PERAN PROTEIN STRESS MAPKs DALAM REGULASI inos PADA IKAN SEBAGAI RESPON TERHADAP STRESSOR DI LINGKUNGAN PERAIRAN. Oleh Priyo Santoso ABSTRACT

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

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

Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010


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 proteinprotein 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 cfos 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.


PERAN PROTEIN STRESS MAPKs DALAM REGULASI inos PADA IKAN SEBAGAI RESPON TERHADAP STRESSOR DI LINGKUNGAN PERAIRAN. Oleh Priyo Santoso ABSTRACT

Recommend Documents