priyo santoso.pdf

Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan

Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010

PERAN PROTEIN STRESS MAPKs DALAM REGULASI iNOS PADA IKAN

SEBAGAI RESPON TERHADAP STRESSOR DI LINGKUNGAN PERAIRAN

Oleh

Priyo Santoso

ABSTRACT

Expression of stress protein like MAPKs (mitogen-activated protein kinases) in fish is a

cellular mechanism that induced by contamination of environmental stressor. Condition

of chemical and mechanical stress resulted by contamination of environmental stressor

can induce expression of MAPKs that have a role to control immunity and adaptation of

cells. MAPKs in regulation of iNOS (inducible Nitric Oxide Synthase) functioning to

repair cells demage. MAPKs is complex enzyme which can connect epitop of cell

membrane or parts of cell that capable to induce response cellular for intracellular

regulation. Expression of MAPKs in regulation of iNOS is cellular stress respon that

potential to develop as molecular biomarker for early detection of stress condition in fish

and biomonitoring of polutan contamination in aquatic environment.

Key words: MAPKs, iNOS, Fish, Stressor, Aquatic environment

ABSTRAK

Ekspresi protein stress seperti MAPKs (mitogen-activated protein kinases) pada ikan

merupakan suatu mekanisme seluler yang dipicu oleh paparan stressor lingkungan.

Kondisi stress kimiawi dan mekanis yang diakibatkan paparan stressor lingkungan dapat

memicu ekspresi MAPKs yang berperan untuk mengontrol ketahanan dan adaptasi sel.

MAPKs berperan dalam regulasi iNOS (inducible Nitric Oxide Synthase) yang berfungsi

untuk memperbaiki kerusakan sel. MAPKs merupakan enzim-enzim kompleks yang

dapat menghubungkan epitop membran sel atau bagian-bagian sel yang mampu memicu

respon seluler untuk pengaturan pada intraseluler. Ekspresi MAPKs dalam regulasi iNOS

merupakan respon stress seluler yang potensial dikembangkan sebagai biomarker

molekuler untuk mendeteksi secara dini kondisi stress pada ikan dan biomonitoring

pencemaran di lingkungan perairan.

Kata Kunci: MAPKs, iNOS, Ikan, Stressor, Lingkungan perairan

* Staf Pengajar Jurusan Perikanan dan Kelautan , Fakultas Pertanian-UNDANA



Ikan sebagai organisme akuatik seringkali berhadapan dengan stressor lingkungan

perairan, baik di lingkungan alami maupun lingkungan buatan seperti di laboratorium dan

kolam budidaya. Stressor lingkungan utama adalah kondisi kimia perairan yang kurang

baik. Selain bahan pencemar, stressor lingkungan perairan yang umum bagi ikan adalah

kondisi atau perubahan pada parameter kualitas air seperti oksigen terlarut, amonia,

kesadahan, pH, tekanan gas dan suhu. Konsentrasi logam-logam yang tinggi seperti

tembaga, kadmium, seng dan besi dapat juga menyebabkan stress dan kematian pada

ikan. Bahan-bahan pencemar seperti arsenik, klorin, sianida, beberapa fenol dan

polychlorinated biphenyls merupakan stressor yang kuat pada semua jenis ikan (Iwama

dkk., 2003 dan Iwama, 2008).

Stress merupakan suatu proses yang membutuhkan energi dan ikan mengalihkan

energi basal untuk mengatasinya melalui metabolisme stress (Iwama dkk., 1999). Jika

ikan tidak mampu menyesuaikan atau mengadaptasi stress, perubahan keseluruhan biota

dapat terjadi sebagai hasil pengalihan energi basal untuk mengatasi peningkatan

kebutuhan energi sehubungan dengan stress. Dengan demikian paparan stressor yang

terus-menerus (tergantung intensitas dan durasi) dapat memicu terjadinya penurunan

dalam pertumbuhan, resistensi penyakit, keberhasilan reproduksi, tampilan renang dan

karakteristik lain keseluruhan biota atau populasi. Pada tingkat populasi, dapat

menyebabkan penurunan rekruitmen dan produktivitas yang mengubah kelimpahan dan

keanekaragaman spesies dalam komunitas (Barton, 2002 dan Iwama dkk., 2003).



Secara alami sel-sel pada ikan merespon kehadiran stressor lingkungan dengan

memproduksi protein stress seperti mitogen-activated protein kinases (MAPKs).

MAPKs berperan dalam regulasi iNOS (inducible Nitric Oxide Synthase) yang berfungsi

untuk memperbaiki kerusakan sel yang diakibatkan oleh stressor lingkungan

(Kefaloyianni et al., 2005). Mekanisme protein stress dalam respon stress seluler penting

dipelajari dalam kaitan dengan potensi pengembangan protein stress sebagai biomarker

molekuler untuk mendeteksi kondisi stress pada ikan dan pencemaran di lingkungan

perairan.

Mitogen Activated Protein Kinases (MAPKs)

Mitogen-activated protein kinases (MAPKs) merupakan enzim-enzim kompleks

yang dapat menghubungkan epitop membran sel, atau bagian-bagian yang mampu

memicu respon seluler untuk pengaturan pada intraseluler. Dalam hal ini MAPKs

merespon stress kimiawi dan mekanis untuk mengontrol ketahanan dan adaptasi sel.

Aktifitas MAPKs diatur dalam tiga tingkatan cabang yang tersusun atas MAPK, MAPK

kinase (MEK) dan MEK kinase (MEKK) (English, et al., 1999 dalam Cowan dan Storey,

2003). Modul-modul tersebut dapat diaktivasi oleh sejumlah kecil guanosin triphosphat

(GTP) yang berikatan pada protein, yang disebut dengan G-protein yang terhubung

dengan reseptor. Pada prinsipnya semua jalur MAPK diaktivasi mulai dari respon awal

sampai pada fosforilasi tingkat substrat dan dapat dinonaktifkan oleh MAPK phosphatase

(Barron dan Kumar, 2003 dalam Cowan dan Storey, 2003).

MAPK tersusun atas 3 langkah proses pensinyalan utama yaitu: extracelluler

signal-regulated protein kinases (ERKs), c-Jun N-terminal protein kinases (JNKs) atau

stess-activated protein kinase (SAPK) dan p38. Masing-masing model tersebut bekerja

dalam tiga tingkatan sistem. MAPK yaitu serin/threonin kinase diaktivasi oleh MAPK

kinase (MAPKK) yang merupakan kinase ganda spesifik yang memfosforilasi

serin/threonin dan tirosin, mempunyai target dengan bentuk threonin-x-tirosin pada

MAPK (dimana x adalah glutamin, prolin atau glisin untuk ERK, JNK, dan p38) dan akan

mengalami peningkatan sampai di atas 1000 kali pada aktivitas tertentu. Dengan

demikian MAPKs tidak akan aktif terkecuali difosforilasi oleh protein kinase sebelumnya

(hulu) (Hoeflich dan Woodgate, 2001 dalam Cowan dan Storey, 2003). Selanjutnya,

MAPKK diaktivasi oleh MAPKK kinase (MAPKKK) yang menerima sinyal-sinyal dari

reseptor-reseptor stimulus pada permukaan sel atau melalui interaksi dengan GTP yang

berikatan dengan protein dan atau kinase yang lain. MAPKs pada bagian akhir

pensinyalan memfosforilasi protein targetnya yang beberapa diantaranya adalah protein-

protein inti, seperti unsur-unsur transkripsi. MAPKs mempunyai peran kunci dalam

pengaturan beberapa gen (Cowan dan Storey, 2003).



Peran MAPKs Dalam Regulasi iNOS

MAPKs berperan dalam regulasi iNOS (inducible Nitric Oxide Synthase) yang

berfungsi untuk memperbaiki kerusakan sel (Kefaloyianni et al., 2005). Hasil penelitian

menunjukkan bahwa paparan logam seperti besi, tembaga, kadmium, krom, timah,

merkuri, nikel dan vanadium dapat memicu produksi ROS (reactive oxygen species) yang

mengakibatkan peroksidasi lipid, kerusakan DNA, kekurangan kelompok sulfidril, serta

perubahan jalur transduksi sinyal dan homeostasis kalsium (Stohs dan Bagchi, 1995

dalam Kefaloyianni et al., 2005).

Polutan logam berat MeHg (metilmerkuri) yang masuk ke dalam tubuh organisme

eukariot memicu peningkatan ROS yang selanjutnya mengaktivasi c-Jun N terminal

Kinase (JNK) yang kemudian mengaktivasi c-Jun dan AP-1 (activator protein-1). Di sisi

lain, peningkatan ROS dapat mengaktivasi p38 MAPK dan ERK MAPK yang kemudian

mengaktivasi c-fos dan NF-kB (nuclear factor kappa B). Setelah c-Jun dan AP-1 serta c-

fos dan NF-kB teraktivasi, mereka secara bersama-sama menginduksi gen target sehingga

terjadi peningkatan i-NOS ( Gambar 1) (Leakey et al., 2004; Aschner et al., 2007).



Gambar 1. Stress oksidatif dalam neurotoksikitas polutan logam berat

metilmerkuri (MeHg) (Aschner et al., 2007)

Kinase yang berbeda memediasi toksisitas induksi logam sebagai toksikan dalam

jalur atas dan jalur bawah dari ROS. ROS yang menghasilkan enzim oksidase fosfat

dinukleotida nikotinamid-adenin distimulasi oleh seng dalam astrosit dan neuron dalam

protein dependen-kinase C (PKC). Keterlibatan jalur atas dari kinase tyrosine, PKC dan

mitogen activated protein kinase (MAPK) dalam pembentukan ROS induksi-MeHg dari

ROS yang dihasilkan dari stress oksidatif yang diinduksi oleh beragam zat-zat seperti

tembaga, arsenik, kromium, H2O2, angiotensin II, dan kondisi degeneratif, dapat

menimbulkan aktivasi jalur bawah beragam kinase (MAPK p38, ERK dan JNK) atau

faktor transkripsi seperti NF-B yang menciptakan respon sitotoksik. Sebuah model peran stress oksidatif dalam neurotosisitas metilmerkuri (MeHg) dengan keterlibatan

beragam enzim menunjukkan bahwa kenaikan ROS bisa dicegah dengan antioksidan,

inhibitor oksidasi (DPI) nikotinamid-adenin dinukleotida fosfat (NADPH), inhibitor

(AACOCF3) fosfolipase sitoslik A2 (cPLA2), inhibitor kinase protein C

(bisindolilmaleimide), inhibitor kinase protein tyrosine (geneistein), dan inhibitor (CSA)

protein transfer trigliserida mikrosomal (MTP). ROS dapat mengaktivasi MAPK p38 dan

sinyal ekstraseluler regulasi kinase (ERK) MAPK. Kinase ini dapat memediasi aktivasi

c-fos dan nuclear factor kappa B (NF-B) yang menginduksi target protein seperti iNOS melalui keterlibatan jalur sinyal lain seperti JNK, c-jun dan AP-1 dalam modulasi

sitoksikitas MeHg. (Leakey et al., 2004 dalam Aschner et al., 2007).

Aktivasi induksi-stress oksidatif melibatkan berbagai molekul sinyal yaitu faktor

kinase/transkripsi NF-B (nuclear factor kappa B), activator-1 protein dan gen yang merespon awal c-fos dan c-jun. Aktivasi ini menimbulkan induksi beragam target gen

seperti iNOS, siklooksigenase II, dismutase mangan-superioksida, bentuk inducible

HSP72 dan cytokine, yang berperan dalam pencegahan kerusakan sel. (Leakey et al.,

2004 dalam Aschner et al., 2007).

Ekspresi Protein iNOS

Protein iNOS diekspresikan oleh sel seperti makrofag, neutrofil, hepatosit,

neuronal, dan endotel setelah distimulasi oleh LPS (Lipopolysacharida) dan cytokine

proinflamasi (Vallance dan Collier, 1994; Rode et al. 2000; Sharma dan Steven, 2004).

Protein ini tidak pernah ditemukan secara fisiologis pada sel yang normal. Namun gen

enzim ini dapat secara cepat berekspresi jika terpicu oleh zat-zat tertentu, misalnya

sitokin proinflamasi. Setelah terbentuk, iNOS dapat aktif selama 24 - 36 jam serta dapat

mensintesis NO 100-1000 kali lebih banyak dari nNOS dan eNOS (Burgner, 1999).



Dalam vertebrata tingkat tinggi, NO adalah produk dari sebuah reaksi yang

dikatalisis oleh tiga isoform berbeda dari protein shyntase nitric oxide (NOS); NOS

endothelial (eNOS, NOS-III), NOS neuronal (nNOS, ncNOS, NOS-I) dan NOS inducible

(iNOS, mNOS, NOS-II). Semua isoform NOS mengkatalisis oxidesi arginin 5-elektron

untuk menghasilkan NO molekul kecil yang sangat difusif, yang meregulasi beragam

proses fisiologi (Kerwin et al., 1995). Dua isoform, eNOS dan nNOS, diekspresikan

secara konstitutif di mamalia, sedangkan iNOS bersifat inducible oleh cytokine dan

ransangan lainnya, termasuk hypoxia (Kerwin Junior, et al, 1995). Ketiga isoform NOS

tersebut terdapat pada ikan. Endothelial NOS (eNOS) ditemukan dalam endothelium

vaskular dan otot jantung dari ikan zebra (Fritsche et al, 2000), sedangkan nNOS dan

iNOS terbentuk dalam berbagai jaringan dari beberapa spesies ikan (Pellegrino et al,

2004).

Hasil penelitian pada ikan karper menunjukkan bahwa transkripsi iNOS dapat

dideteksi dalam 4 jam setelah dirangsang dengan lipopolisakarida, dan transkripsi

maksimum terjadi dalam 4 hingga 12 jam setelah dirangsang. Stimulasi fagosit karper

dengan darah flagelata (Trypanosoma borelli) memiliki efek yang sama, meskipun

puncak tanskripsi lebih lambat 12-48 jam. Transkripsi dirangsang melalui enzim-enzim

yang mampu membangkitkan nitric oxide pada ikan, sehingga terdapat korelasi langsung

antara transkripsi induksi dan kadar nitric oxide yang terdeteksi pada sel makrofag ikan.

Ekspresi gen iNOS yang diinduksi virus yang bermanfaat bagi sistem pertahanan inang,

sebagai contoh produksi nitric oxide memberi kontribusi terhadap konsekuensi

immunopatalogi infeksi virus (Wang. et al, 2001).

Potensi MAPKs Sebagai Biomarker Molekuler

MAPKs merupakan salah satu sistem persinyalan seluler yang penting pada ikan

sebagai respon terhadap keberadaan stressor lingkungan, sehingga protein stress ini

berpotensi digunakan sebagai biomarker molekuler (Iwama dkk., 1999; Cowan dan

Storey, 2003). Penggunaan biomarker molekuler ini memberi peluang bagi pengguna



(lembaga pemerintah atau swasta pengelola lingkungan perairan) untuk dapat melakukan

tindakan penanggulangan pencemaran secara dini dalam pengelolaan dan pelestarian

lingkungan perairan. Mengingat sistem pendeteksi yang selama ini digunakan dalam

biomonitoring hanya mampu mendeteksi pada taraf pencemaran yang telah berdampak

pada perubahan/kerusakan ekosistem perairan.

Penerapan biomarker molekuler juga penting dalam usaha akuakultur untuk

biomonitoring perairan yang menjadi sumber air ataupun media pemeliharaan organisme

budidaya. Pendeteksian dini keberadaan stressor lingkungan perairan dapat mencegah

kegagalan usaha akuakultur akibat penurunan produksi. Menurut Barton (2002) dan

Iwama dkk. (2003) ikan yang mengalami stress akan menghindari aktivitas anabolik

seperti pertumbuhan dan reproduksi, dan dalam jangka panjang dapat menyebabkan

terjadinya penurunan pertumbuhan, resistensi penyakit, keberhasilan reproduksi, tampilan

renang dan karakteristik lain keseluruhan biota atau populasi.

Keunggulan MAPKs sebagai biomarker adalah karena MAPKs merupakan

indikator sensitif kondisi stress yang diakibatkan oleh stressor lingkungan dan dapat

diekspresikan di sebagian besar jaringan tubuh organisme eukariot (Cowan dan Storey,

2003). Selain itu gen MAPKs dapat ditranslasi secara cepat untuk menghasilkan MAPKs

baru, dalam beberapa menit setelah paparan stressor dan memiliki waktu paruh yang

relatif panjang, contohnya 48 jam pada sel epidermal manusia (Kiang dan Tsokos, 1998

dalam Basson, 2006). Dengan demikian penggunaan biomarker MAPKs dapat

mendeteksi keberadaan stressor dalam waktu beberapa menit sampai jangka waktu 48

jam setelah paparan stressor. Keunggulan lain dari penggunaan protein stress sebagai



biomarker adalah kemampuan mendeteksi secara dini kondisi stress pada ikan dan

keberadaan stressor lingkungan, karena respon stress seluler oleh paparan stressor

lingkungan terjadi pada konsentrasi/jumlah yang relatif rendah/sedikit. Dengan demikian

penanganan stress pada ikan dan penanggulangan pencemaran lingkungan perairan dapat

dilakukan secara dini.

Penutup

Respon stress seluler pada ikan ditandai dengan ekspresi protein stress seperti

MAPKs (mitogen-activated protein kinases). Ekspresi MAPKs merupakan respon

terhadap kondisi stress kimiawi dan mekanis yang diakibatkan kehadiran stressor

lingkungan, untuk mengontrol ketahanan dan adaptasi sel. MAPKs berperan dalam

regulasi iNOS (inducible Nitric Oxide Synthase) yang berfungsi untuk memperbaiki

kerusakan sel. Protein iNOS diekspresikan oleh sel seperti makrofag, neutrofil, hepatosit,

neuronal, dan endotel setelah distimulasi oleh LPS (Lipopolysacharida) dan cytokine

proinflamasi. Ekspresi MAPKs dalam regulasi iNOS merupakan respon stress seluler

yang penting dipelajari dalam kaitan dengan pengembangannya sebagai biomarker

molekuler untuk mendeteksi secara dini kondisi stress pada ikan dan biomonitoring

pencemaran di lingkungan perairan.



DAFTAR RUJUKAN

Aschner, M. T. Syversen D.O. Souza J.B.T. Rocha and M. Farina., 2007. Involvement of

glutamate and reactive oxygen species in methylmercury neurotoxicity Brazilian

Journal of Medical and Biological Research (2007) 40: 285-291

Barton, B.A. 2002. Stress in Fishes: A Diversity of Responses with Particular Reference

to Changes in Circulating Corticosteroids. Integ. and Comp. Biol. 42: 517-525.

Basson, R. 2006. Heat Shock Protein 70 and Cortisol as Biomarkers for Cadmium,

Chromium and Nickel Contamination in Oreochromis mossambicus. Disertasi

dipublikasi. Faculty of Science. University of Johannesburg. South Africa.

http://etd.uj.ac.za.pdf. 15 Agustus 2007.

Burgner. D., Kirck. R., Dominic K., 1999. Nitric Oxide and Efektious Diseases, Arch Dis

Child 1999; 81:185-8.

Cowan, Kyra J. dan Storey, Kenneth B. 2003. Mitogen Activated Protein Kinases: New

Signaling Pathways Functioning in Cellular Responses to Environmental Stress.

The Journal of Experimental Biology 206:1107-1115.

Iwama, G.K.; L.O.B. Afonso; A. Todgham; P. Ackerman dan K. Nakano, 2003. Are Hsps

Suitable for Indicating Stressed States in Fish? The Journal of Experimental

Biology 207:15-19.

Rode, B., 2000. Nitric Oxide as a Messenger Molecue and its Clinical Significance,

Sestre milosrdnice University Hospital, Zagreb, Croatia, http:// www.

Actiaclinica.kbsr.hm/Volume_39_2000/7/7., Di akses tanggal 28 Mei 2004.

Sharma, S. dan M. Steven, 2003. Septok shock. Http ://www.Emedicine.com./MED/topic

12011.htm. 15 Oktober 2004.

Valance, P., J. Collier, 1994. Fortnightly Review Biology and Clinical Relevance of

Nitric Oxide, British Medical Journal; 309: 453-7

Wang.T, Mike. D, Peter. G and Christopher J. S., 2001. Molecular cloning, gene

organization and expression of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) inducible

nitric oxide synthase (iNOS) gene. Department of Zoology, University of

Aberdeen, Aberdeen-U.K and Institute of Child Health, University of Sheffield,

Sheffield-U.K.

priyo santoso.pdf

Documents