Morfogenesis Differensiasi Sel

Diferensiasi & Morfogenesis

• Bagaimana sebuah sel, sel zygote,dapat berkembang menjadi berbagai jaringan dan organ yang akan membentuk organisme.



• Fertilisasi adalah langkah pertama dalam pembentukan individu baru

• Sel zygote berasal dari persatuan sperma dan sel telur

Diferensiasi & Morfogenesis Tipe sel mamalia

• Perkembangan dimulai ketika sebuah sel sperma memfertilisasi sel telur dan menghasilkan sebuah sel tunggal yang berpotensi untuk menjadi sebuah organisme.


• Beberapa jam setelah fertilisasi, sel ini membelah menjadi 2 sel yang identik.

• Pada manusia, setelah fertilisasi dan setelah mengalami beberapa siklus pembelahan, sel2 ini mulai berspesialisasi, membentuk sel dengan area kosong yang disebut blastocyst.


• Blastocyst memiliki lapisan luar sel dan didalam area kosong terdapat setumpuk sel yang disebut inner cell mass (ICM).

• Inner cell mass adalah bakal dari semua jaringan yang ada dalam tubuh.

• Meskipun sel2 pada ICM bisa membentuk segala macam tipe sel yg bisa dijumpai di dalam tubuh, ICM tidak bisa membentuk sebuah organisme.

Blastocyst

Diferensiasi sel

• Diferensiasi selular, sebuah konsep dari biologi developmental yang menggambarkan proses sel2 mencapai “tipe”sel tertentu.

• Morfologi sel bisa berubah secara dramatik selama proses diferensiasi, tapi umumnya materi genetik nya tetap sama.

Diferensiasi sel

• Diferensiasi melibatkan sejumlah perubahan2 fisiologis sel seperti: ukuran, bentuk, polaritas, aktivitas metabolik dan ekspresi gen, semuanya bisa berubah selama diferensiasi.

• Dalam cytopathology, tingkat diferensiasi selular digunakan untuk mengukur “cancer progression”. “Grade” sebagai penanda bagaimana sebuah sel tumor berdiferensiasi.

Diferensiasi sel

• Diferensiasi adalah suatu proses dimana sel yang belum berspesialisasi (unspecialized cell) menjadi salah satu sel yang sudah berspesialisasi (specialized cell) dari sekian banyak sel yang membentuk tubuh seperti sel hati, sel jantung dan sel otot.

• Selama proses diferensiasi, gen2 tertentu diaktivasi dan gen2 lainnya di nonaktivkan. Akibatnya sel yang berdiferensiasi akan berkembang menjadi struktur yang spesifik dan memiliki fungsi tertentu pula.


• Tiga kategori dasar sel membentuk tubuh mamalia:

1. sel germinal (germ cell)

2. sel somatik (somatic cell)

3. stem cell.


• Germ line cells adalah alur dari sel yang mengarah ke gamet- sel telur dan sel sperma-dan terus berkelanjutan dari generasi ke generasi.

• Stem cells, sebaliknya, memiliki kemampuan untuk berduplikasi dalam periode waktu yang tidak tertentu dan juga bisa mengarah ke pembentukan specialized cells.

Germ CellDiferensiasi primordial stem cell

• Dalam gonad, germ cell mengalami spermatogenesis atau oogenesis, tergantung pada jenis kelamin organisme.

Spermatogenesis • Spermatogenesis adalah suatu proses dimana

spermatogonia berkembang menjadi spermatozoa matur.

• Pada mamalia, proses ini berlangsung di dalam testes dan epididymis.

• Pada manusia proses ini berlangsung sekitar 64 hari.


spermatogenesis

Spermatogenesis• Spermatogonia membelah secara mitosis

menghasilkan spermatocyte.• Spermatocyt membelah secara meiosis

menghasilkan spermatid• Spermatid akan berdiferensiasi melalui

proses spermiogenesis menjadi spermatozoa mature dan fungsional.

• Sperma matur dalam epididymis setelah berkembang di dalam tubulus seminiferous


spermatogenesis

• Spermatogenesis sangat tergantung pada kondisi optimal supaya bisa berlangsung secara normal dan sangat esensial dalam reproduksi sexual.

• Spermatogenesis dimulai saat pubertas dan terus berlanjut sampai mati, meskipun ada sedikit penurunan kuantitas dari sperma.

Seluruh proses Spermatogenesis dapat dibagi beberapa stase:

Cell type

Ploidy/chromosomes

N Process

Spermatogonium (types A and B)

diploid/46 2N Spermatocytogenesis

Primary spermatocyte diploid/46 4NSpermatidogenesis

(meiosis 1)

Secondary spermatocyte haploid/23 2NSpermatidogenesis

(meiosis 2)

Spermatid haploid/23 1N Spermiogenesis

Spermatozoon haploid/23 1N spermiation


spermatogenesis


spermatogenesis

• Spermatozoa memiliki kemampuan memfertilisasi oocyte selama proses konsepsi untuk menghasilkan individu yang disebut zygote.

• Ini adalah awal dari reproduksi sexual yang melibatkan dua gamete yang masing2 memberi kontribusi separuh kromosom (haploid) untuk menghasilkan zygote yang normal (diploid).


spermatogenesis

• Untuk mempertahankan jumlah kromosom pada keturunan berikutnya, tiap gamet harus memiliki setengah dari kromosom yang merepresentasi seluruh sel di dalam tubuh.

• Jika keturunan (offspring) memiliki dua kali jumlah kromosom normal, akan menghasilkan abnormalitas yang berat.

• Pada manusia, ada beberapa penyakit akibat abnormalitas spermatogenesis: Down's Syndrome, Klinefelter's Syndrome, and spontaneous abortion.

• Zygote yang memiliki kelainan kromosom tidak akan bertahan hidup lama.


spermatogenesis

• Spermatogenesis berlangsung dalam sistem reproduksi pria.

• Stase awal berlangsung dalam testes dan berlanjut ke epididymis,dimana gamet akan mengalami pemasakan (maturation), lalu disimpan sampai ejakulasi.

• seminiferous tubules dari testes adalah titik awal proses, dimana stem cell berada dekat dinding tubulus, berlangsung dengan arah centripetal-mulai dari dinding dan berakhir di dalam lumen-untuk menghasilkan sperma yang immatur.


spermatogenesis

Stase:

• Spermatocytogenesis

• Spermatidogenesis

• Spermiogenesis

• Spermiation

• Spermatogonia membelah secara mitosis menghasilkan spermatogonia yang lain(baru) dan spermatocyte primer. Tiap spermatocyte primer alkan mengalami 2 kali pembelahan secara meiosis untuk menghasilkan 4 spermatozoa.


spermatogenesis


spermatogenesis

Spermatocytogenesis• Spermatocytogenesis adalah gametocytogenesis pada

pria yang menghasilkan spermatocytes –mengandung setengah materi genetik yang normal.

• Dalam Spermatocytogenesis, spermatogonium membelah secara mitosis menghasilkan sel diploid yang disebut: spermatocyte primer.

• Tiap spermatocyte primer menggandakan DNA nya dan mengalami meiosis I untuk menghasilkan dua sel haploid spermatocyte sekunder.

• Pembelahan ini menghasilkan variasi genetik

• Diagram mengilustrasikan bagaimana jumlah kromosom berkurang menjadi setengahnya pada pembelahan meiosis pertama (reduction division)


spermatogenesis

Spermatocytogenesis • Tiap sel yang membelah dari spermatogonium

menjadi spermatid tidaklah komplit membelah. Sel masih saling berkaitan satu sama lain melalui ‘jembatan’ sitoplasma yang menjamin perkembangan yang sinkron.

• Catatan: tidak semua spermatogonia membelah menjadi spermatocyte. Tipe tertentu spermatogonia menghasilkan copy dirinya sendiri, sebagai supplai gametogonia.


spermatogenesis

Spermatidogenesis• Spermatidogenesis pembentukan spermatid dari

spermatocyte sekunder. • Spermatocyte sekunder diproduksi setelah

memasuki fase meiosis II dan membelah menjadi spermatid yang haploid.

• Stase ini begitu singkat sehingga spermatocyte sekunder jarang terlihat pada preparat histology.

• Pembelahan meiosis ke-dua,


spermatogenesis

Spermiogenesis• Selama spermiogenesis, spermatid mulai berkembang:

ekor tumbuh dan miedpiece menebal, mitochondria menyatu dan membentuk axoneme.

• DNA dikemas dengan nuclear basic protein yang spesifik, yang secara bertahap digantikan oleh protamine selama pertumbuhan spermatid (elongation).

• Golgi apparatus mengelilingi nucleus, menjadi acrosome.

• Salah satu dari centriole memanjang sehingga terbentuk ekor dari sperma.


spermatogenesis


spermatogenesis

Spermiation• Spermiation adalah suatu proses spermatozoa

mature dilepaskan dari sel Sertoli ke lumen tubulus seminiferus.

• Cytoplasma dan organella yang tidak dibutuhkan akan di eliminasi.

• Transport spermatozoa mature melalui sistem reproduksi pria terutama akibat kontraksi otot, daripada motilitas spermatozoon itu sendiri.


Oogenesis

Oogenesis• Oogenesis adalah pembentukan ovum (sel telur)

dalam ovarium.• Pada mamalia, transformasi oogonia menjadi

oocyte (oocytogenesis) telah komplit sebelum lahir atau begitu dilahirkan.

• Selanjutnya perkembangan mengalami ‘rehat’ selama prometaphase I meiosis, sampai pubertas memicu oogenesis.

• Pada ascaris, oocyte belum memulai meiosis sampai sperma menyentuhnya.


Oogenesis• Oogonia membelah secara mitosis menghasilkan

oocyte primer.• Tidak seperti produksi sperma yang terus menerus

berlangsung, produksi oocyte terbatas.• Oocyte primer mengalami meiosis, tapi berhenti

sejenak pada fase diploten meiosis I dalam embryo.• Semua oogonia dan banyak oocyte primer mati sebelum

lahir. Setelah pubertas, sejumlah kecil oocyte dan folikel bersiap untuk ber-ovulasi dengan melanjutkan proses metaphase II. Setelah fertilisasi, barulah proses meiosis menjadi lengkap.


Oogenesis

• Oogenesis merupakan proses dimana oocyte primer berubah menjadi ovum yang mengalami meiosis.

• Oocyte primer yang diploid mengalami meiosis berubah menjadi oocyte sekunder dan membentuk polar body.

• Oocyte sekunder mengalami meiosis II dan haploid disebut ootid.

• Ootid mengalami maturasi berubah menjadi ovum.


Oogenesis

• Hanya satu ovum yang berkembang secara komplit setiap siklus menstruasi, polar bodies (mengandung extra kromosom) akan degenerasi.


Oogenesis

Somatic cell

• Sel somatik ( Greek, sōma: tubuh) adalah sel yang membentuk tubuh organisme, .

• Setiap sel dalam tubuh mamalia-selain sperma ,ovum dan stemcell yang tidak terdiferensiasi-adalah somatic cell : organ dalam, kulit, darah dan jaringan ikat.

Somatic cell

• Materi genetik somatic cell selalu 2 kali lipat materi genetik germline cell.

• Informasi genetik dari somatic cell manusia dikemas menjadi 23 pasang kromosom. Germline cell hanya memiliki setengahnya yaitu: 23 kromosom tunggal.

• Manusia dan spesies lain yang memiliki somatic cell terdiri dari pasangan kromosom disebut “diploid” organisme. Germline cell, yang hanya memiliki kromosong tunggal yang tidak berpasangan disebut “haploid”.

Somatic cell tekhnologi cloning

• Teknik kloning sudah berkembang pada mamalia. Cloning akan menghasilkan clone genetik yang identik dengan induknya.

• Salah satu metode cloning : "somatic cell nuclear transfer"

• Nucleus dari somatic cell (biasanya sel kulit), memiliki informasi genetik yang diperlukan untuk menhasilkan organisme baru, disuntikkan/dipindahkan ke dalam ovum spesies yang sama –yang materi genetiknya sudah dipindahkan.

Somatic cell tekhnologi cloning

• Ovum ini tidak lagi perlu difertilisasi karena sudah memiliki jumlah materi genetik yang tepat (kromosom diploid).

• Secara teoritical bisa diimplantasi ke dalam rahim dan bisa berkembang.

• Organisme yang dihasilkan akan identik dengan induknya (sumber nucleus).

• Contoh: kambing Dolly

Stem Cell• Stem cell sel memiliki kemampuan untuk menggandakan dirinya

sendiri melalui pembelahan sel dan bisa juga berdiferensiasi menjadi berbagi macam tipe sel yang terdiferensiasi

• Ada 3 golongan mamalia stem cell:1. Embryonic stem cells, diambil dari blastocyst. 2. Adult stem cells, ditemukan pada jaringan tubuh organisme

dewasa. 3. Cord blood stem cells, ditemukan pada umbilical cord.• Pada embrio yang sedang berkembang, stem cell mampu

berdiferensiasi menjadi jaringan embrionik yang terdiferensiasi.• Pada organisme dewasa, stem cells dan progenitor cell berperan

sebagai sistem perbaikan tubuh.

Stem Cell

Potensi sel• Totipotent stem cells dihasilkan dari peleburan sebuah

sel telur dengan sel sperma. Sel yang dihasilkan dari pembelahan awal dari telur yang sudah terfertilisasi juga totipotent. Sel ini bisa berdiferensiasi menjadi tipe sel embrionik dan ekstraembrionik.

• Pluripotent stem cells adalah lanjutan dari sel totipotent, bisa berdiferensiasi menjadi sel dari germ layers : endoderm (interior stomach lining, gastrointestinal tract, the lungs), mesoderm (muscle, bone, blood, urogenital), atau ectoderm (epidermal tissues and nervous system).

Stem Cell

Potensi sel• Multipotent stem cells menghasilkan hanya sel

yang memiliki relasi famili (misalnya hematopoietic stem cells)

• Unipotent cells bisa menghasilkan hanya satu tipe sel, tapi memiliki kemampuan untuk memperbaharui dirinya sendiri. Ini yang membedakan sel ini dari non-stem cell.


• Stem cells pluripoten ini akan berkembang lebih lanjut menjadi multipotent progenitor cells yang mengarah menjadi sel2 fungsional. Contoh stem cells dan progenitor cells adalah:

• Hematopoietic stem cells (stem cells dewasa) dari sumsum tulang belakang yang berkembang menjadi sel darah merah, sel darah putih dan platelet.

• Epithelial stem cells (progenitor cells) yang berkembang menjadi berbagai tipe sel kulit.

• Muscle satellite cells (progenitor cells) yang menghasilkan jaringan otot yang terdiferensiasi.

Maturation

• Sejalan Stem cell mengalami pematangan (maturation), terdapat perubahan dalam ekspresi gen yang membatasi tipe sel yang bisa dihasilkan dan beralih ke tipe sel lebih spesifik.

• Perubahan ini bisa dipantau dengan memonitor keberadaan protein di permukaan sel.

• Setiap perubahan yang berlangsung pada sel akan mendekatkan sel tersebut bertahap ke bentuk sel yang terdiferensiasi penuh.

Multipotensi

• Multipotent progenitor cells bisa berkembang menjadi beberapa tipe sel, tapi hanya terbatas pada beberapa tipe sel saja.

• Contoh: stem cell darah, yang bisa berkembang menjadi beberapa tipe sel darah, tapi tidak bisa berkembang menjadi sel otak atau tipe sel lain.

• Sel yang telah mengalami serangkaian proses pembelahan dan akhirnya membentuk embrio disebut sel terminal terdiferensiasi atau sudah permanen berubah ke suatu fungsi spesifik tertentu.

Haematopoesis

• Haematopoesis ( Yunani, haima darah; poiesis membuat) adalah pembentukan komponen selular darah.

• Semua komponen selular darah dihasilkan dari haematopoietic stem cells. Multipotent haematopoetic cells bisa menjadi tipe sel apa saja dalam sistem darah.

Multipotent blood stem cell

Haematopoesis

• Semua sel darah dibagi menjadi tiga kelompok:

1. sel Erythroid, yaitu sel darah merah, pembawa oksigen.

2. sel Lymphoid, yaitu sel darah putih,sel yang berperan dalam immunitas. Umumnya terdiri atas T-cells dan B-cells

3. Myeloid yang termasuk granulocytes, megakaryocytes, and macrophages. Kelompok ini terlibat dalam innate immunity, adaptive immunity, and blood clotting

Multipotensi

• Scientist berpendapat, sel yang sudah berdiferensiasi tidak bisa dialihkan atau dirubah menjadi bentuk sel lain dengan cara apapun.

• Penelitian terbaru,-percobaan stem cell- scientist berhasil merubah stem cell darah menjadi sel yang berkerja seperti sel neuron atau sel otak. Perlu penelitian lebih lanjut untuk membuktikan bahwa sel multipotent bisa berubah menjadi sel pluripotent

Morfogenesis

• Morfogenesis (Yunani , morphê=bentuk dan genesis=kreasi) merupakan salah satu dari 3 aspek fundamen dari biologi developmental selain pertumbuhan sel dan diferensiasi selular.

• Morfogenesis berkaitan dengan bentuk jaringan,organ dan organisme serta posisi dari berbagai tipe sel terspesialisasi.

• Pertumbuhan sel dan diferensiasi bisa berlangsung dalam kultur atau dalam massa sel tumor tanpa morfogenesis normal seperti yang berlangsung pada organisme yang utuh

Morfogenesis

• Studi tentang morfogenesis mengharuskan kita mengerti tentang proses yang mengontrol distribusi spasial sel selama perkembangan embrionik yang berlanjut ke pembentukan jaringan, organ dan anatomi tubuh secara keseluruhan.

• Pada embrio manusia, perubahan dari sekumpulan sel pada stase blastula menjadi embrio- yang memiliki struktur organ dan jaringan- dikontrol oleh ‘program” genetik dan bisa dipengaruhi oleh faktor lingkungan.

Morfogenesis

Morfogenesis

Cellular basis• Morfogenesis terjadi karena perubahan di

tingkat struktur selular. Sel2 tertentu di klasifikasikan.

• Ada dua tipe sel: sel epithelial dan sel mesenchymal.

• Dengan pergantian dari satu tipe sel menjadi tipe sel lain, sel mampu bergerak dan berkumpul dengan sel2 sejenisnya.

Morfogenesis & organogenesis

• Embrio berkembang dari sel2 bagian dalam blastula (embrioblas) yang terdiri dari 3 lapisan embrional:

1. Lapisan luar (ectoderm)

2. Lapisan tengah (mesoderm)

3. Lapisan dalam (endoderm)

• Ketiga lapisan ini akan berkembang menjadi berbagai macam organ.

Development of Human Embryonic Tissues.

Embryonic Germ Layer Differentiated Tissue

Endoderm Thyroid, parathyroid glandsLarynx, trachea, lungUrinary bladder, vagina, urethraGastrointestinal (GI) organs (liver, pancreas)Lining of the GI tractLining of the respiratory tractThymus

Mesoderm Bone marrow (blood)Adrenal cortexLymphatic tissueSkeletal, smooth, and cardiac muscleConnective tissues (including bone, cartilage)Urogenital systemHeart and blood vessels (vascular system)

Ectoderm SkinNeural tissue Adrenal medullaPituitary glandConnective tissue of the head and faceEyes, ears

Differentiation• The production of formed elements, or blood cells, is called

hemopoiesis. Before birth, hemopoiesis occurs primarily in the liver and spleen, but some cells develop in the thymus, lymph nodes, and red bone marrow. After birth, most production is limited to red bone marrow in specific regions, but some white blood cells are produced in lymphoid tissue.

• All types of formed elements develop from a single cell type -- stem cell (pleuripotential cells or hemocytoblasts). Seven different cell lines, each controlled by a specific growth factor , develop from the hemocytoblast. When a stem cell divides, one of the "daughters" remains a stem cell and the other becomes a precursor cell, either a lymphoid cell or a myeloid cell. These cells continue to mature into various blood cells.

• A leukemia can develop at any point in cell differentiation. The illustration below shows the development of the formed elements of the blood.

Morfogenesis Differensiasi Sel

Documents