SIKLUS SEL
Oleh MULIANI
197808062003122001
FAKULTAS KEDOKTERAN
UNIVERSITAS UDAYANA
2016
i
UCAPAN TERIMA KASIH
Pertama-tama perkenankanlah penulis memanjatkan puji syukur ke hadapan
Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa, karena atas asung wara
nugraha-Nya/karunia-Nya, tulisan ini dapat diselesaikan.
Pada kesempatan ini kami menyampaikan terima kasih kepada Bapak Dekan
Fakultas Kedokteran Universitas Udayana dan dr. I G. A. Widianti, M. Biomed.,
selaku Ketua Bagian Anatomi Fakultas Kedokteran Universitas Udayana yang
telah memberikan kesempatan untuk membuat tulisan ini.
Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan, maka
kritik dan saran sangat diharapkan demi kesempurnaan tulisan ini.
Denpasar, Juni 2016
Penulis
ii
DAFTAR ISI
Halaman
SAMPUL
UCAPAN TERIMA KASIH ................................................................................. i
DAFTAR ISI ......................................................................................................... ii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ iii
DAFTAR TABEL ................................................................................................. iv
DAFTAR SINGKATAN ...................................................................................... v
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................ 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 2
2.1. Sejarah Siklus Sel ....................................................................................... 2
2.2. Fase-fase dalam Siklus Sel ......................................................................... 3
2.3. Regulasi Siklus Sel ..................................................................................... 7
2.4. Cyclin .......................................................................................................... 12
2.5. Cyclin Inhibitor ........................................................................................... 16
2.6. Mitosis ........................................................................................................ 17
2.7. Meiosis........................................................................................................ 23
2.8. Hubungan Siklus Sel dengan Kanker ......................................................... 28
BAB III SIMPULAN .......................................................................................... 33
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 35
iii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
2.1 Siklus Sel .................................................................................................... 6
2.2 Interval dan Jumlah Chromosome Masing-masing Fase dalam
Siklus Sel .................................................................................................... 6
2.3 Lokasi Checkpoint pada Siklus Sel ............................................................ 8
2.4 Jalur Signal yang Diinisiasi Oleh Kerusakan DNA.................................... 10
2.5 Jalur Signal Menuju G1/S Checkpoint dan S Checkpoint .......................... 10
2.6 Jalur Signal Menuju G2/M Checkpoint ...................................................... 11
2.7 Respons Sel terhadap Kerusakan DNA ...................................................... 11
2.8 Jenis-jenis Cyclin dan CDK pada Siklus Sel .............................................. 14
2.9 Degradasi Cylin .......................................................................................... 15
2.10 Aktivasi dan Inaktivasi Cyclin .................................................................... 16
2.11 Inhibisi Aktivitas Kompleks Cyclin CDK .................................................. 17
2.12 Phase Prophase Mitosis.............................................................................. 18
2.13 Fase Prometaphase Mitosis ........................................................................ 19
2.14 Fase Metaphase Mitosis ............................................................................. 20
2.15 Fase Anaphase Mitosis .............................................................................. 20
2.16 Fase Telophase Mitosis .............................................................................. 21
2.17 Cytokinesis Mitosis ..................................................................................... 22
2.18 Tahap-tahap Mitosis ................................................................................... 22
2.19 Fase-fase dalam Meiosis ............................................................................. 26
2.20 Skema Meiosis ............................................................................................ 27
2.21 Nondisjunction pada Meiosis...................................................................... 27
2.22 Respons terhadap Aktivasi dan Fosforilasi p53 ......................................... 30
2.23 Peranan p53 dalam Siklus Sel .................................................................... 31
2.24 Fosforilasi pRb ........................................................................................... 32
iv
DAFTAR TABEL
Halaman
2.1 Tugas Setiap Fase dalam Siklus Sel ........................................................... 7
2.2 Kompleks cyclin-CDK pada Vertebrata ..................................................... 14
v
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
53BP1 : p53 Binding Protein 1
ATM : Ataxia Telangiectasia Mutated
ATR : Rad3-Related
BLM1 : Bloom`s Syndrome Helicase 1
BRCA-1 : Breast Cancer Susceptibility Gene 1
CDC : Cell Division Cycle
Cdc2 : Cell divion cycle 2
Cdc25 : Cell division cycle 25
CDKs : Cyclin Dependent Kinases
CHEK1 : Checkpoint Kinase 1
CHEK2 : Checkpoint Kinase 2
CHK2 : Checkpoint Kinase 2
CKIs : CDK inhibitors
DNA : Deoxyribonucleic Acid
FANCD2 : Fanconi Anaemia subtype D2 protein
G1 : Gap 1
G2 : Gap 2
GADD45 : Growth Arrest DNA Damage
H2AX : Histon H2A variant
M : Mitosis
MDC1 : Mediator of DNA damage checkpoint protein 1
MDM2 : Murine Double Minute
MPF : Maturation Promoting Factor
mRNA : messenger RNA
MTOC : Microtubule-organizing center
NBS1 : Nijmegan Breakage Syndrome Protein
NOR : Nucleus Organizer Region
P13Ks : Phosphatidylinositol 3-kinases
p21 : protein 21
p53 : protein 53
PML : Promyelocytic Leukemia Protein
pRb : protein Retinoblastoma
Rad50 : Rad group of checkpoint protein
RNA : Ribonucleic Acid
S : Syntetic
SMC1 : Saccharomyces cerevisiae 1 gene
SQ : Cluster of serines and glutamine
TLK1/2 : Tousled-like Kinase 1/2
TopBP1 : DNA topoisomerase IIβ binding protein 1
TQ : Cluster of threonines and glutamine
1
BAB I
PENDAHULUAN
Manusia termasuk dalam mahluk hidup. Sebagai mahluk hidup, manusia
tumbuh dan berkembang. Pertumbuhan dan perkembangan ini ternyata telah
dimulai sejak pertama kali ovum dan sperma bertemu (fertilisasi).
Hasil fertilisasi (zygot) dapat tumbuh dan berkembang antara lain karena
adanya pembelahan sel sehingga sel bertambah banyak. Sel beregenerasi dengan
cara menduplikasi isinya dan membelah sehingga menjadi 2 sel. Ini terjadi terus-
menerus dan berulang-ulang sehingga merupakan suatu siklus. Siklus sel
diperlukan agar organisme dapat berfungsi dengan baik, bahkan pada orang
dewasa tetap diperlukan untuk menggantikan sel-sel yang mati.
Selain ukuran sel harus bertambah, tugas utama siklus sel adalah menurunkan
informasi genetik (DNA dan chromosom) dalam sel ke sel generasi yang
berikutnya. Untuk itu, siklus sel harus dikoordinasi dengan baik.
Bila terjadi kesalahan dalam siklus sel (DNA dan chromosom salah), maka
dapat mengakibatkan penyakit, antara lain penyakit genetik. Salah satu penyakit
yang termasuk dalam kelainan genetik adalah kanker. Pada kanker, sel
berproliferasi terus karena adanya mutasi pada gen yang mengatur pertumbuhan
dan apoptosis yang berpengaruh terhadap siklus sel, yaitu mitosis dan miosis.
Kanker ini dapat menyebabkan kematian. Karena itu kanker perlu dicegah dan
diobati. Untuk dapat mencegah dan mengobati kanker, maka perlu dipelajari dan
dipahami lebih lanjut siklus sel dan pengaturannya.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Siklus Sel
Pada tahun 2001, ketiga pionir biologi sel, yaitu: Leland Hartwell, Paul Nurse
dan Tim Hunt mendapatkan hadiah nobel dalam bidang Physiology of Medicine.
Hadiah tersebut diberikan karena keberhasilan mereka dalam menemukan
mekanisme regulasi siklus sel dengan menggunakan kombinasi genetik dan
pendekatan biologi molekuler. Dibantu oleh peneliti-peneliti yang lain, mereka
menemukan bahwa protein cyclin dan cyclin dependent kinase (CDKs) membawa
sel dari suatu fase dalam siklus sel masuk ke fase berikutnya (Goodman, 2008).
Sebelum tahun 1950, para ahli biologi dan patologi sel hanya mengenal 2
fase dalam siklus sel yang dapat dilihat dengan mikroskop, yaitu: interphase dan
mitosis. Dengan menggunakan kacang panjang, Vicia faba, Howard dan pelc pada
tahun 1953 mengatakan bahwa interphase dapat dibagi menjadi 3 fase (Goodman,
2008).
Akhir tahun 1960, Hartwell mengenali adanya kekuatan genetik untuk
memisahkan siklus sel. Melalui penelitiannya menggunakan sel-sel ragi, ia
berhasil mengidentifikasi 100 gen-gen yang terlibat langsung dalam pengaturan
siklus sel, yang disebut gen CDC (cell division cycle). Salah satunya adalah: Cdc
28, yaitu suatu CDK yang mengontrol tahap pertama fase G1 siklus sel dan karena
itu juga disebut start (Goodman, 2008).
3
Selain itu, Hartwell juga menemukan 3 lokasi checkpoint dari siklus sel.
Sementara Paul Nurse juga melakukan percobaan yang serupa dengan Hartwell,
hanya saja menggunakan jenis ragi yang berbeda. Pada pertengahan tahun 1970,
Nurse mengidentifikasi gen Cdc2 yang berperanan dalam transisi fase G2 menuju
M. Kemudian Nurse mengisolasi gen pada manusia dan menemukan CDK yang
lalu disebut CDK1. Beliau menunjukkan bahwa aktivasi CDK1 tergantung pada
fosforilasi yang reversibel. Setelah itu, beberapa CDK manusia yang berbeda
ditemukan (Goodman, 2008).
Aktivitas CDks dibentuk melalui ikatan dengan cyclin. Cyclin pertama
ditemukan oleh Tim Hunt ketika mengikuti kursus physiology pada Marine
Biological Laboratories di awal 1980. Beliau mengamati adanya suatu protein
spesifik yang dihancurkan pada setiap pembelahan sel namun disintesis kembali
di siklus yang berikutnya. Protein tersebut kemudian dikenal sebagai cyclin.
Penemuannya dikonfirmasi oleh Joan Ruderman yang menemukan bahwa dalam
embrio yang sedang membelah, terdapat banyak cyclin yang berinteraksi dengan
molekul CDK di waktu yang berbeda dari siklus sel (Goodman, 2008).
2.2 Fase-fase dalam Siklus Sel
Siklus sel dapat digambarkan sebagai siklus hidup suatu sel (Manson et al,
2006). Siklus ini terjadi pada seluruh jaringan yang memiliki pergantian sel
(Junquiera et al, 1998). Siklus sel dibagi menjadi 2 peristiwa besar, yaitu: mitosis
(pembelahan sel) dan interphase. Pada fase mitosis yang berlangsung lebih
singkat daripada interphase, terjadi pembagian nucleus dan cytoplasma sel.
4
Akibatnya terbentuk 2 sel anak (Manson et al, 2006; Gartner and Hiatt, 2007).
Sementara interphase merupakan interval antara pembelahan selama sel
menjalankan fungsinya dan mempersiapkan mitosis (Manson et al, 2006). Karena
itu, selain terjadi replikasi materi genetik, ukuran dan isi sel juga bertambah
(Gartner and Hiatt, 2007).
Interphase dibagi menjadi 3 fase, yaitu: fase G1 (presintesis), S (sintesis
DNA) dan G2 (post duplikasi DNA) (Junqueira and Carneiro, 2003). Namun sel-
sel yang tidak membelah terus menerus (sel neuron dan sel otot), aktivitas sel
(sementara ataupun tetap) tidak melalui siklus ini dan tetap dalam fase istirahat,
yaitu fase G0 (Junqueira and Carneiro 2003; Manson et al, 2006).
Sel anak yang terbentuk selama mitosis kemudian akan memasuki fase G1.
Untuk sel-sel yang cepat membelah (sel-sel embrionik), G1 berlangsung sangat
cepat sedangkan untuk sel-sel lain (fibroblast, spermatogonia prepubertal), fase
G1 berlangsung sangat lama sehingga diperkirakan berada dalam fase G0
(Henrikson et al, 1997). Dalam fase G1 terjadi pembentukan makromolekul yang
penting untuk dimulainya duplikasi DNA. Selain itu, sel juga mensintesis RNA,
protein regulator yang penting untuk replikasi DNA dan enzym untuk membawa
keluar aktivitas sintesis ini serta volume sel yang berkurang karena pembelahan
sel ketika mitosis akan kembali normal. Nucleoli juga terbentuk kembali, mulai
terjadi duplikasi centrioles. Proses duplikasi centrioles ini baru sempurna pada
fase G2. Faktor-faktor yang memicu sel memasuki siklus sel, antara lain: beban
mekanis (teregangnya otot polos), cidera pada jaringan (iskemia), dan kematian
sel. Seluruh faktor-faktor tersebut mengakibatkan pelepasan ligand oleh sel-sel
5
signaling pada jaringan yang terlibat. Seringkali ligand ini adalah growth factor
yang secara tidak langsung menginduksi protooncogen, yaitu suatu gen yang
berperan dalam mengatur proliferasi sel (Gartner and Hiatt, 2007).
Ligand yang menginduksi proliferasi berikatan dengan cell surface receptor
protein dari sel target dan mengaktivasi salah satu jalur transduksi signal.
Umumnya, signal terbanyak yang diterima pada permukaan sel adalah protein
kinase sitoplasma. Protein ini mengaktivasi serangkaian faktor transkripsi yang
mengendalikan ekspresi protooncogenes dan akhirnya menghasilkan pembelahan
sel (Gartner and Hiatt, 2007).
Selama fase S (fase sintesis) siklus sel, terjadi sintesis dan replikasi DNA dan
centriole (Junqueira and Carneiro, 2003) serta duplikasi genome (Gartner and
Hiatt, 2007). Semua yang diperlukan oleh nucleoprotein, termasuk histon
didatangkan dan digabungkan ke dalam molekul DNA, membentuk materi
chromatin. Sel sekarang memiliki komplemen DNA 2 x normal. Jumlah sel
autosom dan germinal berbeda, dimana DNA pada sel autosom adalah diploid
sedangkan sel germinal yang dihasilkan dari meiosis memiliki chromosome yang
haploid (Gartner and Hiatt, 2007).
Dalam fase G2, RNA dan protein yang penting untuk pembelahan sel akan
disintesis, terjadi penyimpanan energi yang diperlukan untuk mitosis, sintesis
tubulin untuk kumpulan dalam microtubule yang diperlukan untuk mitosis,
replikasi DNA dianalisa dan kesalahan yang terjadi akan diperbaiki (Gartner and
Hiatt, 2007).
6
Gambar 2.1 Siklus Sel (Gartner and Hiatt, 2007).
Gambar 2.2 Interval dan Jumlah Chromosome Masing-masing Fase dalam Siklus
Sel (Henrikson et al, 1997).
7
Tabel 2.1 Tugas Setiap Fase dalam Siklus Sel (Grisson and Song, 2007).
2.3 Regulasi Siklus Sel
Sel memiliki mekanisme kontrol, yaitu pada checkpoint. Tempat ini
memeriksa kejadian-kejadian penting, seperti pertumbuhan sel, sintesis DNA, dan
ketepatan segregasi chromosome sebelum sel meninggalkan suatu fase dalam
siklus sel (Gartner and Hiatt, 2007). Terdapat 3 tempat untuk mengatur siklus sel
(checkpoint), yaitu:
1. Restriction point, yaitu pada akhir fase G1, ketika sel menyelesaikan suatu
siklus pembelahan. Sel tidak dapat menyelesaikan fase ini bila tidak
memiliki nutrisi yang cukup ataupun growth factor (Manson, et al, 2006).
Bila ada kesalahan DNA, siklus sel akan tertahan pada fase G1 dan tidak
dapat memasuki fase S. Hal ini akan memberikan waktu bagi sel untuk
memperbaiki kerusakan DNA sebelum memasuki fase S. Tertahannya
siklus pada fase ini dimediasi oleh aktivitas p53 (Junqueira and Carneiro,
2003).
2. Mitosis dimulai pada permulaan fase M. Sel tidak dapat melakukan titik
ini bila ada kerusakan atau kesalahan DNA (Manson, et al, 2006).
8
3. Selesainya mitosis terdapat di akhir fase M. Sel akan tertahan di titik ini
jika mitotic spindle gagal untuk berkumpul secara adekuat (Manson, et al,
2006).
Sementara, menurut Goodman (2008), terdapat 4 tempat terjadinya
checkpoint, yaitu pada perbatasan fase G1/S, intra fase S, perbatasan fase G2/M
dan dalam mitosis. Albert et al (2002) mengatakan checkpoint terjadi pada
perbatasan G1/S, G2/M dan M.
Gambar 2.3 Lokasi Checkpoint pada Siklus Sel (Albert et al, 2002).
Kerusakan DNA dapat diketahui oleh checkpoint karena adanya 3 komponen
utama, yaitu: sensor kerusakan, signal transduksi dan efektor. Tertahannya suatu
fase memerlukan sensor dan pengenalan akan tempat rusaknya DNA untuk
memulai checkpoint. Salah satu sensor adalah ataxia telangiectasia mutated
(ATM). Mutasi ATM berkaitan dengan terjadinya ataxia-telangiectasia. Berat
9
ATM sebesar 350-kDa, suatu protein oligomeric yang memiliki rantai yang
homolog dengan phosphatidylinositol 3-kinases (P13Ks) namun dengan aktivitas
lipid kinase yang kurang. Namun, ATM memiliki aktivitas protein kinase yang
distimulasi oleh agen-agen yang menginduksi pemecahan rantai ganda DNA.
Setelah sel terpapar oleh radiasi ion, terjadi autofosforilasi ATM dan mengaktivasi
sejumlah besar target protein, seperti: Chk2, p53, NBS1 dan BRCA1 pada serines
dan threonines yang mendahului glutamine dalam rangkaian SQ dan TQ.
Rangkaian di sebelahnya juga memberikan spesifisitas karena S15Q dari p53
difosforilasi oleh ATM sementara S37Q tidak (Goodman, 2008).
Homolog ATM adalah ATR dengan berat 303 kDa dan termasuk dalam P13K
family. Absennya ATR dapat mengakibatkan kematian pada embrio mencit.
Sementara pada manusia, mutasi ATR mengakibatkan hilangnya sebagian
aktivitas ATR. Seperti ATM, ATR juga merupakan suatu protein kinase yang
spesifik terhadap residu serine dan threonine dalam motif SQ/TQ dan dapat
memfosforilasi seluruh protein yang difosforilasi ATM. Namun ATR diaktivasi
oleh sinar ultraviolet. Fungsi ATR serupa dengan ATM, yaitu sebagai sensor dan
molekul transducer yang berespons terhadap kerusakan dasar akibat iradiasi sinar
ultraviolet dan tidak berespons terhadap putusnya rantai ganda DNA (Goodman,
2008).
10
Gambar 2.4 Jalur Signal yang Diinisiasi Oleh Kerusakan DNA (Goodman, 2008)
Gambar 2.5 Jalur Signal Menuju G1/S Checkpoint dan S Checkpoint (Goodman,
2008).
11
Gambar 2.6 Jalur Signal Menuju G2/M Checkpoint (Goodman, 2008).
Gambar 2.7 Respons Sel terhadap Kerusakan DNA (Goodman, 2008).
Manusia paling sedikit memiliki 2 protein kinase, yaitu CHEK1 dan CHEK2.
Yang memiliki fungsi utama sebagai transduksi signal dalam regulasi siklus sel
12
dan checkpoint. Keduanya merupakan serine dan threonine kinase. Pada sel-sel
mamalia, signal putusnya rantai DNA dirasakan oleh ATM dan ditransduksikan
terutama oleh CHEK2 sementara radiasi sinar UV oleh ATR ditransduksikan
terutama oleh CHEK1. Kurangnya CHEK1 pada mencit dapat mengakibatkan
kematiam embrio sedangkan mutasi CHEK2 pada manusia akan meningkatkan
risiko kanker payudara (Goodman, 2008).
Gerakan menuju tempat checkpoint ini dikontrol oleh aktivitas cyclin, yaitu
suatu protein yang mengatur transisi dari satu fase ke fase yang lainnya (Manson
et al, 2006).
2.4 Cyclin
Kemampuan sel untuk memulai siklus sel tergantung dari adanya protein
cyclin dan cyclin-dependent kinase (CDKs) (Gartner and Hiatt, 2007). Cyclin
mengontrol siklus sel dengan mengatur cyclin dependent kinases (CDKs). CDKs
menjadi aktif ketika berikatan dan membentuk kompleks dengan protein cyclin
(Manson et al, 2006).
CDKs yang aktif akan menstimulasi siklus sel terus menerus dengan
memfosforilasi (dan karena itu mengaktivasi) protein spesifik dalam sel yang
diperlukan untuk transisi ke tahap yang yang selanjutnya. Misalnya: pada awal
prophase mitosis, pemecahan membran nucleus diinisiasi oleh fosforilasi lamins,
yang membentuk bagian dari kerangka nucleus. Demikian pula ketika
chromosome berkondensasi di awal mitosis akan dinisiasi oleh fosforilasi histon
H1, yaitu suatu nuclear-associated protein. Contoh yang lain adalah: perpindahan
13
fase G1 menjadi S diinisiasi oleh fosforilasi Rb protein (pRb) oleh CDKs (pRb
yang tidak terfosforilasi berikatan dengan faktor transkripsi E2F). Akibatnya, pRb
yang terfosforilasi ini akan melepaskan ikatannya dengan E2F sehingga E2F dapat
mengaktifkan gen-gen transkripsi yang diperlukan untuk transisi fase G1 menjadi
S (Manson et al, 2006).
Cyclin pada manusia dapat dibagi menjadi Cyclin A, B, D dan E. Masing-
masing cylin ini akan berperan dalam siklus sel di tempat-tempat yang berbeda
(Manson et al, 2006). Cyclin D disintesis pada awal fase G1, berikatan dengan
CDK4 dan CDK 6. Di akhir fase G1, cyclin E disintesis dan berikatan dengan
CDK2. Setelah terbentuk 3 kompleks dari ikatan tersebut, sel dapat memasuki
fase S (Gartner and Hiatt, 2007).
Sel akan meninggalkan fase S dan memasuki fase G2, bila telah terbentuk
komplek dari ikatan cyclin A dengan CDK2 dan CDK1. Terbentuknya ikatan
antara cyclin B dengan CDK1 akan mengakibatkan sel memasuki fase mitosis (M)
dan meninggalkan fase G2 (Gartner and Hiatt, 2007). Peningkatan kadar cyclin
sampai melewati ambang akan menyebabkan CDKs inhibitor tidak dapat lagi
menghambat CDKs sehingga CDKs menjadi aktif dan berikatan dengan cyclin
untuk membentuk kompleks cyclin-CDKs. Kompleks MPF yang dibentuk oleh
cyclin B-CDKs akan memicu transisi fase G2 memasuki fase M. Peningkatan
kecil kadar cyclin akan memproduksi peningkatan aktivitas MPF kinase yang
besar sehingga terjadi kondensasi chromosome. Aktivitas ini bahkan dapat
memicu mitosis pada sel-sel yang tidak membelah. Sementara untuk memasuki
fase S, dikontrol oleh faktor transkripsi E2F.
14
Gambar 2.8 Jenis-jenis Cyclin dan CDK pada Siklus Sel (Goodman, 2008).
Tabel 2.2 Kompleks cyclin-CDK pada Vertebrata (Albert et al, 2002)
Aktivitas cyclin juga dipengaruhi oleh beberapa jalur extracellular signaling
yang memfasilitasi koordinasi pembelahan sel pada organism multiselular
(Manson et al, 2006). Sebagai tambahan aktivitas cyclin, siklus sel dipengaruhi
oleh beberapa faktor, antara lain: growth factor, hormon, interaksi sel dengan sel.
Setelah membentuk fungsi spesifiknya, cyclin akan didegradasi melalui jalur
ubiquitin-proteasome (Gartner and Hiatt, 2007).
15
Gambar 2.9 Degradasi Cylin (Albert et al, 2002).
Phosphatase yang berpartisipasi dalam pengaturan siklus sel adalah Cdc25
Phosphatase yang memiliki fungsi utama mendefosforilasi berbagai CDKs yang
terfosforilasi sehingga siklus sel dapat berjalan. Misalnya, CDK2 terfosforilasi
pada threonin 14 dan tyrosine 15 akibatnya sel tidak dapat berpindah dari fase G1
menuju ke S. Ketika Cdc25A mendefosforilasi CDK2 pada phosphotyrosine 15,
sel akan memasuki fase S. Demikian pula pada CDK1 yang terfosforilasi pada
residu yang sama oleh kinase yang spesifik, yaitu wee1 dan CDK-activating
kinase. Setelah CDK1 mengalami defosforilasi oleh Cdc25C Phosphatase pada
tyrosine 15, sel dapat berpindah dari fase G2 ke M. Namun aktivitas Cdc25C yang
hilang dapat digantikan oleh Cdc25A (Goodman, 2008).
16
Gambar 2.10 Aktivasi dan Inaktivasi Cyclin (Albert et al, 2002)
2.5 Cyclin Inhibitor
Aktivitas cyclin dapat dihambat oleh CDK inhibitor. Paling sedikit terdapat 2
kelas CDK inhibitor (CKIs), yaitu CIP/KIP family yang merupakan suatu kinase
inhibitor dan INK4. Bentuk dasar kelompok CIP/KIP family adalah p21 atau
p21waf1/cip1
. Kinase inhibitor ini berhubungan erat dengan p27 dan p57, yang
semuanya mampu berikatan dan membentuk kompleks dengan CDK1/cyclin B,
CDK2/cyclin A, CDK2/cyclin E, CDK4/cyclin D dan CDK6/cyclin D serta
menghambat aktivitas kinase kompleks tersebut (Goodman, 2008).
Sementara itu, bentuk dasar dari INK4 adalah p16 yang tergantung pada
pRb atau protein lain, yaitu p107 atau p130. Anggota INK4 yang lain, berdasarkan
struktur dan fungsinya, antara lain: p15, p18 dan p19. Kelas ini berikatan secara
ekslusif dengan CDK 4 dan 6, mencegah CDK ini berikatan dengan cyclinnya
sehingga menghambat aktivitas kinasenya (Goodman, 2008).
17
Gambar 2.11 Inhibisi Aktivitas Kompleks Cyclin CDK (Albert et al, 2002).
2.6 Mitosis
Mitosis dimulai pada akhir fase G2 dan mengakhiri siklus sel. Mitosis adalah
suatu proses terbaginya sitoplasma dan nucleus sama besar menjadi 2 anak sel
yang identik. Pertama-tama, materi nucleus terbagi dalam suatu proses yang
disebut karyokinesis. Proses ini kemudian diikuti oleh pembagian sitoplasma yang
disebut cytokinesis. Fase mitosis dibagi lagi menjadi 5 tahap, yaitu: prophase,
prometaphase, metaphase, anaphase dan telophase (Fawcett and Jensh, 2002;
Gartner and Hiatt, 2007).
Awal prophase, chromosome berkondensasi sehingga dapat terlihat secara
microscopis. Tiap chromosome terdiri dari 2 sister chromatid yang paralel, yang
bergabung pada satu titik, yaitu: centromere. Kondensasi chromosome akan
diikuti dengan menghilangnya nucleolus. Centrosome terbagi menjadi 2 bagian,
setiap bagian terdiri atas sepasang centriole dan sebuah microtubule-organizing
18
center (MTOC) yang akan bermigrasi menuju ke kutub yang berlawanan (Gartner
and Hiatt, 2007).
Dari setiap MTOC, akan berkembang menjadi astral rays dan spindle fibers.
Keduanya akan menjadi mitotic spindle apparatus. Astral rays merupakan
microtubule yang berjalan keluar dari kutub spindle. Microtubule ini akan
membantu menyesuaikan dengan MTOC pada kutub sel. Bila microtubule terletak
di daerah centromere, maka disebut sebagai spindle fibers yang membantu
mengarahkan migrasi chromosome ke kutub. Tanpa adanya centriole,
microtubule-nucleating material akan menyebar dalam sitoplasma sehingga astral
rays dan spindle fibers tidak tepat terbentuk dan mitosis tidak terbentuk secara
tepat (Gartner and Hiatt, 2007).
Pada daerah centromere dari tiap chromatid akan terbentuk kinetochore.
Spindle fibers berikatan dengan kinetochore sebagai persiapan migrasi chromatid
untuk karyokinesis (Gartner and Hiatt, 2007).
Gambar 2.12 Phase Prophase Mitosis (Manson et al, 2006).
Saat nuclear lamina difosforilasi, prometaphase dimulai dan akan
menghasilkan pemecahan dan hilangnya membran nucleus. Selama fase ini,
19
chromosome diatur secara acak di seluruh sitoplasma. Microtubule yang melekat
dengan kinetochore disebut mitotic spindle microtubule. Sedangkan microtubule
yang tidak tergabung dalam spindle apparatus disebut polar microtubule. Polar
microtubule ini berfungsi untuk mempertahankan jarak antara 2 kutub selama
proses mitosis. Microtubule mitotic spindle turut membantu dalam migrasi
chromosome sehingga bergabung menjadi 1 baris dengan mitotic spindle (Gartner
and Hiatt, 2007).
Gambar 2.13 Fase Prometaphase Mitosis (Sadler, 2006).
Selama metaphase, chromosome berkondensasi maksimal dan berada dalam 1
baris pada bidang equator mitotic spindle. Tiap chromatid tersusun paralel pada
equator dan spindle microtubule melekat dengan kinetochore dan menyebar ke
kutub spindle. Sister chromatid harus dipertahankan kedekatannya ketika
chromosome berkondensasi dan membentuk satu garis pada metaphase mitotic
spindle (Gartner and Hiatt, 2007).
20
Gambar 2.14 Fase Metaphase Mitosis (Manson et al, 2006).
Berpisahnya sister chromatid yang terletak pada equator dari metaphase plate
dan bermigrasi menuju kutub yang berlawanan akan memulai anaphase . Migrasi
chromatid diarahkan oleh sisi perlekatan kinetochore (Gartner and Hiatt, 2007).
Migrasi chromatid ini mungkin disebabkan karena pemendekan microtubule
melalui depolimerisasi pada ujung kinetochore. Di akhir anaphase, mulai
terbentuk celah (cleavage furrow) pada plasmalemma, yang akhirnya akan
menjadi tempat sel membelah selama cytokinesis (Gartner and Hiatt, 2007).
Gambar 2.15 Fase Anaphase Mitosis (Manson et al, 2006).
21
Pada telophase, tiap chromosome telah mencapai kutub yang dituju, terjadi
defosforilasi nuclear lamina dan membran nucleus kembali dibentuk.
Chromosome terurai dan terorganisasi menjadi heterochomatin dan euchromatin
pada sel interphase. Nucleolus berkembang dari NORs pada tiap chromosome
(Gartner and Hiatt, 2007).
Gambar 2.16 Fase Telophase Mitosis (Manson et al, 2006).
Celah tersebut bertambah dalam sampai hanya tinggal midbody, yaitu
jembatan kecil sitoplasma dan sisa microtubule yang menghubungkan 2 sel anak.
Polar microtubule dikelilingi oleh contractile ring dalam membran plasma yang
terdiri dari filamen actin dan myosin yang melekat pada membran plasma.
Kontraksi cincin ini diikuti oleh depolimerisasi sisa spindle microtubule yang
akan memisahkan kedua sel anak. Saat pemisahan dan segera sesudahnya, actin
dan myosin serta sisa microtubule dari mitotic apparatus dihilangkan. Pemisahan
ini dikenal dengan cytokinesis. Mitosis akan menghasilkan 2 sel anak yang
identik, termasuk seluruh genome dan tiap sel anak memiliki jumlah chromosome
yang diploid (2n) (Gartner and Hiatt, 2007).
22
Gambar 2.17 Cytokinesis Mitosis (Manson et al, 2006).
Gambar 2.18 Tahap-tahap Mitosis (William, 1999).
23
2.7 Meiosis
Meiosis adalah jenis pembelahan sel yang khusus dan akan menghasilkan sel
germinal, yaitu: ovum dan spermatozoa. Hasil yang penting dari proses ini ialah:
pengurangan jumlah chromosome dari diploid (2n) menjadi haploid (n). Tiap
gamet membawa jumlah DNA dan chromosome yang haploid. Selain itu terjadi
pula rekombinasi gen sehingga terjadi variasi dan perbedaan kelompok gen
(Gartner and Hiatt, 2007).
Proses ini memiliki 2 tahap: meiosis I dan meiosis II. Pada meiosis I
(reductional division), terjadi: pasangan chromosome yang homolog berderet,
anggota tiap pasangan berpisah dan menuju ke kutub yang berlawanan, sel
membelah namun tiap anak sel hanya menerima setengah dari jumlah
chromosome (haploid). Sedangkan pada meiosis II (equatorial division), 2
chromatid dari masing-masing chromosome berpisah seperti pada mitosis
kemudian diikuti migrasi chromatid ke kutub yang berlawanan dan pembentukan
2 sel anak. Peristiwa ini menghasilkan 4 sel anak (gamet) dengan jumlah
chromosome dan DNA yang haploid (Gartner and Hiatt, 2007).
Awal meiosis terjadi setelah interphase. Dalam gametogenesis, sewaktu sel-
sel germinal berada pada fase S, jumlah DNA dan chromosome adalah 4n.
Prophase I memerlukan waktu yang panjang dan terbagi menjadi 5 tahap, yaitu:
leptotene, zygotene, pachytene, diplotene dan diakinesis. Pada leptotene,
chromosome yang terdiri atas 2 chromatid yang bergabung di centromere, mulai
berkondensasi, membentuk rantai yang panjang dalam nucleus. Pada zygotene,
pasangan-pasangan chromosome yang homolog saling mendekati dan berada
24
dalam 1 deret dan bersinaps melalui synaptonemal complex, membentuk tetrad.
Ketika chromosome melanjutkan diri berkondensasi dan menebal serta
memendek, ini merupakan tahap pachytene. Terbentuk pula chiasmata (tempat
terjadinya crossing over) sebagai pertukaran materi genetik antara chromosome-
chromosome yang homolog. Dalam tahap diplotene, chromosome terus
berkondensasi dan mulai memisah, menampakkan chiasmata. Pada tahap
diakinesis, chromosome berkondensasi maksimal dan nucleolus menghilang,
demikian pula dengan membran nucleus sehingga chromosome berada bebas
dalam cytoplasma (Gartner and Hiatt, 2007).
Tanda dimulainya metaphase I ialah bahwa masing-masing pasangan
chromosome yang homolog, terdiri dari 2 chromatid yang berderet pada bidang
equatorial. Selama fase ini, chromosome yang homolog berderet berpasangan
pada bidang equatorial secara acak, dan spindle fibers kemudian melekat pada
kinetochore (Gartner and Hiatt, 2007).
Sementara dalam anaphase I terjadi migrasi chromosome menuju ke kutub
yang berlawanan. Di sini, chromosome masih mengandung 2 chromatid.
Sedangkan telophase I seperti telophase pada mitosis. Pada fase ini, chromosome
telah mencapai kutub yang berlawanan, nucleus terbentuk kembali dan terjadi
cytokinesis sehingga terbentuk 2 sel anak. Tiap sel berjumlah 23 chromosome
namun karena masing-masing chromosome memiliki 2 chromatid, maka isi DNA
masih diploid. Setelah itu setiap anak sel yang baru terbentuk akan memasuki
meiosis II (Gartner and Hiatt, 2007).
25
Dalam meiosis II, equatorial division tidak terjadi sebelum fase S dan sangat
serupa dengan mitosis serta terbagi menjadi prophase II, metaphase II, anaphase
II, telophase II dan cytokinesis. Chromosome berderet pada bidang equator,
kinetochore melekat pada spindle fibers yang kemudian diikuti dengan migrasi
chromatid ke kutub yang berlawanan dan cytokinesis akan membagi setiap sel
sehingga terbentuklah 4 anak sel yang memiliki jumlah chromosome dan DNA
yang haploid. Kadang-kadang terjadi kelainan jumlah chromosome akibat non
disjunction pada meiosis I, seperti misalnya pada klinefelter syndrome, down
syndrome, turner syndrome dan sebagainya (Gartner and Hiatt, 2007).
26
Gambar 2.19 Fase-fase dalam Meiosis (William, 1999).
27
Gambar 2.20 Skema Meiosis (Grisson and Song, 2007).
Gambar 2.21 Nondisjunction pada Meiosis (Sadler, 2006).
28
2.8 Hubungan Siklus Sel dengan Kanker
Normalnya sel berada dalam keseimbangan antara proliferasi, tidak aktif dan
kematian (apoptosis). Kanker ditandai dengan adanya pertumbuhan dan
pembelahan sel yang tidak terkontrol. Hal ini dikarenakan oleh adanya mutasi
DNA sehingga terjadi perubahan ekspresi gen-gen (meningkat maupun menurun)
yang berhubungan dengan kontrol siklus sel. Perubahan ini umumnya diakibatkan
oleh: bahan-bahan kimia (benzene, nitrosamine), radiasi (ultraviolet), infeksi virus
dan kelainan genetik. Mutasi gen-gen dihubungkan dengan kanker dapat
dikelompokkan menjadi: oncogenes (Ras, Fos, Myc) dan tumor suppressor gene
(p53, pRb, GAP). Oncogenes merupakan hasil mutasi protooncogenes yang
menginduksi pertumbuhan sel sehingga sel berproliferasi terus menerus.
Sementara itu, tumor suppressor gene adalah gen yang normal terdapat dalam sel
dan berperan menghambat pertumbuhan sel. Mutasi gen ini mengakibatkan
hambatan terhadap pertumbuhan sel menghilang. Banyak dari gen-gen ini yang
normalnya terlibat dalam regulasi pembelahan dan diferensiasi sel (Manson et al,
2006).
Salah satu tumor suppressor gene yang penting adalah p53 yang disebut pula
sebagai penjaga gen (guardian of the genome). Ini karena gen tersebut meregulasi
G1/S dan G2/M checkpoint (Goodman, 2008). Pada dasarnya, gen ini merestriksi
masuknya sel yang memiliki kerusakan DNA untuk menuju fase S (setiap saat
meregulasi siklus sel melewati restriction point). Sebanyak 50% kanker terjadi
karena mutasi p53. Sel dengan mutasi p53, tidak tertahan pada fase G1 dan akan
terus melanjutkan siklus serta pembelahan sel dengan kesalahan DNA. Lokasi gen
29
p53 ini ialah pada chromosome 17 dan mengkode nuclear phophoprotein sebesar
53 kD (Manson et al, 2006). Protein p53 mengaktivasi transkripsi sejumlah gen
yang berpartisipasi dalam mengontrol siklus sel, termasuk gen yang mengkode
p21waf/cip1
, GADD45 (suatu gen yang menahan pertumbuhan bila diinduksi oleh
kerusakan DNA) dan MDM2 (negative regulator p53) (Goodman, 2008).
Fungsi utama gen ini, yaitu: sebagai transcription activator sehingga
meregulasi gen-gen tertentu yang terlibat dalam pembelahan sel, sebagai
restriction point pada fase G1 bila terdapat kesalahan DNA sehingga menghambat
pembelahan sel (memungkinkan perbaikan DNA sebelum replikasi DNA dan
pembelahan sel terjadi). Selain itu, berpartisipasi pula dalam menginisiasi
apoptosis bila kerusakan DNA terlalu berat dan tidak dapat diperbaiki (Manson et
al, 2006; Goodman, 2008). Mutasi p53 akan menyebabkan sel tidak dapat
diperbaiki, siklus berlanjut terus walaupun terdapat DNA yang rusak dan
apoptosis tidak terjadi.
Protein p53 yang terfosforilasi akan aktif dan berfungsi sebagai faktor
transkripsi yang mengaktivasi banyak target gen. Salah satu gen yang penting
adalah p21 waf/cip1
. Setelah kerusakan DNA, p53 diaktifkan oleh fosforilasi pada
asam amino spesifik dan kemudian menginduksi transkripsi p21 waf/cip1
. Ini akan
meningkatkan kadar mRNA p21 dan protein. Selanjutnya, p21 akan berikatan
dengan kompleks cyclin E/CDK2 dan cyclin D/CDK4 atau cyclin D/CDK6 dan
menghambat aktivitas kinase CDKs. Salah satu target CDK2 adalah pRb, yaitu
suatu tumor suppressor gene yang lain. Fosforilasi pRb oleh CDK diperlukan
untuk meneruskan fase G1 menuju S. Namun dengan pengikatan kompleks
30
CDK/cyclin, maka p21 waf/cip1
menghambat fosforilasi pRb dan menahan siklus sel
pada fase G1 (Goodman, 2008).
Gambar 2.22 Respons terhadap Aktivasi dan Fosforilasi p53 (Albert et al, 2002).
31
Gambar 2.23 Peranan p53 dalam Siklus Sel (Albert et al, 2002).
Asal nama protein Retinoblastoma (pRb) diambil dari tumor retinoblastoma.
Protein ini memiliki fungsi yang bermacam-macam dan bervariasi dalam siklus
sel, antara lain sebagai pengatur untuk melanjutkan fase G1 menuju S. Awalnya
pRb berada dalam keadaan hipofosforilasi dan berikatan dengan kompleks cyclin
D/CDK4 dan cyclin E/CDK2. Hipofosforilasi pRb juga berikatan dan
menginaktivasi faktor transkripsi E2F yang mengontrol transkripsi gen-gen yang
menghasilkan produk penting bagi transisi fase G1 ke S. Akibatnya,
hipofosforilasi pRb akan menghambat transisi dari fase G1. Pada awal sampai
pertengahan fase G1, pRb akan terfosforilasi oleh cyclin D/CDK4 dan oleh cyclin
E/CDK2 di akhir fase G1. Protein Rb yang terfosforilasi akan melepaskan
ikatannya dengan E2F sehingga dapat berperan sebagai faktor transkripsi sehingga
32
transisi dari fase G1 dapat terjadi (Goodman, 2008). Bila terjadi mutasi pRb, maka
pRb akan terfosforilasi terus sehingga tidak berikatan dengan E2F. Akibatnya sel
terus menerus mengadakan pembelahan dan terjadilah kanker.
Gambar 2.24 Fosforilasi pRb (Goodman, 2008).
33
BAB III
SIMPULAN
Siklus sel pada dasarnya terbagi atas 2 fase, yaitu interphase dan mitosis.
Fase interphase berlangsung sangat lama sedangkan mitosis sangat singkat.
Interphase sendiri terbagi lagi menjadi fase G1 (presintesis), S (sintesis) dan G2
(post duplikasi DNA). Pada siklus sel terjadi replikasi DNA serta pertambahan
ukuran dan isi sel.
Siklus ini memiliki mekanisme kontrol pada checkpoint, yaitu pada
restriction point (fase G1/S), fase G2/M dan M untuk memperbaiki kerusakan
DNA. Kerusakan DNA yang terjadi akan dikenali oleh ATM dan ATR yang
kemudian akan mengaktivasi target protein. Respons target protein ini dapat
berupa apoptosis, memperbaiki DNA, dan menahan siklus pada tempat
checkpoint.
Gerakan menuju tempat checkpoint diatur oleh cyclin dan CDKs. Ikatan
cyclin dan CDKs ini dapat diinhibisi oleh CDK inhibitor (CKI) yang dapat
dibedakan menjadi 2 kelas, yaitu: INK4 dan CIP/KIP family. Akibatnya siklus sel
tidak dapat berlanjut.
Dalam siklus sel, fase mitosis dimulai setelah fase G2. Dari mitosis, akan
dihasilkan 2 sel anak yang identik dengan induknya serta memiliki jumlah
chromosome dan DNA yang diploid. Sedangkan untuk pembelahan sel-sel
germinal, berlangsung melalui meiosis. Pada meiosis terdapat 2 siklus, yaitu:
meiosis I dan meiosis II. Dari meiosis I, akan menghasilkan 2 sel anak dengan
34
jumlah chromosome yang haploid namun DNA diploid. Sedangkan pada meiosis
II, dihasilkan 4 sel anak dengan jumlah chromosome dan DNA yang haploid.
Bila terjadi kesalahan replikasi DNA dalam siklus sel, dapat terjadi kelainan-
kelainan genetik (turner syndrome, klinefelter syndrome dan sebagainya) dan
kanker. Kanker dapat terjadi karena mutasi pada protooncogene maupun tumor
suppressor gene. Tumor suppressor gene yang penting adalah p53 dan pRb.
Aktivasi dan fosforilasi p53 mengakibatkan fase dalam siklus sel tertahan dan
apoptosis sel yang rusak. Mutasi p53 menyebabkan siklus sel berjalan terus dan
apoptosis tidak terjadi walaupun terdapat kesalahan replikasi DNA. Sementara
pRb yang teraktivasi akan melepaskan E2F sehingga siklus sel dapat berjalan.
Mutasi pRb mengakibatkan pRb terfosforilasi terus sehingga sel terus menerus
berproliferasi.
35
DAFTAR PUSTAKA
Alberts, B., et al. 2002. Molecular Biology of The Cell. 4th
. Ed. USA: Garland
Science. p. 983-1025.
Fawcett, DW., Jensh, RP. 2002. Concise Histology. 2nd
. Ed. USA: Oxford
University Press. p. 21-7.
Gartner, LP., Hiatt, JL. 2007. Nucleus. In: Gartner, LP., Hiatt, JL. Color Textbook
of Histology. 3rd
. Ed. Philadelphia: Saunders Elsevier. p. 61-8.
Goodman, SR. 2008. Medical Cell Biology. 3rd
. Ed. London: Elsevier. p. 273-89.
Grisson, RK., Song, JW. 2007. Histology and Medical cell Biology. New York:
Mc Graw-Hill. p. 211-22.
Henrikson, RC., Kaye, GL., Mazurkiewics, JE. 1997. NMS Histology. Baltimore:
Williams and Wilkins. p. 40-5.
Junqueira, LC., Carneiro, J. 2003. Basic Histology. 10th
. Ed. USA: Mc Graw-Hill.
p. 59-67.
Manson, A., et al. 2006. The Molecular Basis of Genetis. In: Manson, A., Jones,
E., Morris, A. Cell Biology and Genetics. 2nd
. Ed. London: Mosby. p. 72-7.
Sadler, TW. 2006. Langman’s Medical Embryology. 10th
. Ed. USA: Lippincott
Williams and Wilkins. p. 11-21.
Williams, PL. 1999. Gray`s Anatomy. 38th
. Ed. Philadelphia: Churchill
Livingstone. p. 57-9.
