priyo santoso

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
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
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).
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
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).
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
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).
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
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).
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
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
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
(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
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor di Lingkungan Perairan
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.
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010
Priyo Santoso, Peran Protein Stress MAPKs dalam Regulasi iNOS pada Ikan
sebagai respon terhadap Stressor 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.
Media Exacta Volume 9 No.1 Januari 2010