ASPEK MOLEKULER PERKEMBANGAN Pada dasarnya perkembangan organisme multiseluler merupakan manifestasi kegiatan masing-masing sel yang diorganisir dalam sistem hidup. Kegiatan sel dalam perkembangan yang baku adalah biosintesis yang dikendalikan oleh inti yaitu DNA dan RNA. Translasi menghasilkan protein khusus yang dapat menentukan arah perkembangan. Sintesis DNA dan RNA dalam keadaan normal sudah terprogram dalam ketatateraturan dimulai dari zigot menurut program genetik dari masing-masing spesies. Mempelajari embrio dari aspek molekuler pada prinsipnya mendeteksi protein yang disintesis pada setiap langkah perkembangan. Sintesis itu dikendalikan oleh gen yang aktif pada saat perkembangan itu, dengan kata lain protein sebagai produk gen yang aktif. Cara mendeteksi gen yang aktif yaitu mengetahui adanya mrna dalam sel atau embrio yang sedang berkembang. Salah satu cara diantaranya adalah hibridisasi RNA dalam sediaan jaringan embrio. Untuk mengetahui protein di dalam jaringan embrio dengan cara kromatografi dan elektroporisis. Untuk mengetahui lokasi protein dengan cara perunut protein yang dilabel, kemudian dengan fotoradiografi, imunositokimia dan fluerensensi. Metoda hibridisasi RNA atau disebut in situ hibridisasi pada prinsipnya adalah bahwa RNA dalam jaringan embrio dikenali oleh cdna yang dilabel sebagai DNA pengenal (probe). mrna dan cdna membentuk hibrid yang berpasangan. Bila sediaan jaringan tiu dibuat foto radiografi maka lokasi cdna dapat diketahui karena sinar radioaktif bereaksi dengan film membentuk noda pada kertas foto. Lokasi itu merupakan tempat pasangan antara RNA dengan cdna. Metode sodium dedocil poly acrilamide gel elektroporisis (SDS-PAGE) untuk mengetahui jenis protein yang disintesis. Pada prinsipnya bahwa protein bersifat netral. Fraksi protein dilewatkan SDS-PAGE, yang mengalami resolusi akan bergerak, tetapi yang tidak mengalami resolusi tetap tinggal diam. Penyebaran tiap jenis protein akan tampak bila diadakan pewarnaan yaitu sebagai noda-noda. 1. BIOSINTESIS Organisme yang sedang berkembang membentuk molekul baru yang jumlahnya selalu meningkat agar pembelahan sel dapat terjadi. Asam nukleat, protein, karbohidrat dan lipid disintesis dalam sel baik de novo maupun pathway (jalur 13
samping). Bila sintesis lambat atau tidak dapat berlangsung, maka perkembangan dapat berhenti atau mati. Bila protein yang disintesis lain dari sebenarnya, maka dapat terjadi kelainan perkembangan. Sintesis protein, enzim atau substansi lain dalam berbagai tahap perkembangan berbeda-beda. Secara teoritis bahwa morfogen adalah protein yang mengatur proses pembentukan organ tubuh. Morfogen disintesis pada waktu mulai pembentukan setiap organ tubuh. Suatu pertanyaan, bagaimana proses pembentukan suatu organ sehingga setiap organ bentuknya tetap. Secara teoritis jawabnya adalah morfogen yang mengatur segala sesuatunya. Sebagai ilustrasi bahwa perkembangan calon kaki dan sayap pada embrio ayam, pembentukan kaki pada amfibia. Bila calon kaki diputar 180 derajat sebelum morfogen terbentuk maka kaki yang tumbuh tetap berposisi normal. Sebaliknya bila calon kaki diputar sesudah morfogen terbentuk maka posisi kaki yang tumbuh juga terputar 180 derajat. 2. DNA DAN RNA DALAM OOGENESIS Sel telur merupakan penerus kehidupan dari generasi tetuannya ke generasi berikutnya. Suatu pertanyaan sebetulnya apa yang dipersiapkan dalam sel telur itu sehingga dapat meneruskan kehidupan. Oogenesis merupakan proses sintesis asam nukleat (DNA dan RNA) dalam inti dan vitellogenesis dalam sitoplasma. Sintesis DNA merupakan replikasi (duplikasi) molekul DNA yang sudah ada sebelumnya dengan berbagai enzim terutama DNA polimerase. Sintesis RNA merupakan transkripsi dari molekul DNA yang menjadi berbagai molekul RNA antara lain mrna, rrnma dan trna. Vitellogenesis merupakan translasi RNA atau sintesis protein, dimana mrna sebagai penentu jenis protein, trna sebagai penggandeng asam amina dan rrna sebagai tempat bereaksi terbentuknya molekul protein. Selain protein juga disintesis karbohidrat dan lipid dalam proses metabolisme sel telur. Protein, karbohidrat dan lipid semuanya membentuk vitellus sebagai cadangan makanan embrio. Banyak sedikitnya vitellus yang disintesis tergantung dari jenis telur. Telur oligolecithal mensintesis vitellus sedikit, sebaliknya polilecithal. Suatu pertanyaan, bagaimana persediaan DNA dan RNA di dalam sel telur sebagai persiapan perkembangan. Selama perkembangan oosit sintesis asam nukelat terjadi secara aktif. Contoh aktifitas transkripsi yaitu pada kromosom politene pada inti oosit Salamandra. Kromosom politene mengalami puffing yaitu ikatan pilinan 14
(double helix) molekul DNA mengendur, suatu tanda terjadi transkripsi. Pada akhirnya pertumbuhan oosit, puffing tidak tampak lagi, berarti sintesis RNA tidak terjadi lagi. Dalam ooplasma tertimbun vitellus sebagai hasil sintesis. Sebagian RNA mengalami translasi dan sebagian lagi belum mengalami translasi. RNA yang belum mengalami translasi itu untuk cadangan dalam perkembangan embrio, yaitu untuk sintesis protein khusus yang dibutuhkan dalam perkembangan embrio. 3. STRATEGI MOLEKULER PERKEMBANGAN Embriogenesis dimulai dari perkembangan zigot yaitu terjadinya pembelahan. Apa yang sebenarnya terjadi di dalam telur setelah spermatozoon masuk lantas dapat berkembang? Dari aspek kimiawi dijawab bahwa spermatozoon membawa enzim atau hormon yang dapat menstimulasi initial perkembnagan. Enzim menstimulasi metabolisme sehingga lebih aktif dan menjadi di atas metabolisme basal. Kebutuhan oksigen naik dan pembuangan sisa metabolisme ke dalam rongga perivitelin yang terbentuk setelah spermatozoon masuk telur. Sintesis DNA dan RNA selama terjadi pembelahan zigot pada berbagai binatang berbeda-beda. Sintesis telah terjadi pada telur yang kecil (isolecithal) seperti telur mammalia. Pada telur polilecithal, sintesis belum terjadi karena mrna telah dipersiapkan pada waktu oogenesis. DNA dan RNA terbagi ke dalam sel anakan (blastomer) menurut pola perkembangan yang sudah terprogram yaitu tipe determinan (penentu) pada setiap blastomer atau epigenesis (belum mempunyai penentu). Akhir pembelahan zigot adalah stadium blastula. Bentuk blastula adalah terdiri dari sel-sel yang belum terdeferensiasi. Pada proses gastrulasi, deferensiasi mulai terjadi yaitu terbentuk ekto, meso dan entoderm. Oleh karena itu protein baru yang khusus untuk proses tersebut harus disintesis. mrna khusus untuk sintesis protein itu ditranskripsikan dari DNA atau merupakan ekspresi gen. Pada stadium gastrula DNA dan RNA harus sudah disintesis. Bila gen untuk pembentukan protein baru tidak dapat diekspresikan berarti proses diferensiasi tidak dapat terjadi, akibatnya embrio mati. Apabila kekurangan prekursor maka perkembangan menjadi lambat. Bila protein yang terbentuk berubah karena perubahan urutan base pada molekul DNA maka perkembangan dapat mengalami kelainan. Stadium gastrula merupakan saat yang kritis dalam perkembangan karena terjadi permulaan diferensiasi. Jenis-jenis mrna yang 15
dipersiapkan oleh tetuanya pada waktu oogenesis sampai stadium gastrula tidak mencukupi lagi untuk berbagai jenis protein yang ditranslasi. RNA baru yang mengandung codon untuk protein khusus disintesis untuk kebutuhan proses diferensiasi berikutnya. Setelah gastrulasi, deferensiasi semakin beraneka ragam dan sel menjadi lebih spesifik. Sebagai contoh sel epitel canalis neuralis akan menjadi berbagai macam sel syaraf dan jaringan yang lain. Sel epitel enteron menjadi berbagai macam sel pada sistem pencernaan dan kelenjar. Sel mesenkim somit akan menjadi berbagai sel pada berbagai organ. Masing-masing kelompok sel mengekspresikan gen yang memberikan spesifikasi dari masing-masing sel. Contoh sel darah mempunyai protein khusus globin, sel epidermis mempunyai keratin dan sebagainya. 4. GENOM DALAM PERKEMBANGAN Deferensiasi menjadikan perbedaan bentuk, struktur dan fungsi sel. Perbedaan itu terletak dalam kandungan protein sel atau produk ekstraseluler. DNA dan RNA disintesis dalam inti, sedang produk sel disintesis dalam sitoplasma. Suatu pertanyaan yang timbul adalah bagaimana hubungan antara inti dan sitoplasma dalam hal sintesis ini. apakah ada perbedaan genom dalam inti sehingga terdapat perbedaan produk sel. Jawaban pertanyaan tersebut adalah bahwa setiap sel mempunyai genom yang sama, tetapi berbeda dalam gen yang diekspresikan. Sel yang tidak berkembang lagi berarti tidak terjadi transkripsi dan translasi RNA. Bila dalam sitoplasma tidak terjadi sintesis protein, di dalam inti juga tidak terjadi sintesis DNA. Oleh karena itu terjadi hubungan timbal balik antara inti dengan sitoplasma. Kejenuhan dalam sitoplasma menyebabkan inti menjadi non aktif. Bila sitoplasma rusak karena luka, maka inti terpadu untuk mengadakan sintesis DNA dan RNA, hal ini terlihat pada proses regenerasi. Suatu percobaan transplantasi inti dari sel yagn tidak membelah lagi yaitu sel epitel pada selaput otak yang dimasukkan ke dalam sel telur yang sudah dibuahi. Inti sel transplant itu menunjukkan tanda tanda mitosis. Hal itu karena sitoplasma sel telur aktif dalam pembelahan. Percobaan Hamerling pada transplantasi silang Acetabularia juga menunjukkan hubungan timbal balik antara inti dan sitoplasma. Untuk membuktikan kesamaan genom dalam inti sel diadakan berbagai percobaan. Driesh memisahkan blastomer sea urchin pada stadium 2 sel. Masingmasing blastomer berkembang menjadi larva yang normal. Bahkan pemisahan 16
blastomer pada stadium 4 sel masih menunjukkan perkembangan larva yang normal, hanya ukuran lebih kecil. Hal itu dapat disimpulkan bahwa genom tiap sel sama karena dapat membentuk seluruh organ larva yang tiap tiap larva sama. Holtfreter mengerjakan percobaan serupa pada blastomer Salamandra. Pada stadium 2 dan 4 sel diadakan isolasi blastomer, hasilnya dapat terjadi perkembangan embrio yang normal. Percobaan untuk membuktikan persamaan genom dalam inti sel dewasa dengan inti sel embrio yaitu diadakan substitusi inti zigot dengan inti sel epitel sel usus katak (percobaan Gurdon). Inti sel usus dalam sel telur dapat memprogram perkembangan embrio seperti halnya inti zigot sendiri. Brigs dan King juga mengadakan percobaan serupa bahwa inti zigot diganti dengan inti blastomer pada stadium blastula. Sel telur dengan inti sel baru tiu juga dapat berkembang normal. Dari beberapa percobaan itu dapat disimpulkan bahwa genom setiap sel pada binantang multiseluler adalah sama. 17