Biologi Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

12Diferensiasi Sel: Sel Otot Rangka

Sehelai serabut otot paha Anda adalah satu sel sepanjang tiga puluh sentimeter, berinti ratusan, dan terjejali tongkat kontraktil dari ujung ke ujung yang begitu teratur sehingga ia tampak bergaris di bawah mikroskop. Ia bermula sebagai segerombol sel berpenampilan biasa yang merangkak keluar dari sebuah somit, berlipat ganda, berhenti membelah, berbaris, melebur, lalu menyalakan beberapa ratus gen yang belum pernah dipakainya. Tiap sel tubuhnya memiliki genom yang sama; sebuah serabut otot adalah apa yang dikerjakan genom itu ketika satu faktor transkripsi tertentu dinyalakan. Bab ini mengambil sel otot rangka sebagai contoh kerja diferensiasi — bagaimana sebuah sel memperoleh dan mempertahankan sebuah jati diri yang terkhusus — dan sel otot adalah contoh yang baik karena sakelar induknya dikenal, langkahnya dapat disaksikan di dalam cawan, dan sel jadinya adalah sebuah mesin yang bagiannya terlihat.

12.1 Apa itu diferensiasi

Definisi 12.1 (Diferensiasi, determinasi, potensi)

Sebuah sel disebut terdiferensiasi ketika ia mengungkapkan pola gen yang mantap — dan dengan demikian protein, bentuk, serta fungsi — satu tipe sel. Ia terdeterminasi (atau terpancang) ketika nasibnya dipancangkan meskipun diferensiasinya belum mulai: sebuah mioblas tampak seperti sebuah fibroblas tetapi hanya akan membuat otot. Potensi adalah rentang tipe yang masih dapat diberikan sebuah sel: totipoten (zigot dan blastomer pertamanya, yang membuat segalanya termasuk plasentanya), pluripoten (massa sel dalamnya, yang membuat tiap jaringan tubuhnya), multipoten (sel punca darah atau otot, yang membuat tipe satu jaringan), unipoten. Sebuah sel punca adalah sel yang membelah untuk memberi satu anak seperti dirinya dan satu anak yang lalu berdiferensiasi, dan itu mempertahankan persediaannya sembari memasok jaringannya. Pada sebagian besar kasus, diferensiasi bukanlah kehilangan gen melainkan sebuah pilihan di antaranya: genom sebuah inti otot tetap lengkap.

Bukti eksperimental. Gurdon (1962) memindahkan nukleus sebuah sel usus berudu yang terdiferensiasi ke dalam sebutir telur katak yang nukleusnya sendiri telah dimusnahkan; sebagian telurnya berkembang menjadi katak yang normal dan subur. Nukleus yang terdiferensiasi itu tidak kehilangan satu pun gen yang dibutuhkan untuk membuat seekor hewan utuh; sitoplasma telurnya telah menyetelnya ulang. Operasi yang sama dengan nukleus sebuah sel kelenjar susu di dalam sebutir telur domba menghasilkan Dolly (1996), dan pemrograman ulang sebuah fibroblas kulit menjadi sel punca pluripoten oleh empat faktor transkripsi (Yamanaka, 2006) menunjukkan bahwa penyetelan ulangnya dapat dikerjakan dengan segelintir protein. ∎

Proposisi 12.2 (Diferensiasi bersifat transkripsi)

Perbedaan antara dua tipe sel terletak pada gen mana yang ditranskripsi. Beberapa faktor transkripsi, yang diungkapkan sebagai tanggapan terhadap isyarat pengimbas Bab 10, mengikat daerah pengatur ratusan gen sasarannya lalu menyalakannya, sementara gen nasib lainnya dimatikan; dan karena faktor semacam itu lazimnya mengaktifkan gennya sendiri, keadaannya, begitu dimasuki, mempertahankan dirinya sendiri. Bagi sebagian jaringan, satu faktor tunggal menjadi sebuah pengatur induk yang mencukupi untuk memaksakan nasibnya pada sel bertipe lain: MyoD bagi otot rangka, Pax6 bagi mata, Sox9 bagi rawan. Keadaannya dimantapkan lebih jauh oleh perubahan pada kromatinnya — metilasi DNA, pengubahan histon — yang menjaga gen yang dibungkam tetap bisu sepanjang pembelahannya (yaitu epigenetika jilid Tahun ke-3). Maka sebuah sel yang terdiferensiasi mengingat dirinya siapa tanpa perubahan apa pun pada urutan DNA-nya, dan ingatannya ditulis dalam pola faktor dan kromatinnya, bukan di dalam gennya.

12.2 Pembuatan sehelai serabut otot

Definisi 12.3 (Miogenesis)

Di dalam lembaganya, sel dermomiotom somitnya diimbas isyarat dari tabung saraf, notokord, dan ektoderm permukaannya untuk mengungkapkan faktor miogeniknya MyoD dan Myf5: mereka kini menjadi mioblas, yang terdeterminasi tetapi masih membelah dan tidak istimewa penampilannya. Mioblasnya bermigrasi — ke dalam tunas tungkainya, misalnya — lalu berlipat ganda selama faktor pertumbuhan (FGF) hadir. Ketika faktornya habis, mereka menarik diri dari daur selnya, mengungkapkan faktor kedua, yaitu miogenin, berbaris ujung ke ujung, lalu melebur: membrannya menyatu menjadi satu miotuba panjang dengan banyak inti berderet. Miotubanya menyalakan gen ototnya — aktin, miosin, troponin, tropomiosin, kreatin kinase, reseptor asetilkolin — merakit perangkat kontraktilnya, lalu matang menjadi sehelai serabut otot yang intinya terletak di tepinya. Sehelai serabut tidak pernah membelah lagi; beberapa mioblas tetap tinggal di sebelahnya, diam, sebagai sel satelit, yaitu sel punca yang memperbaiki serta menumbuhkan ototnya seumur hidup.

Miogenesis: sel somit yang terimbas menjadi mioblas yang membelah; ketika faktor pertumbuhannya ditarik mereka berhenti membelah, berbaris, lalu melebur menjadi sebuah miotuba berinti banyak yang menyalakan gen ototnya.

Kiri: miotuba di dalam biakan, masing-masing sebuah sel hasil peleburan dengan deretan inti, di samping mioblas tunggal yang belum melebur. Kanan: serabut matang dilihat membujur, garis lintangnya adalah sarkomer yang berulang dan intinya terdorong ke tepinya.

Proposisi 12.4 (MyoD: sebuah sakelar induk)

MyoD adalah sebuah faktor transkripsi keluarga heliks-gelung-heliks. Ia mengikat, sebagai sebuah dimer bersama sebuah protein pasangan yang ada di mana-mana, sebuah urutan enam basa (kotak E, CANNTG) di dalam daerah pengatur gen ototnya, merekrut enzim pembuka kromatin, lalu menyalakan gennya — termasuk gen bagi miogenin dan bagi MyoD sendiri, dan begitulah keadaannya bertahan. Kegiatannya digerbangi: di dalam mioblas yang membelah, sebuah protein penghambat (Id), yang diimbas faktor pertumbuhannya, menyita pasangannya lalu menjaga MyoD tetap menganggur; ketika faktor pertumbuhannya ditarik, Id-nya lenyap dan MyoD bekerja. Karena MyoD mencukupi untuk memaksakan program ototnya pada sebuah fibroblas, sebuah sel lemak, atau sebuah sel saraf, nasib ototnya, dalam arti tertentu, hanya sedalam satu gen: kesukaran menjadi sebuah otot bukanlah dalam mengetahui caranya, melainkan dalam diperintah untuk itu.

Bukti eksperimental. Davis, Weintraub, dan Lassar (1987) memindahkan satu cDNA tunggal, yang diisolasi dari mioblas, ke dalam fibroblas biakan: fibroblasnya berhenti membelah, melebur menjadi miotuba, lalu membuat protein otot. Gennya diberi nama MyoD. Kerabatnya Myf5, miogenin, dan MRF4 ditemukan lewat kehomologan; seekor mencit yang tidak memiliki MyoD maupun Myf5 tidak bermioblas dan sama sekali tidak berotot rangka, sedangkan mencit yang tidak memiliki miogenin memiliki mioblas yang tidak pernah melebur. ∎

Teorema 12.5 (Sebuah sakelar yang menopang dirinya)

Misalkan $m$ adalah jumlah sebuah faktor yang mengaktifkan gennya sendiri dengan tanggapan yang bekerja sama (sigmoid) dan terurai pada laju $k$ :

\frac{\mathrm{d}m}{\mathrm{d}t} = \frac{a\,m^{2}}{K^{2} + m^{2}} + b - k\,m,

dengan $b$ sebagai sintesis basal yang kecil. Bagi $a$ , $b$ , $K$ , dan $k$ yang sesuai, persamaan ini memiliki dua keadaan tunak yang mantap, satu yang rendah mendekati $b/k$ dan satu yang tinggi mendekati $a/k$ , yang dipisahkan sebuah ambang yang tak mantap: selnya bersifat dwimantap. Sebuah isyarat pengimbas yang sementara, yang mendorong $m$ di atas ambangnya, mengirim selnya ke keadaan tingginya, dan ia tinggal di situ sesudah isyaratnya pergi; di bawah ambangnya ia kembali ke keadaan rendahnya. Inilah sebuah ingatan yang dibangun dari sebuah gelung umpan balik, dan itulah sebabnya sebuah sel, begitu terpancang, tetap terpancang sepanjang pembelahannya dan tanpa kehadiran pengimbasnya.

Bukti. Keadaan tunaknya memenuhi $k m = a m^{2}/(K^{2} + m^{2}) + b$ . Ruas kanannya adalah sebuah sigmoid yang naik dari $b$ sampai $a + b$ ; ruas kirinya adalah sebuah garis lewat titik asal dengan kemiringan $k$ . Bagi $b/k < K$ dan $k$ yang cukup kecil sehingga garisnya memotong bagian curam sigmoidnya, kedua kurvanya berpotongan tiga kali: pada $m_{\text{rendah}} \approx b/k$ , pada $m_{\text{u}}$ yang di tengah, dan pada $m_{\text{tinggi}} \approx (a + b)/k$ . Kemantapannya: di bawah $m_{\text{rendah}}$ sintesisnya melampaui peluruhannya dan $m$ naik; antara $m_{\text{rendah}}$ dan $m_{\text{u}}$ peluruhannya melampaui sintesisnya dan $m$ turun kembali; antara $m_{\text{u}}$ dan $m_{\text{tinggi}}$ sintesisnya melampaui peluruhannya dan $m$ memanjat ke $m_{\text{tinggi}}$ ; di atasnya, $m$ turun kembali ke $m_{\text{tinggi}}$ . Maka kedua yang terluar mantap, yang di tengah tak mantap dan menjadi ambangnya. ∎

Sebuah sakelar dwimantap (a = 1, K = 1, b = 0.02, k = 0.4). Sintesisnya (sigmoid) dan penguraiannya (garis) berpotongan tiga kali: dua keadaan yang mantap, padam dan nyala, serta sebuah ambang tak mantap di antaranya. Sebuah isyarat yang mengangkat m melewati ambangnya memancangkan selnya pada keadaan nyala secara tetap. — Sebuah sakelar dwimantap ( $a = 1$ , $K = 1$ , $b = 0.02$ , $k = 0.4$ ). Sintesisnya (sigmoid) dan penguraiannya (garis) berpotongan tiga kali: dua keadaan yang mantap, padam dan nyala, serta sebuah ambang tak mantap di antaranya. Sebuah isyarat yang mengangkat $m$ melewati ambangnya memancangkan selnya pada keadaan nyala secara tetap.

12.3 Sel jadinya

Definisi 12.6 (Serabut otot)

Sehelai serabut otot rangka adalah sebuah silinder bergaris tengah $10\text{ sampai }100\,\text{µ}\mathrm{m}$ dan sepanjang sampai puluhan sentimeter, yang dibatasi sarkolema, dengan ratusan inti tepat di bawahnya. Bagian dalamnya terisi miofibril yang sejajar, dan masing-masing adalah sebuah rantai sarkomer sepanjang $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ : di antara dua cakram Z, filamen tipis aktin (beserta tropomiosin dan troponin) yang tertambat pada cakram Z-nya berselang-seling dengan filamen tebal miosin yang ditahan di pusatnya, dan pola tindihannya memberi garis lintangnya. Di sekeliling tiap miofibrilnya, sebuah renda retikulum sarkoplasma menyimpan kalsium; tubulus lintang, yaitu lekukan sarkolemanya, berjalan di antara miofibrilnya lalu mengusung isyarat listriknya dari permukaannya ke bagian dalamnya. Mitokondria menjejali ruangnya, dan sitoplasmanya memuat glikogen, kreatin fosfat, dan, pada serabut merahnya, mioglobin. Selnya dibangun bagi satu hal — memendek atas perintah — dan permesinan perintah itu adalah Bab 21.

Dua sarkomer sebuah miofibril: filamen tipis aktin yang tertambat pada cakram Z-nya berselang-seling dengan filamen tebal miosin yang berpusat pada garis M-nya. Tindihannya memberi pita A yang gelap dan pita I yang terang pada garis lintangnya.

Proposisi 12.7 (Tipe serabut)

Sebuah otot adalah campuran tipe serabut, yang sebagian ditetapkan garis keturunan mioblasnya dan sebagian lagi oleh saraf yang mempersarafi serabutnya. Serabut oksidatif lambat (tipe I) memiliki miosin yang lambat, banyak mitokondria dan kapiler, serta mioglobin — merah, tak kenal lelah, dibangun bagi sikap tubuh dan ketahanan. Serabut glikolitik cepat (tipe IIx) memiliki miosin yang cepat, sedikit mitokondria, dan banyak glikogen — putih, bertenaga, dan habis dalam semenit. Serabut oksidatif cepat (tipe IIa) terletak di antaranya. Betis seorang pelari cepat sebagian besar serabut cepat, betis seorang pelari maraton sebagian besar serabut lambat, dan perbandingannya terwariskan; tetapi tipenya tidak tetap: mempersarafi silang sebuah otot cepat dengan sebuah saraf lambat, atau berbulan-bulan latihan ketahanan, mengubah serabutnya ke arah tipe lambat, karena pola impuls sarafnya menyalakan gen isoform miosinnya dan gen biogenesis mitokondrianya. Sebuah sel yang terdiferensiasi mempertahankan jati dirinya sebagai serabut otot dan tetap saja merevisi programnya sebagai tanggapan terhadap pemakaiannya.

Contoh 12.8 (Pertumbuhan dan perbaikan)

Sebuah otot tumbuh pada orang dewasa bukan dengan menambahkan serabut melainkan dengan membesarkannya: latihan menambahkan miofibril pada tiap serabutnya, dan sel satelit melebur ke dalamnya untuk memasok inti tambahan yang dibutuhkan sitoplasma yang lebih besar. Sesudah cedera, sel yang sama membelah, mengungkapkan kembali MyoD, melebur, lalu membangun kembali ruas yang rusak dalam beberapa pekan — program lembaganya dijalankan lagi pada orang dewasa. Pada distrofi otot, serabutnya tidak memiliki distrofin, yaitu sebuah protein yang mengikatkan miofibrilnya pada membrannya, lalu robek selama pengerutannya; sel satelitnya memperbaikinya berulang-ulang sampai, sesudah bertahun-tahun, persediaannya habis dan jaringan berserat mengambil tempat ototnya.

Sebuah sel satelit di bawah mikroskop elektron: sebuah sel kecil berinti tunggal yang terselip di antara membran sehelai serabut otot dan lamina basalnya — yaitu cadangan mioblas serabutnya.

12.4 Latihan

Latihan 12.1 ★

Definisikan diferensiasi, determinasi, dan potensi, lalu tempatkan zigotnya, sebuah sel massa sel dalam, sebuah sel satelit, dan sehelai serabut otot pada skala potensinya.

Solusi

Solusi Latihan 12.1.

Diferensiasi: pengungkapan yang mantap atas gen dan fungsi satu tipe sel. Determinasi: pemancangan pada sebuah nasib sebelum ia diungkapkan. Potensi: rentang nasib yang masih terbuka. Zigotnya: totipoten; sel massa sel dalamnya: pluripoten; sel satelitnya: unipoten (otot saja) — tetap saja sebuah sel punca; serabut ototnya: terdiferensiasi, pascamitosis, tanpa potensi.

Latihan 12.2 ★

Daftarkan langkah miogenesis dari sel somit sampai serabut otot, beserta faktor transkripsi yang diungkapkan pada tiap langkahnya.

Solusi

Solusi Latihan 12.2.

Sel dermomiotom (Pax3) $\to$ mioblas terimbas (MyoD, Myf5), yang membelah selama FGF-nya bertahan $\to$ keluar dari daurnya, miogenin $\to$ pembarisan dan peleburan menjadi sebuah miotuba $\to$ gen ototnya menyala dan miofibril dirakit (MRF4) $\to$ serabut matang berinti tepi, beserta sel satelit yang diam (Pax7).

Latihan 12.3 ★

Apa yang ditunjukkan pemindahan nukleus Gurdon, dan apa yang tidak ditunjukkannya?

Solusi

Solusi Latihan 12.3.

Bahwa nukleus sebuah sel yang terdiferensiasi mempertahankan tiap gen yang dibutuhkan untuk membuat seekor hewan utuh, dan bahwa sitoplasma telurnya dapat menyetel ulang programnya: diferensiasi dapat balik dan bukan sebuah kehilangan DNA. Ia tidak menunjukkan bahwa tiap nukleus yang terdiferensiasi dapat disetel ulang (sebagian besar pemindahannya gagal), maupun bagaimana penyetelan ulangnya bekerja, maupun bahwa sel yang terdiferensiasi itu sendiri dapat berganti nasib di tempat.

Latihan 12.4 ★

Sebutkan bagian sebuah sarkomer lalu katakan mana yang bergerak dan mana yang tidak ketika serabutnya memendek.

Solusi

Solusi Latihan 12.4.

Cakram Z yang membatasi sarkomernya; filamen tipis aktin yang tertambat padanya; filamen tebal miosin yang berpusat pada garis M-nya; pita A (filamen tebal) dan pita I (tipis saja). Pada pemendekannya, filamen tipisnya meluncur ke arah garis M-nya dan cakram Z-nya saling mendekat: pita I dan zona H-nya menyempit, pita A — yaitu panjang filamen tebalnya — tidak berubah, dan tidak ada filamen yang memendek.

Latihan 12.5 ★★

Sehelai serabut sepanjang $20\,\mathrm{cm}$ memiliki sarkomer sepanjang $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ dan satu inti tiap $25\,\text{µ}\mathrm{m}$ panjangnya. Berapa sarkomer yang terderet, dan berapa intinya? Berapa mioblas yang melebur untuk membuatnya?

Solusi

Solusi Latihan 12.5.

$0.2/2.5\times 10^{-6} = 80\,000$ sarkomer; $0.2/25\times 10^{-6} = 8000$ inti; satu mioblas tiap intinya, jadi kira-kira $8000$ mioblas yang melebur (sel satelit menambahkan lagi kemudian).

Latihan 12.6 ★★

Jelaskan mengapa mioblas tidak melebur selagi FGF hadir, dengan memakai penghambat Id, lalu ramalkan apa yang terjadi pada mioblas yang direkayasa untuk membuat Id secara tetap.

Solusi

Solusi Latihan 12.6.

FGF mengimbas Id, yang mengikat protein pasangan yang dibutuhkan MyoD untuk membentuk sebuah dimer pengikat DNA; MyoD hadir tetapi menganggur, dan selnya terus membelah. Ketika FGF-nya ditarik, Id-nya meluruh, MyoD berdimer, miogeninnya dinyalakan, dan selnya keluar dari daurnya lalu melebur. Mioblas yang membuat Id secara tetap tidak pernah melebur: mereka membelah tanpa batas dan tidak membentuk otot.

Latihan 12.7 ★★

Pada model sakelarnya dengan $a = 1$ , $K = 1$ , $b = 0.02$ , dan $k = 0.4$ , periksalah lewat penyulihan bahwa $m = 2.1$ dekat dengan sebuah keadaan tunak, carilah keadaan tunak rendahnya secara hampiran, lalu katakan apa yang terjadi pada sebuah sel yang $m$ -nya dinaikkan sebentar ke $1$ lalu dibiarkan sendiri.

Solusi

Solusi Latihan 12.7.

Syaratnya $0.4m = m^{2}/(1 + m^{2}) + 0.02$ . Pada $m = 2.1$ : kiri $0.84$ , kanan $4.41/5.41 + 0.02 = 0.835$ : sebuah keadaan tunak. Keadaan rendahnya: bagi $m$ yang kecil, $0.4m \approx m^{2} + 0.02$ , sehingga $m \approx 0.055$ (kiri $0.022$ , kanan $0.023$ ). Dinaikkan ke 1, yang berada di atas ambangnya di dekat $0.41$ , selnya memanjat ke $2.1$ lalu tinggal di situ: ia terpancang.

Latihan 12.8 ★★

Pada model yang sama, $k$ dinaikkan menjadi $0.6$ (faktornya terurai lebih cepat). Tunjukkanlah secara grafik atau secara angka bahwa keadaan tingginya lenyap. Apa yang diramalkannya bagi sebuah sel yang MyoD-nya dibuat tak mantap?

Solusi

Solusi Latihan 12.8.

Dengan $k = 0.6$ : pada $m = 1$ , penguraiannya $0.6$ melampaui sintesisnya $0.52$ ; pada $m = 0.5$ , $0.30 > 0.22$ ; pada $m = 2$ , $1.2 > 0.82$ : garisnya terletak di atas kurvanya di mana pun di luar keadaan rendahnya, yang menjadi satu-satunya keadaan tunaknya. Sebuah sel yang MyoD-nya terurai terlalu cepat tidak dapat mempertahankan keadaan nyalanya: ia kembali ke keadaan tak terdiferensiasinya apa pun pengimbasannya — tanpa otot.

Latihan 12.9 ★★

Ramalkanlah fenotipe seekor mencit yang tidak memiliki (a) MyoD maupun Myf5, (b) miogenin saja, (c) MyoD saja. Mengapa (c) nyaris normal?

Solusi

Solusi Latihan 12.9.

(a) Tanpa mioblas, tanpa otot rangka: kedua faktornya berlebihan bagi determinasinya, sehingga keduanya harus hilang. (b) Mioblasnya terbentuk dan berbaris tetapi tidak pernah melebur maupun membuat protein otot: miogenin dibutuhkan bagi diferensiasinya. (c) Nyaris normal, karena Myf5 menggantikan MyoD dalam determinasinya.

Latihan 12.10 ★★★

Sebuah fibroblas yang ditransfeksi MyoD menjadi sebuah miotuba; sebuah sel hati yang ditransfeksi MyoD tidak. Usulkanlah sebuah penjelasan yang melibatkan kromatin dan kompetensi, serta sebuah percobaan untuk mengujinya.

Solusi

Solusi Latihan 12.10.

Di dalam sebuah fibroblas, gen ototnya terletak di dalam kromatin yang dapat dibuka MyoD; di dalam sebuah sel hati, gennya mungkin terjejali di dalam heterokromatin, atau pengatur induk hatinya sendiri mungkin menekannya, sehingga selnya tidak berkompeten. Ujinya: rawatlah sel hatinya dengan sebuah obat yang melonggarkan kromatinnya (sebuah penghambat histon deasetilase) sebelum menambahkan MyoD, atau tambahkan MyoD bersama sebuah faktor yang menggeser program hatinya, lalu nilailah pengungkapan miosinnya.

Latihan 12.11 ★★★

Latihan ketahanan mengubah serabut cepat ke arah serabut lambat tanpa mengubah genomnya. Jelaskan dari segi pengungkapan gen bagaimana pola picuan sarafnya dapat melakukan hal ini, dan mengapa serabutnya tetap saja tinggal otot rangka dan tidak pernah menjadi, katakanlah, rawan.

Solusi

Solusi Latihan 12.11.

Picuan berfrekuensi rendah yang bertahan menaikkan kalsium di dalam selnya selama waktu yang lama; lintasan yang diaktifkan kalsium menyalakan gen miosin lambatnya, biogenesis mitokondrianya, mioglobinnya, dan pertumbuhan kapilernya, lalu mematikan isoform cepatnya. Program induk serabutnya (keadaan MyoD-nya, arsitektur sarkomernya) tidak tersentuh: latihan mengubah gen otot mana yang diungkapkan, bukan jati diri selnya, dan tidak ada isyarat dari sebuah saraf yang dapat membuka kembali program rawan yang telah ditutup pada determinasinya.

Latihan 12.12 ★★★

“Sebuah sel yang terdiferensiasi mengingat dirinya siapa dengan sebuah sirkuit, bukan dengan sebuah mutasi.” Bahaslah, dengan sakelar dwimantapnya, kromatinnya, dan kenyataan bahwa penyetelan ulang Gurdon dan Yamanaka mungkin dilakukan tetapi tidak berdaya guna.

Solusi

Solusi Latihan 12.12.

Keadaan nyala sebuah faktor yang mengaktifkan dirinya sendiri adalah sebuah titik mantap sebuah gelung umpan balik, yang dipertahankan sintesis yang sinambung, bukan oleh perubahan apa pun pada gennya; tanda kromatinnya menambahkan lapisan kedua yang menjaga gen yang dibungkam tetap tertutup. Maka penyetelan ulangnya menuntut sirkuitnya didorong di bawah ambangnya dan kromatinnya dibuka kembali sekaligus, yang hanya dapat dikerjakan sitoplasma telur atau empat faktor pada sebagian kecil selnya: mungkin, karena tidak ada yang hilang, tetapi tidak berdaya guna, karena dua gembok yang saling bebas harus dicungkil bersama-sama.

12.5 Soal: Sebuah Otot Dibangun dan Dibangun Ulang

Soal 12.1

Soal akhir pekan — sebuah otot diikuti dari somit sampai serabut dan melewati cedera: cacah mioblas, peleburan, dan intinya, sakelar dwimantapnya dianalisis, sebuah perbaikan diwaktui, dan latihannya dikuantifikasi, berakhir pada cacah inti serabutnya, ambang sakelarnya, dan waktu perbaikannya

Sebuah otot paha orang dewasa memiliki $500\,000$ serabut, yang masing-masing sepanjang $20\,\mathrm{cm}$ dan bergaris tengah $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ , dengan satu inti tiap $25\,\text{µ}\mathrm{m}$ panjangnya; sarkomernya sepanjang $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Mioblas lembaganya membelah tiap $12\,\mathrm{h}$ selagi FGF hadir. Model sakelarnya: $a = 1$ , $K = 1$ , $b = 0.02$ , $k = 0.4$ . Sesudah sebuah cedera yang memusnahkan $10\,\%$ panjang tiap serabutnya, sel satelit ruas yang cedera ( $4$ tiap milimeter serabutnya) membelah tiap $18\,\mathrm{h}$ selama beberapa waktu, lalu melebur.

Bagian I — Serabutnya.

Hitunglah cacah sarkomer yang terderet di dalam satu serabutnya dan cacah intinya.
Berapa mioblas yang melebur untuk membuat satu serabut? Untuk membuat seluruh ototnya?
Hitunglah volume satu serabutnya dan volume ototnya (dalam liter).
Taksirlah volume sitoplasma yang dilayani satu intinya, lalu bandingkan dengan sebuah sel biasa berukuran $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ .
Mengapa intinya terletak di tepi sebuah serabut yang matang?
Mioblas ototnya berasal dari $2000$ sel somit. Berapa kali pelipatduaan yang dibutuhkannya, dan berapa hari, untuk mencapai cacah pertanyaan 2?

Bagian II — Sakelarnya.

Tuliskanlah syarat keadaan tunaknya lalu tunjukkan bahwa $m \approx 0.055$ memenuhinya.
Tunjukkan bahwa $m \approx 2.1$ memenuhinya.
Tunjukkan bahwa ada sebuah penyelesaian ketiga di dekat $m = 0.41$ , lalu jelaskan dari tanda $\mathrm{d}m/\mathrm{d}t$ pada kedua sisinya bahwa ia tak mantap.
Sebuah denyut pengimbas menaikkan $m$ ke $0.6$ ; denyut lain menaikkannya ke $0.3$ . Apa nasib tiap selnya?
Sintesis basalnya $b$ dinaikkan menjadi $0.4$ oleh sebuah mutasi. Tunjukkan bahwa keadaan rendahnya lenyap. Apa yang dikerjakan selnya?
Jelaskan bagaimana model ini menerangkan pemancangan yang selamat dari pembelahan sel, dan apa yang pastilah benar tentang $m$ pada tiap pembelahannya.

Bagian III — Perbaikannya.

Berapa sel satelit yang diusung satu serabutnya, dan berapa inti yang harus diganti sesudah cederanya?
Berapa kali pelipatduaan yang harus dijalani sel satelitnya untuk memasoknya, dan berapa lama waktunya?
Bandingkan dengan dua sampai tiga pekan perbaikan yang teramati, lalu katakan apa lagi yang tercakup waktunya.
Mengapa sel satelitnya harus mengungkapkan kembali MyoD sebelum melebur, dan mengapa mereka harus berhenti membelah lebih dahulu?
Tiap babak perbaikannya menghabiskan sebagian sel satelitnya. Kalau lumbungnya turun $5\,\%$ tiap cederanya, berapa cedera sampai ia tinggal separuh?
Berapa sel satelit tiap serabutnya yang tersisa sesudah dua puluh cedera semacam itu?
Jelaskan mengapa sebuah otot distrofik, yang serabutnya robek pada tiap pengerutannya, digantikan jaringan berserat sesudah bertahun-tahun.

Bagian IV — Latihannya.

Latihan menebalkan tiap serabutnya menjadi $80\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Dengan faktor berapa volume serabutnya tumbuh, dan berapa inti tambahan yang harus dipasok sel satelitnya kalau rasio pertanyaan 4 dipertahankan?
Hitunglah volume baru ototnya.
Latihan ketahanan mengubah $30\,\%$ serabut cepatnya menjadi serabut lambat. Apa yang berubah pada serabut itu dan apa yang tidak?
Jelaskan mengapa sebuah otot dewasa membesar lewat pertumbuhan serabutnya alih-alih lewat penambahan serabut, dengan memakai kenyataan bahwa serabutnya tidak membelah.
Sebuah obat menghadang peleburan sel satelitnya. Ramalkanlah tanggapan ototnya terhadap latihan dan terhadap cedera.
Nyatakan hasilnya: cacah inti serabutnya, ambang sakelarnya, dan waktu bagi sel satelitnya untuk memasok inti sebuah perbaikan.

Solusi

Solusi Soal 12.1.

1. $0.2/2.5\times 10^{-6} = 80\,000$ sarkomer; $0.2/25\times 10^{-6} = 8000$ inti. 2. Kira-kira $8000$ tiap serabutnya; $4\times 10^{9}$ bagi ototnya. 3. $\pi(30\times 10^{-6})^{2}\times 0.2 = 5.7 \times 10^{-10}\,\mathrm{m}^{3}$ tiap serabutnya; $2.8\times 10^{-4}$ $\mathrm{m}^{3}$ , yaitu $0.28\,\mathrm{L}$ , bagi ototnya. 4. $5.7\times 10^{-10}/8000 = 7 \times 10^{-14}\,\mathrm{m}^{3} = 70\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : yaitu setara 35 sel biasa tiap intinya. 5. Bagian dalamnya terjejali miofibril yang harus berjalan tanpa terputus dari ujung ke ujung; inti di tepinya membiarkan kisinya tetap sinambung dan duduk dekat membrannya beserta isyaratnya. 6. $4\times 10^{9}/2000 = 2\times 10^{6}$ : yaitu 21 kali pelipatduaan, 10,5 hari. 7. $0.4m = m^{2}/(1 + m^{2}) + 0.02$ . Pada $m = 0.055$ : kiri $0.022$ , kanan $0.003 + 0.02 = 0.023$ . 8. Pada $m = 2.1$ : kiri $0.84$ , kanan $0.815 + 0.02 = 0.835$ . 9. Pada $m = 0.41$ : kiri $0.164$ , kanan $0.144 + 0.02 = 0.164$ . Tepat di bawahnya sintesisnya lebih kecil daripada penguraiannya, sehingga $m$ turun menuju $0.055$ ; tepat di atasnya, sintesisnya melampaui penguraiannya dan $m$ naik menuju $2.1$ : tiap simpangannya membesar — tak mantap. 10. $0.6 > 0.41$ : sel pertamanya pergi ke keadaan nyala lalu berdiferensiasi; $0.3 < 0.41$ : sel keduanya mengendur ke $0.055$ dan tidak berdiferensiasi. 11. Dengan $b = 0.4$ kurva sintesisnya bermula pada $0.4$ lalu tinggal di atas garis $0.4m$ sampai $m \approx 3.3$ : perpotongan rendahnya lenyap. Selnya berdiferensiasi secara spontan, tanpa pengimbasan. 12. Pembelahannya memerohkan $m$ ; anaknya mewarisi $2.1/2 = 1.05$ , yang di atas ambangnya $0.41$ , lalu memanjat kembali ke $2.1$ : keadaannya dibangun kembali di dalam tiap anaknya. Pemancangannya selamat selama kadar yang terpeorh itu tinggal di atas ambangnya. 13. $4$ tiap mm $\times$ $200\,\mathrm{mm}$ $= 800$ sel satelit tiap serabutnya; $10\,\%$ dari $8000$ intinya, yaitu $800$ , harus diganti. 14. Ruas yang cedera memuat $80$ sel satelit; $800/80 = 10$ , sehingga 4 kali pelipatduaan ( $\times 16$ , yang memberi $1280$ : 800 melebur, 480 tersisa untuk memulihkan lumbungnya) — yaitu $72\,\mathrm{h}$ , tiga hari. 15. Tiga hari pembelahan terhadap dua sampai tiga pekan yang teramati: sisanya adalah pembersihan puingnya oleh makrofag, jeda pengaktifannya, peleburannya, perakitan miofibrilnya, penyarafan ulangnya, dan pematangan ruas barunya. 16. MyoD (dan miogenin) harus menyalakan kembali gen ototnya di dalam sel yang diaktifkan; pembelahan dan diferensiasi saling meniadakan — Id-nya harus turun dan daurnya harus berhenti sebelum miogeninnya dapat bekerja dan peleburannya terjadi. 17. $0.95^{n} = 0.5$ : $n = 13.5$ , yaitu kira-kira empat belas cedera. 18. $800\times 0.95^{20} = 800\times 0.36 \approx 290$ . 19. Tiap pengerutannya merobek serabutnya, tiap robekannya memanggil lumbungnya, dan lumbungnya mengerut beberapa persen tiap kalinya; sesudah bertahun-tahun ia habis, serabut yang robek tidak dibangun kembali, dan fibroblas mengisi celahnya dengan kolagen. 20. $(80/60)^{2} = 1.78$ ; intinya $8000\times 1.78 = 14\,200$ : yaitu kira-kira $6200$ tambahan dari sel satelitnya. 21. $0.28\times 1.78 = 0.5\,\mathrm{L}$ . 22. Yang berubah: gen isoform miosinnya, kerapatan mitokondria dan kapilernya, mioglobinnya. Yang tidak berubah: jati diri ototnya (keadaan MyoD-nya), arsitektur sarkomernya, intinya, dan genomnya. 23. Serabutnya pascamitosis dan tidak dapat berlipat ganda; satu-satunya jalannya adalah serabut yang lebih tebal dan inti yang lebih banyak tiap serabutnya dari sel satelitnya. 24. Latihannya: penebalan yang terbatas, karena serabutnya tidak dapat menambah inti; cederanya: tanpa perbaikan — ruas yang musnah digantikan jaringan berserat, seperti pada distrofi. 25. $8000$ inti tiap serabutnya; ambangnya $m \approx 0.41$ ; kira-kira tiga hari pembelahan sel satelit bagi sebuah perbaikan.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium