Pertumbuhan dan diferensiasi sel
Yang pertama dari pertumbuhan adalah dengan pertambahan dari jumlah sel. Pertambahan ini didapat dengan pembelahan sel.
Pembelahan sel dimulai dengan pembelahan DNA inti (kromosom)
Kromosom membelah secara semi-konservatif
Pertumbuhan
Pembelahan kromosom
Pembelahan kromosom
Sel eukariota berbeda dengan sel bakteri karena DNA yang jauh lebih banyak dan terdapat dalam sejumlah kromosom yang organisasinya lebih kompleks
dibandingkan pada bakteri. Kromosom mengandung histon dan terikat dalam bentuk kumparan yang
padat.
Kromosom pertama kali diobservasi oleh Walther Fleming tahun 1882 ketika memeriksa sel larva
salamander yang sedang berkembang. Fleming melihat benang-benang kecil di dalam nukleus yang tampak
sedang terbelah dan disebut sebagai mitosis, berasal dari kata yunani mitos yang berarti benang
Pembelahan sel pada eukariota
Kromosom eukariota tersusun dari kromatin, sebuah kompleks DNA dan protein. Setiap
200 nukleotida akan tergulung dalam kompleks oktamer histon yang disebut nukleosom.
Selanjutnya terjadi lagi kondensasi lanjutan yang membentuk heterokromatin untuk bagian yang padat dan eukromatin untuk bagian yang
kurang padat.
Pembelahan sel pada eukariota
Dengan perkecualian pada gamet, setiap sel pada
manusia adalah diploid, artinya mengandung 2 kopi yang hampir identik dari 23 kromosom, sehingga
jumlahnya menjadi 46 kromosom. Gamet yang hanya mengandung 23 kromosom disebut sebagai haploid.
Kadang pada beberapa organ dijumpai jumlah
kromosom yang luar biasa, misalnya sel hati kadang mengandung tetraploid, sementara eritrosit tidak mempunyai kromosom sama sekali.
Pembelahan sel pada eukariota
Siklus sel meliputi 5 fase. G1SG2MC
G1 adalah fase pertumbuhan primer pada sel dan
mengambil proporsi terbesar dalam kehidupan sel S adalah fase dimana replika genom disintesa
G2 adalah fase persiapan untuk separasi genom. Fase ini meliputi replikasi mitokondria dan organel lainnya, kondensasi kromosom, dan restrukturisasi dari
mikrotubulus dan pembentukannya di spindel.
M adalah fase dimana badan mikrotubulus dibentuk dan diikatkan ke kromosom, menarik dua kromatid anak.
Disebut juga mitosis dan merupakan fase penting untuk pemisahan dua genom anak.
Pembelahan sel pada eukariota
C adalah fase dimana sel terbelah, membentuk dua sel anak. Fase ini disebut juga sebagai sitokinesis.
Kadang terdapat fase yang disebut sebagai G0 yaitu fase dimana sel berhenti tumbuh dan membelah diri atau fase istirahat.
Waktu yang dibutuhkan oleh setiap sel bervariasi
diantara semua organisme. Pada sel mamalia waktu yang dibutuhkan kurang lebih 24 jam, tapi pada sel hati kadang mencapai 1 tahun.
Pembelahan sel pada eukariota
Walau mitosis merupakan proses yang
berkelanjutan, secara umum dibagi menjadi 4 fase: profase, metafase, anafase, telofase.
Sementara persiapan sebelum mitosis disebut sebagai interfase
Interfase meliputi G
1, S dan G
2, penting untuk keberhasilan mitosis.
Selama fase G1 sel mengalami sebagian besar pertumbuhannya.
Mitosis
Selama fase S setiap kromosom akan bereplikasi dan membentuk dua anak kromatid yang tetap terikat satu dengan lainnya pada sentromer. Sentromer adalah bagian kromosom yang berkonstriksi dan
mengandung sekuens DNA spesifik yang akan terikat dengan protein yang disebut kinetokor.
Pada fase G2 kromosom akan memulai proses kondensasi menjadi bentuk yang lebih kompak.
Selama proses G2 juga akan dimulai pembentukan kompleks yang akan menarik kromosom ke kutub yang berbeda. Pada sel hewan, terdapat klas khusus mikrotubulus nuklear yang disebut sebagai sentriol.
Tubulin juga akan dibentuk selama proses ini.
Mitosis
Setelah kromosom berkondensasi pada fase G2, kromosom akan tampak untuk pertama kalinya di bawah mikroskop cahaya dan memasuki fase pertama mitosis: Profase.
Proses kondensasi terus berlangsung selama profase, pembentukan rRNA berhenti ketika kromosom yang membawa kode rRNA
berkondensasi, sehingga nukleolus menjadi hilang.
Mitosis
Pembentukan badan mikrotubular juga akan
berlangsung terus selama profase. Kedua sentriol
yang terbentuk pada fase G2 akan mulai berpisah dan membentuk aksis mikrotubulus yang disebut sebagai benang spindel. Bila sentriol mencapai kutub sel,
mereka membentuk jembatan mikrotubulus yang disebut badan spindel.
Selama pembentukan badan spindel, amplop nukleus akan pecah dan komponennya di serap oleh
retikulum endoplasmik.
Mitosis
Setiap kromosom mempunyai 2 kinetokor, yang masing2 terikat pada sentromer kromatid
anak. Kelompok mikrotubulus kedua kemudian akan muncul dari kutub menuju sentromer.
Mikrotubulus ini akan terhubung dengan
kinetokor dari setiap kromatid anak, sehingga setiap kromatid anak akan bergerak menuju ke kutub yang berbeda.
Mitosis
Pada metafase, kromatid anak akan tersusun dibagian tengah dari sel. Bila dilihat dengan mikroskop cahaya, akan tampak seperti berada di “ekuator” dari sel.
Bidang imajiner melalui “ekuator” ini disebut bidang
metafase. Pada bidang inilah kurang lebih pembelahan sel akan terjadi.
Pada akhir metafase, sentromer akan terbagi. Setiap
sentromer akan terbagi menjadi 2 dan membebaskan kedua kromatid anak satu dari lainnya. Pemisahan
sentromer ini terjadi serentak pada semua
kromosom walau mekanisme kebersamaan ini belum jelas.
Mitosis
Anafase merupakan fase tersingkat dari mitosis.
Kromatid anak akan ditarik menuju kutub yang berbeda. Terdapat 2 pergerakan:
1. Kutub akan bergerak menjauh. Mikrotubulus benang spindel yang terikat pada kutub
menjauh satu sama lainnya. Karena kromosom terikat pada kutub oleh benang spindel lainnya, mereka juga akan berpisah dan tampak
memanjang.
Mitosis
2. Sentromer bergerak menuju kutub disebabkan mikrotubulus yang mengikat mereka
memendek. Proses pemendekan ini bukanlah suatu kontraksi, tetapi disebabkan subunit akan dibuang dari ujung kinetokor. Pembuangan
subunit ini mengakibatkan kromatid akan tertarik menuju kutub dari sel
Mitosis
Pada telofase, badan spindel akan dibongkar,
amplop nuklear akan terbentuk disekitar tiap set dari kromatid anak yang saat ini kembali disebut kromosom, karena sudah mempunyai sentromer sendiri lagi. Kromosom akan segera melonggar dan mulai memungkinkan ekspresi gen, termasuk gen rRNA, sehingga nukleolus kembali terbentuk.
Mitosis
Mitosis berakhir pada akhir telofase, walau demikian sel eukariotik yang membelah selain membagi genom
menjadi 2 nukleus, juga organel sitoplasmik harus dibagi, termasuk mitokondria dan kloroplas.
Replikasi organel terjadi sebelum sitokinesis,
seringkalipada fase S atau G2. Proses pembelahan sel belum selesai pada akhir mitosis. Fase dimana sel
membelah disebut sitokinesis, biasanya meliputi
pembelahan sel menjadi 2 bagian yang kurang lebih sama besarnya.
Sitokinesis
Pada sel hewan sitokinesis terjadi dengan cara kontraksi dari ikat filamen aktin. Pergeseran filamen ini melewati satu dan lainnya akan
menimbulkan kerut cleavage sepanjang keliling dari sel. Bila kontraksi berlanjut, kerut akan
semakin dalam dan akhirnya memanjang
sampai bagian tengah sel dan sel akan terbagi menjadi 2.
Sitokinesis
Peristiwa2 dalam siklus sel kurang lebih diatur
dengan cara yang sama pada seluruh eukariota.
Protein yang mengatur siklus sel termasuk dalam protein yang sangat konservatif dan
hampir serupa pada manusia maupun pada sel ragi.
Tujuan dari pengaturan proses siklus adalah
pengaturan lama dari siklus sehingga terdapat waktu yang cukup untuk setiap peristiwa tapi tidak berlebih.
Kontrol dari siklus sel
Cara pengaturan adalah dengan membiarkan selesainya satu reaksi memicu reaksi fase berikutnya. Walau demikian, sel eukariota mempunyai pengatur pusat terpisah untuk mengatur proses dalam siklus sel. Pada titik kritis tertentu, proses selanjutnya tergantung dari saklar terus/berhentinya pada pusat yang mendapat umpan balik dari sel.
Kontrol dari siklus sel
Siklus sel eukariota dikontrol pada 3 titik kritis :
1. Pertumbuhan sel dinilai pada titik kritis G1. Titik ini menentukan apakah pembelahan sel akan dimulai.
Pada sel ragi, titik ini dinamakan titik START. Bila
kondisi memungkinkan untuk pembelahan sel, maka replikasi DNA akan dimulai dengan menginisiasi fase S. Titik ini dipakai oleh eukariota kompleks untuk
menghentikan siklus sel bila lingkungan tidak memungkinkan atau bila sel masuk ke fase G0
Kontrol dari siklus sel
2. Replikasi DNA dinilai pada titik kritis G2.
Penilaian ini akan memicu fase M sehingga mitosis akan dimulai
3. Mitosis dinilai pada titik kritis M. Titik ini berada pada metafase dan memicu
penghentian mitosis serta dimulainya fase G1.
Kontrol dari siklus sel
Kontrol ini berlangsung dengan cara interaksi sejumlah protein tertentu pada titik kritis tersebut. Terdapat 2 protein utama pada interaksi ini:
1. Cyclin
2. Cyclin dependent protein kinase (Cdk’s) adalah enzim yang menambahkan fosfat kepada serin dan treonin pada enzim sel dan protein lainnya. Misalnya pada titik kritis G2, Cdk akan memfosforilasi histon, filamen membran nuklear, dan protein mikrotubulus.
Kontrol dari siklus sel
Fosforilasi akan menyebabkan dimulainya
aktivitas yang membawa sel melalui titik kritis dan memulai proses mitosis. Cyclin adalah
protein yang mengikat Cdk dan menyebabkan Cdk berfungsi sebagai enzim. Protein ini
dinamakan cyclin karena selalu dirusak dan disintesa ulang pada setiap siklus sel. Pada mamalia terdapat cyclin yang berbeda saat mengatur pada 3 titik kritis yang berbeda
Kontrol dari siklus sel
Titik kritis G2: Selama G2, sel akan mengakumulasi
cyclin G2 yang disebut mitotic cyclin terikat dengan Cdk dan membentuk kompleks yang disebut MPF (Mitosis promoting factor). Pada awalnya MPF tidak aktif, tetapi setelah beberapa molekul MPF mengalami fosforilasi dan teraktivasi oleh enzim seluler lainnya, akan meningkatkan aktivitas dari enzim yang
memfosforilasi MPF, sehingga membentuk umpan balik positif dan peningkatan cepat dari konsentrasi MPF aktif. Bila konsentrasi meningkat dan melewati ambang untuk memulai mitosis, maka fase G2 akan berakhir.
Kontrol dari siklus sel
Titik kritis G2 (sambungan):
Lamanya waktu yang dibutuhkan oleh sel untuk fase M ditentukan oleh aktivitas dari MPF karena satu dari berbagai fungsinya adalah untuk aktivasi protein yang merusak siklin. Selama mitosis, level Cdk tetap tetapi G2 cyclin yang terdegradasi akan menurun dan
menyebabkan penumpukan MPF yang kehilangan aktivitasnya dan memulai peristiwa pengakhiran mitosis. Setelah mitosis, akumulasi dari cyclin akan dimulai untuk proses siklus sel berikutnya.
Kontrol dari siklus sel
Titik kritis G1: Pada eukariota uniseluler seperti ragi, faktor utama yang mengatur mulainya replikasi DNA adalah ukuran sel. Keputusan untuk START diambil dengan membandingkan ukuran sitoplasma dengan ukuran genom. Selama pertumbuhannya, sitoplasma akan bertambah besar, sementara ukuran genom
relatif tetap, akhirnya ambang ratio akan tercapai dan menyebabkan produksi cyclin dan memulai replikasi DNA berikutnya dan pembelahan sel.
Kontrol dari siklus sel
Pada organisme multiseluler, keputusan untuk
pembelahan sel harus dilakukan secara bersama sehingga hanya sel tertentu dan pada saat tertentu yang membelah diri.
Tampaknya setiap sel yang sedang tumbuh
membutuhkan sejumlah kecil sinyal pengatur positif yang disebut growth factors (al MPF) yang
menstimulasi pembelahan sel. Bila sel sekitarnya
sudah mangambil growth factors tersebut, sel akan kehilangan pemicu pembelahan sel.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
Growth factors bekerja dengan memicu sinyal intraseluler. Fibroblast hanya akan tumbuh
dalam kultur sel bila ditambahkan serum pada medianya, hal ini disebabkan oleh platelet-
derived growth factor (PDGF). PDGF antara lain mengatasi hambatan pengontrol sel untuk membelah. Bila jaringan terluka, pelepasan
PDGF oleh platelet akan memicu sel sekitarnya untuk membelahdan
menyembuhkan luka.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
Lebih dari 50 GF berhasil diidentifikasi dan tiap GF
dikenali oleh reseptor yang berbeda pada permukaan sel. Beberapa GF dapat dikenali oleh reseptor pada banyak sel, sementara lainnya hanya oleh sel tertentu.
Bila sel kekurangan GF, maka pertumbuhan akan berhenti pada titik kritis G1 pada siklus sel.
Penghentian ini disebut sebagai G0. Sel hati
mengalami G0 yang panjang, demikian juga sel saraf dan sel otot biasanya berada dalam fase G0
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
PDGF dan GF lainnya menggunakan pendekatan positif pada siklus sel. Mereka memicu sel melewati titik
kritis G1 melalui pembentukan siklin dan
mengaktivasi gen yang mempromosikan pembelahan sel. Gen yang menstimulasi pembelahan sel disebut sebagai protooncogenes. Bila timbul mutasi pada gen ini, akan menjadi hiperaktif dan merubah mereka
menjadi oncogenes dan menyebabkan proliferasi berlebih yang menjadi ciri dari sel kanker. Mutasi ini biasanya bersifat dominan, sehingga mutasi yang
menyebabkan heterozygot juga menimbulkan perubahan ini.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
Lebih dari 30 protooncogenes yang telah diidentifikasi al myc, fos, jun.
Myc pada sel normal penting untuk mengatur titik kritis G1 karena sel dengan ekspresi myc tidak akan membelah walau dengan kehadiran GF.
Myc dan beberapa gen lainnya yang merespon proto-oncogenes membentuk grup lain yang menunda, termasuk yang memproduksi cyclin dan Cdk
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
GF yang menggunakan jalur negatif untuk
mengontrol sel dan mencegahnya melewati titik kritis G1 dengan mencegah pengikatan
Cdk pada cyclin dan mencegah pembelahan sel.
Gen yang mencegah pembelahan sel ini disebut sebagai tumor suppressor genes. Bila
bermutasi akan timbul pertumbuhan sel yang eksesif dan bersifat resesif (harus keduanya bermutasi).
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
Contoh dari tumor suppressor genes yang banyak dipelajari adalah gen retinoblastoma (Rb). Rb
mengkode protein yang terdapat dalam jumlah besar di dalam nukleus. Protein ini berinteraksi dengan
berbagai protein regulator dalam siklus sel, walau demikian interaksi ini tergantung dengan tahapan fosforilasinya. Pada fase G0, protein Rb mengalami defosforilasi. Rb akan terikat pada protein regulator seperti myc dan fos, sehingga mencegah aksi mereka dan pembelahan sel. Bila mengalami fosforilasi, Rb akan melepas protein2 tsb dan menyebabkan
timbulnya pembelahan sel.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota
multiseluler
Pada sel gamet, jumlah kromosom adalah satu atau
disebut dengan haploid. Proses reproduksi sel gamet disebut sebagai meiosis dan karakteristik utamanya adalah memungkinkan seorang anak mewarisi sifat dari kedua orang tuanya.
Pada eukariota uniseluler setiap sel individu berfungsi sebagai gamet dan bersatu dengan lainnya. Zygot akan mengalami mitosis atau meiosis untuk menjadi
individu haploid.
Pada sel tumbuhan sel haploid dihasilkan dari meiosis yang dibagi oleh mitosis. Sel tertentu pada fase
haploid berkembang menjadi sel sperma atau telur
Meiosis
Pada hewan, sel yang akan mengalami meiosis dan menjadi gamet akan terpisah dari sel
somatik umumnya sejak awal perkembangan.
Sel somatik dan sel yang memproduksi gamet adalah diploid, tetapi bila sel somatik
mengalami mitosis untuk memproduksi dua sel anak yang identik secara genetik dan diploid,
maka sel calon gamet akan mengalami meiosis dan menghasilkan gamet haploid.
Meiosis
Meiosis pada sel hewan diploid akan mengalami dua kali pembelahan sel. Terdapat 2 hal yang membedakan
meiosis dari mitosis:
1. Awal pembelahan inti, terdapat 2 versi kromosom yang disebut sebagai homolog, dipasangkan menurut panjangnya dan sering terjadi pertukaran genetik
selama bersatu. Proses pertukaran ini disebut sebagai crossing over. Kromosom akan ditarik sepanjang
ekuator dan selanjutnya masing2 homolog akan ditarik oleh mikrotubulus ke kutub yang berbeda sehingga setiap kromosom pada kutub hanya
mempunyai satu homolog . Kromatid anak tidak berpisah pada pembelahan inti pertama ini.
Meiosis
2. Kromosom tidak bereplikasi sebelum pembelahan inti kedua. Proses ini identik dengan mitosis, walau
demikian karena mekanisme crossing-over, kedua kromatid anak yang berpisah tidak identik satu dengan lainnya.
Meiosis dibagi menjadi dua fase, meiosis I dan meiosis II.
Setiap fase dibagi lagi menjadi profase, metafase, anafase dan telofase. Pada meiosis profase I lebih kompleks daripada mitosis.
Meiosis
Profase I, DNA akan berkumpar menjadi padat dan
kromosom individu terlihat pertama kalinya di bawah mikroskop cahaya. DNA sudah bereplikasi
sebelumnya sehingga setiap benang mengandung dua kromatid anak yang terikat pada sentromernya.
Ujung kromatid akan terikat pada amplop nukleus pada tempat spesifik. Tempat dimana homolog melekat
berdekatan sehingga anggota dari dua kromosom
yang homologi akan berdekatan. Mereka berjejer satu dengan lainnya dalam proses yang disebut sebagai
sinapsis.
Pembelahan meiosis pertama
Sejenis protein akan dibentuk diantara kromosom yang homolog dan membentuk struktur yang disebut
synaptonemal complex. Pita protein ini memegang kedua kromosom secara tepat sehingga setiap gen
berseberangan dengan partnernya pada kromosom homolog.
Sinapsis menimbulkan crossing over, serangkaian peristiwa kompleks yang menyebabkan segmen DNA bertukaran dengan kromatid saudaranya. Setelah crossing over
selesai, synaptonemal complex akan pecah dan
kromosom homolog akan dilepas dari amplop nuklear
dan mulai menjauh satu dari lainnya. Pada saat ini terdapat 4 kromatid untuk setiap kromosom
Pembelahan meiosis pertama
Keempat kromatid tidak terpisah satu dengan lainnya disebabkan 2 hal:
1. Kromatid yang berasal dari satu replikasi DNA akan terikat pada sentromernya
2. Homolog yang berpasangan terikat bersama oada titik dimana crossing over terjadi pada
synaptonemal complex
Bukti crossing over sering terlihat pada mikroskop
cahaya sebagai struktur berbentuk X yang disebut sebagai chiasma. Chiasma/ta bergerak ke ujung
kromosom ketika kromosom homolog berpisah.
Pembelahan meiosis pertama
Metafase I:
Stadium kedua dari meiosis I, amplop nukleus akan
hilang dan mikrotubulus membentuk spindel, seperti pada mitosis. Chiasmata yang terbentuk pada profase akan melanjutkan pergerakannya ke bawah
kromosom yang berpasangan dari titik asal crossing over, hingga mencapai akhir kromosom. Pada titik ini akan disebut chiasmata terminal. Chiasmata terminal ini akan mengikat kromosom homolog bersama
sehingga hanya satu sisi sentromer yang menghadap luar kompleks. Sisi lainnya menghadap ke dalam dan bagian dari homolog satunya
Pembelahan meiosis pertama
Perlekatan pada satu sisi ini berbeda dengan
pada mitosis dimana kinetokor pada kedua sisi sentromer terikat oleh mikrotubulus.
Setiap pasangan homolog akan berjajar pada
bidang metafase. Orientasi dari tiap pasangan ke aksis spindel: Tiap homolog akan
berorientasi ke kutub yang berbeda secara random
Pembelahan meiosis pertama
Anafase I:
Setelah perlekatan spindel, mikrotubulus dari benang spindel akan mulai memendek. Selama memendek mereka akan memecah chiasmata dan menarik sentromer ke arah kutub dan bersama itu juga kromosomnya.
Karena mikrotubulus terikat pada kinetokor hanya pada satu sisi sentromer, sentromer individu tidak terpisah untuk membentuk dua sentromer anak seperti pada mitosis, tapi semua sentromer menuju ke satu kutub.
Ketika benang spindel berkontraksi, setiap kutub
mempunyai set lengkap kromosom haploid, masing2 berisi satu anggota pasangan homolog.
Pembelahan meiosis pertama
Telofase I:
Pada telofase I, kromosom akan bersegregasi menjadi dua kelompok pada kutub dari sel.
Setiap kromosom bereplikasi sebelum meiosis dimulai dan mempunyai 2 kromatid yang
berlekatan pada sentromer bersamanya.
Sitokinesis mungkin terjadi atau tidak terjadi pada akhir telofase I. Pembelahan meiosis
kedua mungkin terjadi.
Pembelahan meiosis pertama
Meiosis kedua adalah proses mitosis sederhana yang melibatkan produk dari meiosis I. Pada kedua kutub sel, kelompok kromosom akan membelah secara mitosis. Benang spindel terikat pada kedua sisi sentromer, membagi mereka dan menggerakan mereka ke kutub yang berbeda. Hasil dari
pembelahan mitosis ini adalah 4 haploid komplemen dari kromosom. Nukleus akan direorganisasi dan
amplop nukleus akan terbentuk disetiap set haploid kromosom dan akhirnya akan membentuk sel gamet.
Pembelahan meiosis kedua
Pada organisme multiseluler, sel akan
berdiferensiasi antara lain melalui ekspresi gen yang diatur.
Pada fungi, sebagian besar perkembangan akan menjadi sel reproduksi. Pada tumbuhan,
beberapa sel akan mempunyai fungsi khusus.
Walau demikian, tumbuhan mempunyai fleksibilitas, sehingga perkembangan
jaringannya akan dipengaruhi juga oleh lingkungannya.
Diferensiasi sel
Pada hewan, perkembangan diferensiasi sel lebih spesifik dan dilakukan melalui mekanisme khusus yang tidak banyak dipengaruhi oleh lingkungan.
Pada vertebrata, perkembangan adalah suatu proses
dinamis dimana sel yang membelah diri dengan cepat bergerak terhadap lainnya dan membentuk dasar
geometri dari tubuh. Pada sisi yang berbeda, sel-sel khusus akan berkembang membentuk organ tubuh, diikuti oleh pertumbuhan dalam hal ukuran dan
bentuk. Perkembangan ini dibagi menjadi beberapa fase secara sembarang.
Diferensiasi sel
Cleavage:
Vertebrata dimulai dengan satu sel telur yang dibuahi.
Zygot kemudian akan mulai membelah diri secara cepat menjadi serangkaian sel yang semakin kecil dengan jumlah yang semakin besar (blastomer), sampai membentuk bola yang padat. Proses
pembelahan sel awal disebut dengan cleavage, tidak diikuti dengan peningkatan ukuran akhir dari embryo.
Ujung dari zigot disebut sebagai kutub vegetal dan animal. Secara umum blastomer pada kutub animal akan membentuk jaringan eksternal dari tubuh,
sementara vegetal pole akan membentuk jaringan internal dari tubuh.
Diferensiasi sel
Inisiasi dari orientasi kutub ini ditentukan oleh lokasi dimana nukleus sperma memasuki sel telur saat fertilisasi. Titik ini kurang lebih
merupakan bakal perut. Setelah kurang lebih 12 kali pembelahan, kecepatan cleavage
melambat dan gen-gen kunci akan mulai ditranskripsikan dalam embryo.
Diferensiasi sel
Blastomer yang terluar akan bersatu dengan ikatan yang kuat yaitu protein yang mengelilingi sel dan
menyatukannya dengan sel tetangganya. Hubungan ini akan menciptakan isolasi yang menghindari massa
interior sel dari media sekitarnya. Pada stadium 16 sel, sel dari interior akan mulai memompa ion Na+
dari sitoplasmanya menuju ruang antar sel. Perbedaan osmotik akan menyebabkan air ditarik menuju pusat dari masa sel dan membesarnya ruang interseluler.
Ruang ini akan bersatu dan membentuk satu rongga besar ditengah massa sel dan menghasilkan bola sel yang kosong ditengah disebut sebagai blastula.
Diferensiasi sel
Gastrulasi
Salah satu dinding blastula akan terdorong kedalam pada kutub vegetal, membentuk
gastrula. Sel pada kutub vegetal akan bergeser dengan menggunakan ekstensi yang disebut lamellipodia menuju sel tetangganya, sehingga lembaran sel pada kutub vegetal akan
berkontraksi dan terdorong kedalam dan memulai invaginasi.
Diferensiasi sel
Gastrulasi akan membentuk aksis utama dari vertebrata, mengubah blastula menjadi embrio yang simetris
secara bilateral dengan tabung saluran cerna pada bagian tengahnya dan membuka ke luar. Pada saat ini, embrio akan mempunyai 3 lapisan germinal. Sel-sel yang menginvaginasi dan membentuk tabung usus
primitif adalah endoderm, akan membentuk lambung, paru, hati dan kebanyakan dari organ dalam lainnya.
Sel yang tetap berada di luar disebut ektoderm dan akan membentuk jaringan kulit dan sistem saraf.
Diferensiasi sel
Sel-sel yang memisahkan diri dari sel yang
menginvaginasi dan memasuki ruang antar usus dan dinding luar disebut mesoderm dan akan membentuk notokord, tulang, pembuluh darah, jaringan
penyambung dan otot.
Setelah gastrulasi selesai, sebagian ektoderm akan
menebal pada permukaan dorsal embryo dipicu oleh kehadiran notokord. Penebalan ini disebabkan
elongasi dari sel ektodermal tertentu. Sel tersebut akan membentuk baji dengan kontraksi dari
kumparan filamen aktin pada salah satu ujungnya.
Diferensiasi sel
Perubahan ini menyebabkan sel bergulung menjadi satu tabung dan kemudian akan menjadi otak dan medula spinalis. Tabung ini disebut sebagai neural tube dan prosesnya disebut sebagai neurulasi
Selanjutnya berbagai kelompok sel akan berpindah pada lokasi2 tertentu, termasuk sel neural crest yang
terpisah dari neural tube membentuk sejumlah
struktur termasuk beberapa alat sensorik. Sel yang berpisah dari blok pusat otot disebut somit dan membentuk otot rangka. Demikian juga prekursor dari sel darah dan gamet.
Diferensiasi sel
Pada akhir dari migrasi sel dan kolonisasi, dasar dari vertebrata telah terbentuk, walau embrio hanya berukuran beberapa mm dan hanya
mempunyai 100.000 sel. Pada perkembangan selanjutnya, jaringan akan membentuk organ dan embrio akan tumbuh menjadi ratusan kali besarnya.
Diferensiasi sel
Terdapat 6 mekanisme penting untuk perkembangan dari berbagai organisme:
1. Pergerakan sel. Sel bermigrasi dalam berbagai
tahapan perkembangan dan menempuh jarak jauh sebelum mencapai tempat akhir dimana dia akan berkembang. Kebanyakan jaringan mengandung sel yang berasal dari berbagai bagian embryo. Salah satu cara sel bergerak adalah dengan menarik diri mereka disepanjang molekul adhesi seperti protein
Cadherin.
Diferensiasi sel
Cadherin menjangkau plasma membran dan
keluar dari permukaan sel. Bagian sitoplasmik dari molekul terikat ke aktin atau intermediate filament dari sitoskeleton dimana bagian
ekstraseluler mempunyai 5 segmen 100 AA yang terikat sambung menyambung. 3 atau lebih dari segmen ini mempunyai tempat
pengikatan Ca2+ yang sangat penting untuk perlekatan cadherin dengan sel lainnya.
Diferensiasi sel
Terdapat berbagai tipe cadherin yang masing2
mempunyai tipe segmen yang berbeda. Bila sel bermigrasi ke jaringan yang berbeda, cadherin yang dibentuk olehnya juga akan berubah. Sel yang mengekspresikan dua cadherin yang
berbeda akan memisahkan diri dan membentuk 2 kelompok sel.
Diferensiasi sel
2. Induksi
Pada mamalia, semua blastomer akan mendapat determinan yang sama dan pembentukan tubuh ditentukan oleh interaksi antar sel, sebuah pola
perkembangan yang disebut perkembangan regulatif.
Contoh pentingnya interaksi antar sel adalah bila
kutub vegetal dipisahkan akan membentuk endoderm dan kutub animal akan membentuk sifat2 ektoderm, tapi tidak akan pernah membentuk sifat2 mesoderm.
Tapi apabila kedua sel tersebut ditempatkan bersebelahan, beberapa sel kutub animal akan
berkembang menjadi mesoderm. Perpindahan jalur perkembangan dari suatu sel ke yang lainnya sebagai akibat interaksi disebut sebagai induksi.
Diferensiasi sel
Perubahan ini karena adanya sekresi protein dari sel yang menginduksi sebagai bentuk sinyal interseluler.
Kadang terdapat sekelompok sel yang disebut
organizer yang memproduksi sinyal molekul yang terlarut dan memberikan informasi posisi dari sel
lainnya. Organizer mempunyai pengaruh penting pada jaringan sekitarnya. Semakin dekat sekelompok sel
dengan organizer, semakin tinggi sinyal molekul yang didapat. Sinyal ini disebut sebagai morfogen.
Diferensiasi sel
Sebuah morfogen mempunyai beberapa efek yang berbeda tergantung dari jarak antara organizer dengan lokasi sel.
3. Determinasi
Sel ovum mamalia simetris bentuknya sehingga semua sel pada blastoderm awal sampai 8 sel adalah simetris. Sel-sel ini disebut sebagai totipoten, artinya mampu
mengekspresikan semua gen dalam genomnya. Bila mereka dipisahkan, setiap sel mampu berkembang menjadi individu utuh. Sebaliknya bila dua sel totipoten dikombinasikan,
mereka juga mampu membentuk individu normal yang disebut chimera (karena mengandung sel dari lini genetik yang berbeda).
Diferensiasi sel
Sel mamalia baru berbeda setelah fase 8 sel, sebagai
akibat interaksi antar sel. Pada saat ini, perkembangan masing2 sel sudah dipastikan dan menjadi irreversibel.
Proses ini disebut sebagai determinasi. Sel yang akan menjadi otak pada awal blastula, akan berkembang
mengikuti sel sekitarnya, tapi bila dilakukan pada akhir gastrula, sel tetap akan berkembang menjadi sel sarat.
Determinasi berbeda dengan diferensiasi. Pada diferensiasi, sel berkembang menjadi spesialisasi
tertentu pada akhir jalur perkembangan. Sel sudah akan dideterminasikan untuk menjadi jaringan
tertentu jauh sebelum diferensiasi dimulai.
Diferensiasi sel
Proses determinasi ditentukan oleh protein pengatur gen tertentu yang menentukan ekspresi gen dan menginisiasi perkembangan. Bila gen yang
memproduksi protein ini diaktifkan, salah satu
efeknya adalah memperbanyak ekspresi dari gen itu sendiri, sehingga menimbulkan serangkaian reaksi yang tidak dapat dibalik.
Sering sel yang dideterminasi akan menempati posisi tertentu yang disebut sebagai positional labels.
Diferensiasi sel
4. Pembentukan pola
Seringkali sel hewan menggunakan informasi posisi sebagai dasar pembagian ruang dari tubuh. Pada
Drosophila, sebelum fertilisasi, terdapat asimetri pada sel telur disebabkan oleh gen yang disebut bicoid
pada mRNA maternal, menandakan titik yang akan menjadi bagian anterior embryo. Fertilisasi akan menyebabkan translasi menjadi protein bicoid
membentuk morfogen. Pola ini akan mengaktifkan berbagai macam kelompok gen yang akan
menentukan pembentukan pola pada embryo
Diferensiasi sel
5. Ekspresi dari gen homeotik
Setelah pembentukan pola, serangkaian gen homeotik akan berfungsi sebagai saklar induk untuk
menentukan pembentukan dari berbagai segmen. Gen homeotik dianggap sebagai kode untuk protein yang berfungsi sebagai faktor transkripsi, mengaktivasi
modul program genetik tertentu yang akan memulai produksi dari bagian tubuh yang spesifik. Mutasi pada gen ini akan menyebabkan terbentuknya bagian tubuh normal pada tempat yang salah.
