SISTEM IMUN DIBAWAH KONTROL GENETIK
PENDAHULUAN Suatu substansi asing yang disebut antigen, misalnya protein, asam nukleat, polisakarida, lipida dari bakteri, virus bila memasuki aliran darah dari mamalia akan memicu mekanisme pertahanan yaitu respon imun yang mengakibatkan sintesis kelompok protein yang sangat penting yaitu antibodi. Antibodi-antibodi tersebut mengikat antigen-antigen dengan spesifikasi khusus dan membuang antigen dari sistem sirkulasi. Pada dekade terakhir, para ilmuwan telah menemukan sekuen-sekuen DNA yang mengkode susunan antibodi yang dihasilkan oleh sistem imun mamalia yang terakit selama diferensiasi sel-sel penghasil antibodi dengan adanya suatu set penyusunan kembali genom (genome rearrangement). KOMPONEN SISTEM IMUN Terdapat tiga tipe sel darah putih yang berperan dalam respon imun vertebrata yaitu : 1. Limfosit B, disebut sel B karena diproduksi oleh bone marrow (sumsum tulang) 2. Limfosit T, disebut sel T yang diproduksi dalam kelenjar timus 3. Makrofag Antibodi-antibodi disintesis oleh limfosit B dam antibody ini bisa disekresi atau tetap terikat membran pada permukaan sel B, tergantung kondisinya, selama respon imun humoral/cair, antibodi mengikat antigen bebas dalam sistem sirkulasi dan mengaglutinasinya. Hasilnya adalah kompleks antibodi-antigen yang kemudian didigesti atau didegradasi oleh makrofag. Limfosit T menjadi perantara dalam respon imun sel. Sel T mensintesis reseptor-reseptor yang mengenali antigen-antigen pada permukaan sel dan memicu lisisnya sel-sel yang mengandung antigen melalui aktivasi sel-sel T. Limfosit T yang berbeda akan menunjukkan cara kerja yang berbeda pula. Secara umum serangan sel T yang membawa antigen membutuhkan reseptor yang spesifik dan satu atau lebih histocompatibility.
0
Gambar 1. Skema utama komponen respon imun vertebrata Keterangan gambar 1 suatu substansi asing seperti protein pembungkus virus yang bertindak sebagai antigen memicu sintesis seumlah besar antibodi yang bereaksi spesifik tehadap antigen dan membuangnya dari sistem sirkulasi. Terdapat dua respon imun yang terjadi: 1) Limfosit B mensintesis dan mensekresikan antibody yang akan mengikat antigen-antigen bebas dalam aliran darah, kompleks tersebut kemdian di inesti dan dihamcurkan oleh makrofag. 2) limfosit T mensintesis reseptor antigen yang tatap terikat membran pada permukaan sel-sel T. Reseptor antigen bekerja bersama dengan reseptor antigen istocompatibility untuk mengenali dan menghancurkan sel-sel yang membawa antigen. Dengan demikian antigen sel-sel B melakukan respon imun humoral dan sel-sl T melakukan respon imun selular.
BERBAGAI KAJIAN ANTIBODI
1
Sistem imun bila ditinjau dari aspek genetika memiliki banyak keanekaragaman yang besar dari antibody yang dapat disintesis dalam merespon antigen yang sebelumnya belum diketahui pada hewan. Tidak diketahui secara pasti berapa antibodi yang dihasilkan pada tikus ataupun manusia, secara jelas diketahui bahwa antibody yang dihasilkan sangat banyak. Genome pada manusia( misalnya pada manusia, satu dari masing-masing 23 pasang kromosom manusia) mengandung 3 x 109 pasangan nukleotida. Jika semua DNA berada dalam bentuk gen-gen dengan “uninterupted coding sequences” yang masingmasing panjangnya 1000 nukleotida., genom tersebut akan mengandung 3 juta gen. telah diketahui bahwa kebanyakan dari gen-gen mengkode beraneka ragam molekul RNA, enzim dan protein struktural. Gen-gen tersebut juga mengandung banyak”long noncoding intron”.
BABERAPA HIPOTESIS: DASAR GENETIKA KEANEKARAGAMAN ANTIBODI Ada tiga hipotesis yang menjadi dasar keanekaragaman antibody, diantaranya: 1. Hipotesis germ line Menyatakan bahwa terdapat gen germ line yang terpisah untuk setiap antibody 2. Hipotesis somatic mutation Menyatakan bahwa terdapat satu atau beberapa gen germ line spesifik untuk setiap kelas antibody dan keanekaragamannya disebabkan oleh tingginya frekuensi mutasi somatik, yaitu mutasi pada sel-sel somatic penghasil antibodi atau dalam garis yang mengarah pada sel-sel penghasil antibodi. 3. Hipotesis minigene Menyatakan bahwa keanekaragaman disebabkan oleh shuffling (dikocok) segmen-segmen kecil beberapa gen menjadi sejumlah besar kemungkinan kombinasi, shuffling terjadi karena proses rekombinasi dalam sel-sel somatik. Diketahui bahwa hipotesis minigene menjelaskan keanekaragaman yang dapat diamati, demikian pula keanekaragaman somatik juga memiliki kontribusi keanekaragaman. Dari rantai antibody terspesifikasi oleh suatu gen yang ada pada
2
genom dengan sedikit kopian. Demikian ketiga hipotesis dapat diterima dan benar dalam hal tertentu.
STRUKTUR ANTIBODI
Gambar 2. Struktur antibody Setiap antibody meruakan tetramer yang tersusun atas empat rantai polipeptida 2 rantai beratyang identik dan 2 rantai ringan yang. Setiap rantai terdiri atas variable region dan constant region. Setiap antibody memiliki dua antigen binding site yang tersusun atas variable region rantai berat dan ringan. Rantai berat dan ringan dihubungkan dengan ikatan disulfida Antibodi termasuk kelas protein yang disebut immunoglobulin. Setiap antibody adalah tetramer yang tersusun atas 4 polipeptida, 2 rantai ringan yang identik dan 2 rantai berat yang identik tergabung oleh ikatan disulfida.rantai ringan panjangnya kurang lebih 220 asam amino dan rantai berat kurang lebih 440-450 asam amino variable region, diman sekuen asam amino bervariasi diantara antibody spesifik untuk antigen-antigen yang berbeda dan suatu ujung karboksil constant region dimana sekuen asam aminonya sama untuk semua antibody dari kelas immunoglobulin(Ig) tertentu, tergantung spesifikasi antigenbinding. Variable region pada semua rantai antibodi panjangnya kurang lebih 110 asam amino. Daerah khusus yang mambawa fungsi khusus disebut domain. Setiap antibody memiliki 2 antigen-binding site atau domain, masing- masing dibentuk oleh daerah yang bervariasi (variable region)dari satu rantai ringan dan rantai berat. Daerah konstan(constant region) dari dua rantai berat berinteraksi membentuk domain ketiga yang disebut Effector function domain, yang dapat
3
merespon interaksi yang sesuai dari antibodi dan dengan komponen lain sistem imun. Terdapat lima kelas antibody yaitu IgM, IgD, IgG, IgE, IgA. pengelompokan dan fungsi dari antibody tersebut ditentukan oleh struktur rantai berat daerah konstan (heavy chain constant region) yaitu struktur dari effector function domainnya. Sebagai contoh pada antibody IgD biasanya tetap terikat pada permukaan sel tempat mereka disintesis, sedangkan antibody IgG biasanya disekesikan dan disirkulasikan ke seluruh tubuh. Rantai ringan memiliki dua tipe yaitu kappa dan lambda. Struktur ini ditetukan oleh struktur rantai ringan daerah konstan (light chain constant region). Antibodi memiliki spesifikasi antigenbinding yang sama yang di tentukan oleh variable region pada keempat rantai tetapi fungsi imunologisnya berbeda, fungsi tersebut ditentukan oleh constant region pada dua rantai berat. Antibodi memiliki keanekaragaman pada bagian terbesar dari variable region suatu molekul. Jika olipeptida disintesis dari sekuen gen “collinear nucleotide pair”, satu gen dari setiap rantai polipeptida
genome akan
mengandung susunan gen yang sangat besar dengan sekuen yang bervariasi pada satu ujung dan sekun yang identik di ujung lain.
KENEKARAGAMAN ANTIBODI: PENYUSUNAN KEMBALI GENOME (GENOME REARRANGEMENT) SELAMA DIFERENSIASI LIMFOSIT B Informasi genetik pengkode rantai antibodi tersimpan pada potongan dan perangkat (bits and pieces) potongan rantai terpasang pada sekuen yang sesuai genome rearrangement selama perkembangan sel penghasil antibody (Limfosit B). Masing-masing limfosit B hanya memproduksi antibodi tipe tunggal. Semua antibody yang dihasilkan oleh limfosit B tertentu memiliki spesifikasi antigenbinding yang sama. Rantai antibody disintesis menggunakan informasi yang tersimpan dalam berbagai gen dari segmen-segmen gen yang berbeda. Kappa light chain (Rantai Ringan Kappa) Sintesis rantai ringan kappa dikontrol oleh tiga segmen yang berbeda yaitu.
Segmen gen Vk Pengkode ujung N asam amino 95 pada daerah yag bervariasi (variable region)
4
Segmen gen Jk (joining segment) Pengkode´”constant region-proximal” asam amino pada variable region
Segmen gen CK Pengkode ujung C daerah konstan. Segmen keempat adalah segmen LK berfungsi mengkode ujung N hydrofobi leader sequences asam amino yang panjangnya 17-20 , yang penting untuk transport rantai antibodi melalui membrane sel. “leader sequences” akan terputus dari rantai saat melewati membran sehingga bukan bagian dari antibodi keseluruhan. Pada tikus dan manusia semua segmen gen rantai kappa berlokasi pada
kromosom yang sama, yaitu kromosom 2 pada manusia. Begitu juga pada segmen gen lambda ( Pada kromosom ke-22 pada manusia), dan segmen gen rantai berat (pada kromosom ke-14 pada manusia). Terdapat sejumlah besar segmen gen VK kurang lebih 300 ang masing-masing berdekatan dengan segmen gen LK, disisi lain terdapat satu segmen gen CK, lima segmen gen JK (satu diantaranya nonfungsional pada tikus) berlokasi diantara segmen gen VK dan segmen gen CK. Dalam sel-sel germ line lima segmen JK terpisah dengan segmen VK dengan sekuen non koding yang panjang dan dari segmen C K dengan sekuen non koding yang memiliki panjang sekitar 2000 pasang nukleotida. Selama perkembangan limfosit B, gen rantai ringan kappa khusus yang akan di ekspresikan dalam sel tersebut akan dirkit dari satu segmen LK-VK satu segmen JK, dan segmen tunggal CK melalui proses rekombinasi somatik. Proses tersebut menggabungkan salah satu dari sekitar 300 LK-VK dengan salah satu dari lima segmen JK dengan delesi dari semua DNA intervening. Hal ini menghasilkan befungsinya segmen gen VKJK pengkode keseluruhan variable region dari rantai kappa. Sekuen non koding diantara kelompok segmen gen Jk, segmen gen CK, dan segmen CK-proximal JK. Jika ada ttap berada diantara segmen VKJK dan segmen CK pada limfosit yang terdiferensiasi. Keseluruhan segmen DNA ini (LK- VKJKnoncoding-CK) ditranskripsikan dan sekuen noncoding dibuan selama pemrosesan RNA seperti sekuen noncoding atau intron dari gen eukariotik yang lain. Lambda Light Chain (Rantai Ringan Lambda) Rantai ringan lambda juga terkait dari segmen-segmen yang terpisah selama perkembangan limfosit B. Perbedaan utama adalah bahwa setiap segmen
5
Jλ berada besama segmen Cλ, Genome rearrangement yang diperlukan untuk sintesis rantai lambda terjadi penggabungan segmen Lλ- Cλ. Pada segmen JλCλ. Pada tikus hanya memiliki empat segmen Jλ- Cλ, sedangkan manusia memiliki eman segmen. Heavy Chains (Rantai Berat) Pengkode informasi genetic rantai berat antibody diorganisasi menjadi segmen gen LH-VH,JH, dan CH yang analog pada rantai ringan kappa, tetapi terdapat segmen tambahan uga men D Diversity (keanekargaman) yang mengkode 2-13 asam amino yang berada di daerah variabel. Daerah varibael pada rantai berat dikode oleh tiga segmen gen yang terpisah yang bergabung selama perkembangan limfosit B. Sebagai tambahan terdapat satu sampai empat segmen gen CH untuk setiap kelas Ig. Pada tikus terdapat 8 segmen gen CH yang semuanya fungsional dan memiliki susunan tertentu. Pada manusian terdapat 9 atau 10 segmen gen CH. kelompok gen CH manusia juga mengandung 2 gen nonfungsional yang disebut pseudogene dengan struktur yang sangat mirip. Pseudogenes merupakan dulikasi sebagian dari gen srtuktural yang mengalami perubahan yang secara biologis mereka tidak aktif dan biasanya tidak ditranskripsikan yang banyak dijumpai pada eukariotik. Pada sel-sel germ line tikus terdpata sekitar 300 segmen gen LH-VH yang menyerupai segmen gen 10-500D, segmen gen 4 JH, dan semen gen 8 CH. Selama perkembangan limfosit B dari stem cell terjadi penggabungan rekombinasi somatic yang menggabungkan sau segmen gen LH-VH dengan satu segmen D dan satu segmen gen JH, delesi dua sekuen intervening DNA membentuksekuen DNA kkontinyu (VHDJH) yang mengkode keseluruhan rantai berat.
6
Gambar 3. Kappa light chains dan Heavy chains Class Swithing Pada saat sintesis antibody dimulai dalam perkembangan limfosit B semua segmen gen CH tetap ada terpisah dari segmen gen yang baru terbentuk yaitu gen LH-VHDJH dari sekuen noncoding yag memendek. Pada tahap ini semua antibody yang disintesis memiliki rantai berat IgM, bila suatu antigen dikenali dan diikat antibody pada permukaan limfosit B yang sednag berkembang, sel tersebut menstimulasi diferensiasi menjadi limfosit B dewasa. Selama diferensiasi beberapa sel limfosit B akan di swith dari penghasil antibody kelas IgM menjadi beberapa penghasil antibody kelas lain. Fenomena ini disebut class swithing yang melibatkan genome rearrangement selam segmen CH yang terdekat pada gabungan segmen gen LH-VHDJH mengalami delesi. Kelas antibody yang dihasilkan setelah class switching ditentukan oleh gen yang menjadi terdekat dengan segmen gen LH-VHDJH
TAHAPAN SINYAL PENGATURAN PENYUSUNAN KEMBALI GENOM (GENOM REARRANGEMENT) Beberapa segmen panjang dari DNA kromosom membawa kelompok segmen gen V, segmen gen D, dan segmen gen J pada tikus dan manusia telah disekuen dan hasil sekuen menunjukkan adanya sinyal gabungan V-J, V-D, dan D-J yang spesifik. Sekuen
sinyal
pengontrol
penggabungan itu mempunyai sekuen heptamer dan nonamer yang terpisah oleh spacer yang berbeda tetapi panjangnya spesifik. Sekuen sinyal mempunyai struktur
potensi
stem
dan
membentuk loop
yang
7
menyebabkan segmen gen Vk dan Jk yang sejajar menggabung. KEANEKARAGAMAN ANTIBODI TAPAK PENGGABUNGAN YANG BERVARIASI (VARIABLE JOINING SITE) DAN MUTASI SOMATIK Terdapat lebih banyak variasi sekuen asam amino pada V-J junction dibanding dengan prediksi melalui sekuen nukleotida yang diprediksikan. Kebanyakan keanekaragaman tambahan ini dapat dijelaskan melalui variasi dalam tapak rekombinasi selama peristiwa penggabungan V-J. Contohnya terjadinya alternasi tapak penggabungan pada segmen gen VK dan segmen gen JK pada tikus. Segmen gen VK41 dan J5, rekombinasi terjadi diantara 4 nukleotida yang berdekatan rekombinasi
posisinya. adalah
4
Hasil sekuen
nukleotida berbeda yang mengkode 3 asam amino berbeda pada posisi 96 pada rantai kappa tikus.
Alternasi
yang sama juga ditemukan pada reaksi penggabungan Vλ-Jλ dan VH-D-JH. Mekanisme
lainnya
adalah
dengan membandingkan (1) sekuen pasangan nukleotida dari gen yang diekspresikan dengan sekuen segmen gen germ line, dan (2) sekuen asam amino yang sebenarnya pada rantai antibodi dengan sekuen asam amino yang sesungguhnya dari rantai λ1 tikus yang berbeda dibandingkan dengan sekuen asam amino yang diprediksi pada rantai ringan λ1, ternyata ditemukan perbedaanperbedaan dalam variable region dari tapak-tapak junction. Pada semua kasus, perubahan dihasilkan dari substitusi pasangan nukleotida tunggal yang diperkirakan terjadi melalui beberapa mekanisme mutasi somatik pada sekuen DNA pengkode variable region pada rantai antibodi. Perubahan dalam frekuensi yang tinggi sering disebut somatik hypermutation (hipermutasi somatik). Hipermutasi somatik mempunyai nilai yang besar pada organisme yang
8
menghasilkan keanekaragaman antibodi dan keterkaitannya dengan varian-varian baru penentu antigenik baru pada virus dan patogen lain. BEBERAPA KOMBINASI Dengan memperhatikan jumlah rantai ringan kappa yang berbeda pada manusia yang kemungkinannya: 300 segmen gen VK X 5 segmen gen JK ≈ 1500 segmen gen VK-JK terfusi. Begitupula dengan rantai berat variable region estimasinya mencapai 67.500.000 antigen binding site yang berbeda karena adanya multiplikasi segmen gen D.
REGULASI TRANSKRIPSI: SUATU ENHANCER SPESIFIK TAPAK Gen antibodi germ line tidak ditranskripsikan atau ditranskripsikan pada tingkat yang sangat rendah. Pada gen rantai berat, nampaknya proses rearrangement melibatkan promoter yang terletak pada segmen LH-VH di arah hulu yang mempengaruhi elemen enhancer yang terletak pada intron diantara segmen gen JH dan CH. Peristiwa rearrangement yang terjadi selama diferensiasi sel B mengatur promoter supaya berjarak kurang dari 2000 pasang nukleotida dari enhancer dan selanjutnya dapat mengaktifkan transkripsi. Enhancer ini bersifat spesifik jaringan yang mengaktifkan transkripsi hanya pada limfosit dan tidak berpengaruh pada sel lain.
Gambar 6. Suatu Enhancer Spesifik Tapak
CLONAL SELECTION Bagaimana organisme akan melakukan inisiasi sintesis antibodi spesifik terhadap antigen yang belum pernah diketahui sebelumnya? Hal ini dapat dijelaskan melalui teori “clonal selection” yang menyatakan bahwa pengikatan antigen asing khusus pada suatu antibodi di permukaan suatu limfosit B khusus
9
dalam jumlah besar sehingga sejumlah besar antibodi khusus mengenali antigen asing.
Gambar 7. diagram skematik clonal seleksi dalam respon imun
ALLELIC EXCLUTION Masing-masing limfosit B membuat hanya satu tipe antibodi. Sel mamalia adalah diploid. Tetapi hanya satu sekuen pengkode rantai ringan dan hanya satu sekuen pengkode rantai berat dari genome rearrangement yang produktif terdapat dalam masing-masing limfosit B. Fenomena ini disebut allelic exclution sebab satu dari alela-alela diabaikan selama ekspresi.
VARIABILITAS RESEPTOR SEL T Sel-sel T mengenali antigen-antigen pada permukaan sel dan membunuh sel-sel yang mengandung antigen-antigen tersebut. Sel-sel T mampu mengenali dan menghancurkan sel-sel yang membawa berbagai macam antigen. Sel-sel T menghasilkan
reseptor-reseptor
yang
terikat
membran.
Keanekaragaman
spesifikasi reseptor sel T dihasilkan oleh genome rearrangement selama diferensiasi limfosit T. Limfosit T menghindari interaksi dengan antigen-antigen bebas agar fungsinya tidak sama dengan sel-sel B dengan cara saat sel-sel B tidak
10
aktif, sel T secara simultan akan mengenali antigen pengganggu yang terdapat pada permukaan sel dan protein lain yang melekat pada permukaan sel. Reseptor-reseptor sel T tersusun atas dua rantai polipeptida α dan β, masing-masing dikode oleh segmen gen L-V, D,J,dan C seperti rantai antibodi. Seperti rantai antibodi, polipeptida α dan β juga mengandung variable region yang membentuk pengikatan constan
tapak-tapak antigen region
dan yang
melekatkan
reseptor
permukaan
sel.
pada
Variable
region pada reseptor sel T dikode oleh banyak segmen gen L-V,D,J, constan region dikode oleh sedikit segmen gen C. Gen-gen reseptor sel T dirakit oleh penyusun kembali genom yang terjadi selama diferensiasi limfosit T dari sel-sel stem. Kelompok segmen gen lain mengkode tipe ketiga polipeptida reseptor sel T yaitu V yang terdapat pada sel T tertentu. Sekuen sinyal heptamer dan nonamer yang serupa dengan penyusunan kembali gen antibodi juga terdapat pada lokasi yang sama dalam kelompok gen reseptor sel T.
Gambar 8. organisasi lokus compleks
MAJOR HISTOCOMPATIBILITY COMPLEX Komponen lain pada respon imun seperti antigen-antigen transplantasi yang dapat direspon dengan penolakan pada jaringan asing dalam operasi transplantasi dikendalikan oleh kompleks multigen yang disebut MHC (major histocompatibility complex). Gen-gen MHC tergolong highly polimorphic karena
11
sejumlah besar alela gen-gen individu biasanya mengalami segregasi pada suatu populasi. Gen-gen MHC mengkode tiga kelas protein yang berbeda yang terlibat pada aspek yang berbeda dalam respon imun. Protein kelas I adalah glikoprotein yang terdapat pada semua sel organisme. Protein MHC kelas I adalah antigen yang dapat direspon untuk penolakan jaringan asing pada transplantasi jaringan dan organ. Gen-gen MHC kelas II mengkode polipeptida yang terletak pada permukaan limfosit B dan makrofag. Protein MHC kelas II menyediakan tipe khusus limfosit yang dissebut “T helper cell” dengan kemampuan mengenali dirinya sendiri dan memfasilitasi komunikasi diantara tipe-tipe sel yang berbeda yang terlibat dalam respon imun. Gen MHC kelas III mengkode protein komplemen yang berinteraksi dengan kompleks antibodi-antigen dan menginduksi lisis sel. Antigen MHC kelas I dan II dibuang dalam membran sel dan punya struktur yang sangat mirip struktur reseptor sel T. Tidak ada genome rearrangement yang terlibat dalam kontrol genetik keanekaragaman antigen MHC. Keanekaragaman yang diobservasi dihasilkan dari keberadaan sejumlah besar gen-gen MHC dengan polimorfisme yang lebih tinggi.
Gambar 9. Major Histocompatibility Complex
12
PERTANYAAN DAN JAWABAN 1. Mengapa Antibodi termasuk kelas protein yang disebut immunoglobulin? Jawaban: Setiap antibody adalah tetramer yang tersusun atas 4 polipeptida, 2 rantai ringan yang identik dan 2 rantai berat yang identik tergabung oleh ikatan disulfida.rantai ringan panjangnya kurang lebih 220 asam amino dan rantai berat kurang lebih 440-450 asam amino variable region, diman sekuen asam amino bervariasi diantara antibody spesifik untuk antigen-antigen yang berbeda dan suatu ujung karboksil constant region dimana sekuen asam aminonya sama untuk semua antibody dari kelas immunoglobulin(Ig) tertentu, tergantung spesifikasi antigen-binding. Variable region pada semua rantai antibodi panjangnya kurang lebih 110 asam amino. 2. Jelaskan segmen gen rantai kappa Pada tikus dan manusia! Jawaban: Pada tikus dan manusia semua segmen gen rantai kappa berlokasi pada kromosom yang sama, yaitu kromosom 2 pada manusia. Begitu juga pada segmen gen lambda ( Pada kromosom ke-22 pada manusia), dan segmen gen rantai berat (pada kromosom ke-14 pada manusia). Terdapat sejumlah besar segmen gen VK kurang lebih 300 ang masing-masing berdekatan dengan segmen gen LK, disisi lain terdapat satu segmen gen CK, lima segmen gen JK (satu diantaranya nonfungsional pada tikus) berlokasi diantara segmen gen VK dan segmen gen CK.
DAFTAR RUJUKAN Gardner, E.J., Simmons, M.J., & Snustad, D.P. 1991. Principle of Genetics, 8th Edition. New York: John Wiley and Sons Inc.
13
