Faculty of Science and Technology PENUAAN (AGING) dan KEMATIAN SEL (CELL DEATH) DWI WINARNI Biology Department Faculty of Science and Technology Airlangga University

Penuaan/aging /senescence Tingkat organisme Tingkat Sel Penurunan fungsi fisiologi Peningkatan prevalensi timbulnya penyakit

Pada individu dewasa sehat, fungsi-fungsi fisiologi tetap berlangsung tetapi dipelihara pada kondisi basal.  Penurunan fungsi terlihat pada semua sistem organ dan mekanisme homeostatik pada saat sistem mendapat tantangan atau tekanan (stress)

Akhirnya akan merusak seluruh jaringan tubuh Organisme uniselular dan multiselular hidup harus berusaha untuk dapat mengatasi agen pengrusak (damaging agent) ekstrinik dan intrinsik Akumulasi kerusakan, dapat mengakibatkan penurunan fungsi atau kerusakan komponen-komponen sel, perubahan homeostasis jaringan Akhirnya akan merusak seluruh jaringan tubuh

PERUBAHAN FISIOLOGI PADA PENUAAN Fungsi Kardiovaskular ↓ heart rate ↑ diastolic and systolic volume ↓ cardiovascular catecholamine responsiveness ↑ risk for functional compromise Fungsi Paru ↑ residual volume ↓ elasticity of structures ↓ number of airway-supporting structure Metabolisme Karbohidrat ↑ glucose intolerance ↑ primary defect in insulin resistance ↑ postreceptor defect

aging

Pada umumnya ciri-ciri penuaan muncul sebagai akibat ketidakmampuan sel untuk beradaptasi terhadap kondisi stress

Penuaan/aging /senescence Tingkat organisme Tingkat Sel

BERDASAR KEMAMPUAN BERPROLIFERASI, SEL YANG MENYUSUN JARINGAN ORGANISME MULTISELULAR DAPAT DIBEDAKAN ATAS : : MITOTIC CELLS POSTMITOTIC CELLS pada jaringan yang dapat diperbarui(renewable tissue)  tetap memelihara kemampuan untuk berproliferasi Merupakan sel-sel yang terdiferensiasi terminal, tidak mampu berproliferasi. Organisme sederhana (ex. Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster ) tersusun semata-mata oleh postmitotic cells. Organisme kompleks (ex. mammals) tersusun oleh baik sel-sel postmitotic maupun mitotic

Adanya jaringan yang dapat diperbarui, memungkinkan organisme memperbaiki atau mengganti sel-sel/jaringan yang rusak life span C. elegans dapat hidup hanya beberapa minggu, Drosophila melanogaster beberapa bulan, mencit beberapa tahun dan manusia beberapa dekade

Tetapi … Kapasitas regenerasi sel/jaringan merupakan faktor yang bertanggungjawab terhadap resiko terjadinya kematian, seperti kanker. Akumulasi kerusakan meningkatkan resiko sel-sel mitotic memiliki DNA yang mengalami modifikasi sehingga bersifat tumorigenik.

Jika kerusakan demi kerusakan sel terakumulasi ireversibel, sel-sel mitotic penyusun jaringan akan menghilangkan kapasitas mitotiknya dengan jalan : 1. Masuk ke dalam permanent cell cycle arrest (cellular aging/senescence) atau 2. Masuk ke dalam genetic cell death programmes  die silently, without affecting neighbour cells (dengan apoptosis atau autophagy).

Cell cycle arrest secara permanen pada tahap G1 (Aging/ Senescence)

G1 adalah tahap awal interfase, yaitu fase saat sel tidak membelah G1: Gap, sel mengalami recovery dari pembelahan sel sebelumnya  mensintesis komponen untuk pertumbuhan sel dan sintesis DNA S: Synthesis, replikasi DNA G2: Gap, sel memastikan semua DNA tereplikasi secara benar; kromosom mulai mengalami kondensasi. Sentriol membelah, dan masing-masing menuju kutub berlawanan

Stimuli utama penyebab terjadinya aging Pemendekan telomer (telomere shortening), Kerusakan DNA dan stress oksidatif 2 jalur utama terjadinya aging adalah : Jalur p53 Jalur pRB

TELOMER ADALAH SEKUENS BERULANG PADA UJUNG KROMOSOM  MEMBENTUK TUDUNG (CAP)

TELOMER MANUSIA MENGANDUNG SEKUENS TTAGGG AATCCC YANG BERULANG 500-5.000 KALI

TELOMER Hibridisasi in situ DNA probe mengandung sekuens TTAGGG, menunjukkan lokasi telomer pada kromosom manusia

Telomer dengan sekuens yang sama ditemukan secara luas pada vertebrata dan organisme lain Telomer merupakan bagian penting dalam fungsi a.l. replikasi kromosom melindungi kromosom dari nuklease dan pengaruh agen penyebab destabilisasi yang lain mencegah ujung-ujung kromosom saling lekat

TELOMER DISINTESIS OLEH TELOMERASE TELOMERASE TIDAK DITEMUKAN PADA SEL-SEL MAMALIA DEWASA  Panjang telomer berkurang seiring waktu dan jumlah pembelahan sel

B.1. Kematian sel tanpa mempengaruhi sel tetangga dengan APOPTOSIS Apopotosis merupakan bentuk kematian sel terprogram (programmed cell death) yang berperan utama baik saat perkembangan embrio maupun pada penuaan organisme Apopostosis merupakan proses yang melibatkan aktivasi terkendali protease dan hidrolase l yang mengakibatkan setruktur-struktur sel terdegradasi dengan cepat Berbeda dengan kematian sel karena nekrosis (terjadi kerusakan sel membran dan inflamasi), apoptosis berlangsung dalam membran utuh, sehingga tidak berpengaruh terhadap sel tetangganya

Apoptosis dapat dibedakan menjadi dua fase yaitu: fase signaling, saat sel memutuskan untuk mati karena adanya sinyal tertentu fase eksekusi, sel segera masuk ke program kematian sel. Sel dapat menggunakan sinyal tertentu untuk mengintegrasi dan menginterpretasi sinyal apoptosis dan yang kemudian mengaktifkan proses kaskade kaspase (caspase) Kaspase adalah kelompok protease spesifik, disintesis sebagai zimogen yang secara enzimatik

Ciri khas apoptosis Kondensasi kromatin (pyknosis), Fragmentasi DNA (karyorrhexis) menghasilkan fragmen dengan panjang sekitar 180-200 bp , Pengkerutan sel dan Bentukan gelembung-gelembung pada membran sel (membrane blebbing)

2 jalur utama apoptosis: Jalur intrinsik atau jalur mitokondria (intrinsic /mitochondrial pathways) Jalur ekstrinsik (extrinsic pathways)

Beberapa jalur yang dapat mengakibatkan apoptosis Jalur apoptosis dapat diinisiasi oleh terikatnya sitokin yang menginduksi kematian, seperti ligan Fas (Fas-L) atau TNFa pada reseptor membran sel, oleh berbagai stimuli stress ekstrasel, atau oleh stimuli intrasel seperti kerusakan DNA. Aktivasi reseptor kematian diikuti oleh rekrutmen beberapa protein adaptor dan aktivasi procaspase-8. Sejumlah faktor intraselular, dapat secara simultan terinduksi sebagai respons stimuli penginduksi kematian (death-inducing stimuli) untuk mengatur jalur apoptosis

Fungsi apoptosis Kematian sel (Cell termination)  untuk sel-sel terinfeksi virus sel-sel rusak yang mengalami kegagalan saat perbaikan sel yang mengalami stress kondisi-kondisi seperti kelaparan  sel yang mengalami kerusakan DNA karena radiasi atau bahan toksik  mencegah timbulnya kanker Homeostasis memelihara jumlah sel Perkembangan

MESKIPUN BELUM JELAS , JENIS SEL DIDUGA MERUPAKAN PENENTU APAKAH SEL MEMILIH MATI ATAU MENGALAMI PENUAAN  SEL EPITEL DAN FIBROBLAS CENDERUNG MENGA-LAMI PENUAAN  LIMFOSIT RUSAK CENDERUNG MENGALAMI APOP-TOSIS .

beberapa penelitian, menunjukkan bahwa … Manipulasi ekspresi kadar protein Bcl-2 atau hambatan pada kaspase dapat menyebabkan sel yang secara normal seharusnya mengalami apoptosis, akan masuk ke penuaan overekspresi telomerase ternyata tidak menghambat penuaan sel tetapi malah melindungi sel dari apoptosis

Crosstalk antara apoptosis – penuaan??? Diduga pada tingkat p-53 (tumor-suppressor protein) tetapi,… Pada cell lines karsinoma colon, aktivitas p-53 lebih mengarahkan sel yang dikenai stress onkogenik karena overekspresi c-myc menuju apoptosis dan tidak menuju penuaan  cross-regulation antara apoptosis dan penuaan sel masih memerlukan kajian lebih lanjut

B.2. PCD dengan AUTOPHAGY Autophagy (Yun: ‘auto’ berarti diri sendiri dan ‘phagein’ berarti makan) adalah proses pengiriman komponen-komponen sel ke lisosom untuk didegradasi dengan tujuan mengeliminasi : Organel rusak, Patogen intraselular dan Bagian sitoplasma yang berlebih dan atau tidak digunakan, termasuk juga protein-protein yang berumur panjang, protein yang mengalami “kesalahan” saat sintesis atau protein-protein teragregasi

3 jenis autofagi berdasar cara pengiriman ke lisosom Macroautophagy Microautophagy CMA (chaperone-mediated autophagy)

macroautophagy,  pembentukan autofagosom/ early autophagic vacuoles (AV-I) fusi dengan lisosom membentuk autophagolysosomes atau late autophagic vacuoles (AV-II)  degradasi isi vakuola  hasil degradasi dikembalikan ke sitosol untuk digunakan kembali Cat: penggunaan rapamycin atau tidak adanya nutrien memicu terjadinya makroautofagi

2. microautophagy,  langsung melalui membran lisosom. Mekanisme ini juga merupakan jalur degradasi organel dan long-lived proteins, tetapi tidak sama dengan makroautofagi, mikroautofagi tidak responsif terhadap adanya kekurangan nutrisi.  Contoh mikroautofagi adalah degradasi selektif peroksisom  pada yeast sebagai mekanisme adaptasi terhadap stress oksidatif.

3. chaperone-mediated autophagy(CMA). Terutama untuk protein-protein sitosolik yang mengandung pentapeptida spesifik (sekuens KFERQ) 30% total protein sitosolik  dikenal oleh kompleks protein chaperon (termasuk protein heat shock 73-kDa dan hsc73) dapat berikatan dengan lysosome-associated membrane protein (LAMP). Protein selanjutnya mengalami unfolding dan ditranspor ke lumen lisosom . RNAase dan amyloid precursor protein adalah contoh protein yang mempunyai sekuens KFERQ Modifikasi pasca transkripsi (oksidasi, denaturasi) protein dapat menyebabkan tereksposnya sekuens KFERQ meningkatkan CMA

autophagy, dilaporkan menurun seiring umur (penelitian pada C. elegans).  induksi autofagi dengan membatasi kalori digunakan sebagai cara menghindari timbulnya berbagai penyakit terkait umur Inducing autophagy Namun, masih merupakan tandatanya apakah induksi autofagi (periodik atau terus menerus) dengan restriksi kalori (intermiten atau kontinu) atau stimulus farmakologi dapat bermanfaat untuk mencegah timbulnya age-associated degenerative processes pada manusia

Meskipun penuaan sel merupakan respons adaptif terhadap stress yang memungkinkan sel/organisme dapat hidup lebih lama, namun dapat merupakan akibat negatif bagi ketahanan hidup organisme. sel-sel yang menua akan terakumulasi pada jaringan proliferatif dan melepaskan berbagai protease pendegradasi, faktor pertumbuhan, dan sitokin inflamatori yang akan menyebabkan penurunan fungsi sel-sel tetangga pada jaringan yang renewable yang tidak mengalami penuaan karena penurunan progenitor stem cell.  memungkinkan sel-sel preneoplastik berkembang menjadi sel tumor  panjangnya umur dihadapkan pada peningkatan resiko kanker pada usia lanjut

Bagaimana dengan postmitotic cells??

Thank you