Biologi Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

10Kendali Daur Sel dan Kematian Sel Terprogram

Kira-kira seratus miliar sel tubuh Anda akan mati hari ini, dengan sengaja, dan seratus miliar lagi akan lahir menggantikannya; lapisan usus Anda diperbarui tiap lima hari, dan sel darah merah Anda tiap empat bulan. Seekor berudu kehilangan ekornya tanpa berdarah; selaput di antara jari embrio manusia lenyap pada minggu kedelapan; separuh neuron yang pernah dibuat di dalam sebuah otak dibunuh sebelum kelahiran. Setiap kematian itu dilaksanakan sel itu sendiri, menurut sebuah program, dan setiap kelahirannya diizinkan sistem kendali yang memutuskan, pada dua atau tiga titik daurnya, apakah selnya boleh melanjut. Kedua program itu — pembelahan dan bunuh diri — adalah pokok bab ini. Keduanya dipecahkan pada khamir, telur katak, bulu babi, dan seekor cacing yang bersel somatik tepat $1090$ dan tepat $131$ di antaranya mati, lalu keduanya ternyata sama pada manusia, tempat kegagalannya menjadi kanker di satu sisi dan kemunduran di sisi yang lain.

10.1 Mesin daurnya

Definisi 10.1 (Siklin dan kinase bergantung-siklin)

Daur sel — G1, S (replikasi), G2, M (mitosis) — digerakkan sebuah famili kinase protein, yaitu kinase bergantung-siklin (CDK), yang subunit katalitiknya hadir sepanjang daurnya tetapi hanya aktif ketika terikat pada sebuah siklin, yakni subunit pengatur yang kepekatannya naik lalu turun menurut urutan yang tetap: siklin D bersama Cdk4/6 pada G1 sebagai tanggapan atas faktor pertumbuhan, siklin E bersama Cdk2 pada peralihan G1/S, siklin A bersama Cdk2 sepanjang S, dan siklin B bersama Cdk1 saat masuk mitosis. Tiap siklin–CDK memfosforilasi protein fasenya — titik asal replikasi, lamin, kondensin, enzim perakitan gelendong — dan masing-masing dimatikan oleh pemusnahan siklinnya: ligase ubikuitin (SCF pada G1/S, kompleks pemacu anafase, APC/C, pada mitosis) menandai siklinnya bagi proteasom. Keaktifan Cdk1 selanjutnya digerbangi sebuah fosforilasi penghambat yang dipasang kinase Wee1 lalu dibuang fosfatase Cdc25, dan digerbangi protein penghambat kecil (p21, p27, p16) yang mengikat kompleksnya. Daurnya dengan demikian merupakan runtunan gelombang kinase yang teratur, dan tiap gelombangnya berakhir pada proteolisis apa yang menghasilkannya.

Bukti eksperimental. Tiga jalur memusat. Hartwell (dasawarsa 1970-an) memisahkan mutan cdc khamir bertunas yang peka suhu, yang masing-masing terhenti pada satu tahap dengan ukuran tunas yang khas, lalu menetapkan Start, yakni titik pada G1 yang sesudahnya sebuah sel terikat pada satu daur. Nurse (dasawarsa 1980-an) mendapati pada khamir belah bahwa cdc2 mengendalikan penataan waktu mitosisnya dan bahwa gen manusianya, yang dimasukkan ke dalam khamirnya, menyelamatkan mutannya: kinasenya adalah Cdk1, yang lestari dari khamir sampai manusia. Hunt (1983) mendapati pada telur bulu babi sebuah protein yang menumpuk sepanjang tiap daurnya lalu dimusnahkan mendadak pada tiap pembelahan, dan menamainya siklin. Telur katak sementara itu telah memberi “faktor pemacu pematangan” yang mendorong nukleus mana pun masuk mitosis; faktor itu adalah siklin B yang terikat pada Cdk1. Rao dan Johnson (1970) sebelumnya telah menunjukkan lewat penggabungan sel bahwa sel berfase S mendorong nukleus G1 masuk ke replikasi, sedangkan nukleus G2 menunggu — sitoplasmanya mengusung isyaratnya, dan nukleus yang telah bereplikasi tak dapat dipaksa bereplikasi lagi. ∎

Daurnya sebagai runtunan gelombang siklin–CDK, dan tiap gelombangnya diakhiri pemusnahan siklinnya, dengan ketiga titik periksanya (batang merah) tempat selnya bertanya apakah akan melanjut.

Teorema 10.2 (Sebuah sakelar dan sebuah rem yang tertunda membuat osilator)

Misalkan $A$ adalah keaktifan siklin B–Cdk1 dan $C$ adalah jumlah siklin B. Andaikan (i) untuk $C$ yang tetap, $A$ melemas dengan cepat ke sebuah keadaan tunak yang bergantung pada $C$ lewat umpan balik positif (Cdk1 aktif mengaktifkan pengaktifnya Cdc25 dan menghambat penghambatnya Wee1), sehingga kurva keadaan tunaknya $A^{*}(C)$ berbentuk S: untuk $C$ di antara dua ambang $C_{1} < C_{2}$ terdapat keadaan rendah maupun keadaan tinggi, dan sistemnya bertahan pada cabang mana pun yang sedang ditempatinya (histeresis); (ii) $C$ berubah perlahan, disintesis dengan laju tetap $k_{s}$ lalu diuraikan dengan laju $k_{d}A\,C$ lewat APC/C, yang dinyalakan Cdk1 aktif sesudah sebuah tundaan. Maka sistemnya tak memiliki keadaan tunak yang mantap lalu menjalankan sebuah osilasi relaksasi: $C$ menumpuk pada cabang rendahnya sampai melewati $C_{2}$ , $A$ melompat ke cabang tingginya (masuknya mitosis), penguraiannya melampaui sintesisnya dan $C$ turun sampai melewati $C_{1}$ , $A$ runtuh ke cabang rendahnya (keluarnya mitosis), lalu daurnya berulang. Periodenya terutama ditentukan variabel yang lambat: kira-kira $C_{2}/k_{s}$ bagi kenaikannya, ditambah waktu menguraikan dari $C_{2}$ ke $C_{1}$ .

Bukti sebagian. Sebuah keadaan tunak pasangan itu akan menuntut $\mathrm{d}C/\mathrm{d}t = 0$ , yakni $k_{s} = k_{d}A^{*}(C)\,C$ , pada sebuah titik di kurva berbentuk S itu. Pada cabang rendahnya $A^{*}$ kecil, sehingga $k_{d}A^{*}C < k_{s}$ untuk $C$ sampai $C_{2}$ : siklinnya naik, dan sistemnya terbawa keluar dari ujung cabangnya. Pada cabang tingginya $A^{*}$ besar, sehingga $k_{d}A^{*}C > k_{s}$ untuk $C$ turun sampai $C_{1}$ : siklinnya turun, dan sistemnya terbawa keluar dari ujung itu. Satu-satunya calon keadaan tunaknya akan terletak pada cabang tengahnya yang tak mantap, dan sebuah titik di situ menolak; jadi tak ada keadaan tunak yang mantap, dan lintasannya, yang terkurung pada kedua cabang mantapnya serta lompatan di antaranya, berdaur. Waktu pada cabang rendahnya adalah $\int \mathrm{d}C/(k_{s} - k_{d}A^{*}C) \approx C_{2}/k_{s}$ ketika $A^{*}$ kecil, dan waktu pada cabang tingginya adalah waktu yang lebih pendek untuk menguraikan $C_{2} - C_{1}$ dengan laju $k_{d}A^{*}_{\text{tinggi}}C$ . Adanya kurva berbentuk S dari umpan balik Cdc25/Wee1 diterima tanpa bukti di sini; kurva itu kedwimantapan yang sama dengan gen yang mengaktifkan dirinya sendiri pada jilid Tahun 2, dengan variabel cepatnya kini sebuah kinase dan variabel lambatnya siklinnya. ∎

Kiri: bidang fase osilatornya. Kurva berbentuk S itu adalah keadaan tunak cepat Cdk1 bagi tiap kadar siklin; gelung merahnya adalah daurnya — penumpukan lambat sepanjang cabang rendahnya, sebuah lompatan pada C_2, penguraian cepat sepanjang cabang tingginya, dan lompatan kembali pada C_1. Kanan: perjalanan waktu yang dihasilkannya, yakni gigi gergaji siklin dan gelombang kotak kinasenya. — Kiri: bidang fase osilatornya. Kurva berbentuk S itu adalah keadaan tunak cepat Cdk1 bagi tiap kadar siklin; gelung merahnya adalah daurnya — penumpukan lambat sepanjang cabang rendahnya, sebuah lompatan pada $C_{2}$ , penguraian cepat sepanjang cabang tingginya, dan lompatan kembali pada $C_{1}$ . Kanan: perjalanan waktu yang dihasilkannya, yakni gigi gergaji siklin dan gelombang kotak kinasenya.

Contoh 10.3 (Mengapa telur katak adalah sebuah jam)

Sebutir telur katak yang telah dibuahi membelah dua belas kali dalam enam jam tanpa pertumbuhan, tanpa transkripsi, dan tanpa titik periksa, pada selang $30\,\mathrm{min}$ : itulah osilator teoremanya yang berjalan telanjang, dan sebuah ekstrak sitoplasmanya di dalam tabung reaksi terus berdaur, dengan siklinnya naik dan turun, tanpa apa pun yang dibelah. Menambahkan siklin B yang tak dapat diuraikan mengunci ekstraknya di dalam mitosis, karena $C$ tak pernah dapat turun di bawah $C_{1}$ ; menghalangi sintesis siklinnya menguncinya di dalam interfase. Di dalam sel somatik, mesin yang sama terbungkus kendali bagian berikutnya, yang menahannya pada ambangnya sampai syaratnya terpenuhi, sehingga periodenya menjadi sehari alih-alih setengah jam dan dapat panjang tanpa batas.

10.2 Titik periksa

Definisi 10.4 (Titik periksa)

Sebuah titik periksa adalah kendali yang menghentikan daurnya pada sebuah peralihan sampai sebuah syarat terpenuhi, dengan bekerja pada mesinnya — menghambat sebuah CDK atau sebuah ligase ubikuitin. Tiga di antaranya paling penting. Titik batas pada G1 akhir (Start pada khamir): selnya melanjut hanya bila faktor pertumbuhan, hara, dan ukurannya mengizinkan; di seberangnya daurnya rampung tanpa semua itu. Titik periksa G2/M: DNA yang rusak atau belum bereplikasi, yang diisyaratkan kinase ATM/ATR Bab 3, menjaga Cdc25 tetap terhambat sehingga menjaga Cdk1 tetap terfosforilasi dan tak aktif. Titik periksa perakitan gelendong: satu kinetokor saja yang tak melekat pada mikrotubulus menghasilkan penghambat yang dapat berdifusi (Mad2 yang terikat pada Cdc20) yang menjaga APC/C tetap mati, sehingga anafasenya menunggu kromosom yang terakhir. Sebuah kendali keempat tak memiliki langkah menunggu tetapi sama ketatnya: pemberian izin replikasi. Titik asalnya dimuati helikase MCM hanya pada G1, ketika keaktifan CDK-nya rendah, dan faktor pemuatnya dimusnahkan atau dihambat begitu fase S mulai, sehingga tiap titik asalnya menyala sekali dan hanya sekali tiap daurnya — itulah sebabnya nukleus G2 pada penggabungan Rao dan Johnson tak dapat dipaksa bereplikasi.

Proposisi 10.5 (Titik batas adalah sebuah sakelar)

Pada G1 awal faktor transkripsi E2F, yang menggerakkan gen fase S (siklin E, siklin A, enzim replikasinya), ditahan tak aktif oleh protein retinoblastoma Rb. Faktor pertumbuhan mengimbas siklin D, lalu siklin D–Cdk4/6 mulai memfosforilasi Rb sehingga melepaskan sedikit E2F; E2F lalu mengimbas siklin E, dan siklin E–Cdk2 memfosforilasi Rb jauh lebih banyak — yakni umpan balik positif yang, sekali melewati sebuah ambang, menuntaskan dirinya sendiri tanpa faktor pertumbuhan lagi. Selnya telah menyeberangi titik batasnya; E2F juga mengimbas gennya sendiri. Hilangnya Rb, atau hilangnya penghambat Cdk4/6 bernama p16, atau penguatan siklin D, sama sekali menghapus tuntutan akan faktor pertumbuhan, dan masing-masing lazim pada kanker (Bab 11); obat yang menghambat Cdk4/6 kini dipakai melawan kanker payudara yang bergantung pada sakelar ini.

Titik batasnya. Faktor pertumbuhan memulai fosforilasi Rb, yang membebaskan sedikit E2F; E2F mengimbas siklin E, yang kinasenya memfosforilasi Rb lebih lanjut — yakni umpan balik positif yang menuntaskan peralihannya lalu membuatnya tak bergantung pada isyarat awalnya. Batangnya menandai penghambatan.

Proposisi 10.6 (Anafase adalah keputusan proteolitik)

Kromatid saudari ditahan bersama sejak fase S oleh cincin kohesin. Pada metafase, ketika tiap kinetokornya telah melekat dan titik periksa gelendongnya dibungkam, APC/C bersama pengaktifnya Cdc20 mengubikuitinasi dua protein: siklin B, yang hilangnya menonaktifkan Cdk1 dan memungkinkan selnya keluar dari mitosis, dan sekurin, yang hilangnya membebaskan protease separase, yang memotong kohesinnya. Semua pasangan saudarinya memisah dalam hitungan detik satu sama lain, ditarik ke kutubnya oleh gelendongnya, lalu selnya membelah dengan sebuah cincin aktin dan miosin II yang dirakit di tempat yang diberitahukan zona tengah gelendongnya kepada korteksnya (lewat RhoA). Keputusannya tak berbalik karena keputusan itu proteolitik: kohesin yang terpotong tak dapat dirakit kembali, dan siklin yang telah diuraikan harus disintesis ulang. Galat di sini — sebuah kromosom yang ditarik ke kutub yang keliru, sebuah anafase yang dimulai sebelum pelekatan terakhirnya — menghasilkan sel anak yang aneuploid, yakni kelainan kromosom yang paling lazim pada tumor dan pada keguguran.

Kiri: sebuah sel metafase — mikrotubulus gelendong (hijau) dari kedua kutubnya (merah), kromosom (biru) yang berbaris pada pelatnya, yakni saat ketika titik periksa gelendongnya memutuskan. Kanan: khamir bertunas, tipe liar dengan tunas beraneka ukuran (kiri) dan sebuah mutan cdc yang setiap selnya terhenti pada tahap yang sama, masing-masing dengan tunas berukuran sama (kanan). — Kiri: sebuah sel metafase — mikrotubulus gelendong (hijau) dari kedua kutubnya (merah), kromosom (biru) yang berbaris pada pelatnya, yakni saat ketika titik periksa gelendongnya memutuskan. Kanan: khamir bertunas, tipe liar dengan tunas beraneka ukuran (kiri) dan sebuah mutan *cdc* yang setiap selnya terhenti pada tahap yang sama, masing-masing dengan tunas berukuran sama (kanan).

10.3 Apoptosis

Definisi 10.7 (Apoptosis)

Apoptosis adalah kematian sel terprogram lewat runtunan intrinsik: selnya mengerut dan membulat, kromatinnya memadat dan DNA-nya dipotong di antara nukleosom menjadi tangga fragmen, nukleusnya pecah, membrannya menggelembung menjadi vesikel yang tersegel, fosfatidilserina muncul pada muka luar membrannya sebagai isyarat “makanlah aku”, dan pecahannya ditelan tetangganya atau makrofag dalam waktu sejam — tanpa rembesan, dan karena itu tanpa peradangan. Semuanya dilaksanakan kaspase, yakni protease sisteina yang memotong sesudah aspartat, yang dibuat sebagai zimogen tak aktif: kaspase pemrakarsa (8 dan 9) diaktifkan dengan dikumpulkan pada sebuah panggung, lalu keduanya memotong dan mengaktifkan kaspase algojo (3 dan 7), yang memotong beberapa ratus substrat — laminnya, sitoskeletonnya, penghambat nuklease pemotong DNA-nya, serta enzim yang menjaga fosfatidilserina tetap di dalam. Nekrosis, sebaliknya, adalah kematian karena cedera: selnya membengkak, pecah, menumpahkan isinya, lalu menimbulkan peradangan. Apoptosis dinamai dan morfologinya diuraikan Kerr, Wyllie, dan Currie (1972); gennya ditemukan pada seekor cacing.

Bukti eksperimental. Tiap hermafrodit Caenorhabditis elegans membuat $1090$ sel somatik, dan $131$ sel yang sama di antaranya mati, masing-masing pada waktu dan tempat yang tetap. Horvitz dan rekan (dasawarsa 1980-an) memisahkan mutan yang sel-sel itu justru bertahan hidup: ced-3 dan ced-4 dibutuhkan bagi tiap kematiannya, dan tanpa keduanya ke- $131$ sel itu hidup lalu berdiferensiasi; ced-9 melindungi — hilangnya membunuh sel yang semestinya hidup, keaktifannya yang berlebih menyelamatkan sel yang semestinya mati; egl-1 dibutuhkan bagi kematian tertentu. CED-3 adalah sebuah kaspase, CED-4 panggung pengaktifnya (Apaf-1 pada manusia), CED-9 sebuah protein Bcl-2, dan EGL-1 sebuah protein BH3 saja: yakni jalur manusianya, gen demi gen. Gen BCL2 manusianya sendiri telah ditemukan pada sebuah translokasi kromosom pada limfoma folikular, yakni kanker sel yang gagal mati. ∎

Definisi 10.8 (Kedua jalurnya)

Jalur intrinsik (mitokondria) memadukan keadaan dalam sebuah sel. Famili Bcl-2 memiliki tiga golongan: penjaga (Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1) yang duduk pada membran luar mitokondria lalu menjaganya tetap tersegel; efektor (Bax, Bak) yang, begitu diaktifkan, mengoligomerisasi menjadi pori pada membran itu; dan pengindera BH3 saja (Bim, Bid, Puma, Noxa, Bad), yang masing-masing diimbas atau diaktifkan sebuah hinaan tertentu — kerusakan DNA lewat p53 (Puma, Noxa), hilangnya faktor pertumbuhan (Bim, Bad), terlepasnya pelekatan, protein yang salah lipat — yang mengikat penjaganya lalu membebaskan atau mengaktifkan efektornya. Ketika efektornya menang, membran luarnya dipermeabilisasi, sitokrom c merembes ke dalam sitosol, mengikat Apaf-1 lalu membentuk apoptosom, yang mengaktifkan kaspase 9. Jalur ekstrinsik mulai dari luar: reseptor kematian (Fas, reseptor TNF, reseptor TRAIL) yang diikat ligannya pada sebuah limfosit pembunuh atau pada tetangganya, mengelompok, merekrut adaptor, lalu mengaktifkan kaspase 8, yang memotong kaspase 3 secara langsung dan, lewat Bid, juga membuka rute mitokondrianya. Kedua jalurnya memusat pada kaspase algojonya, dan protein penghambat (IAP, FLIP) menetapkan ambangnya di sepanjang jalan.

Kedua rute menuju kaspase algojonya. Dari luar ke dalam, sebuah reseptor kematian mengaktifkan kaspase-8; dari dalam ke luar, famili Bcl-2 menimbang keadaan selnya dan, ketika efektornya menang, mitokondrianya melepaskan sitokrom c lalu kaspase-9 diaktifkan. Keduanya memusat pada kaspase-3. — Kedua rute menuju kaspase algojonya. Dari luar ke dalam, sebuah reseptor kematian mengaktifkan kaspase-8; dari dalam ke luar, famili Bcl-2 menimbang keadaan selnya dan, ketika efektornya menang, mitokondrianya melepaskan sitokrom $c$ lalu kaspase-9 diaktifkan. Keduanya memusat pada kaspase-3.

Proposisi 10.9 (Titik tanpa kembali)

Permeabilisasi membran luar mitokondria berlangsung mendadak — seluruh mitokondria sebuah sel membuka dalam kira-kira lima menit, sesudah berjam-jam pertimbangan — dan tuntas: begitu sitokrom $c$ berada di dalam sitosol, pengaktifan kaspase menyusul dalam hitungan menit dan tak dapat dibatalkan dengan membuang rangsangannya. Dua ciri menjadikannya sebuah sakelar. Pori Bax/Bak terbentuk lewat oligomerisasi, sehingga lajunya naik tajam terhadap jumlah efektor yang teraktifkan; dan penjaganya serta penginderanya saling mengikat dengan kegemaran tinggi, sehingga sampai sebuah ambang tiap penginderanya ternetralkan dan di seberangnya tiap pengindera tambahan menjadi bebas — yakni sebuah titrasi, seperti dapar yang terkuras. Karena itu selnya tidak mati berangsur; ia menimbun protein BH3 saja sampai sebuah ambang terlewati, lalu mati sekaligus. Obat yang meniru protein BH3 (venetoklaks, yang menduduki Bcl-2) mendorong sel yang “tersiap” — yakni yang sudah dekat ambangnya, sebagaimana banyak sel leukemia — melewatinya, sambil mengampuni sel yang tidak.

Sebuah sel apoptotik di samping sel yang sehat di bawah mikroskop elektron payar: mengerut, dengan permukaannya pecah menjadi gelembung tersegel yang akan ditelan tanpa jejak peradangan.

Contoh 10.10 (Kematian yang membangun sebuah tubuh)

Jari diukir dari sebuah dayung oleh apoptosis sel di antaranya; pada bebek sel yang sama justru hidup dan selaputnya bertahan. Ekor berudu diserap kembali saat metamorfosis atas isyarat hormon tiroid. Kira-kira separuh neuron yang dihasilkan sistem saraf vertebrata mati sebelum kelahiran, yakni neuron yang gagal menerima cukup faktor trofik dari sasarannya — sebuah persaingan yang menyerasikan cacah neuronnya dengan luas medan yang dilayaninya. Sembilan puluh lima persen sel T yang dibuat di dalam timus mati di situ, tersaring keluar karena tidak mengenali apa pun atau karena mengenali dirinya sendiri (Bab 16). Dan setiap hari epitelium usus melepaskan sel tertuanya pada puncak vilinya, kulit melepaskan keratinositnya, darah melepaskan neutrofil tuanya sesudah hidup sehari: apoptosis adalah kelaziman, dan ukuran sebuah jaringan adalah selisih dua laju yang besar.

10.4 Jalan keluar yang lain, dan kegagalan keluar

Definisi 10.11 (Nekrosis terkendali dan penuaan sel)

Sel memiliki kematian terprogram yang lain, dan semuanya membangkitkan peradangan sedangkan apoptosis membisu. Nekroptosis, yang dipicu reseptor kematian ketika kaspase-8 terhalang (sebagaimana sebagian virus menghalanginya), merakit kinase RIPK3 bersama MLKL, yang melubangi membran plasmanya. Piroptosis, di dalam makrofag yang terinfeksi, dilaksanakan kaspase-1 milik inflamasom (Bab 15), yang memotong gasdermin menjadi pembentuk pori lalu melepaskan interleukin-1. Feroptosis adalah kematian lewat peroksidasi lipid yang bergantung besi. Sebuah sel juga dapat berhenti membelah tanpa mati: penuaan sel adalah penghentian yang permanen, yang dipaksakan p16 dan p21 sesudah pengikisan telomer (Bab 24), kerusakan DNA yang bertahan, atau pengaktifan onkogen, dan sel itu tetap aktif secara metabolik lalu menyekresikan faktor peradangan. Penuaan sel menyingkirkan sel yang rusak dari kolam yang membelah — yakni sebuah penekan tumor — lalu menumpuk seiring umur, dan di situ sekresinya menyumbang pada kemunduran jaringan; membersihkan sel yang menua pada mencit memperpanjang hidup yang sehat.

Catatan 10.12 (Terlalu sedikit dan terlalu banyak)

Penyakit kedua program itu adalah penyakit dosis. Terlalu sedikit kematian: kanker, yang ambang apoptosisnya dinaikkan oleh ekspresi berlebih Bcl-2 atau hilangnya p53, sehingga sel yang genomnya rusak bertahan hidup lalu menimbun kerusakan lagi; autoimunitas, ketika limfosit yang semestinya mati saat seleksi justru bertahan. Terlalu banyak: hilangnya sel T pada infeksi HIV, neuron di daerah remang sebuah stroke yang mati lewat apoptosis berjam-jam sesudah iskemianya (yakni sebuah jendela bagi pengobatan), apoptosis lambat neuron pada penyakit kemunduran saraf, serta sel jantung yang hilang sesudah serangan jantung. Pengobatan kanker sebagian besar adalah pengimbasan apoptosis yang disengaja di dalam sel yang ambangnya lebih rendah daripada tetangganya, dan obat yang menyasar Bcl-2 serta Cdk4/6 adalah yang pertama dirancang dari peta bab ini.

10.5 Latihan

Latihan 10.1 ★

Sebutkanlah keempat fase daurnya, pasangan siklin–CDK yang menggerakkan tiap peralihannya, dan ligase ubikuitin yang mengakhiri mitosisnya.

Solusi

Solusi Latihan 10.1.

G1, S, G2, M. Kemajuan G1 dan titik batasnya: siklin D–Cdk4/6; G1/S: siklin E–Cdk2; S: siklin A–Cdk2; G2/M: siklin B–Cdk1. Kompleks pemacu anafase (APC/C) memusnahkan siklin B dan sekurin lalu mengakhiri mitosisnya.

Latihan 10.2 ★

Apa yang disumbangkan Hartwell, Nurse, dan Hunt masing-masing pada penemuan mesinnya, dan pada organisme apa?

Solusi

Solusi Latihan 10.2.

Hartwell: mutan cdc khamir bertunas, yang terhenti pada tahap tertentu, serta gagasan Start. Nurse: cdc2 khamir belah sebagai kinase yang menakar waktu mitosisnya, dan homolog manusianya (Cdk1) yang menyelamatkan khamirnya — yakni kelestariannya. Hunt: siklin pada telur bulu babi, yakni protein yang disintesis sepanjang daurnya lalu dimusnahkan pada tiap pembelahan.

Latihan 10.3 ★

Sebutkanlah ketiga titik periksanya, syarat yang diuji masing-masing, dan sasaran molekul yang digarap masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 10.3.

Titik batas (G1 akhir): faktor pertumbuhan, hara, ukuran; bekerja pada siklin D–Cdk4/6 dan Rb. G2/M: DNA yang utuh dan telah bereplikasi; ATM/ATR menghambat Cdc25 sehingga menjaga Cdk1 terfosforilasi dan tak aktif. Perakitan gelendong: tiap kinetokornya melekat; kinetokor yang tak melekat membuat kompleks Mad2–Cdc20 yang menghambat APC/C.

Latihan 10.4 ★

Bedakanlah apoptosis dari nekrosis menurut lima ciri, lalu sebutkan golongan enzim yang melaksanakan apoptosis.

Solusi

Solusi Latihan 10.4.

Apoptosis: selnya mengerut, kromatinnya memadat, DNA-nya dipotong menjadi sebuah tangga, membrannya menggelembung tetapi tetap tersegel, fosfatidilserinanya terpapar, mayatnya ditelan, dan tanpa peradangan. Nekrosis: selnya membengkak, membrannya pecah, isinya merembes, DNA-nya terurai secara acak, dan timbul peradangan. Algojonya: kaspase, yakni protease sisteina yang memotong sesudah aspartat.

Latihan 10.5 ★★

Di dalam ekstrak telur katak, siklin B disintesis pada $k_{s} = 1$ satuan tiap menit; ambang mitosisnya $C_{2} = 30$ satuan, ambang keluarnya $C_{1} = 5$ , dan di dalam mitosis siklinnya diuraikan dengan waktu paruh $2\,\mathrm{min}$ . Taksirlah periode osilasinya dan bagian daurnya yang dihabiskan di dalam mitosis.

Solusi

Solusi Latihan 10.5.

Naik dari $5$ ke $30$ pada $1$ tiap menit: $25\,\mathrm{min}$ . Penguraian dari $30$ ke $5$ dengan waktu paruh $2\,\mathrm{min}$ : $\log_{2}(30/5)\times 2 = 5.2\,\mathrm{min}$ . Periodenya sekitar $30\,\mathrm{min}$ , mitosisnya $17\,\%$ dari itu.

Latihan 10.6 ★★

Ramalkanlah perilaku sebuah sel (a) yang mengekspresikan siklin B yang tak dapat diuraikan, (b) yang tak memiliki Wee1, (c) yang tak memiliki Cdc25, (d) yang mengekspresikan Cdk1 yang tak dapat difosforilasi Wee1, dari segi osilator Teorema 10.2.

Solusi

Solusi Latihan 10.6.

(a) $C$ tak pernah dapat turun di bawah $C_{1}$ : terkunci di dalam mitosis pada cabang tingginya. (b) Tanpa fosforilasi penghambat: ambang $C_{2}$ -nya turun, sehingga mitosisnya mulai lebih awal pada ukuran kecil (fenotipe “wee”). (c) Cdk1 tetap terfosforilasi: cabang tingginya tak terjangkau, sehingga terhenti pada G2 dengan sel yang memanjang. (d) Seperti (b), dan titik periksa G2/M, yang bekerja lewat Wee1/Cdc25, tak lagi dapat menahan selnya.

Latihan 10.7 ★★

Sebuah penggabungan Rao–Johnson menyatukan sel G1 dan sel berfase S; yang lain menyatukan sel G2 dan sel berfase S. Ramalkanlah apa yang dilakukan tiap nukleusnya lalu jelaskan dengan pemberian izin dan kadar CDK-nya.

Solusi

Solusi Latihan 10.7.

Nukleus G1 di dalam sitoplasma berfase S: titik asalnya telah diizinkan dan sitoplasmanya memasok siklin E/A–Cdk2 yang aktif, sehingga ia langsung masuk S. Nukleus G2 di dalam sitoplasma berfase S: titik asalnya telah menyala dan tak diizinkan ulang (faktor pengizinnya dimusnahkan atau dihambat CDK), sehingga ia tak dapat bereplikasi lagi; ia menunggu sampai pasangannya mencapai G2 lalu keduanya masuk mitosis bersama.

Latihan 10.8 ★★

Jelaskanlah mengapa satu kinetokor saja yang tak melekat dapat menahan anafasenya bagi seluruh selnya, lalu ramalkanlah nasib sebuah sel yang Mad2-nya dihapus.

Solusi

Solusi Latihan 10.8.

Kinetokor yang tak melekat itu sebuah katalis: ia terus-menerus mengubah Mad2 menjadi konformasi aktifnya, sehingga menghasilkan penghambat Cdc20 yang dapat berdifusi yang menyebar ke seluruh selnya lalu menjaga APC/C tetap mati di mana-mana — satu kinetokor saja sudah cukup. Tanpa Mad2, APC/C diaktifkan begitu Cdk1 menyalakannya, entah kromosomnya telah melekat entah belum: anafasenya mulai dengan kromosom yang tak melekat, sel anaknya menjadi aneuploid, dan organismenya (atau galur selnya) mati kehilangan kromosom.

Latihan 10.9 ★★

Ramalkanlah fenotipe seekor cacing tanpa ced-9; tanpa ced-3; tanpa keduanya. Jelaskanlah epistasisnya dari segi jalurnya.

Solusi

Solusi Latihan 10.9.

Tanpa ced-9: sel yang semestinya hidup justru mati — kematian embrio karena terlalu banyak kematian. Tanpa ced-3: tak satu pun dari $131$ kematiannya terjadi, selnya bertahan lalu berdiferensiasi, dan cacingnya hidup. Tanpa keduanya: tanpa kematian — yakni fenotipe ced-3. Karena membuang algojonya meniadakan pengaruh membuang penjaganya, CED-9 bekerja di hulu, dengan menahan CED-4/CED-3 tetap tak aktif; ketika CED-9 hilang keduanya aktif, kecuali bila keduanya pun tak ada.

Latihan 10.10 ★★★

Tunjukkanlah bahwa satu gelung umpan balik negatif tanpa sakelar dwimantap — siklin yang disintesis pada $k_{s}$ , diuraikan pada $k_{d}AC$ dengan $A$ sekadar sebanding dengan $C$ — memiliki keadaan tunak yang mantap dan tidak berosilasi. Apa yang ditambahkan kurva berbentuk S itu, dan apa yang justru akan ditambahkan sebuah tundaan?

Solusi

Solusi Latihan 10.10.

Dengan $A = aC$ , $\mathrm{d}C/\mathrm{d}t = k_{s} - k_{d}aC^{2}$ , yakni persamaan satu variabel dengan keadaan tunak $C^{*} = \sqrt{k_{s}/(k_{d}a)}$ dan kemiringan $-2k_{d}aC^{*} < 0$ di situ: simpangan apa pun meluruh secara monoton, dan satu variabel orde satu tak dapat berosilasi. Kurva berbentuk S memberi dua cabang mantap yang dipisahkan sebuah zona terlarang, sehingga keadaannya harus melompat dan tak dapat menetap; sebuah tundaan yang eksplisit pada umpan baliknya akan memberi osilasi lewat rute yang berbeda — remnya tiba terlambat, melampaui batas, dan seterusnya — seperti pada banyak irama hormon.

Latihan 10.11 ★★★

Sebuah sel memiliki $N$ molekul penjaga Bcl-2 dan menerima pengindera BH3 saja dengan laju $r$ tiap jam sesudah rangsangan yang merusak, dan tiap penginderanya mengikat satu penjaga. Jelaskanlah mengapa selnya mati kira-kira pada waktu $N/r$ berapa pun kekuatan rangsangannya di luar itu, mengapa kematiannya mendadak, dan apa yang dilakukan venetoklaks pada waktunya.

Solusi

Solusi Latihan 10.11.

Tiap pengindera yang tiba ditangkap seorang penjaga, sehingga tak terjadi apa-apa sampai seluruh $N$ penjaganya terisi, yakni pada $t \approx N/r$ ; pengindera berikutnya menjadi bebas, mengaktifkan Bax/Bak, yang pembentukan porinya naik tajam terhadap cacahnya, lalu mitokondrianya membuka dalam hitungan menit. Rangsangan yang lebih kuat hanya memendekkan waktunya lewat $r$ ; di atas ambangnya hasilnya sama. Venetoklaks menduduki penjaganya sehingga mengurangi $N$ efektifnya: waktunya menciut, dan sel yang tersiap — yang sudah dekat $N$ — mati seketika.

Latihan 10.12 ★★★

Limfoma folikular mengusung translokasi yang mengekspresikan berlebih BCL2; selnya membelah perlahan. Retinoblastoma mengusung hilangnya RB; selnya membelah cepat. Jelaskanlah bagaimana tiap cacat tunggal itu menghasilkan sebuah tumor, mengapa yang pertama lamban dan yang kedua ganas, dan apa yang dikatakan masing-masing tentang kedua program bab ini.

Solusi

Solusi Latihan 10.12.

Bcl-2 yang berlebih menghalangi jalur intrinsiknya: sel B yang semestinya mati ketika isyarat pertumbuhannya berakhir justru bertahan, dan populasinya tumbuh karena kegagalan mati, pada laju lambat saat sel semacam itu dibuat — lamban, sampai sebuah cacat kedua menambahkan proliferasi. Hilangnya Rb membuang titik batasnya: pendahulu retinanya melanjut melewati daurnya tanpa faktor pertumbuhan lalu membelah secepat yang diizinkan mesinnya — ganas. Kedua tumor itu adalah kedua program yang masing-masing gagal sendirian: sebuah kendali kematian dan sebuah kendali pembelahan, dan hilangnya salah satu saja sudah memadai bagi sebuah tumor, dengan yang kedua lebih cepat.

10.6 Soal: Hidup dan Mati Sebuah Epitelium

Soal 10.1

Soal akhir pekan — lapisan usus yang diperbarui sel demi sel, daurnya yang ditakar dari osilator siklinnya, galat sebuah titik periksa yang dicacah di seluruh tubuh, serta pembuangan apoptotik seratus miliar sel tiap hari yang ditimbang, berakhir pada periode daurnya, sel aneuploid yang dihasilkan tiap hari, dan massa yang didaur ulang tubuh lewat apoptosis

Data: usus halus memiliki $10^{7}$ kripta, dan tiap kripta memperbarui sebuah vili berisi $3500$ sel tiap $5$ hari; tiap kripta memuat sekitar $22$ sel punca yang membelah sekali sehari, dan keturunannya membelah $5$ kali lagi sebelum berdiferensiasi. Osilatornya: $k_{s} = 2$ satuan siklin tiap jam, $C_{2} = 40$ satuan, $C_{1} = 8$ , waktu paruh siklin mitosisnya $10\,\mathrm{min}$ . Titik periksanya: tanpa titik periksa gelendong, satu pembelahan dari $50$ salah memilah sebuah kromosom; dengan titik periksa itu, satu dari $50\,000$ . Tubuhnya mengganti $10^{11}$ sel tiap hari yang bermassa $1\,\mathrm{ng}$ masing-masing, dengan protein $20\,\%$ massanya; sebuah makrofag membersihkan satu sel apoptotik dalam $1\,\mathrm{h}$ .

Bagian I — Pembaruan.

Berapa sel yang dilepaskan usus halus tiap hari, dan tiap detik?
Berapa sel yang dihasilkan satu kripta tiap hari? Periksalah: $22$ pembelahan sel punca tiap hari, dan tiap anak yang terikat membelah $5$ kali lagi.
Bila sebuah sel punca membelah sekali sehari sepanjang hidup $80$ tahun, berapa pembelahannya? Dengan laju mutasi $0.6$ tiap genom tiap pembelahan (Bab 3), berapa mutasi yang ditimbunnya?
Sel transitnya membelah tiap $12\,\mathrm{h}$ . Mengapa jaringannya sanggup membiayai pembelahan transit yang cepat dan berumur pendek tetapi menjaga sel puncanya tetap lambat?
Sedosis radiasi membunuh seluruh sel transit yang membelah tetapi mengampuni sel puncanya, yang pulih dalam sehari. Berapa lama sebelum vilinya, yang tak terisi ulang, menjadi gundul, dan berapa lama untuk membangunnya kembali? Mengapa usus menjadi korban awal radiasi?
Di dalam usus besar, pelepasan pada puncaknya terjadi lewat apoptosis (anoikis, yakni kematian saat terlepas). Mengapa itulah cara mati yang tepat bagi sebuah sel yang bersentuhan dengan bakteri usus?

Bagian II — Jamnya.

Dari data osilatornya, berapa lama siklinnya naik dari $C_{1}$ ke $C_{2}$ ?
Berapa lama penguraian mitosisnya membawanya dari $C_{2}$ kembali ke $C_{1}$ ?
Berapa periode osilator telanjangnya, dan berapa bagian periodenya yang dihabiskan dengan Cdk1 aktif?
Sel transit kriptanya berdaur dalam $12\,\mathrm{h}$ , sel puncanya dalam $24\,\mathrm{h}$ , dan telur kataknya dalam $30\,\mathrm{min}$ . Parameter mana pada modelnya yang berbeda, dan apa yang memasok selisihnya pada sebuah sel somatik?
Sebuah sel yang terhenti pada titik periksa G2/M oleh kerusakan DNA terus membuat siklin B. Di mana letaknya pada bidang fasenya, dan apa yang menahannya di situ? Apa yang terjadi ketika kerusakannya diperbaiki?
Sebuah obat menghambat APC/C. Uraikanlah nasib sebuah sel yang masuk mitosis dengan kehadiran obat itu.

Bagian III — Galat.

Berapa pembelahan tiap hari yang dilakukan tubuhnya untuk mengganti $10^{11}$ sel?
Berapa sel anak yang aneuploid tiap hari dengan titik periksanya, dan tanpa titik periksa itu?
Sebagian besar sel aneuploid mati atau terhenti (p53 menanggapi kesalahan pemilahan). Bila $1\,\%$ bertahan lalu membelah, berapa sel aneuploid yang membelah yang dihasilkan tubuh bertitik periksa utuh tiap hari, dan sepanjang satu hidup?
Sebuah tumor berisi $10^{9}$ sel telah kehilangan titik periksanya dan p53. Berapa kesalahan pemilahan yang dilakukannya tiap hari, dan mengapa hal itu membuatnya berevolusi cepat?
Jelaskanlah mengapa hilangnya titik periksa gelendong secara tuntas mematikan bagi sebuah embrio padahal hilangnya sebagian justru memacu kanker.
Yang disebut sindrom Down timbul dari kesalahan pemilahan pada meiosis, bukan pada mitosis. Jelaskanlah mengapa sebuah galat pada satu sel di situ mengenai setiap sel anaknya, sedangkan satu galat mitosis mengenai satu garis keturunan saja.

Bagian IV — Pembuangan.

Berapa massa sel yang dibuang tubuhnya lewat apoptosis tiap hari, dan tiap tahun? Bandingkanlah dengan massa tubuhnya.
Berapa banyak proteinnya tiap hari? Bandingkanlah dengan asupan makanan sebesar $70\,\mathrm{g}$ : berapa bagian pergantian protein tubuhnya yang berupa daur ulang sel yang mati?
Berapa makrofag, yang bekerja terus-menerus, yang dibutuhkan untuk membersihkan yang mati tiap hari? Tubuhnya memiliki sekitar $10^{11}$ makrofag: berapa bagian waktunya?
Mengapa mayatnya harus disingkirkan sebelum melisis, dan isyarat apa yang mengatakan “makanlah aku”?
Bcl-2 seorang pasien terekspresi berlebih di dalam sel B. Jalur yang mana yang terhalang, apakah jalur ekstrinsiknya masih bekerja, dan mengapa hasilnya sebuah limfoma yang tumbuh lambat, bukan yang cepat?
Neuron di daerah remang sebuah stroke mati lewat apoptosis enam sampai dua puluh empat jam sesudah hinaannya, sedangkan neuron di intinya lewat nekrosis dalam hitungan menit. Mengapa yang pertama menawarkan jendela bagi pengobatan dan yang kedua tidak sama sekali?
Ringkaskanlah: periode osilator telanjangnya (pertanyaan 9), sel aneuploid yang membelah tiap hari di dalam tubuh yang normal (pertanyaan 15), dan massa yang didaur ulang apoptosis tiap hari (pertanyaan 19).

Solusi

Solusi Soal 10.1.

1. $10^{7}\times 3500/5 = 7\times 10^{9}$ sel tiap hari, kira-kira $80\,000$ tiap detik. 2. $3500/5 = 700$ tiap kripta tiap hari; $22\times 2^{5} = 704$ . 3. $80\times 365 \approx 29\,000$ pembelahan; $\times 0.6 \approx 17\,500$ mutasi. 4. Sel transitnya dilepaskan dalam hitungan hari sambil membawa mutasinya pergi; sel puncanya bertahan seumur hidup, sehingga tiap mutasinya tersimpan dan tiap pembelahannya menambahkan lagi — berdaur lambat memperkecilnya. 5. Vilinya kosong dalam kira-kira $5$ hari masa transit normalnya; membangunnya kembali memakan sehari pemulihan, lima pembelahan tiap $12\,\mathrm{h}$ , dan perpindahan naik ke vilinya — empat sampai lima hari, dan selama itu sawarnya gundul: pembelahan transit yang cepat pada ususnya menjadikannya korban awal radiasi. 6. Mayat apoptotik yang tersegel tidak melepaskan isinya ke dalam lumen yang penuh bakteri dan tidak menimbulkan peradangan; nekrosis akan menumpahkan enzim dan isyarat lalu meradangkan mukosanya pada tiap sel yang dilepaskan. 7. $(40 - 8)/2 = 16\,\mathrm{h}$ . 8. $\log_{2}(40/8)\times 10\,\mathrm{min} = 2.3\times 10 = 23\,\mathrm{min}$ . 9. Periodenya sekitar $16.4\,\mathrm{h}$ ; Cdk1 aktif $2.3\,\%$ waktunya. 10. Bukan $k_{s}$ saja melainkan lamanya ditahan pada ambangnya: sel somatiknya menunggu pada titik batasnya untuk faktor pertumbuhan dan pada G2/M untuk DNA-nya, dan sel puncanya lebih lama daripada sel transitnya. Telur kataknya tak memiliki titik periksa dan sitoplasmanya berbekal segalanya, sehingga hanya osilator telanjangnya yang menetapkan periodenya. 11. Pada cabang rendahnya dengan kadar siklin di atas $C_{2}$ yang normal: titik periksanya telah menggeser kurva S-nya ke kanan dengan menghambat Cdc25, sehingga lompatannya tak terjadi. Begitu diperbaiki, Cdc25 dilepaskan, ambangnya turun di bawah siklin yang telah tertimbun, dan selnya masuk mitosis seketika — dan itulah sebabnya sel yang dilepaskan dari titik periksa masuk mitosis serentak. 12. Siklin B maupun sekurinnya tidak diuraikan: selnya tetap berada di metafase dengan kohesinnya utuh dan Cdk1 aktif, tanpa batas; ia mati di situ atau akhirnya menyelinap keluar dengan genom yang tak terpilah. 13. $10^{11}$ pembelahan tiap hari. 14. Dengan titik periksanya $10^{11}/5\times 10^{4} = 2\times 10^{6}$ sel anak aneuploid tiap hari; tanpanya, $2\times 10^{9}$ . 15. $2\times 10^{4}$ tiap hari; sepanjang $80$ tahun $6\times 10^{8}$ . 16. $10^{9}/50 = 2\times 10^{7}$ kesalahan pemilahan tiap hari: setiap hari tumornya mencoba dua puluh juta kariotipe baru, dan seleksi menyimpan yang tumbuh lebih cepat atau kebal terhadap sebuah obat. 17. Dengan setiap pembelahan salah memilah, tak ada garis keturunan sel embrio yang mempertahankan genom euploid dan embrionya mati. Hilangnya sebagian memberi aneuploidi sesekali pada sel yang bertahan (terutama tanpa p53), yakni ketakmantapan kromosom yang memasok keragaman bagi sebuah tumor tanpa membunuh organismenya. 18. Sebuah galat meiosis menaruh kromosom tambahannya ke dalam gametnya, sehingga zigotnya dan setiap sel turunannya menjadi trisomik; sebuah galat mitosis terjadi pada satu sel somatik lalu hanya diwarisi klonnya. 19. $10^{11}\times 1\,\mathrm{ng} = 100\,\mathrm{g}$ tiap hari, $36\,\mathrm{kg}$ tiap tahun — kira-kira separuh massa tubuhnya tiap tahun. 20. $20\,\mathrm{g}$ protein tiap hari, kira-kira sepertiga asupan makanannya dan beberapa persen pergantian protein total tubuhnya. 21. $10^{11}$ mayat pada $24$ tiap makrofag tiap hari: $4\times 10^{9}$ makrofag penuh waktu, yakni $4\,\%$ waktu $10^{11}$ makrofagnya. 22. Mayat yang melisis melepaskan protease, DNA, ATP, dan isyarat bahaya lain yang menimbulkan peradangan dan dapat memicu autoimunitas terhadap antigen inti; mayat yang utuh mengiklankan dirinya dengan fosfatidilserina pada lembaran luarnya (dan dengan kehilangan isyarat “jangan makan aku”), lalu menarik fagosit dengan nukleotida yang dilepaskannya. 23. Jalur intrinsiknya terhalang pada mitokondrianya. Rute ekstrinsiknya masih bekerja di tempat kaspase-8 mengaktifkan kaspase-3 langsung, walaupun penguatannya lewat Bid hilang. Selnya menumpuk karena tidak mati, bukan karena membelah lebih cepat — tumbuh lambat — sampai sebuah cacat kemudian (kerap MYC) menambahkan proliferasi. 24. Apoptosis memakan beberapa jam, menuntut ATP, dan melewati langkah yang dapat dihalangi — penghambat kaspase, ambang mitokondrianya — sehingga neuron di daerah remangnya dapat diselamatkan bila diobati tepat waktu; neuron di intinya mati karena kegagalan energi dalam hitungan menit, tanpa program yang dapat disela. 25. Periode osilator telanjangnya sekitar $16\,\mathrm{h}$ ; sekitar $2\times 10^{4}$ sel aneuploid yang membelah tiap hari di dalam tubuh yang normal; $100\,\mathrm{g}$ sel yang didaur ulang apoptosis tiap hari.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium