-
1
KRISTA NEURAL
Sedemikian, disamping seluruh pertanyaan tentang kuantitas, ada
juga perta-nyaan
tentang pola yang sangat penting untuk mengenal Alam. (Alfred
North Whitehead, 1934).
Seperti halnya ahli entomologi dalam meneliti kemisteriusan
kupu-kupu sebagai makhluk
yang berwarna sangat indah, perhatian perburuan kita, adalah
sel-sel dengan bentuk
yang halus dan elok di dalam kebun material kelabu. (Santiago
Ramony Cajal (1937).
Pada Bab ini kita meneruskan pembicaraan perkembangan ektoderma
kita. Fokus
pembicaraan saat ini pada sel-sel krista neural dan panduan
akson. Sel-sel krista neural dan
pertumbuhan konus-konus akson menyediakan sarana bermigrasinya
mereka dari sumber asal-
mulanya ke tempat-tempat spesifik di dalam embrio. Mereka berdua
harus mengenal isarat untuk
memulai migrasinya, dan mereka berdua harus merespon
sinyal-sinyal yang memandu mereka
sepanjang rute-rute spesifik ke tempat tujuan akhir mereka.
Riset akhir-akhir ini telah ditemukan
bahwa banyaknya sinyal yang dikenali oleh sel-sel krista neural
dan oleh konus pertumbuhan
akson, adalah sama.
KRISTA NEURAL
Walaupun diderivatkan dari ektoderma, krista neural
kadang-kadang disebut sebagai
lapisan germinal ke-4 dikarenakan kepentingannya. Bahkan sering
disebut, kemungkinan secara
hiperbolik, bahwa sesuatu yang menarik tentang vertebrata
hanyalah krista neural (dari
Thorogood, 1989). Sel-sel krista neural berasal mula dari region
paling dorsal pipa neural.
Eksperimen-eksperimen transplantasi ketika lempeng neural burung
puyuh dicangkokkan ke
dalam ektoderma non neural ayam, memperlihatkan bahwa
jaringan-jaringan yang dijajarkan ini
menginduksi pembentukan sel-sel krista neural, dan calon lempeng
neural maupun calon
epidermis mengkontribusi untuk krista neural (Slleck and
Bronner-Fraser, 1995; juga Mancila
and Mayor, 1996).
Sel-sel krista neural bermigrasi secara luas untuk
menggenerasikan suatu jumlah sangat
banyak tipe-tipe sel yang terdiferensiasi. Tipe-tipe sel ini
termasuk (1) sel-sel neuron dan sel-sel
glial sensorii sistem syaraf simpatik, dan parasimpatik; (2)
sel-sel medula kelenjar adren yang
memproduksi epineprin; (3) sel-sel mengandung pigmen epidermis,
dan (4) banyak komponen
jaringan skelet dan jaringan ikat kepala. Nasib sel-sel krista
neural tergantung pada, kemana
mereka bermigrasi dan ditempatkan. Tabel 13.1 merupakan
ringkasan beberapa tipe sel yang
berasal mula (diderivatkan) dari krista neural.
HpHighlight
HpHighlight
HpHighlight
HpHighlight
-
2
Tabel 13.1 Derivatif krista neural
Derivatif Tipe sel atau struktur derivatif
Sistem syaraf perifer Neuron-neuron, termasuk ganglia sensorii,
ganglia simpatik dan parasimpatik
dan pleksus-pleksus
Sel-sel neuroglia
Sel-sel Schwann
Derivatif endokrin dan Medula adren
paraendokrin Sel-sel pensekresi kalsitonin
Sel-sel tipe I carotid body
Sel-sel pigmen Sel-sel pigmen epidermis
Kartilago dan tulang muka Kartilago dan tulang muka dan tulang
tengkorak ventral
Jaringan ikat Stroma dan endothelium kornea
Papila gigi
Dermis, otot mulut dan jaringan adipose kulit kepala dan
leher
Jaringan ikat saliva dan lakrimal, timus, tiroid, dan
kel.pituitaria
Jaringan ikat dan otot halus dalam arteri yang berasal dari
arkus aor-
tikus
Sumber: Sesudah Jacobson 1991, diambil dari banyak sumber
Krista neural dapat dibagi menjadi 4 domain fungsional utama
(tetapi juga overlap)
(Gambar 13.1):
Krista neural kranial (sefalik), sel-sel yang bermigrasi kearah
dorsolateral untuk
membentuk mesenkhim-mesenkhim kraniofasial yang berdiferensiasi
menjadi kartilago,
tulang, neuron-neuron kranial, glia dan jaringan ikat muka.
Sel-sel ini masuk arkus
arkus dan kantung-kantung faring untuk memunculkan sel-sel
timus, odontoblas
primordial gigi dan tulang telinga tengah dan tulang rahang.
Krista neural badan (batang tubuh), sel-sel yang menerima dua
jalur utama. Sel-sel krista
neural yang menjadi melanosit pensintesis pigmen, bermigrasi
dorso-lateral ke dalam
ektoderma untuk melanjutkan jalurnya kearah linia mediana
ventral perut. Jalur migrasi
kedua menempatkan sel-sel krista neural badan kearah
ventrolateral melewati tengahan
anterior setiap sklerotoma. (Sklerotoma adalah blok-blok sel
mesoderma derivat somit,
yang akan berdiferensiasi menjadi kartilago vertebra bagian
korda spinal). Sel-sel krista
neural yang tetap dalam sklerotoma membentuk radik ganglia
dorsal yang berisi neuron-
neuron sensorii. Sel-sel krista neural yang terus ke lebih
ventral membentuk ganglia
simpatik, medulla adren dan kelompok-kelompok syaraf yang
mengelilingi aorta.
Sel-sel krista neural daerah vaga (leher) dan daerah sakral,
sel-sel yang menggenerasikan
ganglia-ganglia parasimpatik (enterik) perut (Le Douarin and
Teillet 1973; Pomeranz et
al. 1991). Krista neural vagal berada berbalikan somit-somit
ayam 1-7, sedang krista
neural sakral terletak posterior somit ke-28.Kegagalan migrasi
sel-sel krista neural dari
region ini ke colon, menghasilkan ketiadaan tumbuhnya ganglion
enterik dan dengan
demikian meniadakan gerakan peristaltik di dalam usus besar.
HpHighlight
HpHighlight
HpHighlight
HpHighlight
-
3
Krista neural kardiaka berlokasi diantara krista neural badan
dan krista neural kranial.
Pada embio ayam, region krista neural ini meluas dari somit
pertama sampai somit ke-3,
beroverlap dengan bagian anterior krista neural pertama vagal
(Kirby 1987; Kirby dan
Waldo, 1990). Sel-sel krista neural kardiaka dapat berkembang
menjadi melanosit,
neuron-neuron, kartilago dan jaringan ikat (arkus faring ke-3,
ke-4 dan ke-6). Selain itu,
krista neural region ini membentuk seluruh dinding jaringan
muskulo-konektif arteri-
arteri besar ketika mereka muncul dari jantung, termasuk juga
mengkontribusi septum-
septum yang memisahkan sirkulasi pulmonaris dari aorta (Le
Lievre and Le Douarin
1975).
Gambar 13.1 Region-region krista ne-ural. Krista neural
kranial
bermigrasi ke arkus brankhia dan ke muka untuk
membentuk tulang-tulang dan kartilago muka dan leher.
Krista neural ini juga membentuk pigmen dan nervus-
nervus kranial. Krista neural vagal (dekat somit 1 7) dan krista
neural sakral (sebelah posterior somit ke-28)
membentuk nervus-nervus parasimpa-tik perut. Sel-sel
krista neural kardiaka timbul sekitar somit 1-3; mereka
kritis dalam pembelahannya diantara aorta dan arteri
pulmonaris. Sel-sel krista neural badan (sekitar somit
ke-6 sam-pai ekor) membentuk neuron-neuron simpatik,
dan perangkat-perangkat di-bawahnya (pada level somit
ke-18-24) membentuk bagian medulla kelenjar adren
(Sesudan Le Douarin, 1982).
KRISTA NEURAL BADAN ( BATANG TUBUH)
Jalur migrasi sel-sel Krista neural badan
Krista neural badan merupakan suatu struktur transient (bersifat
sementara), sel-selnya
mengalami dispersi sesegera setelah pipa neural menutup. Ada dua
jalur yang digunakan untuk
migrasi sel-selnya (Gambar 13.2A). Sel-sel tersebut bermigrasi
sepanjang jalur dorso-lateral
untuk menjadi melanosit, yaitu sel-sel yang membentuk pigmen
melanin. Mereka berpindah
lewat dermis, memasuki ektoderma lewat lubang-lubang kecil pada
lamina basal (yang mungkin
mereka buat). Di sini mereka mengkoloni kulit dan
folikel-folikel rambut (Mayer, 1973;
Erickson et al., 1992). Jalur ini diperagakan dengan serangkaian
eksperimen klasik oleh Mary
Rawles dan yang lain (1948), yang mencangkokkan pipa neural dan
krista dari strain ayam
berpigmen ke dalam pipa neural embrio ayam albino (lihat Gambar
1.11).
HpHighlight
-
4
Gambar 13.2 Migrasi sel-sel krista neu-ral pada badan embrio
ayam.
(A) Diagram skematik migrasi sel krista neural. Pada
jalur I (jalur ventral), sel-sel berjalan kearah ventral
lewat sklerotoma anterior (bagian somit yang
menggenerasikan kartilago vertebra). Sel-sel tadi
awalnya diseberang bagian posterior sklerotoma yang
bermigrasi sepanjang pipa neural sampai mereka masuk
region anterior seberangnya. Sel-sel ini menyumbang
ganglia simpatik dan parasimpatik termasuk juga sel-sel
medula kelejar adren dan radik ganglia dorsal. Sel-sel
krista neural badan yang lain masuk kejalur II (jalur
dorso-lateral) agak lanjut. Sel-sel ini bergerak
sepanjang rute dorso-lateral di bawah ektoderma, dan
menjadi melanosit penghasil pigmen. (Jalur migrasi
terlihat hanya pada salah satu sisi embrio). (B)
Fotomikrograf fluorescen irisan longitudinal embrio
ayam 2 hari ini diwarnai merah dengan antibodi HNK-
1, yang secara selektif mengenali sel-sel krista neural.
Pewarnaan yang terang terlihat pada bagian anterior,
tetapi tidak pa-da posterior, tengahan setiap sklerotoma.
(C,D) Irisan melintang lewat area-area ini, yang
memperlihatkan migrasi luas lewat bagian anterior
sklerotoma, tetapi tidak di-temukan migrasi lewat
bagian posterior. (B dari Wang and Anderson, 1997; C-
D dari Bronner-Fracer, 1986; foto seijin author).
-
5
Peta nasib sel-sel krista neural telah memperlihatkan juga bahwa
mereka adalah jalur
ventral, karena sel-sel krista neural badan menjadi
neuron-neuron sensorii (radik dorsal) dan
neurin-neuron simpatis, sel-sel adrenomedulari dan sel-sel
Schwann (Wetson 1963; Le Douarin
dan Teillet, 1974). Pada burung dan mamalia (tidak pada ikan dan
katak), sel-sel ini bermigrasi
kearah ventral lewat anterior tetapi tidak lewat irisan
posterior sklerotoma-sklerotoma (Gambar
13.2B, C; Rickman et al., 1985; Bronner- Frazer, 1986; Loring
dan Erickson, 1987; Teillet et al.,
1987). Dengan mencangkokkan pipa neural burung puyuh ke embrio
ayam, Teillet dan
pembantu-pembantunya mampu menandai sel-sel krista neural baik
secara genetik maupun
imunologik. Penanda antibodi mengenalkan dan melabel sel-sel
krista neural dari kedua spesies;
penanda genetik memungkinkan peneliti membedakan antara sel-sel
burung puyuh dan sel-sel
ayam. Pengkajian seperti ini memperlihatkan bahwa sel-sel krista
neural awalnya berlokasi
diseberng region-region posterior somit, bermigrasi keanterior
dan keposterior sepanjang pipa
neural kemudian memasuki region anterior somit-somit dirinya
sendiri atau somit-somit di
dekatnya. Sel-sel krista neural ini bergabung dengan sel-sel
krista neural yang pada awalnya
diseberang bagian anterior somit, dan mereka membentuk struktur
yang sama. Jadi, setiap radik
ganglion dorsal terusun dari 3 populasi krista neural: satu dari
krista neural seberang bagian
anterior somit dan satu dari setiap region krista neural
dekatnya seberang region bagian posterior
somit.
MEKANISME MIGRASI SEL KRISTA NEURAL BADAN
Emigrasi dari pipa neural. Beberapa analisis migrasi ( pada
burung, kupu-kupu, atau sel-
sel kista neural) harus menjawab 4 pertanyaan.
1. Bagaimana migrasi dimulai 2. Bagaimana agensia migratori
mengetahui rute yang harus dilalui 3. Sinyal apa yang
mengindikasikan bahwa tujuan telah dicapai dan yang menyebabkan
migrasi dihentikan
4. Kapan agensia migratoris menjadi kompeten untuk berespon pada
sinyal in ?
Gambar 13.3 Seluruh sel krista neural yang sedang bermigrasi
mengekspresikan gen
HNK-1 (berwarna merah), seperti pada Gambar 13.2. Protein
RhoB
(berwarna hijau) diekspresikan dalam sel krista ketika
mereka
meninggalkan krista neural. Sel-sel yang mengekspresikan gen
HKN-1
maupun gen RhoB tampak berwarna kuning. (Se-sudah Liu dan
Jessell
1998; foto seijin T. M.Jessell).
-
6
Sel-sel krista neural berasal-mula dari lipatan neural lewat
interaksi lempeng neural
dengan presumtif epidermis. Dalam ektoderma embrio ayam yang
dikultur, presumtif epidermis
dapat menginduksi pembentukan krista neural dalam lempeng neural
tempat ia berhubungan
(Dickinson et al. 1995). Perubahan ini dapat dimimikkan lewat
pengkulturan sel-sel lempeng
neural dengan bone morfognetic protein 4 (BMP-4) dan BMP-7, dua
protein yang diketahu
disekresikan oleh presumptif epidermis (Liem et al. 1997; lihat
Bab 12). BMP-4 dan BMP-7
menginduksi ekspresi Slug protein dan Rhob protin di dalam sel
yang dipersiapkan untuk
menjadi krista neural (Gambar 13.3; Nieto et al. 1994; Mancila
dan Mayor 1996; Liu dan Jessel
1998). Bila salah satu dari protein ini diinaktifkan atau
dihambat pembentukanya, sel-sel krista
neural gagal bermigrai dari pipa neural. (Sinyal BMP-4
kemungkinan ditingkatkan oleh sinyal-sinyal lain
dari presumtif ektoderma. Fibroblas growth factor dan protein
Wnt kemungkinan esensial untuk menjaga even-
even yang diinisiasi BMP (lihat mayor et al. 1997; LaBonne and
Bronner-Frazer 1998).
Sel-Sel agar meninggalkan krista neural, harus ada dorongan
nyata. Protein RhoB
kemungkinan dilibatkan dalam penyusunan kondisi sitoskeleton
yang mengawali migrasi (Hall
1998). Tetapi, sel-sel tidak dapat meninggalkan pipa neural
sepanjang mereka saling
berhubungan sangat ketat satu dengan yang lain. Salah satu
fungsi slug protein adalah
mengakifkan faktor-faktor yang mendisosiasi jungtion ketat
diantara sel-sel tersebut (Savagne et
al. 1997). Faktor lain dalam penginisiasian migrasi sel-sel
krista neural adalah hilangnya N-
cadherin yang telah merangkai mereka. Protein pengadesi sel yang
biasanya ada pada permukaan
sel-sel krista neural, diregulasi kembali pada saat sel-sel
bermigrasi. Sel-sel krista neural batang
tubuh yang sedang bermigrasi ini idak memiliki N-cadherin pada
permukaannya, tetapi mereka
mulai mengekspresikannya kembali saat mereka beragregasi untuk
membentuk radik dorsal dan
ganglion simpatik (Taleichi 1998; Akitaya and Bronner-Frazer
1992).
Pengenalan matrik ekstrasel di sekitar sel
Jalur yang diambil oleh migrasi sel-sel krista neural batang
tubuh (badan)
dikontrol leh matrik ekstra sel yang mengelilingi pipa neural
(Newgreen and Gooday 1985;
Newgreen et al. 1986). Tetapi apa molekul matrik ekstrasel yang
memungkinkan dan mencegah
migrasi? Satu perangkat protein mempromosi migrasi. Protein ini
diantaranya fibronektin,
laminin, tenaskin, beberapa molekul kolagen dan proteoglikan,
dan mereka terlihat disepanjang
matrik yang dilintasi sel-sel krista neural. Perangkat protein
lain merintangi migrasi dan
menyediakan spesifisitas untuk gerakan selula. Proten-protein
utama yang terlibat pada
penghentian migrasi sel krista neural ini adalah protein-protein
ephrin (ephrins protein). Protein-
protein ini berekspresi pada potongan posterior setiap
sklerotoma, dan dimana saja mereka, sel-
-
7
sel krista neural tidak pergi (Gambar 13.4). Bila sel-sel krista
neural dilapiskan ke dalam suatu
cawan kultur yang mengandung lajur-lajur matrik ekstasel dengan
dan tanpa ephrin bergantian,
sel-sel ini akan meninggalkan matrik yang mengandung ephrin dan
bergerak sepanjang strip-
strip matrik yang tidak mengandung ephrin (Gambar 13.4B; Krull
et al. 1997; Wang and
Anderson 1997). Sel-sel krista neural mengenali protein ephrin
lewat reseptor-reseptor Eph
dipermukaan sel-selnya. Jadi sel-sel krista neural mengandung
reseptor Eph dalam membran
plasmanya, sementara sklerotoma bagian posterior batang tubuh
mengandung suatu ligand Eph
di dalam membrannya. Pengikatan pada ephrin mengaktifkan domain
tirosin kinase reseptor Eph
di dalam
Gambar 13.4 Pemberhentian (pembatasan) segmental sel-sel
krista
neural dan neuron-neuron motorii oleh protein Ephrin
sklerotoma. (A) Korelasi negativ antara region-region e-
phrin dalam sklerotoma (warna biru gelap, ki-ri) dan
migrasi sel krista neural (HNK-1 ter-warnai hijau, kanan).
(B) Ketika sel-sel krista neural dioleskan pada matrik
berisi fibronektin dengan diselai strip-strip ephrin, mereka
terikat pada region-region yang tak ber ephrin. (C) Skema
komposit yang memperlihatkan migrasi sel-sel krista
neutral korda spinal dan neuron-neuron motorii lewat
sklerotoma region ante-rior yang tidak mengandung
ephrin. (Untuk penjelasan, sel-sel krista neural dan
neuron-neuron motorii masing-masing hanya digambar
pada satu sisi korda spinal. (A dan B dari Krull et al.
1997; C sesudah OLeary dan Wilkinson 1999)
sel-sel krista neural, dan kinase-kinase ini kemungkinan protein
yang terfosforilasi yang
bekerjasama dengan sitoskeleton aktin yang mengkritisi migrasi
sel. Selain ephrin ada protein-
protein lain pada bagian posterior setiap sklerotoma yang juga
tampak berkontribusi pada sifat
ketidak-ramahan region ini (Krull et al. 1995). Pola migrasi sel
krista neural menggenerasikan
-
8
keseluruhan karakter segmental sistem syaraf periper, yang
dicerminkan pada pemosisian radik
ganglia dorsal dan struktur-struktur derivat krista neural
lain.
Faktor kemotaksis dan faktor pemelihara juga penting dalam
migrasi sel-sel krista
nural.Faktor sel stem adalah penting untuk memberi kemungkinan
keberlanjutan proliferasi sel-
sel krista neural ini yang memasuki kulit, dan ini dapat juga
membantu sebagai faktor anti
apoptosis dan sebagai suatu faktor kemotaktik. Bila faktor sel
stem disekresikan dari sel-sel yang
tidak biasa mensintesis protein ini (seperti epithelium pipi
atau telapak kaki), sel-sel krista neural
akan masuk pada region tersebut dan menjadi melanosit (Kunisada
et al. 1998). Oleh karenanya,
migrsi sel-sel krista neural tampak diatur oleh matrik ekstrasel
maupun faktor-faktor soluble
yang disekresi oleh tempat tujuan potensial. Seperti akan kita
lihat nanti, gerakan konus
pertumbuhan akson dapat juga diatur oleh isarat yang sama (dan
kadang-kadang identik).
DIFERENSIASI SEL-SEL KRISTA NEURAL BATANG TUBUH
Pluripotensi sel-sel krista neural batang tubuh
Salah satu gambaran paling menarik sel-sel krista neural adalah
pluripotensinya. Satu sel
krista neural tunggal dapat terdiferensiasi menjadi berbagai
tipe sel apa saja, tergantung pada
lokasinya dalam embrio. Sebagai contoh, neuron-neuron
parasimpatik yang dibentuk oleh sel-sel
krista neural vagal (leher) memproduksi asetilkolin sebagai
neurotransmiternya; oleh karenanya
mereka adalah neuron-neuron kolinergik. Neuron-neuron simpatik
yang terbentuk oleh sel-sel
krista neural toraksis (dada) memproduksi norepinephrin; mereka
sebagai neuron-neuron
adrenergik. Tetapi ketika sel-sel krista neural vagal dan
toraksis ayam ditransplantasikan dengan
dipertukarkan posisinya, sel-sel krista neural yang semula dada
memproduksi neuron-neuron
kolinergik ganglia parasimpaik, dan yang semula sel kista neural
leher membentuk neuron-
neuron adrenergik pada ganglia simpatik (Le Douarin et al.
1975). Kahn dan pembatunya (1980)
menemukan bahwa sel-sel krista neural premigratori dari baik
region vagal maupun region
toraksis memiliki enzim untuk mensintesis asetilkolin maupun
norepinephrin. Jadi sel-sel krista
neural toraksis mampu berkembang menjadi neuron-neuron
kolinergik ketika mereka
ditempatkan ke dalam leher, dan sel-sel krista neural leher
mampu menjadi neuron-neuron
adrenergik ketika mereka ditempatkan pada batang tubuh
(badan).
Pluripotensi beberapa sel krista neural seperti yang bahkan
region-region krista neural
yang tidak pernah membentuk neuron di dalam embrio normal dapat
membentuk neuron pada
kondisi tertentu. Sel-sel krista neural kranial dari region otak
tengah normalnya bermigrasi ke
mata dan berinteraksi dengan retina berpigmen untuk menjadi
sel-sel kartilago sklera (Noden
-
9
1978). Tetapi bila region krista neural ini ditransplantasikan
ke dalam region badan, ia dapat
membentuk neuron-neuron ganglion sensorii, sel-sel
adrenomedularia, glia dan sel Schwann
(Schweizer et al. 1983).
Gambar 13.5 Pluripotensi sel-sel krista neural badan. (A) Satu
sel tunggal krista neural diinjeksi dengan dextran berfluorescen
tinggi sebentar sebelum migrasi sel krista neural dimulai. Progeni
sel-sel ini masing-masing akan
menerima beberapa molekul fluorescen ini. (B) Dua hari kemudian
jaringan derivate krista neural yang
mengandung sel-sel berlabel dextrans turun dari prekursor yang
diinjeksi. Gambar meringkas data dari dua
eksperimen berbeda (kasus 1 dan kasus 2). (Sesudah Lumsden
1988a).
Riset yang baru saja dibicarakan mengkaji potensial populasi
sel. Masih belum diketahui
apakah sebagian besar individu-individu sel yang meninggalkan
kista neural adalah pluripoten
atau apakah sebagian besar telah menjadi dibatasi kearah
nasib-nasib tertentu. Bronner-Frazer
(1988, 1989) menyediakan bukti bahwa beberapa, bila tidak
sebagian besar, individu-idividu sel
krista neural adalah pluripoten ketika mereka meninggalkan
krista neural. Mereka menginjeksi
molekul dextrans fluorescen ke dalam setiap sel-sel krista yang
masih sedang berada di atas pipa
neural, dan kemudian diamati untuk melihat apa tipe sel yang
diturunkan sesudah bermigrasi.
Progeni suatu sel krista neural tunggal dapat menjadi
neuron-neuron sensorii, sel-sel pigmen, sel-
sel adrenomedularia dan sel-sel glia (Gambar 13.5). Pada
mamalia, sel-sel krista neural tampak
menyerupai suatu sel stem yang dapat menggenerasikan sel-sel
krista neural multipotent lebih
jauh.
Tetapi Laboratorium D.J. Anderson (Lo et al. 1997; Ma et al.
1998; Perez et al. 1999)
menemukan bukti bahwa beberapa populasi sel krista neural sangat
segera dikomitmen sesudah
meninggalkan pipa neural. Mereka telah melihat bahwa
neuron-neuron sensorii dari krista neural
dispesifikasi lewat faktor transkripsi neurogenin, sementara
neuron simpatik dan parasimpatik
dari krista neural dispesifikasi oleh faktor transkripsi yang
berhubungan yaitu Mash-1. Ekspresi
neurogenin (yang akan mencegah sel-sel krista neural untuk
menjadi selain neuron-neuron
sensorii) tampak sangat segera sesudah krista neural terlepas
dari pipa meural. Belum diketahui
-
10
bagaimana komitmen sel-sel ini untuk memperkuat persangkaan asli
ini. Kemudian tampak
bahwa sel-sel krista neural memperkuat kemampuan untuk
berdiferensiasi menjadi sejumlah
besar tipe sel yang berbeda, sementara populasi sel krista
neural lainnya dispesifikasi awal dalam
perkembangan awal.
Diferensiasi Akhir Sel Krista Neural Badan
Difernsiasi akhir krista neural badan sebagian besar ditetapkan
oleh lingkungan tempat
bermigrasi. Diferensiasi krista neural badan tidak melibatkan
kematian sel selektif yang telah
melibatkan diri untuk mensekresi suatu neurotransmiter lain
selain satu yang diperlukan
(Coulombe and Bronner-frazer 1987). Sebagai contoh, sel jantung,
mensekresi suatu protein,
leukemia inhibiting factor (LIF), yang dapat merubah
neuron-neuron simpatik adrenergik
menjadi neuron kolinergik tanpa memengaruhi kesurvivalan dan
pertumbuhannya (Chun and
Pattterson 1977; Fukada 1980; Yamamori et al. 1989). Hal serupa,
BMP2, suatu protein yang
disekresi oleh jantung, paru dan aorta dorsal, memengaruhi
sel-sel krista neural ratus untuk
berdiferensiasi menjadi neuron-neuron kolinergik. Neuron-neuron
tadi membentuk ganglia
simpatik pada region organ-organ ini (Shah et al. 1996).
Sementara BMP2 dapat menginduksi
sel-sel krista neural menjadi neuron-neuron, glyal growth factor
(GGF; neuregulin) menekan
diferensiasi neuronal dan mengarahkan perkembangan kearah nasib
glial (Shah et al. 1994).
Faktor parakrin lain, endothelin-3, tampak menstimuli sel-sel
krista neural menjadi melanosit
dalam kulit dan neuron-neuron adrenergik dalam perut (Baynash et
al. 1994; Lahav et al. 1996).
Untuk membedakan diantara dua nasib ini, sel-sel krista neural
yang memasuki kulit juga
bertemu protein-protein Wnt yang menghambat perkembangan kearah
neural dan memicu ke
diferensiasi melanosit (Dorsky et al. 1998). Hal yang serupa,
sel-sel krista neural badan ayam
yang bermigrasi ke region yang dipersiapkan untuk menjadi medula
adren dapat terdiferensiasi
ke dalam dua arah. Kehadiran faktor parakrin tertentu
menginduksi sel-sel ini menjadi neuron-
neuron parasimpatik (Warley et al.1995), sementara sel-sel yang
juga bertemu dengan
glukokortikoid seperti yang dibentuk oleh sel-sel kortikal
kelenjar adren terdiferensiasi menjadi
sel-sel adrenome-dularia (Gambar 13.6; Anderson and Axel 1986;
Vogel dan Weston 1990). Jadi
nasib satu sel krista neural dapat diarahkan oleh keadaan
jaringan lingkungan tempat ia
ditempatkan.
-
11
Gambar 13.6 Diferensiasi akhir sel Krista neural badan diarahkan
menjadi salah satu sel adrenomedularia (chromafin) atau neuron
simpatik. Glukokortikoid tampak beraksi pada dua tempat dalam jalur
ini, yaitu
menghambat aksi factor-faktor yang memajukan diferesiasi
neuronal dan yang kedua, mereka menginduksi enzim-
enzim yang karakteristik sel-sel adrenomedularia. Sel-sel yang
didedahkan secara sekuensial pada fibroblast growth
factor basa (FGF2) dan nerve growth factor (NGF) terdiferensiasi
menjadi neuron-neuron simpatik.
KRISTA NEURAL KRANIAL Sel-sel krista neural kranial memiliki
suatu daftar nasib yang berbeda dari sel-sel krista
neural badan. Sementara kedua tipe sel krista neural ini dapat
membentuk melanosit, neuron, dan
ganglia, hanya sel-sel krista neural kranial yang mampu
membentuk kartilago dan tulang. Selain
itu, bila ditransplantasikan ke dalam region badan, sel-sel
krista neural kranial berpartisipasi
dalam pembentukan kartilago badan yang normalnya tidak timbul
dari komponen krista neural.
Muka (wajah) sebagian besar produk sel-sel krista neural
kranial, dan evolusi rahang,
gigi dan kartilago fasial terjadi lewat perubahan-perubahan
penempatan sel-sel krista ini.
Seperti dijelaskan pada Bab 12, otak belakang tersegmentasi
sepanjang aksis anterior-posterior
menjadi kompartmen-kompartmen yang disebut rhombomer. Sel-sel
krista neural kranial ayam
bermigrasi dari sel-sel krista neural region-region sebelah
anterior rombomer ke-6, yang
mengambil salah satu dari tiga jalur utama (Gambar 13.7; Lumsden
and Guthri 1991).Pertama
sel-sel dari rombomer 1 dan 2 bermigrasi ke arkus faringeal
pertama yang membentuk tulang
rahang termasuk juga tulang inkus dan tulang maleus telinga.
Mereka juga terdorong oleh
perkembangan epidermis untuk membentuk prosesus frosonasal.
Sel-sel krista neural prosesus
fronso-nasal menggenerasikan tulang-tulang muka. Jalur kedua,
sel-sel krista neural dari
rhombomer 4 mempopulasi arkus faringeal ke-2 (yang membentuk
kartilago hioid leher). Jalur
ke-3, sel-sel dari rhombomer ke-6 bermigrasi menuju ke arkus
faringeal ke-3 dan ke-4 dan
kantung faringealnya untuk membentuk kelejar thimus, kelejar
paratiroid dan kelenjar tiroid.
-
12
Bila krista neural diambil dari region-region tadi termasuk
rhobomer ke-6, pembentukan kelenjar
timus, paratiroid dan kelenjar tiroid gagal (Bockman and Kirby
1984). (Arkus faringeal atau arkus
brankhial, adalah arkus yang membentuk kantung menghadap keluar
region leher dan kepala sebagai tempat
migrasinya sel-sel krista neural (lihat Gambar 13.1). Kantung
faringeal terbentuk diantara arkus-arkus ini dan
menjadi tiroid, paratiorid dan timus)
Pada embrio mamalia, sel-sel krista neural kranial bermigrasi
sebelum pipa neural
menutup (Tan and Morris-Kay 1985). Sel-sel krista neural yang
berasal-mula dari otak depan
(forebrain) dan otak tengah (midbrain) menyumbang prosesus
frontonasal, palatum dan
mesenkim-mesenkim arkus faringeal pertama. Struktur ini menjadi
bagian apparatus insang pada
ikan; pada manusia, ia membentuk tulang rahang dan tulang inkus
dan tulang malleus telinga
tengah. Sel-sel krista neural yang berasal mula region sebelah
anterior otak belakang
menggenerasikan mesenkim-mesenkim arkus faringeal kedua, yang
menggenerasikan tulang
stapes termasuk juga kartilago muka (lihat Gambar 13.7; Tabel
13.2) Sel-sel krista neural kranial
juga membentuk mesenkim-mesenkim arkus faringeal ke-3, ke-4 dan
ke-6 (arkus faringeal ke-5
berdegenerasi pada manusia), yang membentuk tulang dan otot
leher.
Gambar 13.7 Migrasi sel-sel krista neural kra-nial pada kepala
mamalia. (A) Mikrograf skaning m.e. embrio tikus dengan
ektoderma
bagian lateral di-ambil dari permukaan. Migrasi sel-sel krista
neural
tampak jelas diatas midbrain, dan kolumna sel krista neural
yang
bermigrasi menuju arkus faringeal pertama yang akan datang.
(B)
Gambaran skematik migrasi sel-sel krista neural kranial ke
arkus-
arkus fa-ringeal, yang memperlihatkan pola ekspresi gen Hog.
Perhatikan bahwa pola diatur bergiliran diantara pipa neural dan
arkus
faringeal, seperti halnya sel-sel krista neural dari rhombomer
ke-4
masuk ke arkus faringeal ke-2. Batas-batas ekspresi gen Hog
bertepatan benar dengan tepi-tepi rhombomer.(C)
Struktur-struktur
muka manusia mesenkimal derivat sel-sel krista neural.
Elemen-
elemen kartilagoneus arkus faringeal berwarna, dan region
titik-titik
menunjukkan skelet muka yang dibentuk oleh region anterior
krista
neural. ( A dari Tan and Morriss-Kay 1985, seijin S.-S. Tan;
B
sesudah McGinnis dan Krumlauf 1992; C sesudah Carlson 1999).
-
13
Pada setidak-tidaknya beberapa kasus, sel-sel krista neural ini
diinduksi sangat awal pada
jaringan yang dapat ia bentuk. Noden (1983) mengambil region
krista neural yang normalnya
menunaskan arkus faringeal ke-2 dan menggantikan region tadi
dengan sel-sel yang akan
bermigrasi menuju arkus faringeal ke-1. Embrio inang
mengembangkan dua set struktur rahang
bawah, dikarenakan sel-sel derivat cangkokan juga membentuk
mandibula.
Tabel 13.2 Beberapa derivat arkus faringeal
Arkus
faringeal
Elemen skelet
(krista neural +
mesoderma)
Arkus, arteri
(mesoderma)
Otot
(mesoderma)
Nervus kranial
(pipa neural)
1 Inkus dan malleus (dari
kristal neural),
mandibula dan maxila
dan region tulang
temporal (dari
mesenkim kristal
derma)
Arteri carotid cabang
maxilla (ke telingga,
hidung dan rahang)
Otot rahang lantai
mulut, otot telinga dan
palatum lunak
N. Trigeminal cabang
maxila dan
mandibula (V)
2 Tulang stapes telinga
tengah, prosesus stiloid
tulang temporal, bagian
tulang hioid leher
(seluruhnya dari
kartilago kristal neural)
Arteri ke region
telinga, arteri
kortikotimpani
(dewasa), arteri
stapedia (embrio)
Otot-otot ekspresi
fascial, otot rahang dan
otot leher bagian atas
N. Fascial (VII)
3 Bibir bawah dan tanduk
lebih besar tulang hioid
(dari kristal neural
Arteri carotid
gabungan, radik
karotid internal
Stilo faringeus (untuk
mengangkat faring)
N. Glosofaringus
(IX)
4 Kartilago laringeal (dari
mesoderma lempeng
lateral)
Aorta arkus, arteri
subklavia kanan, cerat
asliarteri pulmonaris
Pengkerutan pembatas
faring dan korda suara
Cabang laringeal N.
Vagus (X)
5 Kartilago laringeal (dari
mesoderma lempeng
lateral)
Duktus arteriosus,
radik arteri
pulmonaris
Otot intrisik laring Rekuren cabang
laringeal N.Vagus
(X)
Sumber: Didasarkan pada Larsen 1992.
Tampaknya kombinasi ekspresi gen Hog pada berbagai region sel
krista neural
menspesifikasi nasib mereka. Ketika gen Hoxa-2 di knock-out dari
embrio mencit, sel-sel krista
neural arkus faringeal ke-2 ditransformasi menuju struktur arkus
faringeal ke-1 (Gendron-
Marquire et al. 1993; Rijli et al. 1993). Seperti kita bicarakan
pada Bab 11, Chisaka dan Capcchi
(1991) menknock-out gen Hoxa-3 dari mencit inbreed dan menemukan
bahwa mencit mutan ini
mengalami deficiensi berat atau tanpa kelenjar timus, tiroid dan
paratiroid, vertebrae leher
memendek dan mengalami malformasi pembuluh-pebuluh utama jantung
(lihat Gambar 11.38).
Tampaknya bahwa gen Hoxa-3 bertanggung jawab untuk
penspesifikasian sel-sel krista neural
kranial yang membentuk kartilago leher dan derivatif arkus
faringeal. Hoxa-1 dan Hoxb-1 kedua-
duanya diperlukan untuk migrasinya sel-sel krista neural
rhombomer 4 ke dalam kantung
faringeal ke-2. Bila kedua gen diknock-out dari mencit, tidak
ada migrasi yang terjadi dari r-4
(rhombomer-4), dan struktur telinga tengah derivat kantung
faringeal-2 tidak terbentuk (Gavalas
-
14
et al. 1998; Studer et al. 1998). Selain itu, asam retionoid
menginduksi ekspresi gen-gen Hox
anterior yang biasanya diekspresikan hanya disebelah lebih
posterior, dan mereka menyebabkan
rhombomer 2 dan rhombomer 3 menerima identitas rhombomer 4 dan 5
(Gambar 13.8; Marshall
et al. 1992; Kesel 1993). Pada keadaan ini, nervus trigeminal
(yang timbul dari rhomomer-2)
diubah menjadi nervus fascial lain (ciri rhombomer-4) dan
keabnormalan arkus faringeal ke-1
yang menunjukkan bahwa sel-sel krista neural rhombomer-2 dan 3
telah diubah menjadi fenotip
lebih posterior.
Sedemikian berada di dalam arkus dan kantung faringeal, sel-sel
krista neural harus
melanjutkan prolifrasinya dan kemudian terdiferensiasi. Mencit
yang menderita defisiensi pada
gen untuk endothelin-1 memiliki keabnormalan spesifik arkus
faringeal 3 dan 4 (termasuk juga
jantung); sel-sel krista neural memasuki arkus tetapi tidak
terpacu untuk membelah (Thomas et
al. 1998). Hasilnya, mencit ini memiliki spektrum cacat yang
mirip dengan keadaan manusia
yang disebut CATCH-22, suatu akronim untuk cacat kardiaka, muka
abnormal, hipoplasia
timus, celah palatum, hipokalsimea dan tiadanya kromosom 22.
Gambar 13.8 Perubahan pola ekspresi gen Hox merubah
penspesifikasian sel-sel krista neural. (A) Asam retinoid merubah
pola ekspresi gen Hoxb-1 dan memediasi
perubahan homeotik region-region otak belakang. (A) Pada
embrio-embrio mencit yang
tidak diperlakukan (kiri) dan pada hari ke 8,5, ekspresi gen
Hoxb-1 terbatas pada
rhombomer- 4. Bila embrio didedahkan pada asam retinoid pada
saat tersebut (kanan),
ekspresi gen Hoxb-1 diperluas ke anterior kearah otak tengah.
Sesudah 2 hari, gen
Hoxb-1 di dalam embrio normal diekspresikan dalam sel keturunan
rhombomer-4 dan
dalam sel linia mediana rhombomer-5. Pada embrio yang
diperlakukan dengan RA, pola
normal rhombomer-4/5 telah diduplikasi pada rhombomer 2/3. Pola
ekspresi krista
neural gen Hoxb-2 juga diduplikasi, dan nervus motorii faskial
ke-2 dibentuk. Hasil ini
menunjukkan asam retinoik memediasi transformasi homeotik
rhombomer2/3 ke
rhombomer 4/5. (B-E) dalam mutan Hoxa-1 dan Hoxb-1 yang gagal
mengekspresikan
gen-gen ini pada rhombomer-4, mencit tidak berhasil menumbuhkan
telinga. (B) Mencit
tipe liar, yang memiliki telinga luar. (C) Homozigot dobel
defisiensi Hoxa-1, Hoxb-1
tidak memiliki telinga. (D-E) Irisan melintang lewat tipe liar
dan dobel mutan tulang
kepala, memperlihatkan ketidak hadiran struktur tengah dan
struktur dalam telinga pada
mencit mutan. St = stapes; ma, maleus; co, kohlea; ttm, membran
timpani. (A sesudah
Krumlauf 1993; B-E dari Galvlas et al. 1998, foto seijin
P.Chambon).
-
15
PERKEMBANGAN GIGI Selama morfogenesis beberapa organ, banyak
dibicarakan tentang interaksi yang terjadi
diantara jaringan. Pada interaksi epithel-mesenkim, mesenkhim
mempengaruhi epithelium;
jaringan epithelial sedemikian diubah oleh mesenkim, dapat
mensekresi faktor-faktor yang
mengubah mesenkhim tersebut. Interaksi tersebut berlanjut sampai
suatu organ dibentuk dengan
organ spesifik sel mesenkim dan organ spesifik epithelia.
Beberapa diantara yang dikaji paling
intensif adalah interkasi epithel-mesenkhim yang membentuk gigi
mamalia. Dalam proses ini,
sel-sel mesenkhim derivat krista neural menjadi dentin yang
mensekresi odontoblas, sementara
epithelium rahang terdiferen-siasi menjadi enamel yang
mensekresi ameloblas. Ringkasan riset
akhir-akhir ini yang mengkorelasikan induksi mesenkhim dan
diferensiasi di dalam gigi mamalia
disajikan pada Gambar 13.9.
Perkembangan gigi dimulai ketika epithel mandibula (rahang)
menyebabkan
ektomesenkhim derivat krista neural (artinya mesenkhim yang
diproduksi dari ektoderma)
beragregasi pada tempat spesifik. Polaritas epithel mandibula
ditetapkan oleh interaksi antara
BMP4, yang berlokasi sebelah distal, dan FGF8, yang berlokasi
sebelah proksimal (merapat
tulang tengkorak). Dengan demikian gigi yang terbentuk pada
region FGF8 akan menjai molar,
sementara gigi yang terbentuk pada region BMP4 menjadi inkisor
(Tucker et al. 1998). Segera
sesudah itu, pola ekspresi BMP4 dan FGF8 berubah, dan tempat
primordial gigi ditentukan oleh
interaksi antara molekul-molekul yang sama ini di dalam
epithelium. FGF8 menginduksi
ekspresi Pax9 pada ektome-senkhim di bawahnya, sementara BMP4
menghambat ekspresi Pax9.
Pax9 merupakan suatu faktor pentranskripsi yang berekspresi
dalam ektomesenkhim sebagai
suatu pengkritis untuk inisiasi morfogenesis gigi, dan di dalam
mencit defisiensi Pax9,
perkembangan gigi berhenti awal. Hanya tempat beradanya
kondensasi ektomesekim dan gigi
berkembang, ada FGF8 dan tidak ada BMP (Vainio et al. 1993;
Neubuser et al. 1997). Jadi,
ruang berkembang diantara gigi.
Pada saat ini, epithelium memiliki potensi untuk menggenerasikan
struktur gigi diluar
berbagi tipe sel mesenkim (Mina dan Kollar 1987; Lumsden
1988b).tetapi, potensi untuk
membentuk gigi segera menjadi dipindahkan ke ektomesenkim yang
beragregasi di sebelah
bawahnya. Sel-sel ektomesenkim ini membentuk papilla dental dan
sekarang mampu
menginduksi morfogenesis pada epithelia lain (Kollar dan Baird
1970). Pada tingkat ini, epithel
rahang bawah telah kehilangan kemampuannya untuk memerintahkan
pembentukan gigi pada
mesenkim lain. Jadi potensi odontogeniktelah dipindahkan dari
epithel ke mesenkim.
Pemindahan potensi odontogenik ini bertepatan dengan pemindahan
sintesis BMP4 dari
epithelium ke ektomesenkim.
-
16
Gambar 13.9 Koordinasi diferensiasi dan morfogenesis gigi
mamalia. (A) Ketika perkembangan berjalan, mesenkim rahang bawah
derivat krista neural mengalami tahapan diferensiasi ketika ia
berinteraksi dengan epithel
rahang bawah. (B) Konsentrasi paracrine growth dan
differentiation factor pada region tempat morfogenesis dan
diferensiasi molar gigi bawah terjadi pada embrio mencit umur 14
hari. Batas epithel gigi digambarkan putih. Factor
paracrine menjadi disekresi oleh titik enamel, suatu masa
epithel yang tidak membelah. (Bingkai pada kiri
memperlihatkan bahwa titik enamel tidak mereplikasi DNA). Gambar
atas setiap fotograf hibridisasi insitu
merupakan suatu rekontruksi seri area ekspresi gen. (A sesudah
Thesleff et al. 1990 dan Thesleff and Sahlberg 1996;
B dari Jerfall 1995, foto seijin A.Vaahtokari, J.Jernvall and I.
Thesleff.).
Ketika sel-sel mesenkim dental berkondensasi, mereka diinduksi
untuk mensintesis
protein membran syndecan dan protein matrik ekstrasel tenascin.
Protein-protein ini (yang dapat
saling berikatan) tampak pada saat epithel yang menginduksi
agregasi mesenkim, dan Thesleff
dan teman-temannya (1990) mengusulkan bahwa kedua molekul ini
mungkin berinteraksi untuk
-
17
meneyebabkan terjadinya kondensasi ini.Selain itu, sesudah
ektomesenkim beragregasi, ia mulai
mensekresi BMP4 termasuk juga faktor pertumbuhan dan faktor
diferensiasi (FGF3, BMP3,
HGF dan aktivin)(Wilkinson et al. 1989; Thesleff and Sahlberg
1996).Protein-protein dari
ektomesenkim ini menginduksi suatu struktur penting di dalam
epithelium. Struktur ini disebut
titik enamel (enamel krnot), dan ia berfungsi sebagai pusat
pensinyal utama untuk
perkembangan gigi (Jernvall et al. 1994). Kelompok sel ini
tampak sebagai populasi sel yang
tidak mengalami pembelahan ditengah-tengah gigi (cusp) yang
sedang berkembang. Selain itu,
hibridisasi in situ telah memperagakan bahwa titik enamel
merupakan sumber Sonic hedgehox
yang mensekresi FGF4, BMP7, BMP4 dan BMP2 (Gambar 13.9B; Koyama
et al. 1996;
Vaahtokari et al. 1996a). Sebagai populasi sel yang
non-dividing, yang mensekresi faktor
pertumbuhan yang dapat diterima baik oleh epithelium maupunn
ektomesenkim, titik enamel
diduga mengarahkan morfogenesis gigi (cusp) gigi dan menjadi
penting dalam mengarahkan
perubahan-perubahan evolusioner struktur gigi pada mamalia
(Jernvall 1955).
Sel-sel mesenkim mulai terdiferensiasi menjadi odontoblas, dan
ekspresi tenascin
diinduksi pada level yang jauh lebih tinggi dan pada
tempat-tempat yang sama ekspresi basa
fosfatase. Kedua protein ini telah dihubungkan dengan
diferensiasi tulang dan kartilago, dan
protein-protein ini mungkin mempromot mineralisasi matrik
ekstrasel (Mckie et al.
1987).Akhirnya, ketika fenotip odontoblas muncul, osteonectin
dan kolagen tipe I disekresi
sebagai komponen matrik ekstrasel. Titik enamel menghilang lewat
apoptosis, sebagai respon
pada BMP4nya sendiri (Vaahtokari et al. 1996b; Jernvall et al.
1998). Lewat proses bertahap ini,
sel-sel krista neural rahang diubah menjadi odontoblas yang
mensekresi dentin.
KRISTA NEURAL KARDIAKA
Seperti kita lihat, jantung asli-nya dibentuk dalam region
leher, tepat di bawah arkus
faringeal, sehingga tidak mengherankan bila jantung membutuh-kan
sel-sel dari krista neural.
Tetapi sumbangan krista neural pada jantung baru diapresiasi
akhir-akhir ini. Region kaudal
krista neural kranial kadang-kadang disebut krista neural
kardiaka, karena sel-sel krista neural
ini (dan isitimewa hanya sel-sel krista neural ini) dapat
menggenerasikan endothelium arteri-
arteri arkus aortikus dan sekat-sekat antara aorta dengan arteri
pulmonaris (Waldo et al. 1998;
lihat Gambar 13.10). Pada ayam, krista neural kardiaka berada
diatas region pipaneural dari
rombomer 7 sampai bagian korda spinal yang berhadapan dengan
somit ke-3, dan sel-sel-nya
bermigrasi kedalam arkus faring ke-3, ke-4 dan ke-6. Krista
neural kardiaka unik karena bila ia
diambil dan diganti dengan krista neural anterior kranial atau
krista neural batang tubuh, timbul
-
18
kardiak abnormal (khususnya kegagalan trunkus areteriosus untuk
terpisah menjadi arteri
pulmonaris dan arteri aortic).Jadi krista neural kardiaka selalu
menetapkan penggenerasian sel-
sel kardiaka, dan regon krista neural lain tidak bisa
menggantikannya (Kirby 1989; Kuratani dan
Kirby 1991).
Pada mencit, sel-sel krista neural kardiaka aneh, karena mereka
mengekpresikan faktor
pentranskripsi Pax3. Mutasi Pax3 menyebabkan penetapan trunkus
arteriosus (kegagalan
pemisahan aorta dan arteri pulmonaria), termasuk juga cacat pada
kelenjar timus, kelenjar
paratiroid (Conway et al. 1997). Cacat jantung bawaan pada
manusia dan mencit sering terjadi
dengan cacat pada kelenjar paratiroid, kelenjar tiroid dan
kelenjar timus. Tidak mengherankan
bila seluruhnya ini berhubungan dengan cacad migrasinya sel-sel
dari krista neural.
Spesifikasi neuronal dan spesifikasi aksonal
Tidak hanya pada migrasi sel-sel prekursor neuronal maupun
krista neural ketempat ia
akan berfungsi, tetapi juga terjadi pada perluasan akson dari
badan sel neuron. Tidak seperti
kebanyakan sel, Seluruh bagian mana saja terletak pada tempat
yang sama, neuron mampu
membentuk akson yang panjangnya hingga meteran. Seperti kita
lihat pada Bab 12, akson
memiliki apparatus lokomosi sendiri, yang ditempatkan pada konus
pertumbuhan. Konus
pertumbuhan dapat merespon tipe-tipe sinyal yang sama yang dapat
dirasakan oleh sel-sel yang
sedang bermigrasi. Selain itu, isarat untuk migrasi akson,
kemungkinan lebih spesifik dibanding
isarat untuk memandu tipe-tipe sel tertentu pada area-area
tertentu. Setiap 1011
neuron di dalam
otak manusia memiliki potensi untuk berinteraksi secara spesifik
dengan ribuan neuron lain, dan
neuron besar (seperti sel Purkinye atu neuron motorii), dapat
menerima input dari lebih 105 sel
lain (Gambar 13.11; Gershon et al.1985). Untuk mengetahui
munculnya kompleksitas order yang
mempesonakan ini merupakan salah satu tantangan terbesar ilmu
pengetahuan modern.
Goodman dan Doe (1993) menyusun 8 tingkat neurogenesis:
1. Induksi dan pemolaan suatu region pembentuk neuron
(neurogenik) 2. Muncul dan migrasi neuron-neuron dan glia 3.
Spesifikasi nasib sel 4. Pemanduan konus pertumbuhan akson ke
target spesifik 5. Pembentukan hubungan sinaptika 6. Pengikatan
faktor-fakor tropik untuk keberhasilan dan diferensiasi 7.
Penyusunan ulang kompetitif sinaptika fungsional 8. Keberlanjutan
plastisitas sinaptika selama masa kehidupann organisme.
-
19
Gambar 13.10 Pemisahan trunkus arteriosus menjadi arteri
pulmonaris dan aorta. Septa transcoconal (antara aorta dan
trunkus
pulmonaris) terbentuk dari sel-sel krista neural kardiaka. (A)
Sel-sel
krista neural kardiaka manusia bermigrasi ke arkus faringeal 4
dan 6
selama minggu ke-5 kehamilan dan masuk trunkus arteriosus
untuk
membentuk septa. (B) Sel krista neural burung puyuh yang
dicangkokan ke dalam region analognya pada embrio ayam, dan
embrio dibiarkan berkembang. Sel-sel krista neural kardiaka
burung
puyuh dapat dikenali dengan anti bodi spesifik-burung puyuh,
yang
mewarnainya gelap. Di dalam jantung, sel-sel ini dapat
dilihat
memisahkan trunkus arteriosus (kanan) menjadi arteri
pulmonaris
dan aorta (kiri). (A sesudah Kirby dan Waldo 1990; B dari Waldo
et
al. 1998, foto seijin K.Waldo and M.L.Kirby).
Munculnya diversitas neuronal
Neuron-neuron dispesifikasi menurut herarki. Penetapan pertama
apakah ia akan menjadi
epidermis atau menjadi neuron. Bila sel menjadi neuron,
penetapan berikutnya akan menjadi tipe
neuron apa; apakah ia akan enjadi neuron motorii, neuron
sensorii, neuron komisura, atau
beberapa tipe lain.Sesudah nasib ini ditetapkan, penetapan lain
target spesifik neuron. Untuk
melukiskan proses-proses perjalanan spesifikasi ini, kita akan
menfokuskan pembicaraan pada
neuron-neuron motorii vertebrata.
Vertebrata membentuk pipa neural dorsal lewat pemblokiran sinyal
BMP, dan penspesifikasian
nasib neural (akan menjadi glial atau epidermal) dikerjakan
lewat jalur Notch-Delta (lihat Bab
12). Spesifikasi tipe neuron tampak dikontrol oleh posisi
prekursor neuronal di dalam pipa syaraf
dan oleh saat kemunculannya. Seperti dibicarakann pada Bab 12,
neuron-neuron pada tepi
ventrolateral pipa neural vertebrata menjadi neuron motorii,
sementara interneuron-interneuron
yang berbeda diderivatkan dari sel-sel pada region dorsal pipa
neural. Sejak pencangkokan
lempeng lantai atau sel-sel notokorda (yang mensekresi protein
sonic hedgehog) ke area lateral
dapat merespesifikasi sel-sel dorsolateral sebagai neuron
motorii, keputusan tentang tipe neuron
barangkali suatu fungsi posisi sel relative ke lempeng lantai.
Ericson dan kawan-kawan (1966)
telah melihat bahwa dua periode pensinyalann Sonic hedgehog
diperlukan untuk menspesifikasi
neuron-neuron motorii: suatu periode awal ketika sel-sel tepi
ventrolateral diintruksikan untuk
menjadi neuron-neuron ventral, dan periode lanjut (yang termasuk
fase S pembelahan terakhir
-
20
sel-nya) yang mengintruksikan neuron-neuron ventral untuk
menjadi neuron motorii (lebih
dibanding interneuron). Keputusann pertama kemungkinan
diregulasi oleh sekresi Sonic
hedgehog dari notokorda, sementara keputusan lanjut lebih
mungkin diregulasi oleh Sonic
hedgehog dari sel-sel lempeng lantai. Sonic hedgehog tampaknya
menspesifikasi neuron motorii
lewat penginduksian faktor pentranskrispsi tertentu pada
konsentrasi berbeda (Ericson et al.
1992; Tanabe et al. 1998; lihat Gambar 12.14).
Gambar 13.11 Saling hubungan akson pada neuron hipocampal ratus
yang dikultur. Neuron ratus telah diwarnai merah oleh antibody
fluorescen pada tubulin. Neuron (merah) tampak dioutline oleh
protein
sinapsis Synapsin (terwarnai hijau), yang berada di ujung akson
yang
mengkontaknya. (Foto seijin R.Fitzsimmomns dan Perkin Elmer
Life
Sciences)
Gambar 13.12 Organisasi dan spesifikasi LIM neuron motorii. Pada
bagian kiri setengah korda spinal yang menunjukkan pembelahan
neuron motorii menjadi 3 kolomna. Neuron pada kolumna berbeda
medisplai set-set
spesifik gen LIM, dan neuron-neuron di dalam setap kolumna
membuat jalur penemuan keputusan. Neuron-neuron
motorii CT terproyeksi ke ventral ke ganglia simpatik.
Neuron-neuron MMC terproyeksi ke ototo-otot aksial, dan
neuron-neuron LMC mengirim akson ke perototan membra. Ditempat
kolumna ini terbagi lagi, subdivisi medial (m)
terproyeksi ke posisi ventral dan subdivisi lateral (l) mengirim
akson ke jaringan target region dorsal. (Sesudah
Tsushida et al. 1994; Tosney et al.1995).
Keputusan selanjutnya melibatkan spesifisitas target. Bila sel
adalah sel yang akan
menjadi neuron, dan secara spesifik adalah neuron motorii,
apakah neuron motorii salah satunya
menginervasi paha, membra depan atau lidah ? Penspesifikasian
anterior-posterior pipa neural
diregulasi terutama oleh gen Hog dari otak belakang (hindbrain)
sepanjang korda spinal, dan
oleh gen-gen kepala spesifik (seperti Otx) dalam otak. Pada
region tubuh, spesifikasi neuron
motorii diregulasi oleh umur sel ketika ia membelah terakhir.
Seperti dibicarakan pada Bab 12,
saat munculnya (lahirnya) neuron menetapkan lapisan kortek mana
yang akan dimasuki. Ketika
-
21
neuron motorii yang lebih muda bermigrasi ke periper, mereka
harus lewat melalui neuron-
neuron yang terdiferensiasi lebih awal dalam perkembangan
(terdiferensiasi lebih dulu). Ketika
neuron motorii lebih muda bermigrasi melewati neuron-neuron
motorii yang lebih tua pada zona
intermediet, mereka mengekspresikan faktor pentranskripsi baru
sebagai hasil sinyal asam
retinoid (atau r3etinoid lain) yang disekresikan oleh
neuron-neuron motor yang baru saja muncul
(Sockanathan and Jessel 1998). Faktor pentranskripsi ini dikode
oleh gen-gen Lim dan secara
struktural berhubungan pada faktor pentranskripsi yang dikode
oleh gen Hox.
Sebagai hasil pembentukannya dan pola migrasinya yang berbeda,
neuron-neuron motorii
membentuk pengelompokan-pengelompokan yang utama (Landmesser
1978; Hollyday 1980).
Badan-badan sel neuron-neuron motorii yang diproyeksikan ke
otot-otot tunggal diklusterkan
pada suatu kolumna longitudinal yang disebut pool. Pool-pool in
dikelompokkan bersama-
sama menjadi 3 kolumna yang lebih besar menurut target-target
mereka. Neuron-neuron motorii
di dalam kolumna Terni (CT) diproyeksikan ke ventral ke ganglia
simpatikus. Pool-pool neuron
motorii kolumna motorii lateral (LMC) terentang ke perototan
membra, sedangkan kolumna
motorii medial (MMC) diproyeksikan keotot-otot aksial. Kolumna
motorii lateral dan medial
terbagi lagi sepanjang aksis mediolateral dalam suatu proses
yang berkorelasi dengan posisi
dorso-ventral target berikutnya (Gambar 13.12; Torsey et al.
1995). Susunan neuron-neuron
motorii seperti ini konstan pada hampir seluruh vertebrata.
Target neuron-neuron motorii ini dispesifikasi sebelum
akson-akson mereka memanjang
ke periper. Ini terlihat dari Lanse-Jones dan Landmesser (1980),
yang membalik-balikkan
segmen-segmen korda spinal embrio ayam sehingga neuron motorii
menjadi berada pada lokasi
baru. Akson akan menuju ke target-target aslinya, tidak menuju
kearah salah satu posisi barunya
yang diharapkan (Gambar 13.13). Dasar molekuler untuk spesifitas
ini terletak pada anggota
keluarga protein LIM yang diinduksi selama migrasi neuron (lihat
Gambar 13-12; Tsusida et al.
1994). Sebagai contoh, seluruh neuron motorii mengekspresikan
Islet-1 dan (agak lanjut) Islet-2.
Bila tidak ada protein LIM lain yang diekspresikan,
neuron-neuron terproyeksi ke dinding otot
tubuh ventral. Neuron-neuron yang pada bagian medial MMC juga
mengekspresikan Lim-3,
yang membedakannya dari neuron-neuron motorii yang lain. Pool
lateral LMC dibedakan
dengan ekspresi yang singkat LIM-1, sementara neuron motorii CT
menghentikan ekspresi Islet-
2. Jadi setiap kelompok neuron dicirikan dengan suatu
pengumpulan (konstelasi) khusus faktor-
faktor pentranskripsi LIM.
-
22
Gambar 13.13 Kompensasi untuk dislo-kasi posisi awal akson di
da-lam embrio
ayam. (A) Korda spinal panjang yang
tersusun dari seg-men T7-LS3 ( segmen
daerah torak ke-7 ke segmen lumbosakral ke-
3) dibalikkan dalam em-brio umur 2,5 hari.
(B) pola normal proyeksi ak-son ke otot pada
umur 6 hari. (C) Proyeksi akson pada
segmen-segmen yang dibalikkan. Neuron
yang ditempatkan ektopik akhirnya menemu-
kan jalur neural semula dan menginervasi
otot-ototnya. (Dari Lance-Jones and
Landmesser 1980).
Pola Penggenerasian di dalam sistem syaraf
Fungsi otak vertebrata tidak hanya tergantung pada diferensiasi
dan pemosisian neuron,
tetapi tergantung juga pada hubungan spesifik sel-sel ini yang
dibuat diantara mereka dan target
peripernya. Pada beberapa peristiwa, syaraf-syaraf dari organ
sensorii seperti mata harus
berhubungan ke neuron-neuron spesifik di dalam otak yang dapat
menginterpretasikan stimuli
visual, dan akson-akson dari sistem syaraf harus menyeberangi
(menembus) permukaan jaringan
besar sebelum menginervasi jaringan targetnya. Bagaimana akson
neuron mengetahui untuk
melintasi banyak sekali sel-sel target potensial untuk membuat
hubungan spesifiknya ?
Catatan: Konus pertumbuhan neuron-neuron pioner bermigrasi ke
jaringan targetnya sementara panjang embrio masih sangat pendek dan
jaringan-jaringn embrionik yang menghalangi masih relatif belum
komplikated. Dalam
perkembangan lanjut, neuron-neuron lain menempel pada
neuron-neuron pioner dan kerenanya masuk ke jaringan
target. Klose and Bentey (1989) melihat bahwa dalam beberapa
kejadian , neuron-neuron pioneer mati sesudah
neuron lain mencapai peruntukannya. Tetapi bila neuron-neuron
pioner dicegah berdiferensiasi , akson-akson lain
tidak akan pernah mencapai jaringan targetnya.
Ross G. Harrison (lihat Gambar 4.3) mengusulkan bahwa
spesifisitas pertum-buhan
akson dilakukan oleh serabut syaraf pioner, yang pergi
mendahului akson-akson lain dan
membantu sebagai pemandu mereka (Harrison 1910). Penemuan yang
sangat sederhana, tetapi
tidak menyelesaikan masalah tentang bagaimana neuron-neuron
membentuk pola-pola hubungan
yang sesuai. Tetapi, Harisson juga mencatat bahwa akson akson
harus tumbuh pada substrat
yang padat, dan ia berspekulasi bahwa perbedaan diantara
permukaan embrionik memungkinkan
akson untuk berjalan pada arah spesifik tertentu. Hubungan akhir
akan terjadi lewat interaksi
saling melengkapi (komplementer) pada permukaan sel target:
-
23
Harus dipilih suatu reaksi permukaan sel target diantara setiap
macam serabut syaraf dan
struktur-struktur tertentu yang diinervasi, rupa-rupanya menjadi
jelas dari kenyataan bahwa
serabut sensorii dan serabut motorii, saling berjalan beriringan
dalam berkas yang sama,
meskipun membentuk hubungan periperal yang terpilih, yang satu
dengan epidermis dan yang
satunya dengan otot...... Kenyataan yang ada menunjukkan bahwa
kemungkinan dalam hal
ini ada suatu analogi tertentu dengan persatuan sel telur dengan
spermatozoon.
Riset pada spesifikasi hubungan neuronal telah difokuskan pada
dua sistem utama,
neuron motorii, yang aksonnya menghantarkan dari syraf ke otot
khusus dan sistem optik, yang
akson-akson berasal mula dari dalam retina menemukan jalan
kembali ke otak. Dalam kedua
kasus ini, spesifitas hubungan akson tampak terbentang dalam
tiga tahapan (Goodman and Shatz
1993):
1. Pemilihan jalur, jalan tempat akson-akson menyelusuri
sepanjang rute yang menuntunnya ke region embrio tertentu
2. Pemilihan target, tempat akson-akson, sedemikian akson-akson
tadi menca-pai area yang tepat, mengenalinya dan mengikat pada
perangkat sel tempat mereka membentuk
hubungan yang stabil
3. Pemilihan tempat (alamat), ketika pola awal diperhalus
seperti setiap akson tertambat pada subperangkat (kadang-kadang
hanya satu) dari target yang dimungkinkan.
Kedua proses pertama sebagai independen aktivitas neuronal.
Proses ketiga melibatkan
interaksi antara beberapa neuron aktif dan merubah proyeksi
saling menutupi menjadi pola
hubungan rangkaian yang sesuai.
Telah diketahui sejak tahun 1930-an bahwa akson-akson motorii
dapat menemukan otot-
otot yang sesuai bahkan bila aktivitas neuronal akson diblok.
Twitty (siswa Harison) dan
sejawatnya menemukan bahwa embrio newt, Taricha torosa
mensekresi toksin, tetrodotoksin,
yang memblok transmisi neural spesies lain. Dengan mencangkokkan
potongan kecil embrio
T.torosa ke dalam embrio spesies salamander lain, potongan kecil
tersebut mampu memparalisis
embrio inang untuk hari-hari sementara perkembangan terjadi.
Hubungan neuronal normal
disusun, bahkan walaupun tidak ada aktivitas neuronal terjadi.
Pada kira-kira waktu berudu siap
untuk makan, toksin menghilang, dan salamander muda berenang dan
makan secara normal
(Twitty and Johnson 1934; Twitty 1937). Eksperimen yang lebih
baru yang menggunakan mutan
zebrafish dengan reseptor-reseptor neurotransmiter yang tidak
berfungsi, secara serupa
memperagakan pula bahwa neuron-neuron motorii dapat menyusun
pola inervasi normal pada
ketiadaan aktivitas neuronal (Westerfield et al.1990).