SISTEM IMUN

SISTEM IMUN DIBAWAH KONTROL GENETIK

1.        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). 

2.        KOMPONEN SISTEM IMUN

Terdapat tiga tipe sel darah putih yang berperan dalam respon imun vertebrata yaitu :

a.         Limfosit B, disebut sel B karena diproduksi oleh bone marrow (sumsum tulang)

b.        Limfosit T, disebut sel T yang diproduksi dalam kelenjar timus

c.         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.

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.        

3.        BERBAGAI KAJIAN ANTIBODI

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 masing-masing 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”.

4.        BABERAPA HIPOTESIS: DASAR GENETIKA KEANEKARAGAMAN ANTIBODI

Ada tiga hipotesis yang menjadi dasar keanekaragaman antibody, diantaranya:

a)         Hipotesis germ line

Menyatakan bahwa terdapat gen germ line yang terpisah untuk setiap antibody

b)        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.

c)        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 genom dengan sedikit kopian. Demikian ketiga hipotesis dapat diterima dan benar dalam hal tertentu.

5.        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 antigen-binding. Variable region pada semua rantai antibodi panjangnya kurang lebih 110 asam amino. Daerah khusu 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 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 antigen-binding 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.

6.        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 antigen-binding 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.

a.        Segmen gen V_k

Pengkode ujung N asam amino 95 pada daerah yag bervariasi (variable region)

b.        Segmen gen J_k (joining segment)

Pengkode´”constant region-proximal” asam amino pada variable region

c.         Segmen gen C_K

Pengkode ujung C daerah konstan. Segmen keempat  adalah segmen L_K 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 V_K kurang lebih 300 ang masing-masing berdekatan dengan segmen gen L_K, disisi lain terdapat satu segmen gen C_K, lima segmen gen J_K (satu diantaranya nonfungsional pada tikus) berlokasi diantara segmen gen V_K dan segmen gen C_K

       Dalam sel-sel germ line  lima segmen J_K terpisah dengan segmen V_K 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 L_K-V_K satu segmen J_K, dan segmen tunggal C_K melalui proses rekombinasi somatik. Proses tersebut menggabungkan salah satu dari sekitar 300 L_K-V_K dengan salah satu dari lima segmen J_K dengan delesi dari semua DNA intervening. Hal ini menghasilkan befungsinya segmen gen V_KJ_K pengkode keseluruhan variable region dari rantai kappa. Sekuen non koding diantara kelompok segmen gen J_k, segmen gen C_K, dan segmen C_K-proximal J_K. Jika ada ttap berada diantara segmen V_KJ_K dan segmen C_K  pada limfosit yang terdiferensiasi. Keseluruhan segmen DNA ini (L_K- V_KJ_K-noncoding- C_K) 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 J_λ berada besama segmen C_λ, Genome rearrangement yang diperlukan untuk sintesis rantai lambda terjadi penggabungan segmen L_λ- C_λ.  Pada segmen J_λ- C_λ.  Pada tikus hanya memiliki empat segmen J_λ- C_λ, sedangkan manusia memiliki eman segmen.

Heavy Chains (Rantai Berat)

Pengkode informasi genetic rantai berat antibody diorganisasi menjadi segmen gen L_H-V_H,J_H, dan C_H  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 C_H untuk setiap kelas Ig. Pada tikus terdapat 8 segmen gen C_H yang semuanya fungsional dan memiliki susunan tertentu. Pada manusian terdapat 9 atau 10  segmen gen C_H. kelompok gen C_H 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 L_H-V_H yang menyerupai segmen gen 10-500D, segmen gen 4 J_H, dan semen gen 8 C_H. Selama perkembangan limfosit B dari stem cell terjadi penggabungan rekombinasi somatic yang menggabungkan sau segmen gen L_H-V_H dengan satu segmen D dan satu segmen gen J_H, delesi dua sekuen intervening DNA membentuksekuen DNA kkontinyu (V_HDJ_H) yang mengkode keseluruhan rantai berat.

7.        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 L_H-V_HDJ_H 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 L_H-V_HDJ_H mengalami delesi. Kelas antibody yang dihasilkan setelah class switching ditentukan oleh gen yang menjadi terdekat dengan segmen gen L_H-V_HDJ_H.