Pertumbuhan dan diferensiasi sel
Pertumbuhan Yang pertama dari pertumbuhan adalah dengan pertambahan dari jumlah sel. Pertambahan ini didapat dengan pembelahan sel. Pembelahan sel dimulai dengan pembelahan DNA inti (kromosom) Kromosom membelah secara semi-konservatif
Pembelahan kromosom
Pembelahan kromosom
Pembelahan sel pada eukariota Sel eukariota berbeda dengan sel bakteri karena DNA yang jauh lebih banyak dan terdapat dalam sejumlah kromosom yang organisasinya lebih kompleks dibandingkan pada bakteri. Kromosom mengandung histon dan terikat dalam bentuk kumparan yang padat. Kromosom pertama kali diobservasi oleh Walther Fleming tahun 1882 ketika memeriksa sel larva salamander yang sedang berkembang. Fleming melihat benang-benang kecil di dalam nukleus yang tampak sedang terbelah dan disebut sebagai mitosis, berasal dari kata yunani mitos yang berarti benang
Pembelahan sel pada eukariota Kromosom eukariota tersusun dari kromatin, sebuah kompleks DNA dan protein. Setiap 200 nukleotida akan tergulung dalam kompleks oktamer histon yang disebut nukleosom. Selanjutnya terjadi lagi kondensasi lanjutan yang membentuk heterokromatin untuk bagian yang padat dan eukromatin untuk bagian yang kurang padat.
Pembelahan sel pada eukariota Dengan perkecualian pada gamet, setiap sel pada manusia adalah diploid, artinya mengandung 2 kopi yang hampir identik dari 23 kromosom, sehingga jumlahnya menjadi 46 kromosom. Gamet yang hanya mengandung 23 kromosom disebut sebagai haploid. Kadang pada beberapa organ dijumpai jumlah kromosom yang luar biasa, misalnya sel hati kadang mengandung tetraploid, sementara eritrosit tidak mempunyai kromosom sama sekali.
Pembelahan sel pada eukariota Siklus sel meliputi 5 fase. G1SG2MC G1 adalah fase pertumbuhan primer pada sel dan mengambil proporsi terbesar dalam kehidupan sel S adalah fase dimana replika genom disintesa G2 adalah fase persiapan untuk separasi genom. Fase ini meliputi replikasi mitokondria dan organel lainnya, kondensasi kromosom, dan restrukturisasi dari mikrotubulus dan pembentukannya di spindel. M adalah fase dimana badan mikrotubulus dibentuk dan diikatkan ke kromosom, menarik dua kromatid anak. Disebut juga mitosis dan merupakan fase penting untuk pemisahan dua genom anak.
Pembelahan sel pada eukariota C adalah fase dimana sel terbelah, membentuk dua sel anak. Fase ini disebut juga sebagai sitokinesis. Kadang terdapat fase yang disebut sebagai G0 yaitu fase dimana sel berhenti tumbuh dan membelah diri atau fase istirahat. Waktu yang dibutuhkan oleh setiap sel bervariasi diantara semua organisme. Pada sel mamalia waktu yang dibutuhkan kurang lebih 24 jam, tapi pada sel hati kadang mencapai 1 tahun.
Mitosis Walau mitosis merupakan proses yang berkelanjutan, secara umum dibagi menjadi 4 fase: profase, metafase, anafase, telofase. Sementara persiapan sebelum mitosis disebut sebagai interfase Interfase meliputi G1, S dan G2, penting untuk keberhasilan mitosis. Selama fase G1 sel mengalami sebagian besar pertumbuhannya.
Mitosis Selama fase S setiap kromosom akan bereplikasi dan membentuk dua anak kromatid yang tetap terikat satu dengan lainnya pada sentromer. Sentromer adalah bagian kromosom yang berkonstriksi dan mengandung sekuens DNA spesifik yang akan terikat dengan protein yang disebut kinetokor. Pada fase G2 kromosom akan memulai proses kondensasi menjadi bentuk yang lebih kompak. Selama proses G2 juga akan dimulai pembentukan kompleks yang akan menarik kromosom ke kutub yang berbeda. Pada sel hewan, terdapat klas khusus mikrotubulus nuklear yang disebut sebagai sentriol. Tubulin juga akan dibentuk selama proses ini.
Mitosis Setelah kromosom berkondensasi pada fase G2, kromosom akan tampak untuk pertama kalinya di bawah mikroskop cahaya dan memasuki fase pertama mitosis: Profase. Proses kondensasi terus berlangsung selama profase, pembentukan rRNA berhenti ketika kromosom yang membawa kode rRNA berkondensasi, sehingga nukleolus menjadi hilang.
Mitosis Pembentukan badan mikrotubular juga akan berlangsung terus selama profase. Kedua sentriol yang terbentuk pada fase G2 akan mulai berpisah dan membentuk aksis mikrotubulus yang disebut sebagai benang spindel. Bila sentriol mencapai kutub sel, mereka membentuk jembatan mikrotubulus yang disebut badan spindel. Selama pembentukan badan spindel, amplop nukleus akan pecah dan komponennya di serap oleh retikulum endoplasmik.
Mitosis Setiap kromosom mempunyai 2 kinetokor, yang masing2 terikat pada sentromer kromatid anak. Kelompok mikrotubulus kedua kemudian akan muncul dari kutub menuju sentromer. Mikrotubulus ini akan terhubung dengan kinetokor dari setiap kromatid anak, sehingga setiap kromatid anak akan bergerak menuju ke kutub yang berbeda.
Mitosis Pada metafase, kromatid anak akan tersusun dibagian tengah dari sel. Bila dilihat dengan mikroskop cahaya, akan tampak seperti berada di “ekuator” dari sel. Bidang imajiner melalui “ekuator” ini disebut bidang metafase. Pada bidang inilah kurang lebih pembelahan sel akan terjadi. Pada akhir metafase, sentromer akan terbagi. Setiap sentromer akan terbagi menjadi 2 dan membebaskan kedua kromatid anak satu dari lainnya. Pemisahan sentromer ini terjadi serentak pada semua kromosom walau mekanisme kebersamaan ini belum jelas.
Mitosis Anafase merupakan fase tersingkat dari mitosis. Kromatid anak akan ditarik menuju kutub yang berbeda. Terdapat 2 pergerakan: 1. Kutub akan bergerak menjauh. Mikrotubulus benang spindel yang terikat pada kutub menjauh satu sama lainnya. Karena kromosom terikat pada kutub oleh benang spindel lainnya, mereka juga akan berpisah dan tampak memanjang.
Mitosis 2. Sentromer bergerak menuju kutub disebabkan mikrotubulus yang mengikat mereka memendek. Proses pemendekan ini bukanlah suatu kontraksi, tetapi disebabkan subunit akan dibuang dari ujung kinetokor. Pembuangan subunit ini mengakibatkan kromatid akan tertarik menuju kutub dari sel
Mitosis Pada telofase, badan spindel akan dibongkar, amplop nuklear akan terbentuk disekitar tiap set dari kromatid anak yang saat ini kembali disebut kromosom, karena sudah mempunyai sentromer sendiri lagi. Kromosom akan segera melonggar dan mulai memungkinkan ekspresi gen, termasuk gen rRNA, sehingga nukleolus kembali terbentuk.
Sitokinesis Mitosis berakhir pada akhir telofase, walau demikian sel eukariotik yang membelah selain membagi genom menjadi 2 nukleus, juga organel sitoplasmik harus dibagi, termasuk mitokondria dan kloroplas. Replikasi organel terjadi sebelum sitokinesis, seringkalipada fase S atau G2. Proses pembelahan sel belum selesai pada akhir mitosis. Fase dimana sel membelah disebut sitokinesis, biasanya meliputi pembelahan sel menjadi 2 bagian yang kurang lebih sama besarnya.
Sitokinesis Pada sel hewan sitokinesis terjadi dengan cara kontraksi dari ikat filamen aktin. Pergeseran filamen ini melewati satu dan lainnya akan menimbulkan kerut cleavage sepanjang keliling dari sel. Bila kontraksi berlanjut, kerut akan semakin dalam dan akhirnya memanjang sampai bagian tengah sel dan sel akan terbagi menjadi 2.
Kontrol dari siklus sel Peristiwa2 dalam siklus sel kurang lebih diatur dengan cara yang sama pada seluruh eukariota. Protein yang mengatur siklus sel termasuk dalam protein yang sangat konservatif dan hampir serupa pada manusia maupun pada sel ragi. Tujuan dari pengaturan proses siklus adalah pengaturan lama dari siklus sehingga terdapat waktu yang cukup untuk setiap peristiwa tapi tidak berlebih.
Kontrol dari siklus sel Cara pengaturan adalah dengan membiarkan selesainya satu reaksi memicu reaksi fase berikutnya. Walau demikian, sel eukariota mempunyai pengatur pusat terpisah untuk mengatur proses dalam siklus sel. Pada titik kritis tertentu, proses selanjutnya tergantung dari saklar terus/berhentinya pada pusat yang mendapat umpan balik dari sel.
Kontrol dari siklus sel Siklus sel eukariota dikontrol pada 3 titik kritis : 1. Pertumbuhan sel dinilai pada titik kritis G1. Titik ini menentukan apakah pembelahan sel akan dimulai. Pada sel ragi, titik ini dinamakan titik START. Bila kondisi memungkinkan untuk pembelahan sel, maka replikasi DNA akan dimulai dengan menginisiasi fase S. Titik ini dipakai oleh eukariota kompleks untuk menghentikan siklus sel bila lingkungan tidak memungkinkan atau bila sel masuk ke fase G0
Kontrol dari siklus sel 2. Replikasi DNA dinilai pada titik kritis G2. Penilaian ini akan memicu fase M sehingga mitosis akan dimulai 3. Mitosis dinilai pada titik kritis M. Titik ini berada pada metafase dan memicu penghentian mitosis serta dimulainya fase G1.
Kontrol dari siklus sel Kontrol ini berlangsung dengan cara interaksi sejumlah protein tertentu pada titik kritis tersebut. Terdapat 2 protein utama pada interaksi ini: 1. Cyclin 2. Cyclin dependent protein kinase (Cdk’s) adalah enzim yang menambahkan fosfat kepada serin dan treonin pada enzim sel dan protein lainnya. Misalnya pada titik kritis G2, Cdk akan memfosforilasi histon, filamen membran nuklear, dan protein mikrotubulus.
Kontrol dari siklus sel Fosforilasi akan menyebabkan dimulainya aktivitas yang membawa sel melalui titik kritis dan memulai proses mitosis. Cyclin adalah protein yang mengikat Cdk dan menyebabkan Cdk berfungsi sebagai enzim. Protein ini dinamakan cyclin karena selalu dirusak dan disintesa ulang pada setiap siklus sel. Pada mamalia terdapat cyclin yang berbeda saat mengatur pada 3 titik kritis yang berbeda
Kontrol dari siklus sel Titik kritis G2: Selama G2, sel akan mengakumulasi cyclin G2 yang disebut mitotic cyclin terikat dengan Cdk dan membentuk kompleks yang disebut MPF (Mitosis promoting factor). Pada awalnya MPF tidak aktif, tetapi setelah beberapa molekul MPF mengalami fosforilasi dan teraktivasi oleh enzim seluler lainnya, akan meningkatkan aktivitas dari enzim yang memfosforilasi MPF, sehingga membentuk umpan balik positif dan peningkatan cepat dari konsentrasi MPF aktif. Bila konsentrasi meningkat dan melewati ambang untuk memulai mitosis, maka fase G2 akan berakhir.
Kontrol dari siklus sel Titik kritis G2 (sambungan): Lamanya waktu yang dibutuhkan oleh sel untuk fase M ditentukan oleh aktivitas dari MPF karena satu dari berbagai fungsinya adalah untuk aktivasi protein yang merusak siklin. Selama mitosis, level Cdk tetap tetapi G2 cyclin yang terdegradasi akan menurun dan menyebabkan penumpukan MPF yang kehilangan aktivitasnya dan memulai peristiwa pengakhiran mitosis. Setelah mitosis, akumulasi dari cyclin akan dimulai untuk proses siklus sel berikutnya.
Kontrol dari siklus sel Titik kritis G1: Pada eukariota uniseluler seperti ragi, faktor utama yang mengatur mulainya replikasi DNA adalah ukuran sel. Keputusan untuk START diambil dengan membandingkan ukuran sitoplasma dengan ukuran genom. Selama pertumbuhannya, sitoplasma akan bertambah besar, sementara ukuran genom relatif tetap, akhirnya ambang ratio akan tercapai dan menyebabkan produksi cyclin dan memulai replikasi DNA berikutnya dan pembelahan sel.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler Pada organisme multiseluler, keputusan untuk pembelahan sel harus dilakukan secara bersama sehingga hanya sel tertentu dan pada saat tertentu yang membelah diri. Tampaknya setiap sel yang sedang tumbuh membutuhkan sejumlah kecil sinyal pengatur positif yang disebut growth factors (al MPF) yang menstimulasi pembelahan sel. Bila sel sekitarnya sudah mangambil growth factors tersebut, sel akan kehilangan pemicu pembelahan sel.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler Growth factors bekerja dengan memicu sinyal intraseluler. Fibroblast hanya akan tumbuh dalam kultur sel bila ditambahkan serum pada medianya, hal ini disebabkan oleh plateletderived growth factor (PDGF). PDGF antara lain mengatasi hambatan pengontrol sel untuk membelah. Bila jaringan terluka, pelepasan PDGF oleh platelet akan memicu sel sekitarnya untuk membelahdan menyembuhkan luka.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler Lebih dari 50 GF berhasil diidentifikasi dan tiap GF dikenali oleh reseptor yang berbeda pada permukaan sel. Beberapa GF dapat dikenali oleh reseptor pada banyak sel, sementara lainnya hanya oleh sel tertentu. Bila sel kekurangan GF, maka pertumbuhan akan berhenti pada titik kritis G1 pada siklus sel. Penghentian ini disebut sebagai G0. Sel hati mengalami G0 yang panjang, demikian juga sel saraf dan sel otot biasanya berada dalam fase G0
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler PDGF dan GF lainnya menggunakan pendekatan positif pada siklus sel. Mereka memicu sel melewati titik kritis G1 melalui pembentukan siklin dan mengaktivasi gen yang mempromosikan pembelahan sel. Gen yang menstimulasi pembelahan sel disebut sebagai protooncogenes. Bila timbul mutasi pada gen ini, akan menjadi hiperaktif dan merubah mereka menjadi oncogenes dan menyebabkan proliferasi berlebih yang menjadi ciri dari sel kanker. Mutasi ini biasanya bersifat dominan, sehingga mutasi yang menyebabkan heterozygot juga menimbulkan perubahan ini.
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler Lebih dari 30 protooncogenes yang telah diidentifikasi al myc, fos, jun. Myc pada sel normal penting untuk mengatur titik kritis G1 karena sel dengan ekspresi myc tidak akan membelah walau dengan kehadiran GF. Myc dan beberapa gen lainnya yang merespon proto-oncogenes membentuk grup lain yang menunda, termasuk yang memproduksi cyclin dan Cdk
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler GF yang menggunakan jalur negatif untuk mengontrol sel dan mencegahnya melewati titik kritis G1 dengan mencegah pengikatan Cdk pada cyclin dan mencegah pembelahan sel. Gen yang mencegah pembelahan sel ini disebut sebagai tumor suppressor genes. Bila bermutasi akan timbul pertumbuhan sel yang eksesif dan bersifat resesif (harus keduanya bermutasi).
Kontrol dari siklus sel pada eukariota multiseluler Contoh dari tumor suppressor genes yang banyak dipelajari adalah gen retinoblastoma (Rb). Rb mengkode protein yang terdapat dalam jumlah besar di dalam nukleus. Protein ini berinteraksi dengan berbagai protein regulator dalam siklus sel, walau demikian interaksi ini tergantung dengan tahapan fosforilasinya. Pada fase G0, protein Rb mengalami defosforilasi. Rb akan terikat pada protein regulator seperti myc dan fos, sehingga mencegah aksi mereka dan pembelahan sel. Bila mengalami fosforilasi, Rb akan melepas protein2 tsb dan menyebabkan timbulnya pembelahan sel.
Meiosis Pada sel gamet, jumlah kromosom adalah satu atau disebut dengan haploid. Proses reproduksi sel gamet disebut sebagai meiosis dan karakteristik utamanya adalah memungkinkan seorang anak mewarisi sifat dari kedua orang tuanya. Pada eukariota uniseluler setiap sel individu berfungsi sebagai gamet dan bersatu dengan lainnya. Zygot akan mengalami mitosis atau meiosis untuk menjadi individu haploid. Pada sel tumbuhan sel haploid dihasilkan dari meiosis yang dibagi oleh mitosis. Sel tertentu pada fase haploid berkembang menjadi sel sperma atau telur
Meiosis Pada hewan, sel yang akan mengalami meiosis dan menjadi gamet akan terpisah dari sel somatik umumnya sejak awal perkembangan. Sel somatik dan sel yang memproduksi gamet adalah diploid, tetapi bila sel somatik mengalami mitosis untuk memproduksi dua sel anak yang identik secara genetik dan diploid, maka sel calon gamet akan mengalami meiosis dan menghasilkan gamet haploid.
Meiosis Meiosis pada sel hewan diploid akan mengalami dua kali pembelahan sel. Terdapat 2 hal yang membedakan meiosis dari mitosis: 1. Awal pembelahan inti, terdapat 2 versi kromosom yang disebut sebagai homolog, dipasangkan menurut panjangnya dan sering terjadi pertukaran genetik selama bersatu. Proses pertukaran ini disebut sebagai crossing over. Kromosom akan ditarik sepanjang ekuator dan selanjutnya masing2 homolog akan ditarik oleh mikrotubulus ke kutub yang berbeda sehingga setiap kromosom pada kutub hanya mempunyai satu homolog . Kromatid anak tidak berpisah pada pembelahan inti pertama ini.
Meiosis 2. Kromosom tidak bereplikasi sebelum pembelahan inti kedua. Proses ini identik dengan mitosis, walau demikian karena mekanisme crossing-over, kedua kromatid anak yang berpisah tidak identik satu dengan lainnya. Meiosis dibagi menjadi dua fase, meiosis I dan meiosis II. Setiap fase dibagi lagi menjadi profase, metafase, anafase dan telofase. Pada meiosis profase I lebih kompleks daripada mitosis.
Pembelahan meiosis pertama Profase I, DNA akan berkumpar menjadi padat dan kromosom individu terlihat pertama kalinya di bawah mikroskop cahaya. DNA sudah bereplikasi sebelumnya sehingga setiap benang mengandung dua kromatid anak yang terikat pada sentromernya. Ujung kromatid akan terikat pada amplop nukleus pada tempat spesifik.Tempat dimana homolog melekat berdekatan sehingga anggota dari dua kromosom yang homologi akan berdekatan. Mereka berjejer satu dengan lainnya dalam proses yang disebut sebagai sinapsis.
Pembelahan meiosis pertama Sejenis protein akan dibentuk diantara kromosom yang homolog dan membentuk struktur yang disebut synaptonemal complex. Pita protein ini memegang kedua kromosom secara tepat sehingga setiap gen berseberangan dengan partnernya pada kromosom homolog. Sinapsis menimbulkan crossing over, serangkaian peristiwa kompleks yang menyebabkan segmen DNA bertukaran dengan kromatid saudaranya. Setelah crossing over selesai, synaptonemal complex akan pecah dan kromosom homolog akan dilepas dari amplop nuklear dan mulai menjauh satu dari lainnya. Pada saat ini terdapat 4 kromatid untuk setiap kromosom
Pembelahan meiosis pertama Keempat kromatid tidak terpisah satu dengan lainnya disebabkan 2 hal: 1. Kromatid yang berasal dari satu replikasi DNA akan terikat pada sentromernya 2. Homolog yang berpasangan terikat bersama oada titik dimana crossing over terjadi pada synaptonemal complex Bukti crossing over sering terlihat pada mikroskop cahaya sebagai struktur berbentuk X yang disebut sebagai chiasma. Chiasma/ta bergerak ke ujung kromosom ketika kromosom homolog berpisah.
Pembelahan meiosis pertama Metafase I: Stadium kedua dari meiosis I, amplop nukleus akan hilang dan mikrotubulus membentuk spindel, seperti pada mitosis. Chiasmata yang terbentuk pada profase akan melanjutkan pergerakannya ke bawah kromosom yang berpasangan dari titik asal crossing over, hingga mencapai akhir kromosom. Pada titik ini akan disebut chiasmata terminal. Chiasmata terminal ini akan mengikat kromosom homolog bersama sehingga hanya satu sisi sentromer yang menghadap luar kompleks. Sisi lainnya menghadap ke dalam dan bagian dari homolog satunya
Pembelahan meiosis pertama Perlekatan pada satu sisi ini berbeda dengan pada mitosis dimana kinetokor pada kedua sisi sentromer terikat oleh mikrotubulus. Setiap pasangan homolog akan berjajar pada bidang metafase. Orientasi dari tiap pasangan ke aksis spindel: Tiap homolog akan berorientasi ke kutub yang berbeda secara random
Pembelahan meiosis pertama Anafase I: Setelah perlekatan spindel, mikrotubulus dari benang spindel akan mulai memendek. Selama memendek mereka akan memecah chiasmata dan menarik sentromer ke arah kutub dan bersama itu juga kromosomnya. Karena mikrotubulus terikat pada kinetokor hanya pada satu sisi sentromer, sentromer individu tidak terpisah untuk membentuk dua sentromer anak seperti pada mitosis, tapi semua sentromer menuju ke satu kutub. Ketika benang spindel berkontraksi, setiap kutub mempunyai set lengkap kromosom haploid, masing2 berisi satu anggota pasangan homolog.
Pembelahan meiosis pertama Telofase I: Pada telofase I, kromosom akan bersegregasi menjadi dua kelompok pada kutub dari sel. Setiap kromosom bereplikasi sebelum meiosis dimulai dan mempunyai 2 kromatid yang berlekatan pada sentromer bersamanya. Sitokinesis mungkin terjadi atau tidak terjadi pada akhir telofase I. Pembelahan meiosis kedua mungkin terjadi.
Pembelahan meiosis kedua Meiosis kedua adalah proses mitosis sederhana yang melibatkan produk dari meiosis I. Pada kedua kutub sel, kelompok kromosom akan membelah secara mitosis. Benang spindel terikat pada kedua sisi sentromer, membagi mereka dan menggerakan mereka ke kutub yang berbeda. Hasil dari pembelahan mitosis ini adalah 4 haploid komplemen dari kromosom. Nukleus akan direorganisasi dan amplop nukleus akan terbentuk disetiap set haploid kromosom dan akhirnya akan membentuk sel gamet.
Diferensiasi sel Pada organisme multiseluler, sel akan berdiferensiasi antara lain melalui ekspresi gen yang diatur. Pada fungi, sebagian besar perkembangan akan menjadi sel reproduksi. Pada tumbuhan, beberapa sel akan mempunyai fungsi khusus. Walau demikian, tumbuhan mempunyai fleksibilitas, sehingga perkembangan jaringannya akan dipengaruhi juga oleh lingkungannya.
Diferensiasi sel Pada hewan, perkembangan diferensiasi sel lebih spesifik dan dilakukan melalui mekanisme khusus yang tidak banyak dipengaruhi oleh lingkungan. Pada vertebrata, perkembangan adalah suatu proses dinamis dimana sel yang membelah diri dengan cepat bergerak terhadap lainnya dan membentuk dasar geometri dari tubuh. Pada sisi yang berbeda, sel-sel khusus akan berkembang membentuk organ tubuh, diikuti oleh pertumbuhan dalam hal ukuran dan bentuk. Perkembangan ini dibagi menjadi beberapa fase secara sembarang.
Diferensiasi sel Cleavage: Vertebrata dimulai dengan satu sel telur yang dibuahi. Zygot kemudian akan mulai membelah diri secara cepat menjadi serangkaian sel yang semakin kecil dengan jumlah yang semakin besar (blastomer), sampai membentuk bola yang padat. Proses pembelahan sel awal disebut dengan cleavage, tidak diikuti dengan peningkatan ukuran akhir dari embryo. Ujung dari zigot disebut sebagai kutub vegetal dan animal. Secara umum blastomer pada kutub animal akan membentuk jaringan eksternal dari tubuh, sementara vegetal pole akan membentuk jaringan internal dari tubuh.
Diferensiasi sel Inisiasi dari orientasi kutub ini ditentukan oleh lokasi dimana nukleus sperma memasuki sel telur saat fertilisasi. Titik ini kurang lebih merupakan bakal perut. Setelah kurang lebih 12 kali pembelahan, kecepatan cleavage melambat dan gen-gen kunci akan mulai ditranskripsikan dalam embryo.
Diferensiasi sel Blastomer yang terluar akan bersatu dengan ikatan yang kuat yaitu protein yang mengelilingi sel dan menyatukannya dengan sel tetangganya. Hubungan ini akan menciptakan isolasi yang menghindari massa interior sel dari media sekitarnya. Pada stadium 16 sel, sel dari interior akan mulai memompa ion Na+ dari sitoplasmanya menuju ruang antar sel. Perbedaan osmotik akan menyebabkan air ditarik menuju pusat dari masa sel dan membesarnya ruang interseluler. Ruang ini akan bersatu dan membentuk satu rongga besar ditengah massa sel dan menghasilkan bola sel yang kosong ditengah disebut sebagai blastula.
Diferensiasi sel Gastrulasi Salah satu dinding blastula akan terdorong kedalam pada kutub vegetal, membentuk gastrula. Sel pada kutub vegetal akan bergeser dengan menggunakan ekstensi yang disebut lamellipodia menuju sel tetangganya, sehingga lembaran sel pada kutub vegetal akan berkontraksi dan terdorong kedalam dan memulai invaginasi.
Diferensiasi sel Gastrulasi akan membentuk aksis utama dari vertebrata, mengubah blastula menjadi embrio yang simetris secara bilateral dengan tabung saluran cerna pada bagian tengahnya dan membuka ke luar. Pada saat ini, embrio akan mempunyai 3 lapisan germinal. Sel-sel yang menginvaginasi dan membentuk tabung usus primitif adalah endoderm, akan membentuk lambung, paru, hati dan kebanyakan dari organ dalam lainnya. Sel yang tetap berada di luar disebut ektoderm dan akan membentuk jaringan kulit dan sistem saraf.
Diferensiasi sel Sel-sel yang memisahkan diri dari sel yang menginvaginasi dan memasuki ruang antar usus dan dinding luar disebut mesoderm dan akan membentuk notokord, tulang, pembuluh darah, jaringan penyambung dan otot. Setelah gastrulasi selesai, sebagian ektoderm akan menebal pada permukaan dorsal embryo dipicu oleh kehadiran notokord. Penebalan ini disebabkan elongasi dari sel ektodermal tertentu. Sel tersebut akan membentuk baji dengan kontraksi dari kumparan filamen aktin pada salah satu ujungnya.
Diferensiasi sel Perubahan ini menyebabkan sel bergulung menjadi satu tabung dan kemudian akan menjadi otak dan medula spinalis.Tabung ini disebut sebagai neural tube dan prosesnya disebut sebagai neurulasi Selanjutnya berbagai kelompok sel akan berpindah pada lokasi2 tertentu, termasuk sel neural crest yang terpisah dari neural tube membentuk sejumlah struktur termasuk beberapa alat sensorik. Sel yang berpisah dari blok pusat otot disebut somit dan membentuk otot rangka. Demikian juga prekursor dari sel darah dan gamet.
Diferensiasi sel Pada akhir dari migrasi sel dan kolonisasi, dasar dari vertebrata telah terbentuk, walau embrio hanya berukuran beberapa mm dan hanya mempunyai 100.000 sel. Pada perkembangan selanjutnya, jaringan akan membentuk organ dan embrio akan tumbuh menjadi ratusan kali besarnya.
Diferensiasi sel Terdapat 6 mekanisme penting untuk perkembangan dari berbagai organisme: 1. Pergerakan sel. Sel bermigrasi dalam berbagai tahapan perkembangan dan menempuh jarak jauh sebelum mencapai tempat akhir dimana dia akan berkembang. Kebanyakan jaringan mengandung sel yang berasal dari berbagai bagian embryo. Salah satu cara sel bergerak adalah dengan menarik diri mereka disepanjang molekul adhesi seperti protein Cadherin.
Diferensiasi sel Cadherin menjangkau plasma membran dan keluar dari permukaan sel. Bagian sitoplasmik dari molekul terikat ke aktin atau intermediate filament dari sitoskeleton dimana bagian ekstraseluler mempunyai 5 segmen 100 AA yang terikat sambung menyambung. 3 atau lebih dari segmen ini mempunyai tempat pengikatan Ca2+ yang sangat penting untuk perlekatan cadherin dengan sel lainnya.
Diferensiasi sel Terdapat berbagai tipe cadherin yang masing2 mempunyai tipe segmen yang berbeda. Bila sel bermigrasi ke jaringan yang berbeda, cadherin yang dibentuk olehnya juga akan berubah. Sel yang mengekspresikan dua cadherin yang berbeda akan memisahkan diri dan membentuk 2 kelompok sel.
Diferensiasi sel 2. Induksi Pada mamalia, semua blastomer akan mendapat determinan yang sama dan pembentukan tubuh ditentukan oleh interaksi antar sel, sebuah pola perkembangan yang disebut perkembangan regulatif. Contoh pentingnya interaksi antar sel adalah bila kutub vegetal dipisahkan akan membentuk endoderm dan kutub animal akan membentuk sifat2 ektoderm, tapi tidak akan pernah membentuk sifat2 mesoderm. Tapi apabila kedua sel tersebut ditempatkan bersebelahan, beberapa sel kutub animal akan berkembang menjadi mesoderm. Perpindahan jalur perkembangan dari suatu sel ke yang lainnya sebagai akibat interaksi disebut sebagai induksi.
Diferensiasi sel Perubahan ini karena adanya sekresi protein dari sel yang menginduksi sebagai bentuk sinyal interseluler. Kadang terdapat sekelompok sel yang disebut organizer yang memproduksi sinyal molekul yang terlarut dan memberikan informasi posisi dari sel lainnya. Organizer mempunyai pengaruh penting pada jaringan sekitarnya. Semakin dekat sekelompok sel dengan organizer, semakin tinggi sinyal molekul yang didapat. Sinyal ini disebut sebagai morfogen.
Diferensiasi sel Sebuah morfogen mempunyai beberapa efek yang berbeda tergantung dari jarak antara organizer dengan lokasi sel. 3. Determinasi Sel ovum mamalia simetris bentuknya sehingga semua sel pada blastoderm awal sampai 8 sel adalah simetris. Sel-sel ini disebut sebagai totipoten, artinya mampu mengekspresikan semua gen dalam genomnya. Bila mereka dipisahkan, setiap sel mampu berkembang menjadi individu utuh. Sebaliknya bila dua sel totipoten dikombinasikan, mereka juga mampu membentuk individu normal yang disebut chimera (karena mengandung sel dari lini genetik yang berbeda).
Diferensiasi sel Sel mamalia baru berbeda setelah fase 8 sel, sebagai akibat interaksi antar sel. Pada saat ini, perkembangan masing2 sel sudah dipastikan dan menjadi irreversibel. Proses ini disebut sebagai determinasi. Sel yang akan menjadi otak pada awal blastula, akan berkembang mengikuti sel sekitarnya, tapi bila dilakukan pada akhir gastrula, sel tetap akan berkembang menjadi sel sarat. Determinasi berbeda dengan diferensiasi. Pada diferensiasi, sel berkembang menjadi spesialisasi tertentu pada akhir jalur perkembangan. Sel sudah akan dideterminasikan untuk menjadi jaringan tertentu jauh sebelum diferensiasi dimulai.
Diferensiasi sel Proses determinasi ditentukan oleh protein pengatur gen tertentu yang menentukan ekspresi gen dan menginisiasi perkembangan. Bila gen yang memproduksi protein ini diaktifkan, salah satu efeknya adalah memperbanyak ekspresi dari gen itu sendiri, sehingga menimbulkan serangkaian reaksi yang tidak dapat dibalik. Sering sel yang dideterminasi akan menempati posisi tertentu yang disebut sebagai positional labels.
Diferensiasi sel 4. Pembentukan pola Seringkali sel hewan menggunakan informasi posisi sebagai dasar pembagian ruang dari tubuh. Pada Drosophila, sebelum fertilisasi, terdapat asimetri pada sel telur disebabkan oleh gen yang disebut bicoid pada mRNA maternal, menandakan titik yang akan menjadi bagian anterior embryo. Fertilisasi akan menyebabkan translasi menjadi protein bicoid membentuk morfogen. Pola ini akan mengaktifkan berbagai macam kelompok gen yang akan menentukan pembentukan pola pada embryo
Diferensiasi sel 5. Ekspresi dari gen homeotik Setelah pembentukan pola, serangkaian gen homeotik akan berfungsi sebagai saklar induk untuk menentukan pembentukan dari berbagai segmen. Gen homeotik dianggap sebagai kode untuk protein yang berfungsi sebagai faktor transkripsi, mengaktivasi modul program genetik tertentu yang akan memulai produksi dari bagian tubuh yang spesifik. Mutasi pada gen ini akan menyebabkan terbentuknya bagian tubuh normal pada tempat yang salah.
Diferensiasi sel 6. Kematian sel terprogram Sebagian sel tidak akan berkembang dan akan mati. Kematian sel ini diprogram dan bukan kecelakaan. Sel yang mati karena diprogram ini akan menciut dan mengalami proses yang disebut apoptosis. Sisanya akan diambil oleh sel sekitarnya. Terdapat berbagai gen yang berperan dalam program ini. Pada sel manusia, gen bax mengkode program kematian, bcl-2 merepresinya.
