Apoptosis Jalur Intrinsik Dan Ekstrinsik

Apoptosis adalah kematian sel terprogam. Di mana sel-sel terprogram yang sudah tidak diperlukan/sel-sel tua akan dibongkar, sehingga melepaskan diri dari sel-sel tetangga dalam jaringan dan membran plasma yang sama. Apoptosis terjadi setiap hari dalam tubuh manusia.

Apoptosis dilakukan untuk perkembangan dan menjaga kesehatan tubuh. Jika apoptosis terhambat, sel-sel yang seharusnya dihancurkan akan tetap bertahan dan menjadi abadi, hingga menyebabkan kanker atau efek lain bagi sel jika bermutasi secara tidak teratur. Namun, jika apoptosis terjadi pada banyak sel akan menyebabkan kerusakan jaringan, sehingga menyebabkan stroke, alzheimer, Huntington (penyakit keturunan yang menyebabkan kerusakan sel-sel saraf pada otak) dan Parkinson.

Apabila mitosis (pembelahan sel) terjadi lebih cepat daripada apoptosis, maka akan terbentuk tumor. Apabila mitosis terjadi lebih lambat daripada apoptosis, maka akan terjadi penyakit karena kekurangan sel.

Berikut ini proses apoptosis secara singkat :

1. Sel-sel yang rusak akan membulat karena struktur protein yang menyusun sitoskeleton akan mengalami pemotongan oleh protein caspase yang telah diaktivasi oleh mekanisme sel tersebut. Caspase bertanggung jawab untuk melaksanakan proses apoptosis.

Sebelum aktif, caspase berupa procaspase. Procaspase mendapat stimulus untuk menjadi caspase. Satu caspase dapat mengaktifkan caspase lainnya. Caspase yang belum aktif akan mengalami pemotongan pada sisi karboksil dan terminal amino, sehingga sisinya dapat menempel dan menjadi aktif.

2. Benang-benang kromatin (benang penyerap warna) pada nukleus akan mengalami degradasi (penurunan fungsi) awal dan kondensasi (penguapan), sehingga membentuk potongan-potongan padat pada membran inti.

3. Sel-sel akan menyusut dan membentuk badan apoptosom.

4. Membran inti akan mengalami proses blebbing (terbelah menjadi berlobus-lobus) dan DNA yang berada di dalamnya akan terpotong-potong.

5. Lapisan lipid fosfatidilserina yang terdapat dalam membran sel akan mencuat keluar dan dikenali oleh fagosit, hingga sel mengalami fagositosis. Fagositosis adalah proses penelanan atau penggulungan sel-sel asing yang bersifat patogen atau sel-sel yang telah mati.

Sel fagosit yang berperan dalam fagositosis, yaitu sel makrofag dan sel neutrofil (leukosit atau sel darah putih bergranula bintik-bintik merah kebiruan). Partikel-partikel berukuran kecil lebih cepat dicerna oleh sel fagosit dibanding benda berbentuk gumpalan yang masuk atau ada dalam tubuh manusia.

Peran apoptosis, antara lain :

- Selama perkembangan organisme multiseluler dapat berlanjut hingga dewasa.

- Apoptosis bertanggung jawab dalam pembentukan jaringan dan organ selama perkembangan embrio.

- Apoptosis berperan dalam regulasi sistem imun (pematangan timus).

Apoptosis pada sel-sel yang terletak di antara jari-jari menyebabkan jari-jari menjadi terpisah satu sama lain.

Apoptosis terbagi atas dua jalur, yaitu :

a. Intrinsik (Mitochondrial Pathway)

Jalur intrinsik melibatkan proses pensinyalan sel internal terutama yang melalui mitokondria. Jalur intrinsik diawali dengan pelepasan sitokrom c yang lalu diikat oleh Apaf-1 (apoptosis activating faktor) untuk membentuk CARD (Caspase Activation and Recruitment Domain) domain dan apoptosome. Sitokrom c adalah protein heme dengan berkas genetik CYCS yang menghubungkan sitokrom bc1 dan sitokrom aa3 oksidase. Sitokrom c berfungsi sebagai apoptosis inducing factor (AIF).

CARD domain adalah modul interaksi protein homotypic yang terdiri dari 6 α-heliks. Apoptosome adalah struktur protein kuartener besar yang terbentuk dalam proses apoptosis.

Apoptosome akan mengaktifasi caspase 9 (Cystein Aspertyl-specific Protease 9), yaitu caspase awal yang diaktifkan saat pelepasan sitokrom c. Sebelum menjadi caspase 9, procaspase 9 lebih dulu terbentuk. Kemudian caspase 9 akan mengaktifasi caspase 3, 6 dan 7 untuk dapat mengaktifkan sistem lainnya.

Caspase 3 termasuk caspase eksekutor yang diaktifkan oleh caspase inisiator (caspase 8 dan caspase 9). Apabila caspase 3 telah teraktivasi, maka akan terjadi apoptosis. Caspase 3 akan mengaktifkan beberapa target selular termasuk ICAD (Inhibitors of Caspase Activated Deoxyribonuclease), sehingga terjadi apoptosis inti yang ditandai dengan kondensasi (pengembunan) kromatin dan degradasi (penurunan) DNA oligo nukleosom.

Adapun protein yang berperan dalam proses apoptosis adalah BH1, BH2, BH3 dan BH4. Apabila protein BH1-4 aktif, maka akan membentuk Bcl2 yang anti-apoptosis. Tetapi jika BH4 tidak aktif atau hanya BH3 yang aktif, maka akan terjadi proapoptosis.

Tidak semua anggota protein Bcl2 merupakan anti-apoptosis. Beberapa anggota protein Bcl2 termasuk proapoptosis yang meningkatkan pelepasan sitokrom c dan protein intermembran mitokondria lainnya ke sitosol. Anggota protein Bcl2 yang termasuk anti-apoptosis, antara lain Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1 dan A1.

Gen yang sama tetapi splicing berbeda akan menjadi proapoptosis ataupun anti-apoptosis atau protein yang berbeda. Splicing adalah proses penghilangan intron dari prekusor RNA. Intron adalah urutan nukleotida di dalam gen yang dibuang saat penjalinan RNA selama pematangan produk RNA akhir.

Saat kondisi sel normal, sitokrom c hanya terdapat pada mitokondria karena dijaga oleh Bcl2 protein. Hal ini bertujuan agar permeabilitas (kemampuan meloloskan sejumlah partikel yang dimiliki oleh suatu zat atau membran) mitokondria selalu terjaga.

Antara proapoptosis dan anti-apoptosis selalu bersaing. Jika anti-apoptosis lebih banyak, maka membran mitokondria akan tetap intake dan sitokrom c tidak akan terlepas. Jika proapoptosis berupa bax berjumlah lebih banyak, maka sistem permeabilitas akan terganggu dan sitokrom c akan terlepas, hingga terjadilah proses apoptosis.

Anti-apoptosis berfungsi menghambat BH1-3 agar tidak bergabung dengan sitokrom c ketika terlepas, sehingga proses apoptosis tidak terjadi. Adanya stimulus apoptosis menyebabkan BH1-3 menyatu dan memberikan jalan untuk sitokrom c menginduksi terjadinya apoptosis.

Akan tetapi, ada stimulus apoptosis yang mengakibatkan inaktivasi Bcl2 (salah satu inhibitor/penghambat apoptosis), sehingga BH1-3 tetap menyatu dan sitokrom c terlepas, serta mitokondria melepaskan protein anti-IAP (Inhibitors of Apoptosis) yang berfungsi memblok aktivitas caspase dengan cara menempel pada caspase. Beberapa anti-IAP, antara lain B6H12 dan 2E11. Jika BH1-3 terlepas, maka anti-IAP akan terlepas dan memblok aktivitas IAP, sehingga caspase tidak terhambat.

Berikut ini cara menghambat proses apoptosis melalui ekstraselular :

a. Meningkatkan jumlah protein Bcl2.

b. Menginaktifasi BH3 yang proapoptosis, sehingga apoptosis tidak terjadi.

c. Menginaktifasi anti-IAPs.

Gen Bcl2l1

Gen Bcl2l1 adalah gen yang berfungsi mengkode Bcl-xl yang anti-apoptosis. Gen Bcl2l1 disebut juga Bcl2l dan Bclx. Gen Bcl2l1 tersusun atas 59. 537 pasang basa dan 4 ekson. Ekson adalah urutan yang digabungkan bersama dalam RNA yang matang setelah penjalinan RNA.

Protein Bcl-xl

Protein Bcl-xl tersusun atas 233 asam amino dan 2 heliks hidrofobik (tidak dapat larut dalam air) yang terletak di bagian sentral. Kedua heliks hidrofobik tersebut dikelilingi oleh heliks lain yang bersifat ampifatik (terdiri atas daerah hidrofilik dan hidrofobik). Protein Bcl-xl memiliki berat molekul 26 kDa. Bcl-xl terletak di membran luar mitokondria, retikulum endoplasma dan membran nukleus.

Bcl-xl memiliki transmembran domain dan 4 domain Bcl-2 homology (BH). Keempat domain BH tersebut, antara lain BH1, BH2, BH3 dan BH4. BH1-3 terletak berdekatan dan membentuk suatu celah hidrofobik yang panjang dan menjadi tempat berikatan dengan domain BH3 yang proapoptosis.

Adanya stimulus apoptosis, Bcl-xl pada membran luar mitokondria diikat oleh Bad (protein Bcl2 yang proapoptosis), sehingag Bcl-xl tidak dapat melakukan fungsinya untuk menghambat terjadinya apoptosis.

Selain itu, stimulus apoptosis menyebabkan Bax pada sitosol bergerak menuju membran luar mitokondria. Di membran luar mitokondria, Bax dan Bak (transmembran protein) mengalami oligomerisasi (proses kimia yang hanya mengubah monomer sampai derajat polimerisasi antara 1 sampai 10) dan membentuk suatu kanal pada membran luar mitokondria.

Melalui kanal tersebut, sitokrom c dan protein intermembran keluar dari mitokondria menuju sitosol. Di sitosol, sitokrom c berikatan dengan Apaf-1. Kemudian Apaf-1 berikatan dengan ATP dan mengalami oligomerisasi. Setelah itu, beberapa molekul procaspase 9 berikatan dengan Apaf-1, agregasi (pengumpulan/penyatuan) procaspase 9 tersebut menyebabkan procaspase 9 melakukan self-cleavage (pembelahan), sehingga procaspase 9 menjadi caspase 9. Komplek Apaf-1, sitokrom c, caspase 9, serta ATP disebut apoptosome.

Fungsi Bcl-xl, antara lain :

a. Menjaga integritas membran.

b. Mencegah pengeluaran protein intermembran dari mitokondria.

c. Mencegah pengeluaran ion Ca2+ dari retikulum endoplasma.

d. Menghambat apoptosis pada jalur intrinsik.

Bcl-xl akan menghambat terjadinya apoptosis apabila terdapat stimulus yang dapat mengaktifkan Phosphatidylinositol 3-Kinase/Akt Signaling Pathway. Akt akan mengalami aktivasi untuk memfosforilasi Bad. Kemudian Bad akan melepaskan Bcl-xl untuk menghambat terjadinya apoptosis.

Bcl-xl akan mengikat Bax dan Bak, sehingga keduanya dapat mengalami oligomerisasi dan tidak dapat membentuk suatu kanal pada membran luar mitokondria dan sitokrom c tidak akan terlepas. Hal ini menyebabkan interaksi Apaf-1 dan sitokrom c tidak terjadi, sehingga caspase yang memicu proses apoptosis juga tidak terbentuk.

Protein Bid

Protein Bid (BH3 interacting domain) termasuk anggota Bcl2 yang berfungsi sebagai link antara jalur ekstrinsik dan intrinsik, serta mediasi pelepasan sitokrom c dari mitokondria. Bid terletak pada sitoplasma dan membran mitokondria. Bid memiliki 195 asam amino dan berat 21.995 Da. Bid berperan dalam tumorigenesis (proses pembentukan kanker).

Mutasi (perubahan bahan genetik pada tingkat gen maupun tingkat kromosom) gen Bid dapat mengganggu fosforilasi dan menyebabkan perlawanan terhadap rangsangan apoptosis.

Caspase 8 yang teraktivasi dapat memotong Bid, hingga terbentuk t-Bid. Kemudian t-Bid masuk ke mitokondria dan menginduksi pelepasan sitokrom c. Sitokrom c akan mengikat Apaf-1 yang dapat mengaktifkan caspase 9. Lalu, caspase 9 akan mengaktifkan caspase 3 untuk melakukan apoptosis.

Protein BAD

Protein BAD (Bcl2 Associated Agonist Of Cell Death) termasuk anggota Bcl2 yang proapoptosis yang mana penyusunnya hanya BH3. BAD disebut juga BBC2, BBC6, 3Bcl2l8 dan Bcl2l8. BAD terletak di kromosom ke-11 pada lengan panjang dan terletak di lokus (posisi gen) 13.1. Beberapa basa penyusun BAD terletak pada urutan ke 63.793.878 sampai 63.808.740, sehingga BAD memiliki 14.863 basa penyusunnya.

BAD memiliki 168 asam amino dengan berat 18 kDa dan 5 ekson. Saat aktif BAD berada dalam sitoplasma dan membentuk heterodimer (kompleks dua molekul yang berbeda) untuk mencegah kerja protein, seperti Bcl2 dan Bcl-xl, sehingga tidak menjadi anti-apoptosis. BAD menjadi tidak aktif jika proses fosforilasi terjadi pada heterodimer, sehingga BAD terlepas dari pasangannya (Bcl2 dan Bcl-xl) dan terjadilah proses anti-apoptosis. Saat tidak aktif, BAD berada di membran luar mitokondria.

Mutasi missen (mutasi pada gen BAD) pada ekson 2 di urutan basa ke-340 terjadi pergantian basa sitosin dengan timin, sehingga mengubah asam amino leusin menjadi fenilalanin, serta mutasi missen pada ekson 2 di urutan basa ke-337 terjadi pergantian basa guanin menjadi arginin, sehingga mengubah asam amino glutamin menjadi lisin.

Adanya mutasi missen menyebabkan protein BAD tidak terbentuk atau tidak berfungsi secara normal, sehingga sel tidak dapat mengalami apoptosis dan terjadi poliferasi sel (fase sel saat mengalami pengulangan siklus sel tanpa hambatan) yang menyebabkan kanker kolon (usus besar).

b. Ekstrinsik (Death Receptor)

Jalur ekstrinsik melibatkan enzim granzyme atau fas Ligan/FasL (death receptor) yang dimiliki oleh sel Tc. Enzim granzyme terdapat pada sel T sitotoksik (sel T CD8⁺). Enzim granzyme akan membunuh sel yang terinfeksi. Apoptosis terjadi selama pertumbuhan normal. Apoptosis berfungsi mengatur pembentukan jaringan atau organ dan regulasi (penyesuaian) limfosit untuk pembentukan sel T dari bone marrow sel T dipindahkan ke tymus.

Ketika terdapat sel yang rusak, sel tersebut akan mengekspresikan reseptor Fas, sehingga dapat dikenali oleh FasL. Reseptor Fas adalah protein integral yang memiliki domain ekstraseluler dan domain sitosolik. Reseptor Fas yang menempel pada FasL menyebabkan terjadinya perubahan bentuk pada domain sitosolik (death domain) dari reseptor Fas. Perubahan bentuk ini menyebabkannya mudah dikenali oleh protein adaptor, yaitu FADD.

Kompleks FADD membentuk kinase dan memotong procaspase 8 menjadi caspase 8 atau mengaktifasi caspase 8. Caspase 8 akan memotong procaspase 3 menjadi caspase 3 atau mengaktifasi caspase 3. Caspase 8 juga dapat mengaktifasi  caspase 6 dan caspase 7. FADD juga dapat mengaktifasi caspase 9 dan caspase 10.