1

DIFERENSIASI SELOleh:

Prof. DR. Yovita Harmiatun, MS., AAnd

Diferensiasi sel adalah suatu proses yang menyebabkan timbulnya perbedaan tetap di antara sel-sel, sehingga populasi sel yang satu mempunyai morfologi dan fungsi yang berbeda dari pada populasi sel yang lain.

2

Kenapa sel berdiferensiasi? • Sel berdiferensiasi, agar supaya sel dapat

menjalankan fungsinya sebagaimana mestinya. Jadi sel beradaptasi terhadap lingkungan dengan jalan berdiferensiasi.

• Bagaimana sel berdiferensiasi? • Sel berdiferensiasi dengan cara: -sintesis dan akumulasi RNA dan protein yang

berbeda dari sel-sel lainnya. ** Sel-sel berdiferensiasi tanpa harus mengubah

sequence nukleotida DNA-nya.

3

Kapan sel berdiferensiasi?• Sel berdiferensiasi: **Dalam masa perkembangan embrio. • Tipe sel yang berbeda mensintesis seperangkat protein

yang berbeda dari protein sel lainnya, sehingga sel tersebut dapat menjalankan fungsi yang berbeda pula dari fungsi sel lainnya.

• Semua organisme tinggi berkembang dari satu sel tunggal yaitu zigot (telur yang sudah dibuahi sperm)--cleavage -- morulablastula

• Ganstrula 3 jaringan dasar (ektoderm, entoderm, mesoderm) berbagai organ embrio.

• Bagaimana hal itu dapat terjadi, telur yang tampaknya sederhana, kemudian berubah menjadi embrio yang begitu kompleks dan terorganisasi?

4

Fertilisasi (pembuahan)• Kebanyakan hewan betina, termasuk manusia,

menghasilkan telur yang besar, yang mengandung sebagian besar materi dan nutrien yang dibutuhkan untuk membentuk suatu embrio.

• Perkembangan embrio dipicu oleh sperma yang melakukan fertilisasi (kepala sperma menetrasi membran plasma, masuk ke dalam sitoplasma sel telur).

• Sperma yang telah membuahi telur dalam hal ini menyumbangkan sebuah nukleus yang kecil dan padat. Nukleus yang kecil dan padat tersebut membesar dengan cepat di dalam sitoplasma telur, menjadi pronukleus jantan.

• Pronukleus jantan kemudian mengadakan fusi dengan peronukleus betina, dan menjadi zigot.

5

Perkembangan zigot menjadi embrio

• Zigot segera mengalami suatu seri siklus perkembangan yang sangat cepat, yang berupa biosintesis/replikasi DNA, yang diikuti oleh pembelahan mitosis (cleavage).

• Pembelahan mitosis ini menghasilkan sel-sel anak (blastomer). Di sini sitoplasma dibagi di antara sel-sel anak tersebut.

• Pembelahan terus berlanjut, sehingga terbentuklah morula yang terdiri atas sekitar 32 blastomer. Pembelahan selanjutnya menghasilkan blastula (bangunan seperti bola) yang terdiri atas ratusan blastomer. Pembelahan pada blastomer blastula terus berjalan, disertai invaginasi beberapa sel dalam proses gastrulasi, dan menghasilkan gastrula.

6

Diferensiasi tahap pertama• Pada stadium gastrula ini tampak tanda pertama

terjadinya diferensiasi morfologis: • Sel-sel pada gastrula awal berkembang menjadi tiga

macam jaringan dasar yaitu ektoderm (bagian luar), entoderm (bagian dalam), dan mesoderm (terletak di antara ektoderm dan entoderm).

• Perubahan yang kompleks ini hanya berlangsung dalam waktu yang singkat. Contoh: Pada katak Xenopus laevis kecebong yang sudah dapat berenang, yang sudah mempunyai darah, saraf, mata, otot, dan organ lainnya, menetas hanya dalam waktu 72 jam setelah fertilisasi.

7

Aktivasi gen dalam diferensiasi• Dalam pandangan biologi molekuler, bila embrio sedang

mengalami diferensiasi sel (spesialisasi sel) , terjadi aktivasi gen-gen yang berbeda antara sel yang satu dengan yang lain.

• Aktivasi gen yang berbeda protein spesifik tertentu, misalnya aktivasi gen hemoglobin di dalam eritrosit, aktivasi gen antibodi di dalam sel plasma, aktivasi gen ovalbumin di dalam oviduk, dan aktivasi gen insulin di dalam sel β pulau Langerhans pankreas.

• Setiap sel eukariotik hanya mengekspresikan sebagian kecil gen yang dikandungnya, dan sel-sel dari jaringan yang berbeda mengekspresikan perangkat gen yang berbeda pula. Jadi, diferensiasi hanya dapat dimengerti dan dipahami, bila mekanisme regulasi gen pada sel organisme tinggi sudah diketahui secara detil.

8

Dua jenis kelompok gen dalam setiap sel

• Tidak semua gen adalah spesifik untuk jaringan tertentu. Di dalam setiap sel, terdapat dua jenis kelompok gen, yaitu housekeeping genes dan luxury genes.

• Beberapa gen yang disebut housekeeping genes diharapkan aktif di semua jenis sel. Sebagai contoh, housekeeping genes dibutuhkan pada semua sel untuk pembentukan membran (membran plasma, membran organel), ribosom, mitokondria, lisosom, yang merupakan komponen umum pada semua jenis sel.

• Sedangkan gen-gen yang diekspresikan secara berbeda seperti misalnya gen globin, gen ovalbumin, gen imunoglobulin, dalam jargon biologi perkembangan disebut luxury genes, yaitu gen-gen yang menjalankan luxury function (menjalankan tugas spesial).

9

Fungsi materi sitoplasma dalam diferensiasi

• Walaupun pengetahuan akan regulasi gen adalah penting, namun untuk dapat memahami bagaimana kondisi diferensiasi dapat dimulai dan dipertahankan pada jaringan dewasa, diperlukan juga pengetahuan akan fungsi sitoplasma dalam diferensiasi sel.

• Sitoplasma, ternyata juga merupakan faktor penting untuk dapat mengklarifikasikan bagaimana perbedaan-perbedaan awal di antara sel-sel dapat terjadi di dalam embrio muda.

• Kita mengetahui bahwa setiap nukleus di dalam embrio awal mempunyai materi genetik yang sama. Oleh karena itu, perbedaan awal di antara blastomer-blastomer atau sel-sel embrio pastilah berada di dalam sitoplasma, yang berupa komponen-komponen yang diturunkan atau dibagikan dari sel induk ke sel anak.

10

Cytoplasmic determinant (faktor penentu sitoplasma)

• Sitoplasma telur mengandung cytoplasmic determinant berfungsi: perkembangan, Makin banyak mitosis distribusi jumlah materi sitoplasma hasil pembelahan mitosis di antara sel-sel anak menjadi makin

• Perbedaan materi sitoplasma terjadi secara berangsur-angsur, mula-mula sedikit (pada pembelahan I-> V (morula), makin lama makin banyak gastrula awal.

• Perbedaan jumlah materi sitoplasma yang cukup besar selanjutnya mempengaruhi aktivitas gen-gen khusus- perbedaan jenis sel (diferensiasi sel).

11

Cytoplasmic determinant• Hal ini sesuai dengan teori Detlaff yang berbunyi,

beberapa materi atau substansi sitoplasma terbagi secara tidak sama di antara blastomer selama cleavage.

• Perbedaan substansi sitoplasma inilah yang

mempengaruhi gen di dalam nukleus, dan sebaliknya aktivitas gen mempengaruhi sitoplasma, sehingga terjadilah interaksi baru, dan terjadilah diferensiasi sel secara berangsur-angsur.

• Untuk membuktikan bahwa fungsi nukleus diatur oleh sitoplasma dilakukan percobaan transplantasi nukleus.

12

Fungsi nukleus diatur oleh sitoplasma

• Nukleus dari sel embrio katak yang sudah berdiferensiasi (dari gastrula) diinjeksikan ke dalam telur matang yang sudah dibuang nukleusnya.

• Hasilnya: nukleus sel katak membesar, terjadi replikasi DNA, biosintesis RNA, biosintesis protein, dan telur berkembang menjadi embrio normal. Dari berbagai percobaan diketahui, bahwa sitoplasma memegang peranan penting dalam aktivitas nukleus selama perkembangan embrio.

• Jadi pada embrio, sel embrio, selain bertumbuh juga berdiferensiasi. Manifestasi dari diferensiasi tahap pertama pada embrio stadium gastrula awal adalah terbentuknya ketiga macam jaringan dasar (germ layers): ektoderm, entoderm, dan mesoderm.

13

Diferensiasi tahap II• Untuk diferensiasi selanjutnya (tahap II) diperlukan interaksi

antara ketiga macam jaringan dasar tersebut. • Bukti bahwa diferensiasi tahap II ini memerlukan interaksi

antara ketiga macam jaringan dasar, dapat diperoleh dari hasil penelitian pada embrio katak:

• I. Bila ketiga macam jaringan dasar diinkubasikan secara terpisah, maka ternyata perkembangan embrio berhenti. II. Bila mesoderm khorda atau notokord gastrula awal katak diambil, maka perkembangan otak dan bagian-bagiannya terhenti.

• III. Mesodern khorda dimasukkan ke daerah ventral embrio lain (sebelah dalam ektoderm), embrio membentuk dua buah otak, satu di dorsal (hasil interaksi ektoderm dorsal dan mesoderm khorda asli), dan satu lagi di ventral (hasil interaksi ektoderm ventral dan mesoderm khorda dari embrio lain).

14

Karakteristik umum diferensiasi sel1. Kondisi diferensiasi pada sel organisme tinggi: stabil. Sekali sel

mengalami diferensiasi, maka akan dilanggengkan pada sel generasi berikutnya.

Mis. suatu neuron, akan tetap seperti itu di sepanjang hidupnya pada suatu individu. Dan bila suatu sel berdiferensiasi, menjadi sel kulit, tetap sebagai sel kulit. Jadi sel yang sudah berdiferensiasi menjadi sel tertentu, mis. sel kulit, tidak akan berubah menjadi sel jenis lainnya, mis. menjadi sel otot.

2. Diferensiasi sel diinduksi oleh berbagai stimuli, tetapi sekali diferensiasi sel sudah terjadi, akan tetap demikian, walaupun tidak ada lagi stimulus awal. Misalnya stem cell (sel punca) yang diklon; contoh, stem cell neuroblastoma yang berdiferensiasi menjadi neuron, mampu tumbuh dari generasi ke generasi berikutnya tidak terbatas (in vitro).

15

3. Keputusan di dalam sel, mendahului diferensiasi morfologi sel. Jelasnya, sebelum kita dapat melihat dengan jelas suatu sel tertentu mengalami diferensiasi atau mengalami perubahan morfologi, di dalam sel yang bersangkutan sudah dipersiapkan jalur diferensiasi tertentu. Misalnya pada imago atau larva Drosophila (lalat buah), terdapat bagian larva yang disebut diskus imago.

******Diskus ini merupakan kumpulan sel yang akan berkembang menjadi kaki, sayap, antene, dan lain-lain. Kalau diskus imago ini dipindahkan ke rongga abdomen Drosophila dewasa, sel-selnya tidak akan berdiferensiasi menjadi kaki dan lain-lainnya. Tetapi kalau diskus tersebut dipindahkan ke larva lain, maka akan berdiferensiasi secara normal.

******Diferensiasi tersebut memerlukan adanya induksi dari senyawa atau lingkungan yang sesuai.

4. Diferensiasi sel dikontrol secara genetik melalui ekspresi gen:

(Teori gen regulator dari Jacob & Monod akan dibahas pada bagian regulasi ekspresi gen)