Yang Lama dan Baru

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 pe- nyebab 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 kog- nitif maupun karakteristik perilaku kita dipengaruhi oleh pengalaman pranatal

kita,

dan faktor-faktor pada

ibu

seperti merokok, nutrisi, stres, diabetes, dan sebagainya berperan dalam kesehatan pascanatal

kita.

Selain

itu,

pengalaman-pengalaman tersebut

disertai

oleh faktor

molekular

dan

seluiar, ^me- nentukan 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 ^kesem- patan 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

pada p erkembangan manusia) disebut masa embrio- genesis (kadang-kadang disebut masa organo- genesis); 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 ratusan tahun. Tidaklah mengherankan, pendekatan anatomis mendominasi penelitian-penelitian ^awal.

,t ;'

ffHFf ^r',

Bagian Satu

*

Embriologi Umum

Para peneliti melakukan pengamatan, dan cara

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 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. Pen-

dekatan 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

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

pemberian label dengan zat radioaktif dan autora- diografik. Salah satu penanda genetik pertama ^juga muncul sekitar masa itu dengan diciptakannya chick- quail 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

pem- bentukan

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 pema- haman 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 dan Pembentukan Sinyal Molekular

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 pem-

b entuk sinyal ters ebut adalah s onic hed.geh o g.

Pada waktu yang

hampir

bersamaan

(OAt),

teratologi mengemuka karena kasus suatu obat ber- nama 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 lingkung- an, obat, dan gery serta memberikan ^pemahaman lebih

lanjut

tentang hubungan proses-proses _Per- kembangan 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

memper- kirakan 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-

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

5 ! t\dYA,L,$lt0 iLif WL{ iLir.lft

Biologi molekular telah membuka ^cakrawala baru

dalam studi embriologi dan

meningkatkan _Pe- mahaman 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

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 di- perkirakan sebelumnya. Hipotesis satu gen untuk satu

protein kini

telah ditinggalkan. Karena itu, melalui berbagai mekanisme, satu gen dapat meng- hasilkan 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 kelompok- kelompok 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

di- transkripsikan. 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 me- ngandung regio-regio yang disebut eksory yang dapat ditranslasikan menjadi protein, dan

intron,

yang terselip di antara ekson dan tidak ditranskripsi-

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,

memungkin- kannya

keluar

nukleus,

dan

memungkinkannya ditranslasikan menjadi protein (Gambar 1.4). Ber- dasarkan 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

Nukleosom Kompleks histon

Bab

I {.

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

Regio

promotor Ekson ^'1 lntron

1

^Ekson 2 ^{lntron 2 Ekson 3 lntron 3}

Sekuens penguat (enhancer) Kodon

permulaan translasi

menghambat transkripsi gen yang Promotor ^{atau en-} hancernya (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 nukleo- som 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

Penghentian translasi

Tempat penghentian

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, masing- masing mengatur ekspresi gen

di

^{jaringan yang}

sestai. Enhancerb ekerjadengan mengubah kromatin

untuk

memajankan promotor atau dengan mem- permudah pengikatan

RNA

polimerase. Kadang- kadang enhancer dapat menghambat transkripsi dan disebut silencer (peredam). Fenomena

ini

^me-

mungkinkan 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

Boks TATA

Tempat transkriPsi penambahan

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.

Kompleks protein faktor

transkripsi

Tempat permulaan transkripsi

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 Satu

*

Embriologi Umum

promotor

ata:u enhancer dar- mengaktifkan atau 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 meng- gunakan 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.

Bahkan setelah suatu protein terbentuk (trans- 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 ^ke- mungkinan jumlah protein yang dapat disintesis mungkin mendekati tiga kali lipat dari jumlah gen 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 kom- petensi, dan kompetensi memerlukan pengaktifan jaringan responder oleh suatu

faktor

kompetensi.

Ekson spesifik jaringan (tulang)

Regio 3'yang tidak ditranslasikan lntron

,,4..

Gen hipotetis

Protein I

Protein ll (tulang)

Protein lll

Gambar 1.6 Gambarsebuahgenhipotetisyangmelukiskanprosesalternativesplicinguntukmembentukproteinyangberbeda- beda 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

Gambar 1.7 Gambar yang melukiskan interaksi mesenkim- epitel. Setelah suatu sinyal awal dari salah satu ^jaringan, jaringan kedua mengalami induksi untuk berdiferensiasi menjadi struktur tertentu. Jiringan pertama disebut peng- induksi, 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 mesenkim dan

hal ini

disebut

interaksi

epitel-

mesenkim (lihat Gambar I.7).

Sel-sel epitel disatukan dalam

bentuk

tabung atau lembaran, 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 meng- hasilkan 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 peng- induksi 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

dan responder. Jalur komunikasi

ini

terjadi melalui

interaksi parakrin,

yang memungkinkan protein yang disintesis oleh satu sel berdifusi dalam jarak pendekuntukberinteraksi ^{dengan sel} di sekitar, atau melalui interaksi iukstakrin, ^yang tidak memerlu- kan protein-protein yang dapat berdifusi. Protein yang dapat berfusi yang berperan dalam ^pem- bentukan 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 perkem-

'

_{bangan 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

Saat ini telah sekitar dua lusin gen FGF teridentifi- kasi, dan gen-gen

ini

dapat menghasilkan ^ratusan bentuk-bentuk ^iso protein melalui proses p erubahan RNA sphcing atau kodon inisiasinya. Protein FGF yang dihasilkan oleh gen-gen

ini

mengaktifkan ^se- kelompok reseptor

tirosin

kinase yang disebut reseptor faktorp ertumbuhan ^fi broblas ^{(fib r obl} ast growthfactor receptor,FGFR). Sebaliknya, reseptor- reseptor ini mengaktifkan berbagai jalur sinyal. FGF sangat penting

untuk

angiogenesis, pertumbuhan akson, dan diferensiasi mesoderm. Meskipun ^ter- dapat banyak kelebihan dalam suatu

famili

^sede-

mikian

sehingga satu

FGF

kadang-kadang dapat menggantikan FGF yanglain, namun masing-masing FGF mungkin bertanggung jawab untukproses per- kembangan 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 Mesenkim

x...,Xr*

*€* 3?5:

l0

Bagian Satu .1. Embriologi Umum

sejumlah proses perkembangan termasuk pemben- tukan pola anggotabadan, induksi dan pembentukan 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 trans- duser 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

per- kembangan. 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 uro- genital.

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 pem- bentukan 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

langsung atau menghambat aktivitas suatu inhibitor suatu

jalur

(menghambat suatu

inhibitor,

seperti halnya pembentukan sinyal hedgehog). Jalur ^trans- duksi 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 memi-

liki

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).

Pembentukan Si nya I J u kstakri n

Pembentukan sinyal

iukstakrin

juga diperantarai oleh jalur-jalur transduksi sinyal tetapi tidak me- libatkan 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

Molekular

^{I I}

kemudian berikatan dengan suatu faktor transkripsi

untuk

mengaktifkan ekspresi gen. Pembentukan sinyal oleh Notch ^sangat penting dalam diferensiasi saraf spesifikasi pembuluh darah, dan ^segmentasi somit. (Z)

t

igan di matriks ekstrasel yang disekresi- kan 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

oleh sel dan

termasuk

kolagen,

proteoglikan

(kondroitin sulfat, asam hialuronat,

^dan

sebagainya),

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 meng- hubungkan molekul ekstrasel seperti fibronektin

dan

laminin ke sel

disebut

integrin.

^Reseptor-

reseptor

ini

"mengintegrasikan' molekul matriks dengan

perangkat sitoskeleton sel,

^misalnya

mikrofilamen aktin

sehingga sel dapat bermigrasi

di

sepanjang

matriks

(perancah) dengan meng- gunakan protein-protein kontraktilnya, ^misalnya aktin. Integrin ^{juga dapat} menginduksi ekspresi gen

dan

mengatur diferensiasi

seperti pada

^kasus 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-}

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

Gambar

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 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 ^(redun- dancy). 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, sedemi- kian sehingga jalur-jalur tersebut berkaitan erat satu sama lain. I(eterkaitan

ini

menambah tempat pe- ngendalian pembentukan sinyal.

R!NGKASAN

Pada abad terakhir, embriologi telah ^ber- kembang

dari ilmu

pengetahuan peng- amatan menjadi

ilmu

pengetahuan yang melibatkan teknologi canggih dan biologi molekular.

Pengamatan dan teknoiogi modern ^{secara bersama-} sama memberikan pemahaman yang

lebih

^jelas

tentang

asal-mula perkembangan

normal

dan abnormal, dan pada gilirannya, memberikan ^cara- cara

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 kom- pleks 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 regio- regio yang dapat ditranslasikan menjadi protein yang

disebut ekson, dan

regio-regio

yang tidak

di- translasikan yang disebut

intron.

Gen tipikal ^juga mengandung suatu regio promotor yang mengikat

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

gen melalui proses alternstiue splicing

^yang

menghilangkan berbagai

intron

dengan meng- gunakan spliceosomes. Protein yang berasal dari cara

ini

disebut splicing

isoform

atau splice uariant.

Protein juga dapat diubah melalui

modifikasi pascatranslasi, misalnya

fosforilasi atau

_Pem-

belahan.

Induksi

adalah proses yang satu kelompok ^sel

atau

jaringannya

(penginduksi)

menyebabkan

kelompok lain (responder)

mengubah nasib mereka. I(apasitas untuk berespons disebut kom- petensi 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 t3

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.

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 jalur-

jalur

ini melibatkan pembentukan sinyal paralcrin atau jukstakrin? Dapatkah Anda memikirkan cara

b agaim an a m engatasi ganggu an / ^{hilangny a eksp r e si} satu FGF?