BAB IV KARSINOGENESIS
PENDAHULUAN Penemuan dan uraian tentang onkogen dan tumor suppressor genes meningkatkan pengetahuan kita tentang mekanisme genetik dan molekuler patogenesis kanker. Pemahaman tentang patogenesis kanker tersebut diperoleh dari berbagai percobaan binatang dan percobaan laboratorium, yang mengungkapkan bahwa mutasi satu atau lebih gen akan menyebabkan penyimpangan dalam pertumbuhan sel yang berakibat transformasi sel ke arah ganas. Sekalipun tampaknya sederhana, pada hakekatnya tumorigenesis pada manusia tetap merupakan suatu proses kompleks yang 1,2 berlangsung melalui berbagai tahapan (multistep/multistage process). process). Bahwa kanker terjadi melalui proses multistep dibuktikan dengan berbagai penelitian, di antaranya bukti tidak langsung yang diperoleh dari studi epidemiologi. Salah satu bukti epidemiologis adalah bahwa insidens kanker meningkat sesuai peningkatan usia. Bukti lain adalah bahwa diperlukan waktu yang cukup panjang antara paparan pertama terhadap bahan karsinogen (rokok, asbes) dengan timbulnya kanker, demikian pula peningkatan insidens kanker yang baru terjadi berpuluh tahun sesudah dijatuhkannya bom atom di Jepang. Bila ditinjau dari aspek genetik dan molekuler, sudah diterima secara luas bahwa perkembangan kanker disebabkan akumulasi kelainan atau a tau mutasi beberapa gen (multiple genetic alterations) alterations) yang berinteraksi satu dengan lain untuk pada akhirnya menghasilkan 1 transformasi sel. Mutasi beberapa jenis gen tertentu yang diwariskan menyebabkan kecenderungan seseorang menderita kanker, jadi dalam hal ini faktor keturunan merupakan faktor yang penting, tetapi penyebab kelainan gen yang berakibat kanker sebagian besar berasal dari luar (eksogen). Di antara faktor eksogen adalah berbagai jenis virus khususnya virus onkogenik, misalnya virus hepatitis B, Epstein Barr, HTLV-1, berbagai bahan kimia dan radiasi khususnya radiasi pengion. Tetapi tidak semua mutagen berasal dari luar (eksogen). Akhir-akhir ini diketahui bahwa kerusakan DNA sebagai akibat reaksi metabolik endogen yang menghasilkan reactive oxygen intermediates (ROI) dalam jumlah besar juga berpotensi menimbulkan keganasan.2,3 SASARAN GENETIK KARSINOGENESIS Mekanisme karsinogenesis baik biokimiawi maupun molekuler berbeda antara satu karsinogen dengan yang lain, bergantung pada struktur dan sumber karsinogen masing-masing, tetapi pada dasarnya sasaran karsinogen adalah menimbulkan lesi pada 2,3 untaian DNA yang mengandung berbagai jenis gen. (gambar 1) Dalam beberapa tahun terakhir telah terungkap bagaimana hubungan karsinogen dengan lesi DNA dan jenis mutasi gen yang ditimbulkannya, demikian pula peran gen DNA repair dan respons tubuh lainnya terhadap kerusakan DNA. Berbagai jenis onkogen dan gen supresor (tumor (tumor suppressor gene) gene) yang berperan sebagai regulator siklus siklus sel atau pertumbuhan dan diferensiasi sel pada umumnya merupakan sasaran lesi onkogenik. Tabel 1 menunjukkan 3 contoh perubahan genetik dan epigenetik pada karsinogenesis.
Bahan Kimia
Faktor endogen Oxidant stress
Virus onkogenik
Sasaran utama: DNA/gen regulator siklus /pertumbuhan
TRANSFORMASI SEL
Gambar 1: Sasaran genetik karsinogenesis
Tabel 1: Contoh perubahan genetik dan epigenetik pada karsinogenesis Perubahan
Gen terkena
Translokasi Homozygote deletion Frameshift mutation Amplifikasi gen Substitusi single base Polimrf minisatelite Simple repeat, polymorph, hypermutability
Bcr dan abl NF1 APC EGFR P53 H-ras hMSH2 dan hMLH1
Akibat Fusion protein Deregulated p21 Disfungsi TSG Aktivasi autokrin Kontrol checkpoint hilang Predisposisi kanker Instabilitas genetik
Jenis kanker CML dan ALL Neurofibrosarkoma Kolorektal Banyak Banyak Banyak Kanker kolon SCLL
Seperti tampak pada gambar 1 dan tabel 1, sasaran utama lesi genetik oleh karsinogen adalah DNA, dan apabila yang terkena lesi adalah gen yang mengatur siklus dan pertumbuhan sel akan terjadi disfungsi gen-gen bersangkutan dengan akibat transformasi. Salah satu jenis gen yang sering mengalami lesi / mutasi adalah gen supresor tumor p53. Seperti telah diketahui, p53 menghasilkan produk yang berfungsi sebagai aktivator transkripsi yang berperan pada pengaturan siklus sel pada checkpoint tertentu, khususnya fase G1 dan G2M. Sebagian besar mutasi gen p53 terletak antara codon 120 dan 290 pada exon 5-9. Bagian ini disebut “hot-spot” mutasi p53. Dalam perannya sebagai aktivator transkripsi, protein p53 akan mengikat DNA secara spesifik sesuai sekuennya (sequence specific). Mutasi pada p53 menyebabkan sifat sequence specific ini hilang, sehingga p53 tidak berfungsi. Ada 3 jenis mutasi utama pada p53 yang telah diketahui dan yang menarik adalah bahwa jenis mutasi ini berkorelasi dengan jenis kanker yang ditimbulkannya.
Tabel 2: Spektrum mutasi gen supresor p53 Substitusi basa G→A C→T G→T
TC → TT CC → TT
Letak sasaran utama 175, 248, 273 CpG dinukleotida 157, 273, 249
196, 248, 278
Pemicu Tidak diketahui Deaminasi 5-MeC Asap rokok, a.l. PAH, Reactive oxygen species, misalnya 8-OH-dG. Diet, misalnya aflatoksin Belum diketahui Sinar ultraviolet
Jenis kanker Kolon Ovarium, Otak Paru
Hepar Payudara Kulit
Seperti tampak pada tabel 2 di atas, jenis mutasi pertama adalah transisi dari guanine (G) ke adenine (A) atau dari cytosine (C) ke thymine (T), dan perubahan ini terutama terletak pada sekuen dinukleotida CpG. Jenis mutasi yang lain adalah transversi guainine (G) ke thymine (T). Mutasi ini pada umumnya disebabkan faktor eksternal yang memodifikasi residu G dari DNA. Jenis mutasi ke tiga adalah karakteristik untuk lesi akibat produk penyinaran (photoproduct) seperti yang dijumpai pada kanker kulit. 2 Dengan demikian, apapun penyebabnya, sudah diterima secara luas bahwa perkembangan kanker secara umum terjadi melalui beberapa tahap (multistep), yaitu inisiasi, promosi dan progresi. Walaupun ada beberapa modifikasi sesuai dengan jenis karsinogen, di tingkat molekuler efek biokimia dari berbagai jenis karsinogen adalah sama, yaitu pada umumnya menyebabkan perubahan proto-onkogen menjadi onkogen melalui aktivasi onkogen (activating mutation) atau inaktivasi gen supresor (inactivating 4 mutation). Karsinogenesis oleh virus Beberapa jenis virus diketahui ada hubungannya dengan pertumbuhan kanker. Walaupun mekanisme pertumbuhan kanker oleh virus bermacam-macam, pada umumnya infeksi virus mengakibatkan 2 hal, yaitu bahwa pada sebagian besar virus infeksi hanya menimbulkan kelainan jinak, sedangkan kelainan yang ganas biasanya disebabkan infeksi kronis dan keganasan umumnya baru terjadi bertahun-tahun kemudian. Karena itu diduga bahwa ada faktor-faktor lain yang turut berperan selain infeksi untuk menghasilkan keganasan, di antaranya adalah bahwa infeksi virus tersebut harus diikuti atau disertai 3 mutasi gen tertentu atau pembentukan onkoprotein yang disandi oleh onkogen virus. Ada dua kelompok virus yang dihubungkan dengan kanker yaitu virus yang mengandung DNA dan virus yang mengandung RNA (retrovirus) Transformasi sel yang disebabkan virus ini terjadi karena integrasi antara seluruh bagian DNA virus atau antara DNA copy dari RNA retrovirus dengan gen sel pejamu. Integrasi ini merupakan tahap penting dalam proses transformasi karena DNA/RNA virus yang terintegrasi akan direplikasi bersamaan dengan DNA sel pada waktu pembelahan sel; dengan demikian genom virus juga akan diperbanyak. Menetapnya DNA virus dalam sel menghasilkan produk virus yang berkelanjutan yang diperlukan agar status transformasi menetap. Integrasi DNA ini menyebabkan : 1) aktivasi gen yang terlibat dalam pengaturan
pertumbuhan sel sehingga terjadi proliferasi tidak terkendali, 2) disrupsi berbagai gen sel pejamu . Beberapa contoh virus DNA yang dikaitkan dengan kanker adalah SV40, adenovirus, HPV (human papilloma virus), EBV ( Epstein Bar virus), HBV (hepatitis B virus). Beberapa penelitian mengungkapkan bahwa virus DNA menggunakan mekanisme transformasi yang berlaku umum. Onkogen HPV E7, adenovirus E1A, dan SV40 Rb1 menyandi protein yang dapat mengikat p110 , yaitu produk gen supresor retinoblastoma (Rb1), demikian pula produk onkogen HPVE6, adenovirus E1B dan SV40 dapat mengikat p53. Pengikatan onkoprotein virus dengan gen supresor diduga mengakibatkan disfungsi gen supresor dan menghasilkan transformasi sel. Onkoprotein yang dihasilkan oleh virus polioma, adenovirus dan HPV ternyata membidik sasaran 5 yang sama (gambar 2)
Rb
P300
P107
P53
Virus polioma P130
Adenovirus
P300
Rb Ad E1A
P53
P107
Ad E1B
P130
HPV
P107
Rb E7
P53
E6-AP
E6
P130
Gambar 2: Onkoprotein yang disandi oleh 3 jenis virus yang berbeda mengikat sasaran yang sama. Pengikatan onkoprotein HPV-E6 pada p53 5 diperantarai oleh protein E6-AP.
Virus Epstein Barr menyandi sekitar 100 gen, 10 di antaranya diekspresikan pada sel B yang terinfeksi EBV. Tiga di antara gen tersebut diduga kuat berperan dalam transformasi sel, yaitu EBNA-1, EBNA-2 dan LMP (latent membrane protein). EBNA-1 diperlukan untuk replikasi DNA plasmid virus dalam sel terinfeksi, sedangkan EBNA-2 menyandi protein 90kDa yang terletak pada nukleus sel yang terinfeksi. Protein ini diduga mengganggu sifat pertumbuhan sel. LMP merupakan protein yang berfungsi sebagai reseptor, dan ekspresi LMP terbukti berperan dalam menyebabkan transformasi 5 dan menghambat diferensiasi sel. Tabel 3 memperlihatkan beberapa sifat Large Tantigen dari SV40. Dari tabel 3 tampak bahwa SV-40 large T-antigen diperlukan bukan
saja untuk transformasi tetapi juga untuk replikasi dan transkripsi DNA virus. Karena fungsinya sangat kompleks, sulit menentukan sifat mana sebenarnya yang diasosiasikan 5 dengan aktivitas transformasi. Tabel 3: Beberapa sifat SV-40 Large T Antigen Transformasi sel non-permissive menjadi malignan Berikatan dengan sekuen spesifik DNA SV40 untuk mengawali tiap siklus replikasi DNA dalam sel terinfeksi Menunjukkan aktivitas DNA helikase yang diperlukan untuk mengurai spiral dan memperpanjang DNA selama re plikasi DNA Berfungsi sebagai regulator negatif pada transkripsi gen SV40 (early gene transcription) Transaktivasi promoter beberapa jenis RNA polymerase II termasuk promoter SV40 (SV40late promoter) Menginduksi sintesis rRNA seluler Menginduksi sintesis DNA seluler Menunjukkan aktivitas ATPase Berikatan dengan berbagai faktor seluler termasuk p53, p105Rb, DNA polymerase- α
Golongan virus lain yang berpotensi onkogenik adalah virus RNA atau retrovirus. Ciri khas dari retrovirus adalah bahwa virus melakukan replikasi di dalam sel terinfeksi melalui DNA intermediate yang disebut provirus yang berintegrasi dengan DNA pejamu. Di dalam sel pejamu RNA virus di-copy menjadi DNA dengan bantuan enzim reverse transkriptase yang terdapat dalam partikel virus. DNA provirus direplikasi bersama dengan DNA sel pejamu, dan disamping itu DNA provirus juga ditranskripsi oleh RNA polimerase pejamu untuk menghasilkan gen RNA virus yang kemudian akan menjadi protein virus baru (gambar 3).
Infeksi RSV
Integrasi & sintesis DNA virus
Provirus
Ekspresi gen virus
Transformasi sel dan penglepasan virus 6
Gambar 3: Siklus replikasi dan transformasi sel oleh RSV.
Pada banyak kasus, infeksi dengan retrovirus tidak menyebabkan sel rusak, dan virus yang direproduksi dalam sel terinfeksi dapat dilepaskan dari sel tersebut tanpa merusaknya, yaitu melalui proses budding.6 Efisiensi transformasi sel yang disebabkan infeksi virus bervariasi bergantung pada jenis virus. Sebagian di antara virus-virus ini dikenal sebagai karsinogen yang sangat ampuh, baik in vitro maupun in vivo. Salah satu contoh yang baik adalah virus Rous sarkoma (RSV) yang proses transformasinya secara skematis diperlihatkan dalam gambar 3. Pada gambar ini tampak virus DNA disintesis dan diintegrasikan dalam DNA sel pejamu untuk membentuk DNA provirus. Ekspresi gen virus mengakibatkan transformasi sel, sekaligus produksi progeni partikel virus, yang kemudian melalui proses 6 “budding” dilepaskan ke luar sel pejamu tanpa melisiskan sel bersangkutan. Salah satu jenis retrovirus lain yang sudah lama dikenal adalah HTLV-1 yang merupakan penyebab leukemia sel T pada orang dewasa. Ada dua kelompok retrovirus yang dapat menginduksi transformasi sel, yaitu acutely transforming virus yang dengan cepat menginduksi terjadinya tumor dan weakly oncogenic virus yang memerlukan waktu laten yang lama sebelum ia menimbulkan kanker. Hanya 1 atau 2 gen virus yang merupakan subset spesifik yang diperlukan untuk menginduksi transformasi, yaitu yang disebut onkogen virus (viral oncogenes). Pada umumnya onkogen retrovirus merupakan onkogen yang bertanggung jawab atas terjadinya transformasi tetapi tidak berperan dalam proses replikasi virus. Untuk replikasi virus diperlukan ko-infeksi sel pejamu dengan virus pembantu (helper virus) yang mengandung gen replikasi yang fungsional seperti gen gag, pol , dan env (gambar 4).
Gag
pol
Reproduksi virus
env
src
Kanker
Gambar 4: Gen virus Rous sarcoma (src)
Virus Rous Sarcoma (RSV) merupakan salah satu contoh virus penyebab kanker yang mempunyai 2 jenis gen, yaitu yang digunakan untuk reproduksi virus dan yang berfungsi dalam transformasi sel menjadi ganas. Seperti tampak pada gambar 3, sDNA RSV mengandung 4 gen, 3 di antaranya yaitu gag yang menyandi protein capsid virus, pol yang menyandi enzim reverse transcriptase dan enzim yang berfungsi untuk integrasi provirus, serta env yang menyandi glikoprotein permukaan virus, ketiganya berfungsi dalam reproduksi virus. Gen yang lain yang disebut viral oncogene tidak berperan dalam 3,6 reproduksi virus tetapi menginduksi transformasi sel menjadi ganas.
Seperti telah disebut di atas, mutasi gen menyebabkan aktivasi pada onkogen dan atau inaktivasi tumor suppressor gene. Aktivasi (amplifikasi) gen ras sering dijumpai pada berbagai jenis kanker. Gen yang teraktivasi menunjukkan point mutation yang menyebabkan perubahan pada satu molekul asam amino tunggal, biasanya pada residu 12, 13 atau 61 (gambar 5).
Gen H-ras normal 1 2 3 4 5 6 Met Thr Glu Tyr Lys Leu ATG ACG GAA TAT AAG CTG
7 8 9 10 11 12 13 Val Val Val Gly Ala Gly Gly
GTG GTG GTG GGC GCC GGC GGT ……… CTC TCC
Gen H-ras teraktivasi
GTC
Met Thr Glu Tyr Lys Leu
188 189 Leu Ser
Val Val Val
Gly Ala Val Gly
as amino codon
codon
Leu Ser
as amino
Gambar 5: Gen H-ras normal dan teraktivasi Gen H-ras seperti tampak pada gambar 5 memperlihatkan transisi GÆT pada residu 12, yang mengubah susunan asam amino gen tersebut dan mengakibatkan gen bersangkutan teraktivasi dan menjadi onkogenik.
Karsinogenesis oleh bahan kimia Berbagai hasil penelitian mengungkapkan bahwa berbagai jenis bahan kimia dalam bentuknya yang aktif merupakan mutagen yang poten dan dapat menginduksi kanker, walaupun sebagian besar kanker yang diinduksinya baru timbul setelah waktu laten yang panjang. Waktu laten yang panjang mengindikasikan bahwa diperlukan lebih dari satu jenis perubahan (multipel) sebelum sel ditransformasi menjadi fenotip yang 7 ganas melalui proses bertahap. Bahan-bahan kimia yang mutagenik dapat berada di lingkungan sekitar, baik yang sintetik maupun yang alami; sebagian besar di antaranya masuk ke dalam tubuh dalam bentuk “pro-karsinogen/pro-mutagen”, dan baru menjadi reaktif setelah mengalami metabolisme dalam tubuh. Perbedaan genetik dalam 3 metabolisme sangat mempengaruhi kecepatan karsinogenesis atau mutagenesis. Beberapa contoh bahan kimia karsinogenik adalah di antaranya hidrazin, trazin, khlorokarbon, dan berbagai jenis alkylating agents, sedangkan yang alami banyak yang berasal dari mikroba maupun tumbuhan yang mempunyai struktur yang kompleks. Beberapa jenis karsinogen anorganik juga diketahui, misalnya cobalt, beryllium, 8 cadmium, chromium dan nikel. Dari berbagai penelitian juga terungkap bahwa sasaran utama karsinogen adalah DNA, dan mutasi DNA dapat terjadi pada berbagai situs sepanjang DNA bersangkutan. Tetapi akhir-akhir ini dapat diketahui bahwa ada hubungan antara jenis karsinogen dan kanker tertentu, dan bahwa ada korelasi antara beberapa jenis kanker tertentu dengan jenis gen yang mutasi. Selain itu juga diketahui bahwa untuk kanker tertentu dan karsinogen tertentu mutasi terjadi pada situs yang sama (reproducible). Hal itu
memungkinkan kita untuk menentukan jenis dan letak mutasi gen sehingga informasi itu 7 dapat digunakan untuk diagnosis maupun menentukan prognosis. Kebiasaan merokok merupakan penyebab utama kanker paru. Asap rokok mengandung sekitar 4000 jenis senyawa, sebagian di antaranya merupakan karsinogen. Bentuk gas dari asap rokok mengandung uap nitrosamine, sedangkan bentuk partikel dari asap rokok mengandung berbagai jenis polycyclic aromatic hydrocarbons dan 8 nitrosamine yang dihasilkan oleh alkaloid tembakau nikotin dan nor-nikotin. Di samping senyawa-senyawa di atas, asap rokok juga mengandung kadar oksidan cukup tinggi, yang 3 memperbesar kemungkinan transformasi.
Tabel 4: Contoh occupational carcinogens BAHAN KIMIA 2-Naphtylamine Benzidine 4-Aminobiphenyl Bis(chloromethyl)ether Bis(2-chloroethyl)sulfide (mustard gas) Vinyl chloride Tars, soots, oil Senyawa kromium Senyawa nikel Asbestos Benzene
TUMOR Kandung kemih Kandung kemih Kandung kemih Paru Saluran nafas Mesenkim hepar Paru, kulit Paru Paru Pleura, peritoneum (paru bila dikombinasi dgn asap rokok Jaringan limfoid
Bahan karsinogen kimia pada umumnya memerlukan paparan berulang kali sebelum ia mengakibatkan transformasi sel dan kanker. Periode di antara kontak pertama dengan karsinogen dan timbulnya kanker disebut periode laten, yang lamanya bergantung pada dosis karsinogen (dose dependent ). Potensi karsinogenik suatu bahan kimia dipengaruhi oleh berbagai faktor, misalnya jenis spesies, organ, usia dan lain-lain. Periode antara kontak dengan karsinogen dan timbulnya kanker dibagai dalam beberapa fase. Fase pertama dimulai pada saat kontak pertama dengan karsinogen dan disebut fase inisiasi. Inisiasi merupakan proses yang ireversibel, biasanya berlangsung cepat dan karsinogen mengakibatkan lesi DNA permanen. Namun perlu diingat bahwa beberapa bentuk lesi DNA dapat diperbaiki melalui berbagai jenis enzim seluler dengan bantuan DNA repair gene. Pada fase ke-2 yang disebut fase promosi terjadi proses di mana sel-sel yang mengalami inisiasi berubah menjadi sel-sel preneoplastik. Berbeda dengan inisiasi, pada fase promosi yang biasanya berlangsung lama (periode laten) terjadi berbagai perubahan pada sel atau jaringan misalnya perubahan sintesis fosfolipid, perubahan sintesis DNA dan RNA, penglepasan prostaglandin, perubahan morfologi dan lain-lain. Fase ini umumnya reversibel, sebelum terbentuk sel pertama yang tumbuh secara autonom menjadi sel preneoplastik. Fase ke-3 adalah fase progresi di mana terjadi evolusi 8 sel pre-neoplastik menjadi sel neoplastik. Gambar 6 memperlihatkan skema umum mekanisme karsinogenesis oleh bahan kimia. Bahan kimia dapat dimetabolisme oleh enzim-enzim tertentu menjadi bahan hidrofilik yang mudah diekskresi, tetapi aktivitas enzim ini juga dapat menghasilkan
produk oksidan reaktif yang dapat menyebabkan lesi atau mutasi DNA yang berakibat aktivasi onkogen dan atau inaktivasi gen supresor dan berakhir dengan transformasi sel.
Lingkungan
karsino en
detoksikasi Ekskresi
metabolisme
detoksikasi Electrophylic intermediates
Inisiasi Mengikat DNA, RNA, protein
Replikasi DNA
DNA repair
Sel normal
A o tosis
Lesi DNA permanen Initiated cell
?
?
Sel preneoplastik
Promosi & Progresi
Kanker
Gambar 6: Skema umum karsinogenesis oleh bahan kimia Namun demikian, interaksi karsinogen dengan DNA saja tidak selalu menghasilkan sel yang ter”inisiasi” dengan lesi DNA permanen, karena lesi DNA dapat diperbaiki dengan bantuan gen DNA repair. Kerusakan DNA yang diwariskan kepada sel-sel turunannya terjadi bila replikasi DNA berlangsung sebelum proses perbaikan DNA. Karena itu untuk terjadinya inisiasi, sel yang berinteraksi dengan karsinogen harus mengalami siklus sel sebelum proses perbaikan sehingga lesi DNA menjadi permanen. Perkembangan klonal dari sel ter”inisiasi” ini untuk menghasilkan sel-sel preneoplastik memerlukan promosi oleh promoting agents, termasuk kemungkinan promosi oleh karsinogen itu sendiri.; dalam hal ini karsinogen berfungsi sebagai inisiator sekaligus promoter dan disebut karsinogen komplit. Sebagain dari lesi itu mengalami regresi, tetapi 8 sebagian lagi berlanjut dan menghasilkan sel kanker. Karsinogenesis akibat radiasi Radiasi peng-ion dan radiasi UV sebenarnya merupakan komponen normal di lingkungan kita.. Radiasi kadar rendah dapat berasal dari bumi dan angkasa luar, sedangkan radiasi UV gelombang panjang berasal dari matahari. Penggunaan radiasi peng-ion atau UV untuk keperluan diagnosis dan terapi, maupun peningkatan penggunaan energi nuklir dan senjata nuklir menyebabkan kita harus lebih
memperhatikan dampak jangka pendek maupun jangka panjang radiasi. Dampak jangka panjang yang paling penting adalah kerusakan DNA yang dapat diwariskan kepada generasi berikut dan kemungkinan terjadinya kanker. Lesi DNA yang terjadi pada awal proses karsinogenesis dapat bermacam-macam. Sebagian dapat direparasi, tetapi sebagian lagi dapat berlanjut dan menyebabkan perubahan biologis. Lesi DNA akibat radiasi yang tidak dapat diperbaiki, dapat mengakibatkan kematian sel, mutasi gen tertentu atau 9 karsinogenesis. (lihat gambar 7)
Radiasi DNA Kerusakan DNA
Instabilitas genetik
A o tosis
p53 p21
cdk inhibitor
G1 Mutasi/ Aktivasi onkogen
S
Antitumor Immunity ↓↓
G1 arrest
M G2 DNA Repair
Gambar 7: Dampak radiasi Dari gambar 7 dapat dilihat bahwa lesi DNA oleh radiasi dapat menghasilkan berbagai akibat biologis, tergantung pada densitas radiasi (linear energy transfer, LET ), dosis radiasi, interaksi radiasi dengan molekul sasaran, sensitifitas sel atau jaringan yang 9 terkena radiasi dan lain-lain. Lesi DNA dapat merangsang gen p53 untuk mentranskripsi p21 yang merupakan inhibitor cdk dan menyebabkan siklus sel berhenti pada fase G1 (G1 arrest). Hal ini dimaksudkan untuk memberi kesempatan kepada gen DNA repair memperbaiki DNA yang rusak. Kerusakan DNA juga dapat mengakibatkan kematian sel terprogram (apoptosis) atau menyebabkan instabilitas genetik dan menginduksi mutasi onkogenik yang lain. Di samping itu radiasi juga dapat merusak DNA sel-sel sistem imun sehingga berakibat imunitas menurun. Radiasi pengion maupun UV merupakan karsinogen komplit, yaitu yang bersifat sebagai insiator sekaligus promoter. Mutasi dapat terjadi dalam berbagai bentuk, misalnya kerusakan atau kehilangan basa dan putusnya untaian DNA tunggal (single strands) maupun ganda (double strands), frame-shift mutations dan deletion. Baik radiasi peng-ion maupun UV dapat meningkatkan frekuensi mutasi spesifik dan kelainan kromosom. Putusnya kromosom atau rearrangements kromosom dapat terjadi sebagai akibat langsung maupun tidak langsung dari radiasi, atau terjadi pada saat replikasi DNA dan/atau perbaikan kerusakan DNA. Potongan DNA yang letaknya berdekatan akan saling menyambung sehingga terjadi rearrangement dan menghasilkan kromosom yang
salah. Jumlah aberasi kromosom dan karsinogenesis pada umumnya meningkat sesuai 9 dengan dosis radiasi. Karena ada perbedaan dalam kepekaan relatif jaringan terhadap radiasi, tidak mengherankan kalau dosis radiasi yang dapat mengakibatkan karsinogenesis berbeda antara jaringan satu dengan yang lain. Seperti halnya dengan karsinogen virus dan kimia, radiasi yang menyebabkan mutasi pada satu gen saja tidak langsung menyebabkan karsinogenesis, karena kalkulasi teori-sasaran membuktikan bahwa besarnya sasaran transformasi in vitro adalah 100 kali lebih besar dibanding besar gen. Saat ini diketahui bahwa ada berbagai gen yang mengontrol stabilitas DNA dan /atau ketaatan replikasi DNA, dan apabila salah satu gen ini rusak akibat radiasi, maka hal ini akan meningkatkan kemungkinan replikasi DNA yang salah yang di-replikasi lebih lanjut pada siklus-siklus sel berikutnya. Hal itu akan meningkatkan instabilitas genetik dan kemungkinan terjadinya kelainan gen yang lain 9 pada tahap berikutnya. Walaupun inisiasi karsinogenesis oleh radiasi bergantung pada lesi DNA spesifik dan tidak berfungsinya gen DNA repair yang berakibat mutasi DNA atau rekombinasi kromosom, tahap selanjutnya dalam proses karsinogenesis kemungkinan besar adalah 9 spesifik jaringan, walaupun mekanismenya yang tepat belum seluruhnya terungkap. PERAN FAKTOR PEJAMU Seperti diperlihatkan pada gambar 3, inisiasi saja tidak selalu menimbulkan kanker. Pada fase ini beberapa hal dapat terjadi sebagai respons tubuh terhadap paparan karsinogen dan adanya kerusakan DNA, di antaranya proses DNA repair dan apoptosis. Bahan-bahan karsinogenik bukan hanya menyebabkan kerusakan atau mutasi DNA tetapi juga dapat menginduksi respons tertentu dalam sel yang mengaktifkan jalur transduksi sinyal dan berakibat berbagai perubahan dalam ekspresi gen-gen tertentu. Perubahan ini tidak hanya menginduksi berbagai gen atau enzim yang berfungsi dalam DNA repair (lihat gambar 8), tetapi juga mengaktifkan berbagai early response genes, misalnya c-fos, c-myc, plasminogen activator dan faktor-faktor pertumbuhan. Berbagai penelitian juga mengungkapkan bahwa ada beberapa checkpoints dalam siklus sel yang mengatur siklus sel dan memberikan respons terhadap kerusakan DNA. Selain gen p53 yang sudah disebut di atas, salah satu gen lain, yaitu gen RAD9 dapat mendeteksi adanya kerusakan DNA dan mencegah siklus sel untuk memasuki fase mitosis sebelum kerusakan DNA diperbaiki. Masih banyak mekanisme epigenetik yang mungkin terjadi akibat karsinogenesis, yang belum diketahui seluruhnya, namun berbagai penelitian telah mengungkapkan bahwa disamping mengakibatkan kerusakan DNA dan perubahan kromosom secara langsung, berbagai bahan karsinogenik juga menginduksi berbagai proses epigenetik. Beberapa bukti bahwa ada peranan proses epigenetik dalam 2 pertumbuhan tumor akibat karsinogen adalah sebagai berikut: 1. Berbagai substansi non-genotoksik dapat meningkatkan perkembangan tumor yang diduga berlangsung melalui mekanisme epigenetik 2. Tumor seringkali dapat diinduksi untuk berdiferensiasi dan mengalami reversi oleh substansi non-genotoksik, yang mengindikasikan bahwa sebagian besar fenotipnya dikendalikan oleh mekanisme epigenetik 3. Diferensiasi normal tidak melibatkan perubahan mutasional (rearrangements) kecuali diferensiasi normal pada sel-sel sistem imun. Walaupun demikian diferensiasi dapat menghasilkan lineage dan fenotip yang stabil. Mekanisme
biokimiawi proses ini belum diketahui pasti kecuali proses metilasi, tetapi yang jelas adalah bahwa kelainan dalam mekanisme ini menghasilkan fenotip abnormal Di samping itu perlu pula diingat bahwa tubuh memiliki sistem yang disebut sistem immunesurveillance. Banyak kanker yang berkembang akibat kegagalan sistem ini. Gambar 8 memperlihatkan respons sel mamalia terhadap kerusakan DNA.
Aktivasi kinase
Lesi DNA
Induksi growth inhibiting genes & Penekanan growth promoting genes
G1 arrest
Ekspresi early genes
Fosforilasi p53 & akumulasi di nukleus
Rangsangan utk keluar dari siklus sel & apoptosis
DNA repair
Gambar 8: Respons sel mamalia terhadap kerusakan DNA Fase S
Dua proses penting untuk menyingkirkan sel dengan lesi DNA akibat karsinogen adalah DNA repair dan apoptosis. Sampai saat ini telah diketahui beberapa jenis gen DNA repair walaupun belum seluruhnya difahami mekanisme kerjanya.. Defek DNA repair selain disebabkan defek pada gen DNA repair sendiri juga dapat disebabkan defek gen lain yang terlibat, misalnya defek gen yang produknya mempunyai fungsi penting untuk menunjang proses DNA repair (repair related function) atau gen yang berfungsi pada checkpoints siklus sel, misalnya p53, Rb, p16, BRCA1, dan lain-lain. Cell cycle checkpoints berfungsi memperpanjang waktu tertentu dalam siklus sel (biasanya fase G1 dan G2M) untuk memberi kesempatan kepada gen DNA repair untuk memperbaiki DNA yang rusak sebelum dilipat gandakan. Kegagalan fungsi checkpoints mengakibatkan gen 10,11 DNA repair tidak memperoleh kesempatan untuk memperbaiki DNA yang rusak, Salah satu cara untuk menyingkirkan sel yang tidak dikehendaki, misalnya sel dengan mutasi DNA, adalah apoptosis. Apoptosis adalah suatu proses di mana berbagai enzim katabolik menghancurkan makromolekul penting dan mengakibatkan sel mati.. 12,13,14 Berbagai enzim yang berperan adalah di antaranya caspase, sedangkan berbagai gen yang berperan dalam proses apoptosis juga telah dipelajari, dan yang sudah lama 15 diketahui peranannya adalah keluarga bcl2 yang berfungsi sebagai anti-apoptosis dan c-
16
myc serta max yang mempercepat proses apoptosis. Pada gambar 8 tampak salah satu model jalur apoptosis. Caspases merupakan mediator utama apoptosis, yang membentuk kaskade sinyal transduksi untuk menghasilkan apoptosis. Aktivasi dimulai dari stimulasi melalui pengikatan Fas (CD95)/FasL, TNF/TNFR, dan lain-lain.17,18,19 Kegagalan dalam proses apoptosis yang disebabkan kelainan enzim maupun gen regulator apoptosis, mengakibatkan kerusakan DNA akan direplikasi dan diturunkan pada sel-sel generasi berikutnya dan meningkatkan kemungkinan transformasi sel menjadi malignan. Baca juga Bab lain dalam buku ini mengenai Apoptosis.
SINYAL APOPTOSIS
SUBSTRAT APOPTOSIS
Obat anti-kanker Radiasi
Bcl2; Bclx
Onkogen (myc) Gen supresor (p53) PK Sitokin sitotoksik Oksidan Peningkatan Ca
+
Caspase
Actin Fodrin gas2 PARP Lamin DNAPKC-ζ
Bax; Bak c-myc, max
Penurunan GF Virus Gambar 9: Salah satu model jalur apoptosis
Dari gambar di atas tampak bahwa virus, oksidan, radiasi yang menurut uraian di atas adalah bahan-bahan karsinogenik juga merupakan komponen-komponen yang berperan dalam menginduksi apoptosis, walaupun hasil akhirnya masih dipengaruhi oleh berbagai faktor, baik yang menunjang maupun yang mengh ambat proses apoptosis. Dari uraian di atas secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa ada 3 faktor utama atau sistem yang berperan dalam proses multistep karsinogenesis yang berinteraksi satu dengan yang lain (gambar 10) Ketiga sistem kontrol, yaitu 1) sistem kontrol transduksi sinyal dan ekspresi gen, 2) sistem kontrol siklus sel serta 3) sistem kontrol ketaatan replikasi DNA dan kromosom, berinteraksi satu dengan yang lain, dan di dalam masing-masing sistem, melalui suatu proses kaskade fosforilasi dan defosforilasi protein dan kaskade ekspresi gen. Substansi yang berasal dari luar (eksogen), baik yang genotoksik maupun non-genotoksik, dan faktor endogen pejamu, baik yang alami maupun yang didapat, dapat berpengaruh pada ketiga sistem kontrol di atas. Distorsi dalam salah satu sistem dapat ditransmisikan kepada kedua sistem yang lain. Misalnya kelainan dalam mekanisme transduksi sinyal dapat mengakibatkan siklus sel tidak berhenti dan sel berproliferasi terus menerus.
Sinyal transduksi diinduksi agonist
Kontrol siklus sel
Ketaatan replikasi DNA & kromosom
Gambar 10: Skema menyeluruh karsinogenesis multistep dengan penekanan pada interaksi antara 3 jenis sistem kontrol Kelainan kontrol siklus sel dalam fase Go/G1, S, G2 dan M dapat meningkatkan frekuensi mutasi, amplifikasi, rekombinasi gen dan kelainan kromosom, dengan demikian mengakibatkan disfungsi berbagai gen bersangkutan, baik yang bersifat pengaturan positif maupun yang negatif. Kombinasi berbagai kelainan ini mengakibatkan kelainan dalam proses kaskade, instabilitas genetik, peningkatan pertumbuhan tumor dan heterogenitas tumor. Pada akhirnya kelainan-kelainan ini bukan saja mengakibatkan kelainan internal mesin siklus sel, tetapi juga kelainan dalam ekspresi molekul-molekul permukaan sel dan molekul-molekul yang disekresikan, sehingga menyebabkan tumor 2 menjadi invasif, meningkatkan kemampuan angiogenesis dan metastasis RINGKASAN Apapun penyebab kanker, baik penyebab itu virus, bahan kimia atau radiasi, ada tema umum yang sudah diterima secara luas. Yang pertama adalah bahwa kanker merupakan fenomena progresif yang berlangsung bertahap (multistep) yang terjadi karena di dalam sel terakumulasi berbagai perubahan yang mengakibatkan pola pertumbuhan sel tersebut berubah secara progresif menjadi abnormal. Hal yang kedua adalah bahwa perubahan genetik tertentu yang terjadi dalam sel kanker bertanggung jawab atas sebagian dari perubahan pola pertumbuhan sel, dan bahwa untuk mengakibatkan kelainan tersebut diperlukan mutasi lebih dari satu jenis gen. Banyak karsinogen kimia dan fisika bersifat mutagenik langsung dan potensi karsinogenik berkorelasi dengan potensi mutagenik. Karsinogen lain menginduksi mutasi secara tidak langsung, melalui stimulasi kemampuan proliferasi sel sasaran dan dengan demikian menyebabkan sel tersebut berisiko tinggi untuk mengalami transformasi. Gen spesifik pada virus (viral oncogenes) bertanggung jawab menginduksi transformasi sel secara langsung. Fungsi promoter, yang biasanya tidak mutagenik, adalah terutama meningkatkan kemungkinan terjadinya mutasi lain sehingga menambah kemungkinan terjadinya kanker, tetapi perubahan pola pertumbuhannya sendiri tidak bergantung pada promoter. Kelainan gen spesifik merupakan dasar perkembangan sel menjadi kanker.
Faktor pejamu merupakan faktor penting yang memberikan kontribusinya dalam mencegah maupun membantu perkembangan kanker. Fungsi regulasi yang baik seperti fungsi gen DNA repair dan fungsi apoptosis serta immunesurveillance dapat mencegah reproduksi terus menerus sel dengan lesi DNA pe rmanen akibat karsinogenesis. RUJUKAN 1. Bishop JM, Weinberg RA. Introduction. Dalam: Molecular Oncology. New York, Scientific American, 1996; 1-12 2. Weinstein IB, Carothers AM, Santella RM, Perera FP. Molecular mechanisms of mutagenesis and multistage carcinogenesis. Dalam: Mendelsohn J, Howley PM, Israel MA, Liotta LA (eds). The molecular basis of cancer . Philadelphia, WB Saunders Co; 1995; 59-85 3. Lowy DR. The causes of cancer. Dalam : Bishop JM, Weinstein RA (eds). Molecular Oncology. New York, Scientific American, 1996; 41-60 4. Martin GS. Normal cells and cancer cells. Dalam: Bishop JM, Weinstein RA (eds). Molecular Oncology. New York, Scientific American, 1996; 13-40 5. Benchimol S. Viruses and cancer. Dalam: Tannock IF, Hill RP (eds). The basic nd sciences of oncology 2 ed. New York, Mc Graw Hill Inc, 1992;88-101 nd 6. Cooper GM. Retroviral Oncogenes. Dalam Oncogenes 2 ed. Boston, Jones & Bartlett Publ 1995; 37-51 nd 7. Cooper GM. The cancer cells. Dalam: Oncogenes 2 ed. Boston, Jones & Bartlett Publ 1995; 3-18 8. Archer MC. Chemical carcinogenesis. Dalam: Tannock IF, Hill RP (eds). The nd basic sciences of oncology 2 ed. New York. Mc Graw Hill Inc, 1992; 102-118 9. Rauth AM. Radiation carcinogenesis. Dalam: Tannock IF, Hill RP (eds) The basic nd sciences of oncology 2 ed. New York, Mc Graw Hill Inc. 1992; 119-138 10. Leis JF, Livingstone DM. The tumor suppressor genes and their mechanism of actions. Dalam: Bishop GM, Weinberg RA (eds) Molecular Oncology. New York, Scientific American, 1996; 111-142 11. Perkins AS, Stern DF. Molecular biology of cancer. Oncogenes. Dalam: Vincent T, DeVita JR, Hellman S, Rosenberg SA (eds) Cancer: Principles and practice of th oncology 5 ed. Philadelphia. Lippincott-Raven Publ, 1997: 79-102 12. Los M, Stroh C, Janicke RU, et al. Caspases: More than just killers? Trends in immunology 2001: 22(1): 31-34 13. Tan X, Wang JYJ. The caspase-Rb connection cell death. Trends in cell biology 1998; 8: 116-120 14. Tran PB, Miller RJ. Apoptosis: Death and transfiguration. Science and medicine. 1999; May/June: 18-27 15. Reed JC. Bcl2 family proteins: regulators of apoptosis and chemoresistance in hematologic malignancies. Semin Hematol 1997; 34(4 suppl): 9-19 16. Nesbit CE, Fan S, Zhang H, et al. Distinct apoptotic responses imparted by c-myc and max. Blood, 1998; 92(3): 1003-1010 17. Wang J, Lenardo MJ. Molecules involved in cell death and periheral tolerance. Current opinion in immunol 1997; 9: 818-825
18. Suzuki A, Obata S, Hayashida M, et al. SADS: A new component of Fas-DISC is the accelerator for cell death signaling and is downregulated in patients with colon carcinoma. Nature Med 2001; 7(1): 88-93 19. Takahashi H. A SADS defect in tumor cells provide optimism. Nature Med 2001; 7(1): 26-27.
