semua profesional kesehatan. Selain itu, kecuali untuk sebagian kecil spesialisasi, kebanyakan dokter dan petugas kesehatan akan memperoleh kesempatan untuk berinteraksi dengan wanita usia subur, menciptakan suatu kesempatan bagi mereka untuk memberikan dampak besar pada hasil akhir proses perkembangan ini dan berbagai sekuelenya. 5 fr ,*l /*,

RA *"{ 5 I N G KA"

f

F-

i\4

I

m. i

L}

L.

tli

{..i

i

Proses perkembangan dari satu sel melalui periode

pembentukan primordia organ (8 minggu pertama

embriogenesis (kadang-kadang disebut masa organogenesis); periode dari tahap ini hingga lahir disebut masa janin (fetal period), yaltt masa di saat diferensiasi berlanjut sementara janin tumbuh dan bertambah beratnya. Pendekatan ilmiah untuk meneliti embriologi telah berkembang selama pada p erkembangan manusia) disebut masa

dan sebagainya berperan dalam kesehatan pascanatal

ratusan tahun. Tidaklah mengherankan, pendekatan

kita. Selain itu, pengalaman-pengalaman tersebut

anatomis mendominasi penelitian-penelitian awal.

Bagian

Satu

*

Embriologi Umum

,t ;'

ffHF

f

r',

:ji..iir.l:,,,:,. it ,'i A. Telur yang sudah dibuahi sesaat sebelum penyatuan pronukleus pria dan wanita. B. Janin berusia tujuh bulan.

ini menjadi semakin canggih dengan ditemukannya berbagai peralatan optik dan teknik diseksi. Studi evolusi dan perbandingan merupakan bagiin dari pendekatan ini. Pada studi ini, para ilmuwan Para peneliti melakukan pengamatan, dan cara

membuat perbandingan di antara berbagai spesies sehingga mereka mulai memahami perkembangan fenomena pembentukan. I(eturunan dengan cacat Iahir juga diteliti, dan hal ini dibandingkan dengan organisme yang pola perkembangannya normal.

Studi tentang asal-mula embriologis dan kausa berbagai cacat lahir tersebut disebut teratologi. Pada abad ke-2A,bidang embriologi eksperimen-

tal berkembang pesat. Banyak eksperimen dirancang

untuk menelusuri sel selama perkembangannya untuk menentukan turunan sel-sel tersebut. Pendekatan ini mencakup pengamatan terhadap mudigah transparan dari tunicate (sejenis hewan laut) yang mengandung sel-sel berpigmen yang dapat dilihat melalui mikroskop. Selanjutnya digunakan zat warna untuk mewarnai sel hidup sehingga nasib sel tersebut dapat diketahui. I(emudian pada tahun L960an, digunakan teknik

pemberian label dengan zat radioaktif dan autoradiografik. Salah satu penanda genetik pertama juga muncul sekitar masa itu dengan diciptakannya chickquail chimera (penyatuan burung puyuh dan ayam). Melalui pendekatan ini, sel burung pu1'uh, yang memiliki pola distribusi heterokromatin yang unik di sekitar nukleolus, ditandur (grafted) ke mudigah ayam pada tahap awal perkembangan. I(emudian,

mudigah pejamu diperiksa secara histologis, dan nasib sel-sel burung puyuh ditentukan. Permutasi dari pendekatan ini mencakup antara lain pembentukan antibodi spesifik terhadap antigen sel burung pu)'uh yang banyak membantu identifikasi sel-sel ini. Pemantauan nasib sel dengan teknik ini dan berbagai teknik lain menghasilkan informasi berharga tentang asal mula berbagai organ dan jaringan. Eksperimen p enanduran juga memberikan pemahaman awal tentang pembentukan sinyal di antara jaringan. Contoh dari eksperimen semacam ini antara lain adalah penanduran nodus primitif dari posisi normalnya di sumbu tubuh ke tempat lain dan memperlihatkan bahwa struktur ini dapat memicu

Bab

I .!. Embriologi: Yang Lama dan Baru serta lntroduksi kepada Regulasi

terbentuknya sumbu tubuh kedua. Dalam contoh lain yang menggunakan tunas ekstremitas yang baru tumbuh; dibuktikan bahwa iika sepotong jaringan dari batas aksial posterior salah satu tungkai ditandur ke batas anterior tungkai kedua, jarijari di tungkai pejamu akan mengalami duplikasi seperti bayangan cermin satu sama lain. Regio pembentuk sinyal posterior ini disebut zone of polarizing activity (zve,), dan sekarang dikenal bahwa molekul pemb entuk sinyal ters ebut adalah s onic hed.geh o g. Pada waktu yang hampir bersamaan (OAt), teratologi mengemuka karena kasus suatu obat bernama talidomid yang diberikan sebagai antimual dan sedatif kepada ibu hamil. Sayangnya, obat tersebut menyebabkan cacat lahir, termasuk kelainan unik ekstremitas berupa adanya satu atau lebih anggota badan yang tidak terbentuk (amelia) atau tidak memiliki tulang panjang sedemikian sehingga hanya tangan dan kaki yang melekat ke badan (fokomelia; lihat Gambar 1.2). Keterkaitan antara obat dan cacat lahir diketahui secara independen oleh dua dokter, W. Lenz dan W. McBride, dan memperlihatkan bahwa konseptus rentan terhadap faktor-faktor ibu yang melewati plasenta. Tidak lama kemudian, diciptakan banyak model hewan yang memperlihatkan keterkaitan antara faktor lingkungan, obat, dan gery serta memberikan pemahaman lebih lanjut tentang hubungan proses-proses Perkembangan dan asal mula cacat lahir. Saat ini, telah ditambahkan pendekatan molekular pada daftar paradigma eksperimen yalg digunakan untuk meneliti perkembangan normal dan abnormal. Berbagai cara untuk mengidentifikasi sel dengan menggunakan gen reporter, pelacak Qtrobe) fluoresen, dan teknik-teknik penanda lainnya telah meningkatkan kemampuan kita untuk memperkirakan nasib sel. Teknik-tekniklain untuk mengubah ekspresi gen, misalnya teknolo gi kn

o

ck-

o

ut, kn

o

ck- in:,

dan antisense, telah menciptakan cara baru untuk menghasilkan kelainan perkembangan dan me-

mungkinkan kita meneliti furigsi sebuah gen di jaringan tertentu. Karena itu, kemajuan biologi molekular telah memaiukan bidang embriologi ke-

dan Pembentukan Sinyal Molekular

Gambar 1.2 Anak dengan fokomelia (tidak adanya tulang panjang anggota badan) akibat obat talidomid.

tahap selanjutnya, dan seiring dengan diketahuinya peran masing-masing gen, serta interaksinya dengan faktor lingkungan, pemahaman kita tentang Proses perkembangan yang normal dan abnormal terus meningkat. FHlri{:'r-Nrrr{-""ir,hi F.qi;:r:il.i[,dr,5il] 5

!

t\dYA,L,$lt0 iLif

WL{

i]jr,*i:r[Jd,B!if\iri..ii{'}ii!i

iLir.lft

Biologi molekular telah membuka cakrawala baru dalam studi embriologi dan meningkatkan Pemahaman kita mengenai perkembangan normal dan abnormal. Penentuan sekuens genom manusia, bersama dengan pengembangan teknik-teknik baru

untuk meneliti regulasi gen di berbagai tingkat kompleksitas, telah mengangkat embriologi ke tahapan yang lebih tinggi. I(arena itu, dari tingkat anatomis ke tingkat biokimiawi lalu ke tingkat molekular, studi embriologi terus meningkat, dan setiap babnya terus menambah pengetahuan kita.

Bagian

Satu

*

Embriologi Umum

Terdapat sekitar 35.000 gen di genom manusia, yang mencerminkan hanya sepertiga dari jumlah

Kompleks histon

yang diperkirakan sebelum selesainya lluman Genome Project. Namun, karena adanya regulasi di

berbagai tingkatary jumlah protein yang berasal dari

gen-gen tersebut mendekati jumlah gen yang diperkirakan sebelumnya. Hipotesis satu gen untuk

satu protein kini telah ditinggalkan. Karena itu, melalui berbagai mekanisme, satu gen dapat menghasilkan banyak protein. Ekspresi gen dapat diatur di beberapa tingkatan: (1) gen yang ditranskripsikan berbeda, (Z) ONA nukleus yang ditranskripsikan dari sebuah gen dapat diproses secara selektif untuk mengatur RNA mana yang mencapai sitoplasma untuk menjadi RNA perantara (messenger RN,4, nRNA), (a) mRNA dapat secara selektifditranslasikan, dan (+) protein yang dihasilkan dari mRNA dapat dimodifikasi secara berbeda.

TranskripsiGen Gen terkandung dalam suatu kompleks DNA dan protein (terutama hlston) yang disebut kromatin, yang satuan dasar strukturnya adalah nukleosom (lihat Gambar 1.3). Setiap nukleosom terdiri dari satu oktamer protein histon dan sekitar 140 pasangan basa DNA. Nukleosom-nukleosom itu sendiri disatukan untuk membentuk kelompokkelompok dengan mengikatkan DNA yang ada di antara nukleosom (linker DNA) dengan protein histon lain (histon H1; Gambar 1.3). Nukleosom menjaga DNA tetap membentuk kumparan yang rapat sedemikian sehingga tidak dapat ditranskripsikan. Dalam bentuk inaktif ini, kromatin tampak sebagai manik-manik nukleosom di seuntai benang DNA dan disebut sebagai heterokromatin. Agar terjadi transkripsi, DNA ini harus dilepaskan dari manik-manik tersebut. Pada keadaan terurai ini, kromatin disebut eukromatin. Gen-gen terletak di dalam untai DNA dan mengandung regio-regio yang disebut eksory yang dapat ditranslasikan menjadi protein, dan intron, yang terselip di antara ekson dan tidak ditranskripsi-

Nukleosom

Gambar 1.3 Gambaryang memperlihatkan nukleosom yang membentuk satuan dasar kromatin. Setiap nukleosom terdiri

dari satu oktamer protein histon dan sekitar 140 pasangan basa DNA. Nukleosom disatukan menjadi kelompok-kelompok oleh /rnker DNA dan protein histon lainnya.

kan menjadi protein (lihat Gambar 1.4). Selain ekson dan intron, gen biasanya mengandung: suatu regio promotor yang mengikat RNA polimerase untuk memulai transkripsil suatu transcription initiation sife (tempat permulaan transkripsi); suatu

translation initiation site (tempat permulaan translasi) untuk menandai asam amino pertama dalam protein; suatu kodon terminasi translasi; dan regio 3' yangtidakditranslasikanyangmencakup

suatu sekuens (tempat penambahan poli A) yang membantu menstabilkan mRNA, memungkinkannya keluar nukleus, dan memungkinkannya ditranslasikan menjadi protein (Gambar 1.4). Berdasarkan perjanjiary regio 5' dan 3' di suatu gen

ditentukan dalam kaitannya dengan RNA yang ditranskripsikan dari gen tersebut. I(arena itu, DNA ditranskripsikan dari ujung 5' ke 3] dan regio promotor terletak di hulu dari tempat permulaan transkripsi (Gambar 1.4). Regio promotor, tempat RNA polimerase terikat, biasanya mengandung sekuens f}{lA, dan tempat ini disebut boks TATA (Gambar 1.4). Namury untuk mengikat tempat ini RNA polimerase memerlukan protein tambahan yang disebut faktor transkripsi (lihat Gambar 1.5). Faktor transkripsi juga memiliki ranah pengikat DNA (DNA biniling ilomain) spesifik plus suatu ranah transaktivasi yang mengaktifkan atau

Bab

I {.

Embriologi: Yang Lama dan Baru serta lntroduksi kepada Regulasi dan Pembentukan Sinyal Molekular

Regio

promotor Ekson

Boks TATA

'1

lntron

Kodon permulaan translasi

1

Ekson

2

lntron 2 Ekson

Sekuens penguat (enhancer)

3

lntron 3

Tempat penghentian Tempat transkriPsi penambahan

Penghentian translasi

poli

A

Gambar 1.4 Gambar gen"tipikal"yang memperlihatkan regio promotoryang mengandung boksTATA;ekson yang mengandung sekuens-sekuens DNA yang ditranslasikan menjadi protein; intron;tempat permulaan transkripsi;tempat permulaan translasi yang menentukan kode untukasam amino pertama diprotein;dan regio 3'yang tidakditranslasikan yang mencakuptempat penambahan poli A yang ikut serta dalam menstabilkan mRNA, memungkinkannya keluar nukleus, dan memungkinkan translasinya menjadi protein.

menghambat transkripsi gen yang Promotor atau enhancernya (penguat) telah terikat. Faktortranskripsi, dalam kombinasi dengan protein lain, mengaktifkan

ekspresi gen dengan menguraikan kompleks nukleosom DNA, dengan membebaskan polimerase sehingga enzim ini dapat mentranskripsikan cetakan

DNA, dan dengan mencegah terbentuknya nukleosom baru.

Enhancer (penguat) adalah elemen regulatorik DNA yang mengaktifkan pemakaian promotor untuk mengendalikan efisiensi elemen-elemen tersebut dan kecepatan transkripsi dari promotor. Enhancer dapat terletak di mana saja di sepanjang untai DNA dan tidak harus berada dekat dengan promotor. Seperti promotor, enhancer mengikat faktor transkripsi (melalui ranah transaktivasi faktor transkripsi) dan digunakan untuk mengatur waktu ekspresi gen dan lokasi spesifiknya di sel. Sebagai

Kompleks protein faktor transkripsi

Tempat permulaan transkripsi

contoh, enhancer yangberbeda di sebuah gen dapat digunakan untuk mengarahkan gen yang sama agar diekspresikan di jaringan yang berbeda. Karena itu,

faktor transkripsi PAX6, yang ikut serta dalam pembentukan pankreas, mata, dan tabung saraf, mengandung tiga enhancer yang terpisalr, masingmasing mengatur ekspresi gen di jaringan yang sestai. Enhancerb ekerjadengan mengubah kromatin untuk memajankan promotor atau dengan mempermudah pengikatan RNA polimerase. Kadangkadang enhancer dapat menghambat transkripsi dan disebut silencer (peredam). Fenomena ini memungkinkan suatu faktor transkripsi mengaktifkan satu gen sementara meredam gen yang lain melalui pengikatan ke enhancer yang berbeda. Dengan demikian, faktor transkripsi itu sendiri memiliki ranah pengikat DNA spesifikuntuk suatu regio DNA plus suatu ranah transaktivasi yang berikatan dengan

Transkrip RNA

Gambar 1.5 GambaryangmemperlihatkanpengikatanRNApolimerasell ketempatboksTATAdi regiopromotorsuatugen. Pengikatan ini memerlukan suatu kompleks protein plus suatu protein tambahan yang disebut faktor transkripsi. Faktor transkripsi memiliki sendiri ranah pengikat DNA dan berfungsi mengatur ekspresi gen.

Bagian

promotor

Satu

*

Embriologi Umum

Bahkan setelah suatu protein terbentuk (trans-

ata:u enhancer dar- mengaktifkan atau

lasi), dapat terjadi modifikasi pascatranslasi yang memengaruhi fungsi protein tersebut. Sebagai contoh, sebagian protein perlu diuraikan untuk menjadi aktif, atau mungkin mengalami fosforilasi. Yang lain memerlukan kombinasi dengan protein lain atau dibebaskan dari tempat-tempat ikatannya atau diarahkan ke bagian tertentu sel. Karena itu, terdapat banyaktingkatan regulasi untukmembentuk dan mengaktifkan protein, sedemikian sehingga meskipun hanya terdapat 35.000 gen namun kemungkinan jumlah protein yang dapat disintesis mungkin mendekati tiga kali lipat dari jumlah gen

menghambat gen yang diatur oleh elemen ini.

Regulator Lain Ekspresi Gen Transkrip awal suatu gen disebut RNA nukleus (nRNA) atau kadang-kadang premessenger RNA. nRNA lebih panjang daripada mRNA karena mengandung intron yang disingkirkan (spliceil out) saat nRNAbergerak dari nukleus ke sitoplasma. Pada kenyataannya, proses penggabungan ini merupakan suatu cara bagi sel untuk menghasilkan protein yang berlainan dari gen yang sama. Sebagai contoh, dengan menghilangkan intron-intron yang berbeda, ekson-ekson "digabungkan" dengan pola yang berlainan, suatu proses yang disebut alternative splicing (lihat Gambar 1.6). Proses ini dilaksanakan oleh spliceosomes, yaitu kompleks RNA nukleus kecil (small nuclearRl\A, snRNA) dan protein yang mengenali tempat-tempat penggabungan spesifik di ujung 5' atau 3' nRNA. Protein-protein yang berasal dari gen yang sama disebut splicing isoform (juga disebut spli ce variant ata:u alternatiue splice forms) , dan hal ini memungkinkan sel yang berbeda menggunakan gen yang sama untuk membuat protein spesifik untuk jenis sel tersebut. Sebagai contoh, isoform gen WTl memiliki fungsi berbeda-beda dalam pembentukan gonad dan ginjal.

tersebut.

lnduksi dan Pembentukan Organ Organ terbentuk melalui interaksi antara sel dan jaringan. Umumnya, satu kelompok sel atau jaringan menyebabkan kelompok sel atau jaringan lain meng-

ubah nasib mereka, suatu proses yang disebut induksi. Pada setiap interaksi tersebut, satu jenis sel atau jaringan menjadi penginduksi (inilucer) yang menghasilkan suatu sinyal, dan satu lainnya adalah

responder terhadap sinyal tersebut. I(apasitas untuk berespons terhadap sinyal tersebut disebut kompetensi, dan kompetensi memerlukan pengaktifan jaringan responder oleh suatu faktor kompetensi.

Ekson spesifik

jaringan (tulang)

lntron

Regio 3'yang tidak ditranslasikan

,,4.. Gen

hipotetis Protein

I

Protein ll (tulang)

Protein lll

Gambar 1.6 Gambarsebuahgenhipotetisyangmelukiskanprosesalternativesplicinguntukmembentukproteinyangberbedabeda dari gen yang sama.spliceosomes mengenali tempat-tempat spesifik pada transkrip awal RNA nukleus dari sebuah gen. Berdasarkan tempat-tempat ini, berbagai intron"disingkikan" (spliced out) untuk menciptakan lebih dari satu protein dari satu gen. Protein yang berasal dari gen yang sama disebut spllclng isoform.

Bab

I .i.

Embriologi: Yang Lama dan Baru serta lntroduksi kepada Regulasi dan Pembentukan Sinyal Molekular

dan responder. Jalur komunikasi ini terjadi melalui

interaksi parakrin, yang memungkinkan protein

Mesenkim

x...,Xr*

3?5:

*€*

Gambar 1.7 Gambar yang melukiskan interaksi mesenkimepitel. Setelah suatu sinyal awal dari salah satu jaringan, jaringan kedua mengalami induksi untuk berdiferensiasi menjadi struktur tertentu. Jiringan pertama disebut penginduksi, dan jaringan kedua disebut responder. Sekali proses induksi dimulai maka akan terbentuk berbagai sinyal (tanda panah) yang berjalan ke kedua arah untuk menuntaskan proses diferensiasi.

Banyak terjadi interaksi induktifantara sel epitel dan

ini disebut interaksi epitelmesenkim (lihat Gambar I.7). Sel-sel epitel disatukan dalam bentuk tabung atau lembaran,

mesenkim dan hal

sedangkan sel mesenkim tampak fibroblastik dan tersebar dalam matriks ekstrasel (Gambar 1.7)' Contoh interaksi epitel-mesenkim mencakup hal

berikut: endoderm usus dan mesenkim di sekitarnya untuk menghasilkan organ-organ turunan usus, termasuk hati dan pankreas; mesenkim ekstremitas dengan ektoderm (epitel) di atasnya untuk menghasilkan tunas dan diferensiasi anggota badan; dan endoderm tunas ureter dan mesenkim dari blastema metanefros untuk menghasilkan nefron ginjal. Interaksi induktifjuga terjadi antara dua jaringan epitel, misalnya induksi lensa oleh epitel optic cup (cawan optik). Meskipun sinyal awal oleh penginduksi kepada responder memicu proses indukti{ cross tslk (percakapan-silang) antara kedua tipe jaringan atau sel merupakan hal esensial bagi keberlanjutan diferensiasi (Garnbar L7, tanda panah). Pembentukan SinyalSel Pembentukan sinyal dari sel ke sel lain merupakan hal esensial untuk induksi, untuk menimbulkan kompetensi untukberespons, dan untuk memb entuk suatu "percakapan-silang" antara sel penginduksi

'

yang disintesis oleh satu sel berdifusi dalam jarak pendekuntukberinteraksi dengan sel di sekitar, atau melalui interaksi iukstakrin, yang tidak memerlukan protein-protein yang dapat berdifusi. Protein yang dapat berfusi yang berperan dalam pembentukan sinyal parakrin disebut faktor parakrin atau faktor pertumbuhan dan diferensiasi (growth anil differentiation factor, GDF). Terdapat banyak GDF, tetapi sebagian besar dikelompokkan ke dalam empat famili, dan anggota dari famili yang sama digunakan berulang kali untuk mengatur perkembangan dan diferensiasi sistem organ. Selain itu, GDF yang sama mengatur perkembangan organ di seluruh kingdom hewan dari Drosophila htngga manusia. Keempat kelompok GDF tersebut adalah famili faktor pertumbuhan fibroblas (fibroblast growth factor, FGF), WNT, hedgehog, dan tr an sfo rming gr ow th fa cto r B . FGF

ini telah sekitar dua lusin gen FGF teridentifikasi, dan gen-gen ini dapat menghasilkan ratusan Saat

bentuk-bentuk iso protein melalui proses p erubahan RNA sphcing atau kodon inisiasinya. Protein FGF yang dihasilkan oleh gen-gen ini mengaktifkan sekelompok reseptor tirosin kinase yang disebut reseptor faktorp ertumbuhan fi broblas (fib r obl ast

growthfactor receptor,FGFR). Sebaliknya, reseptorreseptor ini mengaktifkan berbagai jalur sinyal. FGF sangat penting untuk angiogenesis, pertumbuhan akson, dan diferensiasi mesoderm. Meskipun terdapat banyak kelebihan dalam suatu famili sedemikian sehingga satu FGF kadang-kadang dapat menggantikan FGF yanglain, namun masing-masing FGF mungkin bertanggung jawab untukproses perkembangan tertentu. Sebagai contoh, FGFS penting untuk pembentukan ekstremitas dan bagian-bagian tertentu otak. Protein Hedgehog

Terdapat tiga gen hedgehog, Desert, Indian, dan sonic hedgehog. Sonic hedgehog berperan dalam

l0

Bagian

Satu .1. Embriologi Umum

sejumlah proses perkembangan termasuk pemben-

langsung atau menghambat aktivitas suatu inhibitor

tukan pola anggotabadan, induksi dan pembentukan

suatu jalur (menghambat suatu inhibitor, seperti halnya pembentukan sinyal hedgehog). Jalur transduksi sinyal mencakup suatu molekul pembentuk sinyal (ligan) dan reseptor (lihat Gambar 1.8). Reseptor menembus membran sel dan memiliki suatu ranah ekstrasel (regio pengikat ligan), ranah transmembran, dan ranah sitoplasma. Ketika berikatan dengan reseptornya, ligan memicu perubahan konformasi (bentuk) di reseptor yang mengaktifkan ranah sitoplasmanya. Biasanya, hasil dari pengaktifan ini adalah reseptor menjadi memiliki aktivitas enzimatik, dan umumnya aktivitas ini adalah kinase yang dapat memfosforilasi protein lain dengan menggunakan ATP sebagai substrat. Sebaliknya, fosforilasi mengaktifkan protein-protein ini untukmemfosforilasi protein lain sehingga terjadi suatu rangkaian (cascade) interaksi protein yang akhirnya mengaktifkan suatu faktor transkripsi. Faktor transkripsi ini kemudian mengaktifkan atau menghambat ekspresi gen. Jalur ini sangat banyak dan rumit serta pada sebagian kasus ditandai oleh satu protein menghambat protein lain yang pada gilirannya mengaktifkan protein lain (hampir mirip dengan situasi pembentukan sinyal hedgehog).

pola tabung sara{, diferensiasi somit, regionalisasi usus, dan yang lainnya. Reseptor untuk famili hedgehog adalah Patched yang berikatan dengan suatu protein yang disebut Smoothened. Protein smoothened menyebabkan transduksi sinyal hedgehog, tetapi protein ini dihambat oleh Patched sampai protein hedgehog berikatan dengan reseptor

ini. Karena itu, peran faktor parakrin hedgehog pada contoh ini adalah berikatan dengan reseptornya untuk melenyapkan inhibisi terhadap suatu transduser yang secara normal akan akti{, bukan untuk mengaktifkan transduser secara langsung. Protein WNT

Terdapat paling sedikit 15 protein WNT yang berlainan yang berperan di berbagai jalur perkembangan. Reseptor protein-protein ini adalah anggota frizzleil family of protein. Protein \4AIT berperan antara lain dalam mengatur pembentukan pola anggota badan, perkembangan otaktengah, dan beberapa aspek dari diferensiasi somit dan urogenital. SuperfamiliTGFB

Superfamili TGFp memiliki lebih dari 30 anggota dan mencaku p transforming growthfactor p , protein morfo genetik tulang (b o n e mo rpho geneti c pr ot eins, BMP), famili aktivin, Miillerisn inhibiting factor (Um, hormon anti-Miillerian), dan lain-lain. Anggota TGFp penting untukpembentukan matriks ekstrasel dan pembentukan percabangan epitel yang terjadi dalam perkembangan paru, ginjal, dan kelenjar liur. Famili BMP antara lain memicu pembentukan tulang dan juga berperan dalam mengatur pembelahan sel, kematian sel (apoptosis), dan migrasi sel.

Jalur Transduksi Sinyal Faktor Parakrin

Faktor parakrin bekerja melalui jalur transduksi sinyal, baik melalui pengaktifan suatu jalur secara

Pembentukan

Si

nya I J u kstakri n

Pembentukan sinyal iukstakrin juga diperantarai oleh jalur-jalur transduksi sinyal tetapi tidak melibatkan faktor-faktor yang dapat berdifusi. Terdapat tiga cara pembentukan sinyal jukstakrin: (1) Suatu protein di permukaan suatu sel berinteraksi dengan reseptor di sel di dekatnya dalam suatu proses yang analog dengan pembentukan sinyal parakrin (Gambar 1.8).Jalur Notch adalah salah satu contoh pembentukan sinyal tipe ini. Protein reseptor Notch terentang menembus membran sel dan berikatan dengan sel yang memiliki protein Delta, Serrate, atau Jagged di membran selnya. Pengikatan salah satu dari ketiga protein ini ke Notch menyebabkan perubahan konformasi di protein Notch sedemikian sehingga bagian yang berada di membran sisi sitoplasma terbelah. Bagian yang terbelah tersebut

Bab

I .i

Embriologi: Yang Lama dan Baru serta lntroduksi kepada Regulasi dan Pembentukan Sinyal

sinyal oleh Notch sangat penting dalam diferensiasi saraf spesifikasi pembuluh darah, dan segmentasi

somit. (Z) t igan di matriks ekstrasel yang disekresikan oleh suatu sel berinteraksi dengan reseptornya di sel sekitar. Matriks ekstrasel adalah lingkungan (milieu) tempat sel tersebut berada. Lingkungan ini terdiri dari molekul-molekul besir yang disekresikan

I

kondrosit yang harus dikaitkan dengan matriks agar

dapat membentuk tulang rawan. (A) Terdapat transmisi langsung sinyal dari satu sel ke sel lain melalui taut ceLah (gap junction) .Taut ini berbentuk saluran di antara sel tempat lewatnya molekul kecil dan ion. Komunikasi semacam ini penting pada sel-

oleh sel dan termasuk kolagen, proteoglikan sebagainya),

I

dan laminin ke sel disebut integrin. Reseptorreseptor ini "mengintegrasikan' molekul matriks dengan perangkat sitoskeleton sel, misalnya mikrofilamen aktin sehingga sel dapat bermigrasi di sepanjang matriks (perancah) dengan menggunakan protein-protein kontraktilnya, misalnya aktin. Integrin juga dapat menginduksi ekspresi gen dan mengatur diferensiasi seperti pada kasus

kemudian berikatan dengan suatu faktor transkripsi untuk mengaktifkan ekspresi gen. Pembentukan

(kondroitin sulfat, asam hialuronat,

Molekular

dan

dan glikoprotein, . misalnya fibro-

nektin dan laminin. Molekul-molekul ini merup akan substrat bagi sel untuk diladikan tambatan atau tempat bermigrasi. Sebagai conto[ laminin dan kolagen tipe IV adalah komponen dari lamina basalis (membrana basalis) untuk melekatnya sel epitel, dan molekul fibronektin membentukp erancah (scafold) untuk migrasi sel. Reseptor yang menghubungkan molekul ekstrasel seperti fibronektin

sel yang berhubungan secara erat seperti epitel usus

dan tabung saraf karena komunikasi

ini

me-

mungkinkan sel-sel bertindak secara terpadu. Taut itu sendiri dibentuk oleh protein koneksin yang membentuk suatu saluran, dan saluran-saluran di sel-sel yang berdekatan ini saling "dihubungkan1

rgan

Kompleks reseptor Membran sel Regio aktif (kinase)

Protein aktif

Kompleks protein

aktif Kompleks protein aktif berfungsi sebagai faktor transkripsi

1.8 Gambar jalur transduksi sinyal tipikal yang melibatkan ligan dan reseptornya. Reseptor menjadi aktif setelah berikatan dengan ligan.Biasanya pengaktifan bersifat enzimatikdan melibatkan suatu tirosin kinase,meskipun enzim lain mungkin

Gambar

berperan. Aktivitas kinase menyebabkan terjadinya rangkaian fosforilasi pada beberapa protein yang mengaktifkan faktor transkripsi untuk mengatur ekspresi gen.

12

Bagian

Satu

'l

Embriologi Umum

Penting dicatat bahwa dalam proses penyaluran sinyal banyak terdapat hal yang berlebihan (redundancy). I(arena itu, hilangnya fungsi suatu protein

pembentuk sinyal akibat mutasi gen tidak selalu menyebabkan kelainan p erkembangan atau kematian karena anggota lain dari famili gen tersebut dapat mengompensasi kehilangan tersebut. Juga terdapat "percakapan-silang" antara berbagai jalur, sedemikian sehingga jalur-jalur tersebut berkaitan erat satu sama lain. I(eterkaitan ini menambah tempat pengendalian pembentukan sinyal.

RNA polimerase untuk memulai

transkripsi; tempat permulaan transkripsi, untuk menentukan

asam amino pertama dalam protein; kodon penghentian (terminasi) translasi; dan regio 3' yang tidak ditranslasikan yang mencakup suatu sekuens (tempat penambahan poli A) yang membantu stabilisasi mRNA. RNA polimerase berikatan dengan regio promotor yang biasanya mengandung sekuens TAIA sehingga dinamai boks TAIA. Pengikatan ini memerlukan protein tambahan yang disebut faktor transkripsi. Protein yang berbeda dapat dihasilkan dari satu

R!NGKASAN

Pada abad terakhir, embriologi telah ber-

kembang dari ilmu pengetahuan pengamatan menjadi ilmu pengetahuan yang melibatkan teknologi canggih dan biologi molekular. Pengamatan dan teknoiogi modern secara bersamasama memberikan pemahaman yang lebih jelas

tentang asal-mula perkembangan normal

dan

abnormal, dan pada gilirannya, memberikan caracara untuk mencegah dan mengobati cacat lahir. Dalam hal ini, pengetahuan tentang fungsi gen telah menciptakan pendekatan yang benar-benar baru terhadap subjek ini. Terdapat sekitar 35.000 gen di dalam genom manusia, akan tetapi gen-gen ini menyandi sekitar 100.000 protein. Gen-gen terkandung dalam kompleks DNA dan protein yang disebut kromatin yang satuan dasar strukturnya adalah nukleosom. Kromatin tampak membentuk kumparan rapat sebagai manik-manik nukleosom pada sebuah benang dan disebut heterokromatin. Agar terjadi transkripsi, DNAharus dilepaskan dari kumparannya di manik-manik sebagai eukromatin. Gen-gen berada di dalam untai DNA dan mengandung regioregio yang dapat ditranslasikan menjadi protein yang disebut ekson, dan regio-regio yang tidak ditranslasikan yang disebut intron. Gen tipikal juga mengandung suatu regio promotor yang mengikat

gen melalui proses alternstiue splicing yang menghilangkan berbagai intron dengan menggunakan spliceosomes. Protein yang berasal dari cara

ini disebut splicing isoform

atau splice uariant.

Protein juga dapat diubah melalui modifikasi pascatranslasi, misalnya fosforilasi atau Pembelahan.

Induksi adalah proses yang satu kelompok sel atau jaringannya (penginduksi) menyebabkan kelompok lain (responder) mengubah nasib mereka. I(apasitas untuk berespons disebut kompetensi dan ditimbulkan oleh faktor kompetensi' Banyak fenomena induktif melibatkan interaksi epitel-mesenkim. Pembentukan sinyal dari satu sel ke sel lain dapat

bersifat parakrin yang memerlukan faktor yang dapat berdifusi, atau jukstakrin yang melibatkan banyak faktor yang tidak dapat berdifusi. Protein yang berperan dalam pembentukan sinyal parakrin disebut faktor parakrin atau faktor pertumbuhan dan diferensiasi (GDF). Terdapat empat famili GDF utama: faktor pertumbuhan fibroblas (rcr), wNT, heilgehog, dan transforming growth factor p (fCfp). Faktor jukstakrin mungkin mencakup produk-produk matriks ekstrasel, ligan yang terikat ke permukaan sel, dan komunikasi langsung sel ke sel.

Bab

I i.

Embriologi: Yang Lama dan Baru serta lntroduksi kepada Regulasi dan Pembentukan Sinyal Molekular

Jalur transduksi sinyal mencakup molekul pembentuk sinyal (ligan) dan reseptor. Reseptor biasanya terentang menembus membran sel dan diaktifkan melalui pengikatan dengan ligan

spesifiknya. Pengaktifan biasanya menimbulkan kemampuan untuk memfosforilasi protein lain, umumnya sebagai suatu kinase. Pengaktifan ini menimbulkan rangkaian aktivitas enzim pada banyak protein yang akhirnya mengaktifkan suatu faktor transkripsi untuk inisiasi ekspresi gen.

t3

MASALAH UNTUK DIPECAHKAN

l.

Pada kondisi normal, F GF dan reseptorny a

(f CrA)

berperan dalam pertumbuhan tengkorak dan p erkemb angan sutura krani ali s. B agaim an a j alur jalur sinyal ini mungJcin terganggu? Apakah jalurjalur ini melibatkan pembentukan sinyal paralcrin atau jukstakrin? Dapatkah Anda memikirkan cara b

agaim an a m engatasi ganggu an / hilangny a eksp

satu FGF?

r e si