Organogenesis
Blastulasi dan gastrulasi mencakup proses-proses pembentukan pola,
penentuan informasi posisional, induksi, perubahan bentuk sel dan
diferensiasi sel. Perkembangan struktur dan organ tubuh menggunakan
proses-proses yang sama
Perkembangan organ: anggota
tubuh
Dalam kuliah-kuliah yang lalu kita telah melihat
aspek umum perkembangan yang menentukan
ar-sitektur tubuh. Kini kita akan melihat
organogene-sis: perkembangan struktur dan organ tubuh.
Seperti blastulasi dan gastrulasi, perkembangan
organ mencakup proses-proses pembentukan pola,
penentuan informasi posisional, induksi,
perubah-an bentuk sel dperubah-an diferensiasi sel. Hperubah-anya saja
me-kanisme selular organogenesis bekerja pada
pola-pola ruang dan waktu yang berbeda.
Kita akan melihat proses-proses ini dalam
orga-nogenesis anggota tubuh ayam. Perkembangan
or-gan yang lain berjalan berdasarkan prinsip-prinsip
yang kurang lebih sama. Juga, prinsip yang sama
berperan dalam perkembangan sayap dan kaki
se-rangga.
Anggota tubuh vertebrata
Perkembangan anggota tubuh ayam bermula
setelah bentang tubuh ditentukan. Anggota tubuh
ini berkembang dari tunas. Tunas sayap mulai
ter-lihat pada embryo yang berumur tiga hari dan
un-sur-unsur utama sayap sudah terbangun pada hari
ke-10.
Anggota tubuh mempunyai tiga sumbu
perkem-bangan, yaitu sumbu proksimo-distal yang berjalan
dari pangkal anggota ke ujungnya; sumbu
posterior yang berjalan sejajar dengan sumbu
tu-buh (pada tangan manusia, sumbu ini berjalan dari
ibu jari ke kelingking; pada ayam, dari jari 2 ke jari
4); dan sumbu dorso-ventral (pada tangan
manu-sia, berjalan dari punggung ke telapak tangan)
Pada awalnya, tunas anggota mempunyai dua
komponen utama: inti, yang terdiri dari sel-sel
me-senkim mesodermal, dan selapis epitelium
ektoder-mal. Hampir keseluruhan anggota tubuh berasal
dari inti mesenkimal, walau sel-sel ototnya
diper-oleh dari sel-sel somit yang bermigrasi kepadanya.
Inti mesenkimal akan membentuk unsur-unsur
anggota tubuh yang mencakup kartilago (yang
nantinya akan digantikan oleh tulang), otot dan
tendon dan juga struktur-struktur yang diperoleh
dari jaringan epidermal, misalnya bulu. Diferensiasi
ini terjadi berdasarkan interaksi antar-sel seperti
yang bekerja pada gastrulasi. Pada organogenesis
sayap burung, dua wilayah tunas yang menjadi
Rigi ektodermal puncak dan
zona progres
Pada ujung tunas terdapat rigi ektodermal
pun-cak yang merupakan penebalan ektoderm. Rigi ini
terbit berdasarkan ekspresi gen radical fringe. Rigi
ini berisi sel-sel kolumnar yang saling terikat oleh
gap junction. Ikatan ini sangat kuat dan memberi
rigi kemampuan untuk menjaga supaya tunas ini
tetap berbentuk pipih di sepanjang sumbu
dorso-ventral.
Ektodermal puncak menjeniskan jaringan
me-senkimal di bawahnya menjadi zona progres. Di
dalam zona ini sel-sel berbiak tanpa
berdiferensia-si. Baru setelah sel-sel ini keluar dari zona progres
maka mereka berdiferensiasi. Bagian yang terletak
dekat dengan tubuh adalah bagian yang
mula-mu-la berdiferensiasi dan diferensiasi ini bergerak
te-rus ke arah distal bersama dengan tumbuhnya
anggota tubuh.
Dalam perkembangan anggota tubuh, sel-sel
dijeniskan berdasarkan posisinya terhadap ketiga
sumbu utama ketika mereka masih berada di zona
progres. Ketika tunas tumbuh, zona progres
sema-kin jauh dari badan dan lama waktu sebuah sel di
dalam zona progress menentukan nasibnya
selan-jutnya. Sel-sel ini pertama-tama mendapatkan
in-formasi posisionalnya; ia kemudian menafsirkan
ni-lai ini berdasarkan jejak-jejak perkembangannya.
Jejak-jejak inilah yang menyebabkan tunas
tum-buh menjadi sayap atau menjadi kaki, walaupun
signal yang diperoleh sama.
Ketika tunas tumbuh, struktur kartilago mulai
terbentuk dari inti mesenkimal melalui kondensasi,
yaitu proses pengepakan kelompok-kelompok sel.
Kelompok-kelompok sel ini kemudian akan tumbuh
menjadi, pertama-tama humerus, lalu radius dan
ulna (di sepanjang sumbu proksimo-distal) dan
ke-mudian ketiga jari 2, 3, dan 4 (di sepanjang sumbu
antero-posterior). Urutan perkembangan sayap
bu-rung kira-kira sama dengan perkembangan
anggo-ta tubuh depan mamalia.
Perkembangan struktur sayap itu merupakan
respons dari signal berupa protein FGF (FGF-4 dan
FGF-8) yang diberikan oleh rigi ektodermal puncak
ke zona progres. FGF-4 merupakan signal utama,
karena bila kita memberikan protein ini ke embryo
yang riginya kita hilangkan, ia akan menginduksi
pembentukan tunas yang kemudian dapat tumbuh
secara normal.
Setelah seluruh unsur sayap terbentuk, rigi
menghilang. Dalam perkembangan tunas, selain
mendapat signal, zona progres juga memberi
sig-nal kembali ke rigi ektodermal puncak dan sigsig-nal
dari zona ini memelihara rigi puncak. Setelah zona
progres selesai membangun unsur-unsur anggota
tubuh, ia tidak lagi memerlukan rigi ektodermal
puncak sehingga ia menghentikan signalnya ke rigi
Wilayah polarisasi: sumbu
antero-posterior
Wilayah polarisasi yang terdapat di tunas
ang-gota tubuh vertebrata mempunyai kemampuan
pe-ngendalian yang menyamai pengendali Spemann
pada katak. Bila ia dicangkokkan ke bagian lain,
bagian ini akan membentuk unsur-unsur tunas
yang baru.
Wilayah polarisasi memberikan signal di
sepan-jang sumbu antero-posterior. Bersama tumbuhnya
tunas, konsentrasi molekul-molekul ini menjadi
bertingkat-tingkat. Sel-sel inti mesenkimal
kemudi-an menafsirkkemudi-an nilai signal ykemudi-ang diperolehnya
un-tuk membangun struktur yang sesuai. Misalnya,
pembangunan jari 4 mempunyai ambang yang
tinggi sehingga ia membutuhkan konsentrasi
mor-fogen yang juga tinggi. Jari 3 mempunyai ambang
yang lebih rendah; dan jari 2 lebih rendah lagi.
Signal untuk pemolaan sepanjang sumbu
ante-ro-posterior ini adalah protein Sonic hedgehog.
(Protein ini juga menentukan pola-pola pada somit
dan buluh saraf.) Kelebihan ekspresi gen Sonic
hedgehog di sumbu ini dapat menimbulkan
struk-tur yang baru sehingga, misalnya, menambah
jum-lah jari.
Sonic hedgehog ini juga berinteraksi dengan
FGF-4 dalam umpan-balik positif. FGF-4, sebagai
signal utama rigi ektodermal puncak, menginduksi
Sonic hedgehog di mesoderm sehingga tunas
tum-buh. Pada gilirannya, Sonic hedgehog menginduksi
FGF-4 sehingga rigi menjadi terpelihara. Jadi, rigi
ektodermal puncak dipelihara oleh Sonic hedgehog
dari wilayah polarisasi dan juga oleh signal dari
zo-na progres.
Sumbu proksimo-distal
Pemolaan di sepanjang sumbu proksimo-distal
tidak banyak diketahui. Mungkin sekali ia
ditentu-kan berdasarditentu-kan lamanya
waktu sebuah sel berada
Pemolaan berdasarkan waktu ini dapat terjadi
melalui penghitungan berapa kali sel-sel telah
ber-belah. Semakin lama sebuah sel berada di zona
progres, ia akan membentuk struktur yang
sema-kin distal.
Sumbu dorso-ventral
Sayap burung mempunyai organisasi yang
kompleks di sepanjang sumbu dorso-ventral.
Misal-nya, bulu yang besar hanya terdapat di permukaan
dorsal. Pada jari-jemari, sisi ventral biasanya tidak
memiliki bulu sedangkan sisi dorsal memilikinya.
Pemolaan ini ditentukan oleh ektoderm.
Gen pengendali sumbu dorso-ventral di
anggo-ta tubuh adalah Wnt-7a yang diekspresikan di
ek-toderm di sisi dorsal dan engrailed yang
diekspre-sikan di ventral. Sisi ventral tampaknya merupakan
daerah “dasar” karena bila Wnt-7a mengalami
mu-tasi sehingga rusak, sisi dorsal akan berkembang
membentuk struktur-struktur ventral. Jadi ekspresi
Wnt-7a menginduksi struktur-struktur dorsal.
Selain kehilangan struktur dorsal, mutasi
Wnt-7a juga menyebabkan jari di wilayah posterior
ti-dak tumbuh. Hal ini menyarankan bahwa
perkem-bangan anggota tubuh di sepanjang ketiga
sumbu-nya merupakan integrasi dari interaksi signal-signal
Wnt-7a, FGF-4 dan Sonic hedgehog.
Pemolaan otot anggota tubuh
Anggota tubuh mendapatkan ototnya dari
sel-sel yang bermigrasi dari somit pada awal
perkem-bangan. Setelah tiba di tunas, sel-sel ini berbiak
dan pertama-tama membentuk massa otot di sisi
dorsal dan ventral, baru kemudian membentuk
berbagai jaringan otot sebenarnya.
Berbeda dengan jaringan kartilago dan jaringan
ikat yang berasal dari mesenkim di tunas itu
sendi-ri dan mendapatkan nilai posisionalnya bersama
berkembangnya tunas, sel-sel yang akan menjadi
otot belum mempunyai nilai-nilai posisional. Jadi
mereka semua setara. Bila somit dari daerah leher
dicangkokkan ke daerah yang akan mengirimkan
sel-sel ke sayap, dari sel-sel yang bermigrasi ini
tu-nas sayap akan membentuk otot-otot sayap yang
normal.
Hal ini menunjukkan bagaimana pola otot
di-tentukan oleh jaringan ikat yang menjadi tempat
tujuan prekursor otot bermigrasi. Tampaknya
oleh sel-sel prekursor itu.
Bersama dengan
ber-kembangnya tunas, pola
jaringan ikat dan
kartila-go berubah dan sel-sel
prekursor bergerak juga
ke pola-pola yang baru.
Dengan demikian massa
otot menjadi terpolakan sehingga terciptalah
sera-but-serabut otot yang mempunyai pelekatan ke
tu-lang yang sesuai.
Pembentukan jari-jemari
Wilayah di mana jari-jemari terbentuk pada
a-walnya berupa lempeng karena tunas memipih
se-panjang sumbu dorso-ventral. Unsur-unsur
kartila-go berkembang dari jaringan mesenkimal di dalam
lempeng ini. Pemisahan jari yang satu dari jari
yang lain membutuhkan kematian sel-sel yang
ter-dapat di antara kartilago jari-jari itu. Kematian sel
ini dipengaruhi oleh BMP-4. Bila reseptor bagi
BMP-4 pada sel-sel ini dihambat, sel-sel ini tidak
mati sehingga di antara jari yang satu dengan jari
yang lain akan ada selaput. Perbedaan bentuk kaki
bebek yang berselaput dan kaki ayam yang tidak
semata-mata terjadi karena tunas kaki bebek
mengalami lebih sedikit kematian sel.
Signal BMP-4 diperoleh dari jaringan
mesoder-mal dan signal ini menentukan kematian sel baik di
jaringan mesodermal maupun jaringan ektodermal
di atasnya. Prinsip bahwa mesodem menginduksi
ektoderm adalah prinsip umu perkembangan.
Kematian sel terprogram
Kematian sel secara terpilih merupakan bagian
normal perkembangan. Kematian ini terjadi dalam
morfogenesis anggota tubuh di mana ia diperlukan
untuk memisahkan jari yang satu dari jari yang
lain. Ia juga terjadi dalam pembentukan sistem
saraf di mana neuron yang penjuluran aksonnya
tidak mencapai target akan mengalami kematian.
Dalam peristiwa ini, sel yang mati mengalami
proses yang disebut sebagai apoptosis. Apoptosis membutuhkan sintesis RNA dan protein tertentu
yang mengakibatkan konsentrasi kalsium
mening-kat dan mengaktifkan enzim endonuklease yang
menyebabkan kromatin terputus-putus. Dalam
ke-matian ini isi sel tetap terbungkus di dalam
mem-bran sel untuk kemudian keseluruhan sel yang
ma-ti ini difagositosis oleh sel-sel pembersih. Sifat ini
berbeda dari sel yang mengalami kematian karena
sakit, di mana keseluruhan sel membengkak untuk
kemudian pecah. Kematian sel karena sakit ini
disebut dengan nekrosis.
Penafsiran signal-signal
perkembangan
Signal-signal posisional yang mengendalikan
anggota badan depan sama dengan yang
mengen-dalikan anggota badan belakang. Misalnya, bila
wi-layah polarisasi dari tunas sayap dicangkokkan ke
tunas kaki, signal yang diberikannya akan
mem-bentuk jari-jemari kaki dan bukannya jari-jemari
sayap. Demikian juga, signal-signal yang sama ini
bekerja menentukan bermacam-macam anggota
tubuh berbagai spesies vertebrata. Bila wilayah
po-larisasi dari tunas kaki mencit dicangkokkan ke
tu-nas sayap burung, burung akan mendapatkan
tambahan tunas sayap, bukannya tunas kaki.
Jadi, setiap embryo menafsirkan signal-signal
perkembangan menurut jejak-jejak
perkembang-annya sendiri. Anggota
badan depan
berkem-bang berbeda dari
ang-gota badan belakang
ka-rena jejak perkembangan
mereka berbeda
berda-sarkan letak tunas di
se-panjang sumbu
antero-posterior tubuh.
Demiki-an juga, unsur-unsur
proksimal berbeda dari
unsur-unsur distal karena
letak yang berbeda di
se-panjang sumbu proksimo-distal.
Selain jejak perkembangan, embryo
menafsir-kan signal yang diperolehnya berdasarmenafsir-kan genom
yang dipunyainya. Misalnya, tunas sayap ayam
ti-dak akan membentuk kaki mencit karena genom
ayam akan menentukan pembentukan sayap di
