Sistem Kontrol Siklus Sel

Sistem kontrol pada siklus, bertujuan agar proliferasi sel berjalan secara normal atau yang diinginkan. Siklus sel dapat dikotrol secara intrinsik (dalam sel), dan ekstrinsik (luar sel). Protein regulator siklus sel, ada yang bersfiat kontrol positif dan ada yang bersifat negatif. Kontrol positif adalah protein yang bertugas mendukung sel untuk bertumbuh dan berkembang, sedangkan kontrol negatif adalah protein yang menghambat pertumbuhan dan perkembangan sel. Tujuannya  agar protein yang berperan dalam kontrol positif dapat dikendalikan oleh protein kontrol negatif supaya sel yang dihasilkan sesuai siklus sel normal. Akibat jika protein positif tidak dapat dikendalikan oleh protein negatif, maka sel akan selalu membelah dan pada akhirnya menyebakan tejadinya gangguan seperti terjadinya kanker. Dalam siklus sel juga, terdapat checkpoint yang berpran dalam regulasi siklus sel, yang berfungsi memeriksa kesiapan siklus sel untuk masuk pada fase selanjutnya. Blog ini hanya menjelaskan tentang regulasi siklus sel, secara mendasar. Regulator siklus sel yang paling berperan dalam siklus sel adalah sebagai berikut:

a.  Cylin, merupakan protein yang diekspresikan dalam siklus sel secara periodik dan konsentrasi yang berbeda-beda pada setiap fase. Cyclin yang paling banyak terdapat dalam siklus sel adalah cyclin D, E, A dan B. Dari semua cyclin ini, cyclin D tidak ekspresikan secara periodik. Ekspresi cyclin D tergantung pada growth factors.

b.    Cyclin-dependent kinases (CDK), merupakan protein kinase yang berperan dalam fosforilasi. Syarat untuk CDK aktif bekerja adalah harus berikatan dengan cyclin, jika CDK tidak berikatan dengan cyclin maka CDK tidak aktif bekerja. CDK yang paling berperan dalam siklus sel adalah CDK 4, 6, 2, dan 1. Ptotein cyclin dan CDK dapat dikatakan sebagai protein yang berperan dalam kontrol positif dalam siklu sel.

c.     Cyclin-dependent kinases inhibitor (CKI), meurpakan protein yang berfungsi menghambat kerja dari CDK atau kompleks cyclin-CDK. Akibatnya CDK atau kompleks cyclin-CDK tidak dapat berperan dalam regulasi siklus sel. CKI dapat dikatakan sebagai protein yang berperan dalam kontrol negatif dalam kontrol skilus sel. cyclin-dependent kinase inhibitor terbagi menjadi 2 kelompok yaitu: INK4 dan CIP/KIP. INK4 berfungsi mengikat CDK, akibatnya CDK tidak dapat mengikat cyclin D, sehingga progresi fase G1 pada siklus sel dihambat. CIP/KIP berfungsi mengikat kompleks cyclin D-CDK 4/6 dan Cyclin B-CDK1.

Regulasi siklus sel.

Protein yang paling berperan dalam regulasi siklus sel adalah cyclin, CDK, dan CKI seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya. Cyclin dan CDK tidak aktif bekerja jika, berdiri sendiri atau terpisah satu dengan yang lain, agar aktif bekerja mereka harus berikatan atau membentuk kompleks (ikatan antara cyclin-CDK).

Pada awal fase G1 sel akan mensintesis cyclin D, yang diinduksi oleh growth factor. Cyclin D akan berikatan dengan CDK4 atau 6, yang membentuk sebuah kompleks cyclin D-cdk4/6. Kompleks ini memfosforilasi protein Rb (retino-blastoma). Protein Rb berikatan dengan protein lain sehingga membentuk kompleks yang dikenal dengan nama HDAC-Rb-E2F. Kompleks ini membuat E2F tidak dapat menempel pada DNA sehingga tidak terjadi transkripsi gen, yang merupakan tahap awal dalam sintesis protein. Untuk itu, kompleks ini harus dibuka, maka dibutuhkan kompleks cyclin D-cdk 4/6 dan cyclin E-cdk2 pada fase G1.

Kompleks cyclin D-cdk 4/6 memfosforilasi protein Rb pada HDAC-Rb-E2F, sehingga HDAC dan E2F terlepas. Protein HDAC yang terlepas mengakibatkan struktur DNA menjadi longgar, hal ini memberikan kesempatan untuk transkripsi gen dan sintesis protein-protein yang dibutuhkan dalam fase G1 dan fase S. beberapa contoh dari protein yang disintesis seperti DNA polymerase, timidin kinase, histon, ribosom, cyclin dan lain-lain. Protein yang disintesis akan digunakan untuk perbanyakan organel dan digunakan untuk sintesis DNA pada fase S.

Pada fase S sel akan melakukan replikasi DNA. Setiap sel mengandung protein CDC6 (cell division cycle 6), yang berfungsi mencegah replikasi DNA. Sehingga, protein CDC6 harus difosforilasi kompleks cyclin A-cdk2. Cyclin A akan melepaskan cdk2 dan mengikat mengikit cdk1, sehingga membentuk sebuah kompleks cyclin A-cdk1. Kompleks ini memfasilitasi kondensasi kromatin.

Cyclin A akan didegradasi pada fase M. Hal ini mengakibatkan cdk1 akan berikatan dengan cyclin B membentuk sebuah kompleks. Kompleks ini berperan memacu mitosis, dan berperan dalam kontrol rearrangement mikrotubul selama mitosis. Cyclin B-Cdk1 dapat dinonaktifkan oleh protein Wee1 dan Myt1 dengan cara memfosforilasi Cdk1, hal ini mengakitbatkan kompleks ini menjadi tidak aktif. Cyclin B-Cdk1 dapat dinonaktifkan juga oleh anaphase promoting complex (APC) dengan cara didegradasi, tetapi hal ini dilakukan pada akhir fase mitosis, tujuannya agar siklus sel terhenti. Secara singkat penjelasan tentang peran dari cyclin dan cdk dalam tahap siklus sel dapat dilihat pada gambar di bawah.

Tahapan dalam kontrol/ regulasi siklus sel. 

    Penjelasan diatas jika buat berdasarkan tahapan dalam siklus sel maka dapat dilihat pada penjelasan-penjelasan berikut

Fase G0

Fase G0 dikenal juga sebagai fase istirahat. Fase ini tidak termasuk dalam siklus pertumbuhan dan perkembangan sel. Hal ini karena pada fase ini, sel tidak melakukan aktivitas pertumbuhan (interphase) dan perkembangan (fase M), meskipun demikian, semua siklus sel dimulai dari fase G0. Perubahan fase G0 masuk ke dalam fase G1 dikendalikan oleh growth factor (faktor pertumbuhan). Jadi, ketika sel distimulasi oleh growth factor sel akan beralih dari fase G0 masuk ke dalam fase G1.

Fase G1

Siklus sel pada fase G1 dimulai dengan perbanyakan organel sel, dan pembentukan senyawa-senyawa replikasi DNA. Pada awal aktivasi cyclin D diikuti juga dengan aktivasi cyclin E dan CDI (p21 dan p27). Selain itu juga, E2F yang terlepas dari Rb juga memungkinkan terjadi traknskripsi gen yang mengkode Cyclin E dan A.

            

    Kompleks cyclinD- Cdk4/6 masuk ke dalam inti sel (nukleus). Kemudian, kompleks ini memfosforilasi protein Rb (pRb) pada kompleks HDAC-pRb-E2F. Kompleks ini akan memfosforilasi pada C-terminus pada protein Rb dari kompleks HDAC-pRb-E2F, yang mengakibatkan terlepasnya HDAC. Akan tetapi, Rb masih mengikat E2F yang mengakibatkan belum terjadinya proses transkripsi. Pada saat inilah Cylyn E berperan. Cyclin E akan berikatan dengan cdk1 yang membentuk kompleks cyclin E-cdk1 yang kemudian kembali memfosforilasi pRb, tetapi tidak pada C-terminus pRb, melainkan pada pocket domain dari pRb. Hal ini mengakibatkan E2F terlepas dari pRb. Fosforilasi protein Rb dapat dilihat pada gambar disamping.

HDAC yang terlepas akan mengganggu struktu DNA, yang mengakibatkan struktur DNA menjadi longgar. Hal dikarenakan HDAC berfungsi menjaga kekompakan struktur kromatin dengan DNA, sehingga struktur DNA sangat kuat dan tidak mudah dilakukan transkripsi. E2F merupakan faktor transkripsi untuk sisntesis berbagai protein yang dibutuhkan dalam fase G1 dan fase S. Pada awalnya protein Rb mengikat E2F (dalam kompleks HDAC-pRb-E2F), tetapi karena mengalami fosforilasi yang disebabkan oleh kompleks Cyclin D-cdkd 4/6, sehingga faktor transkripsi tersebut terlepas dari protein Rb.

Selain, Cyclin D yang berperan fase G1, juga terdapat Cyclin E. Cyclin E akan berikatan dengan cdk2, kemudian membentuk sebuah kompleks. Kompleks Cyclin E-cdk2 selain memfosforilasi pRb, kompleks ini juga memfosforilasi p 27 (yang berperan menghambat cyclin D). Kompleks ini juga memfosforilasi  p220 (NPAT) untuk meningkatan transkripsi gen histon selama perkembangan siklus sel. Kompleks ini juga memfosforilasi NPM (nukleophosmin), kemudian NPM dilepaskan dari sentrosom yang memicu sentrosom melakukan duplikasi. E2F yang terlepas dari Rb dapat memicu aktivasi dari beberapa gen seperti hidrofolat reduktase, timidin kinase, histon H2A, DNA polimerase alfa, proliferating cell nuclear antigen, cyclin E, cyclin A, Cdc2, dan E2F1.

Cyclin A berperan dalam trnasisi G1 ke S, S ke G2, dan G2 ke M. Akan tetapi mekanisme kerjanya belum jelas. Penelitian pada dropsila menujunkan bahwa sel yang kekurangan cyclin A siklus sel akan terhambat. Cyclin A dapat berikatan dengan cdk1 dan cdc2 dalam fase S dan fase G2. Cyclin A-cdkc aktivitasnya ditunjukan antara fase S dan G2, sedangkan cyclin A-Cdc2 akitivitasnya hanya ditunjukan di fase G2. Protein yang menjadi substrat untuk cyclin A-cdk2 adalah histon h1 dan protein RB, sedangkan cyclin A-cdc2 adalah protein histon H1. Kontrol negatif pada G1 salah satunya dipengaruhi CDI (Cyclin dependent inhibitor), yang akan mengikat cyclin D-cdk4 dan menghambat aktivitas dari kompleks cyclin E-Cdk2.

 

Fase S (Sintesis)

Setelah, fase G1 selesai, sel akan masuk ke fase S. Di fase ini terjadi proses penggandaan atau replikasi DNA. Pada fase, DNA akan direplikasi.  Setiap sel mengandung protein CDC6 (cell division cycle 6), yang berfungsi mencegah replikasi DNA. Tujuannya adalah agar tidak terjadi hipereplikasi DNA, yang dapat menyebabkan gangguan pada sel itu sendiri (misalnya tummor, kanker). Tetapi, hal ini juga menjadi hambatan dalam siklus sel, karena pada fase S ini DNA harus direplikasi, sehingga protein CDC6 harus difosforilasi agar replikasi DNA fase S dapat terjadi. Untuk itu, dibutuhkan sebuah kompleks yang disebut kompleks cyclin A-cdk2.

Cyclin A-cdk2 berperan dalam fosforilasi protein yang dibutuhkan untuk replikasi DNA. Salah satu protein yang difosforilasi oleh kompleks ini adalah CDC6. Hal ini mengakibatkan DNA dapat direplikasi, sehingga pada fase S jumlah DNA sudah bertambah atau DNA telah digandakan. Akhir fase S, cyclin  A melepas Cdk2, kemudian mengikat Cdk1 (Cdc2) untuk mengatur transisi sel dari fase S ke G2. Kompleks cyclin A-Cdk1 akan memfasilitasi kondensasi kromatin yang dibutuhkan untuk penggandaan sel.

 

Fase G2

G2, sel juga memiliki kesempatan melakukan mekanisme repair (perbaikan) apabila terjadi kesalahan sintesis DNA. Perbaikan DNA dilakukan oleh DNA polymerase.

 Fase M

Memasuki fase mitosis, cyclin A dan cyclin B diekspresikan kemudian mengikat Cdk1. Progresi G2 masuk ke dalam fase M diregulasi oleh MPF, aktivitas yang pada prinsipnya seperti aktivitas protein kinase dari cyclin B-cdc2. Siklin B muncul pertama kali pada fase S, kemudian meningkat pada fase G2 dan didegradasi pada anafase. Cyclin B terdiri 3 kelompok utama yaitu B1,B2, dan B3. Pada anafese B1, B2, akan didegradasi dan keluar dari intisel sedangkan B3 diduga sebagai penyusun nukleus. Kompleks protein cyclin B / Cdc2 memiliki aktivitas kinase terhadap berbagai substrat protein eksogen termasuk histone HI.

Pada saat metafase dilakukan checkpoint, yang dikenal dengan nama spindle assembly checkpoint (SAC). Ketika kromatid terletak berjejer pada spindle ekuator, dengan semua pasangan kinetokor yang melekat dengan benar pada spindle, SAC menjadi terpenuhi. Hal ini akan mengaktifkan SAC, yang kemudian mengatifkan anaphase promotion complex (APC), yang menginduksi penghancuran susbtrat cyclin B dan sekurin kritisnya. Cyclin B yang hancur mengakibatkan CDK1 tidak aktif. Penghancuran sekurin mengaktifkan protease yang merupakan targetnya yaitu seprase. Separase akan memotong kohesin yang mengarahkan sel masuk pada anafase.

 

Checkpoint siklus sel.

Checkpoint merupakan sebuah sistem dalam regulasi siklus sel, yang bertujuan mengontrol dan menjamin bahwa pada fase-fase tertentu dalam siklus sel sudah berjalan dengan baik. Misalnya salah satu tugas dari Checkpoint  adalah mendeteksi apakah terjadi kerusakan DNA dalam siklus sel, dan jika tidak maka siklus sel tetap berlanjut, tetapi jika terdapat kerusakan maka siklus sel akan dihentikan dan sel diberi kesempatan untuk memperbaikinya. Akan tetapi, jika DNA tidak dapat diperpaiki maka checkpoint akan memicu apoptosis (kematian sel secara terprogram). Checkpoint  dalam siklus sel dilakukan pada akhir fase G1, G2, dan pada metafase.

Pada Checkpoint  pertama (G1) DNA sel induk diperiksa, untuk mengetahui apakah terdapat kerusakan DNA atau tidak. Jika, iya maka siklus sel akan berhenti dan DNA diberi kesempatan untuk melakukan perbaikan. DNA yang telah selesai diperbaiki akan masuk pada fase selanjutnya. Selain, kerusakan DNA, sistem ini juga memastikan apakah terdapat nutrisi yang cukup untuk digunakan pada fase selanjutnya. Checkpoint  pada fase G1 dikenal dengan nama restriction point (R). Checkpoint  selanjutnya pada fase G2 berperan untuk memastikan apakah DNA yang direplikasi pada fase S telah selesai direplikasi, dengan tujuan agar sel masuk pada fase M. Protein yang disekresi pada chcekpoint fase S, G2 dan M adalah CHK1. CHK1 merupakah protein kinase yang berperan memfosforilisasi cdc25C, yang mengakibatkan kompleks cyclin B-cdk1 menjadi tidak aktif. Selian, fosforilasi cdc25C, CHK1 juga memfosforilasi cycE-Cdk2 dan cycA-Cdk2 yang memiliki peran penting dalam fase S. Akibat dari fosforilasi kompleks-kompleks ini menyebabkan siklus sel terhenti. Checkpoint terakhir pada akhir fase M (metafase) disebut juga spindle checkpoint. Pada checkpoint ini mengecek apakah kromosom letaknya telah sejajar pada benang spindel, agar sel siap melakukan pembelahan. Jika belum, siklus sel akan dihentikan. 

 

Daftar Pustaka.

1.    Murti Harry, Boediono Arief, Setiawan Boenjamin, Sandra Ferry. Regulasi siklus sel: kunci sukses somatic cell nuclear transfer. cdk vol. 34 no. 6/159 Nov - Des 2007.

2.    Istindiah HN dan Auerkari, EI. Mekanisme Kontrol Siklus Sel: Suatu Tinjauan Khusus Peran Protein Regulator pada Jalur Retinoblastoma (Rb). Journal of Dentistry Indonesia. November 2015.

3.      Sarmoko, Larasati, Regulasi Siklus Sel, Cancer Chemoprevention Research Center