8 Oct 2019 Gakken Editorial

Penghargaan Nobel Kedokteran 2019: Kemampuan Sel Beradaptasi terhadap Ketersediaan Oksigen

Manfaat vital dari oksigen telah dipahami selama berabad-abad. Namun, reaksi sel untuk beradaptasi dengan perubahan kadar oksigen telah lama diselidiki dan belum diketahui, setidaknya hingga pengumuman pemenang nobel tahun ini.

William G. Kaelin Jr., Sir Peter J. Ratcliffe, dan Gregg L. Semenza menemukan bagaimana sel dapat merasakan dan beradaptasi terhadap perubahan ketersediaan oksigen. Mereka mengidentifikasi mesin molekuler yang mengatur aktivitas gen dalam menanggapi berbagai tingkat oksigen. Atas penemuan itu, mereka bertiga mendapatkan penghargaan Nobel Fisiologi atau Kedokteran 2019.

Penemuan seminal tersebut mengungkapkan mekanisme untuk salah satu proses adaptif yang paling penting dalam kehidupan. Mereka menetapkan dasar bagi pemahaman kita tentang bagaimana kadar oksigen memengaruhi metabolisme seluler dan fungsi fisiologis. Penemuan mereka juga membuka jalan bagi strategi baru yang menjanjikan untuk memerangi anemia, kanker, dan banyak penyakit lainnya.

Oksigen dan HIF

Oksigen (O2) digunakan oleh mitokondria yang ada di hampir semua sel hewan untuk mengubah makanan menjadi energi yang bermanfaat. Otto Warburg, penerima Hadiah Nobel Fisiologi atau Kedokteran tahun 1931, mengungkapkan bahwa konversi ini adalah proses enzimatik.

Selama evolusi, mekanisme dikembangkan untuk memastikan pasokan oksigen yang cukup ke jaringan dan sel. Tubuh karotis yang berdekatan dengan pembuluh darah besar di kedua sisi leher, mengandung sel-sel khusus yang merasakan kadar oksigen darah. Hadiah Nobel Fisiologi atau Kedokteran untuk Corneille Heymans pada tahun 1938 memberikan penemuan yang menunjukkan bagaimana penginderaan oksigen darah melalui tubuh karotis mengendalikan laju pernapasan kita dengan berkomunikasi langsung dengan otak.

Selain adaptasi cepat yang dikendalikan tubuh karotis untuk kadar oksigen rendah (hipoksia), terdapat adaptasi fisiologis mendasar lainnya. Respons fisiologis kunci terhadap hipoksia adalah peningkatan kadar hormon erythropoietin (EPO), yang mengarah pada peningkatan produksi sel darah merah (erythropoiesis). Pentingnya kontrol hormonal dari eritropoiesis sudah diketahui pada awal abad ke-20, tetapi bagaimana proses ini sendiri dikendalikan oleh O2 tetap menjadi misteri.

Gregg Semenza mempelajari gen EPO dan bagaimana hal itu diatur oleh kadar oksigen yang bervariasi. Dengan menggunakan tikus yang dimodifikasi gen, segmen DNA spesifik yang terletak di sebelah gen EPO ditunjukkan untuk memediasi respons terhadap hipoksia. Sir Peter Ratcliffe juga mempelajari regulasi O2 yang bergantung pada gen EPO, dan kedua kelompok penelitian menemukan bahwa mekanisme penginderaan oksigen hadir di hampir semua jaringan, tidak hanya di sel-sel ginjal tempat EPO biasanya diproduksi. Ini adalah temuan penting yang menunjukkan bahwa mekanismenya umum dan fungsional pada banyak tipe sel yang berbeda.

Semenza ingin mengidentifikasi komponen seluler yang menjadi perantara respons ini. Dalam sel liver yang dikultur, ia menemukan kompleks protein yang berikatan dengan segmen DNA yang diidentifikasi dengan cara yang bergantung pada oksigen. Dia menyebut kompleks ini sebagai hypoxia-inducible factor (HIF).

Upaya ekstensif untuk memurnikan kompleks HIF dimulai. Pada tahun 1995, Semenza menerbitkan beberapa temuan kuncinya, termasuk identifikasi gen yang mengkode HIF. HIF ditemukan terdiri dari dua protein pengikat DNA yang berbeda (disebut faktor transkripsi), dikenal sebagai HIF-1α dan ARNT. Sekarang para peneliti dapat mulai memecahkan teka-teki, memungkinkan mereka untuk memahami komponen tambahan mana yang terlibat, dan bagaimana semuanya bekerja.

Peran VHL

Ketika kadar oksigen tinggi, sel-sel mengandung sangat sedikit HIF-1α. Namun, ketika kadar oksigen rendah, jumlah HIF-1α meningkat sehingga dapat mengikat dan dengan demikian mengatur gen EPO serta gen lain dengan segmen DNA yang mengikat HIF.

Beberapa kelompok penelitian menunjukkan bahwa HIF-1α, yang biasanya terdegradasi dengan cepat, terlindungi dari degradasi pada hipoksia. Pada tingkat oksigen normal, mesin seluler yang disebut proteasome, yang diakui oleh Hadiah Nobel Kimia untuk Aaron Ciechanover, Avram Hershko dan Irwin Rose, mendegradasi HIF-1α. Dalam kondisi seperti itu peptida kecil, ubiquitin, ditambahkan ke protein HIF-1α. Ubiquitin berfungsi sebagai label untuk protein yang ditujukan untuk degradasi pada proteasome. Bagaimana ubiquitin berikatan dengan HIF-1α dengan cara yang bergantung pada oksigen tetap menjadi pertanyaan utama.

Jawabannya justru datang dari arah yang tidak terduga. Pada waktu yang hampir bersamaan dengan Semenza dan Ratcliffe sedang mengeksplorasi regulasi gen EPO, peneliti kanker William Kaelin, Jr sedang meneliti suatu sindrom turunan, penyakit von Hippel-Lindau (penyakit VHL).

Penyakit genetik tersebut menyebabkan peningkatan dramatis risiko kanker tertentu dalam keluarga dengan mutasi VHL yang diwariskan. Kaelin menunjukkan bahwa gen VHL e mengkodekan protein yang mencegah timbulnya kanker. Kaelin juga menunjukkan bahwa sel-sel kanker yang tidak memiliki gen VHL fungsional mengekspresikan tingkat gen yang diatur hipoksia secara abnormal tinggi; tetapi ketika gen VHL diperkenalkan kembali ke dalam sel kanker, kadar normal dipulihkan.

Ini adalah petunjuk penting yang menunjukkan bahwa VHL entah bagaimana terlibat dalam mengendalikan respons terhadap hipoksia. Petunjuk tambahan datang dari beberapa kelompok penelitian yang menunjukkan bahwa VHL adalah bagian dari kompleks yang memberi label protein dengan ubiquitin, menandainya untuk degradasi pada proteasome.

Ratcliffe dan kelompok penelitiannya kemudian membuat penemuan kunci: menunjukkan bahwa VHL secara fisik dapat berinteraksi dengan HIF-1α dan diperlukan untuk degradasinya pada tingkat oksigen normal. Ini menghubungkan VHL dengan HIF-1α.

(1) Ketika kadar oksigen rendah (hipoksia), HIF-1α dilindungi dari degradasi dan terakumulasi dalam nukleus, di mana ia berasosiasi dengan ARNT dan berikatan dengan sekuens DNA spesifik (HRE) pada gen yang diatur hipoksia. (2) Pada kadar oksigen normal, HIF-1α cepat terdegradasi oleh proteasome. (3) Oksigen mengatur proses degradasi dengan penambahan gugus hidroksil (OH) ke HIF-1α. (4) Protein VHL kemudian dapat mengenali dan membentuk kompleks dengan HIF-1α yang mengarah ke degradasinya dengan cara yang bergantung pada oksigen.

 

Oksigen Meningkatkan Keseimbangan

Banyak kepingan pengetahuan tentang ini yang telah jelas terlihat, tetapi yang masih kurang adalah pemahaman tentang bagaimana tingkat O2 mengatur interaksi antara VHL dan HIF-1α.

Pencarian difokuskan pada bagian spesifik dari protein HIF-1α yang diketahui penting untuk degradasi yang bergantung pada VHL, Kaelin dan Ratcliffe menduga bahwa kunci pengindraan O2 berada di suatu tempat dalam domain protein ini.

Pada tahun 2001, dalam dua artikel yang diterbitkan secara bersamaan mereka menunjukkan bahwa di bawah kadar oksigen normal, gugus hidroksil ditambahkan pada dua posisi spesifik dalam HIF-1α. Modifikasi protein ini, yang disebut prolyl hydroxylation, memungkinkan VHL untuk mengenali dan mengikat HIF-1α dan dengan demikian menjelaskan bagaimana kadar oksigen normal mengendalikan degradasi HIF-1α yang cepat dengan bantuan enzim yang peka terhadap oksigen (disebut prolyl hydroxylases). Penelitian lebih lanjut oleh Ratcliffe dan lainnya mengidentifikasi prolyl hydroxylases yang bertanggung jawab. Juga ditunjukkan bahwa fungsi pengaktifan gen HIF-1α diatur oleh hidroksilasi yang bergantung pada oksigen. Para Peraih Nobel tahun ini telah menjelaskan mekanisme penginderaan oksigen dan telah menunjukkan cara kerjanya.

Oksigen membentuk fisiologi dan patologi

Berkat terobosan para Peraih Nobel ini, kita menjadi tahu lebih banyak tentang bagaimana kadar oksigen yang berbeda mengatur proses fisiologis mendasar. Penginderaan oksigen memungkinkan sel untuk menyesuaikan metabolisme mereka dengan kadar oksigen yang rendah: misalnya, di otot kita selama latihan intensif.

Contoh lain dari proses adaptif yang dikendalikan oleh penginderaan oksigen termasuk generasi pembuluh darah baru dan produksi sel darah merah. Sistem kekebalan tubuh kita dan banyak fungsi fisiologis lainnya juga disesuaikan dengan mesin pengindra O2. Penginderaan oksigen bahkan telah terbukti penting selama perkembangan janin untuk mengendalikan pembentukan pembuluh darah normal dan perkembangan plasenta.

Penginderaan oksigen merupakan pusat dari sejumlah besar penyakit. Sebagai contoh, pasien dengan gagal ginjal kronis sering menderita anemia berat karena penurunan ekspresi EPO. EPO diproduksi oleh sel-sel di ginjal dan sangat penting untuk mengendalikan pembentukan sel darah merah, seperti yang dijelaskan di atas.

Selain itu, mekanisme yang diatur oksigen memiliki peran penting dalam kanker. Pada tumor, ‘mesin’ yang diatur oksigen digunakan untuk merangsang pembentukan pembuluh darah dan membentuk kembali metabolisme untuk proliferasi sel kanker yang efektif.

Upaya intens yang berkelanjutan di laboratorium akademik dan perusahaan farmasi sekarang difokuskan pada pengembangan obat yang dapat mengganggu berbagai penyakit dengan mengaktifkan atau memblokir mesin penginderaan oksigen.

Sumber: Nobel Prize 

Riset dan Terobosan


8 Oct 2019 Gakken Editorial