kaian MSC
alogenik pada penyakit jantung. Saat ini product MSC
digunakan untuk uji klinis skala besar melibatkan
ribuan pasien dan jika berhasil produk ini disetujui
FDA. 95
Stem Cell Epigenetik
21
Gambar 21. Mekanisme kerja mesenchymal stem cell (MSC). Mekanisme kerja MSC yaitu membentuk efek parakrin,
autokrin dan langsung yang menginduksi regenerasi vaskuler, proteksi miokard, regenerasi kardiomiosit yang
memicu perbaikan jantung. Miro 1: mitochondria Rho-GTP ase.
________________________Karantalis V, Hare JM. Use of mesenchymal stem cells for therapy of cardiac disease. Circ Res. 2015;116:1413-1430.
Tabel 1.Terapi Stem Cell pada Gagal Jantung Kronik
Nama uji klinis (Jumlah Pasien) Δ6MWT ΔMLHFQ ΔMI SIZE ΔEF
Williams et al6 (n=8) … … −18.3±8.3% …
SCIPIO20 (n=21) … −19.8 −9.8±3.5 g (−30%) +8–12.3%
MESOBLAST23 (n=60) +52.5 m* … … +5.2±9.3%*§
CADUCEUS18 (n=25) +33.0 m −10.8† −12.9 g (−42%) †
POSEIDON16 (n=30) +43.5 m −7.6 −33.21% +2.0%*†
C-CURE19 (n=33) +62.0 m ±10*† … +7.0%
TAC-HFT17(n=59) +32.6 m† −6.3 −12.6 g (−32.9%) †
MSC-HF‡ (n=59) … … −4.4±5.1 g +5.5±3.8%
6MWT : 6-minute walk test; C-CURE, Cardiopoietic stem Cell therapy in heart failURE; CADUCEUS, CArdiosphere-
Derived aUtologous Stem CElls to Reverse ventricUlar dySfunction; EF, ejection fraction; MESOBLAST, A Phase II
Dose-escalation Study to Assess the Feasibility and Safety of Transendocardial Delivery of Three Different Doses of
Allogeneic Mesenchymal Precursor Cells (MPCs) in Subjects With Heart Failure; MI SIZE, myocardial infarction
size/scar size; MLHFQ, Minnesota Living With Heart Failure Questionnaire MSC-HF, Mesenchymal Stromal Cells in
chronic ischemic Heart Failure; POSEIDON, The Percutaneous Stem Cell Injection Delivery Effects on Neomyogenesis
Pilot Study; SCIPIO, Cardiac Stem Cell Infusion in Patients With Ischemic CardiOmyopathy; and TAC-HFT, The
Transendocardial Autologous Cells (hMSC or hBMC) in Ischemic Heart Failure Trial.
*Tidak signifikan vs kontrol
†Tidak signifikan dalam kelompok.
‡Data tidak dipublikasi.
§25 juta kelompok sel precursor mesenchymal.
________________________Sanina C, Hare JM. Mesenchymal stem cells as a biological drug for heart disease. Where are we with cardiac cell–based
therapy? Circ Res. 2015;117:229-233.
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
22
Gambar 22. Jumlah uji klinis MSC (Mesenchymal Stem Cell) (n=34) didapati pada clinicaltrials.gov penyakit jantung.
Grafik bar menunjukkan jumlah uji klinis sesuai dengan fase klinis (A). Jumlah total pasien yang terdaftar sesuai dengan
fase uji klinis (B). Jumlah rata-rata pasien yang terdaftar per uji (C). Diagram menunjukkan persentase rute pemberian sel
dalam 34 uji klinis (intravena (IV), introkoronarier (IC), intramiokard (IM), dan transendokardial TE), D).
________________________Sanina C, Hare JM. Mesenchymal stem cells as a biological drug for heart disease. Where are we with cardiac cell–based
therapy? Circ Res. 2015;117:229-233.
MSC JARINGAN ADIPOSA
Jaringan adiposa mengandung beberapa stem cell
multipoten dikenal sebagai MSC jaringan adiposa,
mampu bereplikasi menjadi sel tidak terdiferensiasi,
adiposit dan berdiferensiasi menjadi sel lain
sepanjang turunan mesenchymal. MSC jaringan
adiposa dilaporkan dapat berdiferensiasi menjadi
kardiomiosit 96 dan sel endotel, 97 memotivasi studi
model gagal jantung pada hewan coba. Miyahara et
al., mendapatkan bahwa transplantasi MSC lapisan
tunggal ke dalam infark miokard dengan jaringan
parut dapat memperbaiki dinding jaringan parut
menipis dan memperbaiki fungsi jantung. 98 Studi
lain membandingkan MSC jaringan adiposa dengan
BMMNC (bone marrow mononuclear cell) pada
model tikus dengan infark miokard kronik. 99 Satu
bulan setelah transplantasi, MSC adiposa dapat
menginduksi perbaikan fraksi ejeksi ventrikel kiri,
meningkatkan angiogenesis dan mengurangi fibrosis
secara signifikan dibandingkan dengan sel
kardiomiogenik adiposa atau BMMNC. Studi A
Randomized Clinical Trial of Adipose-derived Stem
Cells in Treatment of Non Revascularizable
Ischemic Myocardium (PRECISE) oleh Perin et al.,
merekrut 27 pasien mendapatkan bahwa pemakaian
sel adiposa dapat menstabilkan besarnya infark dan
meningkatkan konsumsi oksigen maksimal. 100
UNFRACTIONIZED BONE MARROW-
DERIVED STEM CELL
Hasil meta-analisis yang dilakukan Afzal et al.,
dimuat di Circulation Research, jurnal ranking No 1
di dunia dalam penelitian kardiovaskuler,
melibatkan 48 studi acak tersamar mendapatkan
bahwa transplantasi sel sumsum tulang (bone
marrow cell) pada pasien penyakit jantung iskemik
meningkatkan fraksi ejeksi ventrikel kiri (left
ventricular ejection fraction, LVEF) sebesar 2.92%
(95% confidence interval, 1.91–3.92; p <0.00001)
Stem Cell Epigenetik
23
(Gambar 23) 101 , mengurangi besarnya infark
(infarct size) sebesar −2.25% (95% confidence
interval, −3.55 s/d −0.95; p =0.0007), mengurangi
volume sistolik akhir (left ventricular end-systolic
volume, LVESV) sebesar −6.37 mL (95%
confidence interval, −8.95 s/d −3.80; p <0.00001),
dan cenderung mengurangi volume diastolik akhir
ventrikel kiri (left ventricular end-diastolic volume,
LVEDV) sebesar −2.26 mL (95% confidence
interval, −4.59 s/d 0.07; p =0.06) (Tabel 2). 101
Terapi sel sumsum tulang aman dilakukan dan
meningkatkan outcome klinis, termasuk menurunkan
angka mortalitas, infark miokard rekuren, aritmia
ventrikel dan kejadian serebrovaskuler selama
follow-up. Efek ini dianalisis memakai
magnetic resonance imaging (MRI), merupakan
pencitraan canggih dalam menganalisis perbaikan
struktur dan fungsi jantung. Kesimpulan meta-
analisis ini memberi petunjuk bahwa terapi stem
cell merupakan modalitas pengobatan dalam
meningkatkan fungsi jantung melalui proses
regenerasi jaringan jantung dan efek parakrin yang
merangsang cardiac stem cell dan faktor parakrin
yang memicu perbaikan fungsi jantung.
Gambar 23. Efek transplantasi BMC terhadap LVEF (left ventricular ejection fraction). Transplantasi BMC memberi
peningkatan LVEF sebesar 2,92% (95% CI, 1.91–3.92; P<0.00001) dibandingkan kontrol. IN inverse variance.
________________________Afzal MR, Samanta A, Shah ZI, Jeevanantham V, Abdel-Latif A, Zuba-Surma EK, Dawn B. Adult bone marrow cell therapy
for ischemic heart disease. Evidence and insights from randomized controlled trials. Circ Res. 2015;117:558-575.
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
24
Tabel 2. Perbedaan hasil akhir terapi sel sumsum tulang (BMC) dengan kontrol selama follow up pada pasien penyakit
jantung iskemik
Durasi Follow-Up BMC Therapy (n) Control (n) Perbedaan rerata (95% CI) Nilai P
LVEF
0–3 bln 499 385 3.53 (2.05 to 5.00) <0.00001
4–6 bln 1196 958 2.92 (1.88 to 3.96) <0.00001
7–12 bln 591 446 4.43 (0.48 to 3.89) <0.00001
>12 bln 330 298 2.19 (0.48 to 3.89) 0.01
Infarct size
0–3 bln 123 88 −6.02 (−11.37 to −0.67) <0.03
4–6 bln 443 373 −2.25 (−3.77 to −0.72) <0.004
7–12 bln 167 93 −4.39 (−7.20 to −1.57) 0.002
>12 bln 99 87 −2.25 (−3.14 to −1.36) <0.00001
LVESV
0–3 bln 322 244 −7.26 (−11.11 to −3.41) 0.0002
4–6 bln 907 751 −5.50 (−7.78 to −3.22) <0.00001
7–12 bln 424 353 −10.58 (−14.90 to −6.27) <0.00001
>12 bln 285 271 −4.76 (−7.46 to −2.06) 0.0006
LVEDV
0–3 bln 322 244 −2.34 (−7.03 to 2.34) 0.33
4–6 bln 877 725 −2.57 (−4.98 to −0.16) <0.04
7–12 bln 432 358 −5.84 (−11.03 to −0.64) <0.00001
>12 bln 262 266 −2.08 (−4.98 to 0.82) 0.16
BMC, bone marrow cell; CI, confidence interval; LVEDV, left ventricular end-diastolic volume; LVEF, left ventricular
ejection fraction; LVESV, left ventricular end-systolic volume; and n, jumlah poin pada setiap kelompok.
________________________Afzal MR, Samanta A, Shah ZI, Jeevanantham V, Abdel-Latif A, Zuba-Surma EK, Dawn B. Adult bone marrow cell therapy
for ischemic heart disease. Evidence and insights from randomized controlled trials. Circ Res. 2015;117:558-575.
Gambar 24. Persentase sel CD34+ dan perubahan LVEF pada 6 bulan. Aspirasi sumsum dilakukan pasien dengan infark
miokard akut dan disfungsi ventrikel kri. Persentase CD34+ diukur sesuai dengan kriteria ISHAGE dan LVEF diukur
pada baseline dan bulan ke 6. A. Pasien dengan infark miokard akut (Acute Mioacardial Infarction, AMI). A, Pasien
dengan persentase CD34+ dalam sumsum tulang tinggi (>2 SD dari dengan rerata) menunjukan peningatkan LVEF
secara signifikan pada 6 bulan follow up. B. Pasien dengan disfungsi ventrikel kiri, (left ventricular dysfunction, LVD)
dan CD34+ sumsum tulang tinggi (>2 SD dari rerata) menunjukan peningkatan LVEF lebih tinggi pada 6 bulan follow
up.
________________________Cogle CR, Wise E, Meacham AM, Zierold C, Traverse JH, Henry TD, Perin EC, Willerson JT, Ellis SG, Carlson M, Zhao
DXM, Bolli R, Cooke JP, Anwaruddin S, Bhatnagar A, Cabreira-Hansen MDG, Grant MB, Lai D, Moy L, Ebert RF, Olson RE, Sayre
SL,. Schulman IH, Bosse RC, Scott EW, Simari RD, Pepine CJ, Taylor DA; for the Cardiovascular Cell Therapy Research Network
(CCTRN) Detailed nalysis of bone marrow from patients with heart disease and left ventricular dysfunction BM CD34, CD11b, and
clonogenic capacity as biomarkers for clinical outcomes. Circ Res. 2014;115:867-874
Stem Cell Epigenetik
25
Timbul pertanyaan : Apa yang mendasari perbaikan
fungsi dan struktur jantung memakai terapi sel
sumsum tulang ? Mengapa kenaikan fraksi ejeksi
hanya sebesar 2.92%, dapat memicu
penurunan angka mortalitas ? Hasil analisis secara
detail dilakukan peneliti Cogle et al., yang
mendapatkan bahwa CD34+ stem cell yang berada
di dalam sumsum tulang berhubungan dengan
perbaikan LVEF (+9.9% versus +2.3%; p =0.03)
pada pasien dengan infark miokard akut (acute
myocardial infarction, AMI) dan +6.6% versus
−0.02%; p =0.021 pada pasien dengan penyakit
jantung iskemik konik (Gambar 24). 102 Hasil analisis
ini diperoleh dari stem cell sumsum tulang dan darah
perifer pasien yang direkrut dalam studi
Cardiovascular Cell Therapy Research Network
(CCTRN) meliputi 3 studi utama yaitu uji klinis
acak tersamar Transplantation in Myocardial
Infarction Evaluation (TIME), LateTIME, and First
Mononuclear Cells injected in the United States
(FOCUS) yang dilaksanakan oleh CCTRN dengan
jumlah sampel sebanyak 291 dari total 299 pasien
yang direkrut dalam ke 3 studi.
Dalam penelitian terhadap 2 studi kohort penelitian
melibatkan masing-masing n=502 dan n=403 pada
pasien dengan penyakit jantung koroner, Patel et al.,
mendapatkan bahwa pasien dengan jumlah CD34+
stem cell dan CD34+/CD133+ yang rendah masing-
masing mendapatkan risiko kematian sebesar 3,54
(1.67–7.50) dan 2.46 (1.18–5.13) daripada orang
normal (Gambar 25).103 Hal ini terjadi sebab
gangguan kapasitas regenerasi endogen akibat
berkurangnya stem cell CD34+.
Dari hasil penelitian Cogle et al., and Patel et al.,
dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa reaksi
sumsum tulang terhadap kondisi penyakit jantung
koroner dalam hal hematopoietic stem cell yang
bisa diperiksa dengan marker CD34+ stem cell
berbeda-beda. Meskipun kadar CD34+ mencapai
kadar terendah pada hari ke 7 setelah infark
miokard (Gambar 26), 102 pasien yang memiliki
kadar CD34+ yang tinggi dalam 6 bulan setelah
infark akan memiliki LVEF yang lebih tinggi
daripada pasien dengan LVEF yang rendah
(Gambar 24). 102 Hal ini berimplikasi bahwa
pemberian terapi stem cell dapat meningkatkan
fungsi jantung pasien saat CD34+ mencapai
titik terendah, sebab hanya CD34+ di dalam
sumsum tulang yang mengalami perubahan saat
terjadi infark miokard.102
Gambar 25. Survival disesuaikan dengan usia dan jenis kelamin dengan end point primer jumlah CD34+ (atas) dan
CD34+/133+ (bawah). Hasil ditunjukkan dari kohort 1 dan 2 dan kombinasi. Garis berwarna menunjukkan tertil jumlah
progenitor cell (biru = tertil atas; hijau = tertil tengah; merah= tertil bawah). NIlai P yaitu perkiraan efek dalam model
regresi Cox.
________________________Patel RS, Li Q, a Ghasemzadeh N, Eapen DJ, Moss LD, Janjua AM, Manocha P, Kassem HA, Veledar E, Samady H, Taylor
WR, A. Maziar Zafari AM, Sperling L, Vaccarino V, Waller EK, Quyyumi AA. Circulating CD34+ progenitor cells and risk of mortality
in a population with coronary artery disease. Circ Res. 2015;116:289-297
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
26
Gambar 26. Subset sel di dalam sumsum tulang pada pasien Cardiovascular Cell Therapy Research Network (CCTRN).
BMMNCs (bone marrow mononuclear cells) dari subjek dilakukan imunostaining dan dihitung dengan flow cytometry.
Dalam uji TIME, pasien dilakukan secara acak 1:1 dengan aspirasi sumsum tulang (A) 3 hari atau (B) 7 hari setelah
infark miokard akut (AMI, acute myocardial infarction) . C. pada uji LateTime, semua subjek mengalami aspirasi sumsum
tulang 2-3 minggu setelah AMI. D. dalam uji FOCUS, aspirasi sumsum tulang dilakukan pada pasien dengan iskemia
miokard kronik dan disfungsi ventrikel kiri > 30 hari setelah AMI. VEGFR2 : vascular endothelial growth factor receptor 2.
________________________Cogle CR, Wise E, Meacham AM, Zierold C, Traverse JH, Henry TD, Perin EC, Willerson JT, Ellis SG, Carlson M, Zhao
DXM, Bolli R, Cooke JP, Anwaruddin S, Bhatnagar A, Cabreira-Hansen MDG, Grant MB, Lai D, Moy L, Ebert RF, Olson RE, Sayre
SL,. Schulman IH, Bosse RC, Scott EW, Simari RD, Pepine CJ, Taylor DA; for the Cardiovascular Cell Therapy Research Network
(CCTRN) Detailed nalysis of bone marrow from patients with heart disease and left ventricular dysfunction BM CD34, CD11b, and
clonogenic capacity as biomarkers for clinical outcomes. Circ Res. 2014;115:867-874
Apa yang terjadi di dalam sumsum tulang pasien
saat timbul penyakit jantung iskemik berupa
infark miokard ? Di dalam sumsum tulang didapati
adanya niche (microenvironment) yang mengatur
hematopoietic stem cell (HSC). saat tidak ada
injuri atau infark, HSC berada dalam kondisi
quiescent berarti sel dalam keadaan dormant (G0).
Sebaliknya jika ada injury, HSC keluar dari kondisi
dormant dan menjadi aktif berproliferasi. 104
Menurut Kunisaki et al., HSC dalam kondisi
quiescent sebab dipertahankan oleh endosteal
niche, yaitu rongga dinding osteoblast, sedangkan
HSC dalam kondisi aktif untuk daya regenerasi
akibat vascular sinusoidal niche. 105
Komponen sel di dalam niche sumsum tulang ada 2
jenis : sel endotel (endothelial cell), mesenchymal
stromal cell yaitu nonhematopoietic stem cell, dan
megakaryocyte yang memberi signal ke HSC.
105 Arteriolar stromal niche cells yang
mempertahankan HSC dalam keadaan quiescent
yaitu Nestin-GFP bright, NG2+, LepR- pericytes,
sedangkan sinusoidal stromal niche cells yang
mengatur HSC dalam keadaan aktif yaitu as
Nestin-GFPdim, NG2- (Gambar 27) 106 HSC yang
quiescent memberi suplai 1 trilion sel setiap hari,
sedangkan sel yang aktif sebagai “backup” akan
menggantikan stem cell yang hilang dalam kondisi
homeostasis dan terutama sebagai respon terhap
injuri atau perubahan patologik. 105
Stem Cell Epigenetik
27
Gambar 27. Susunan HSC Niche. (A) Anatomi rongga sumsum tulang menggambarkan inervasi simpatis dan pembuluh
darah dan hubungan antara arteriole dan pembuluh darah sinusoid. Setiap regio (kotak titik-titik) yaitu bagian
perivasculer MSC, yang mengatur berbagai kondisi HSC. HSC dalam keadaan quisecent yaitu sel dormant G0. HSC
aktif yaitu sel yang keluar dari quiescent atau dalam kondisi aktif cycling atau migrasi. (B) HSC niche essential (hitam
dan asesoris (abu) mengatur fungsi HSC. Kelompok sel dalam Lingkaran titikt-titik baik dengan sumber yang sama (yaitu
perivascular MSC dan diferensiasi osteoclast) atau fungsi sama (komponen makrofag dan susunan saraf pusat). Panah
hitam mengambarkan progeni MSC berdiferensiasi menjadi osteoblast dan membentuk kompartemen osteoclast. Panah
abu-abu menunjukkan efek HSC niche cell. CAR, CXCL12bright MSCs; E-Sel, E-selectin; LEP-R, NG2+LEPR
+Nesbright MSCs; NG2, NG2+LEP-R_Nesdim MSCs; nmSC, non-myelinating Schwann cells; NorE, norepinephrine;
OCL, osteoclasts; OPr, osteoprogenitors; OsM, osteomacs.
________________________Schepers K, Campbell TB, Passegue E. Normal and leukemic stem cell niches: insights and therapeutic opportunities. Cell
Stem Cell 2015;16:254-267.
CARDIAC STEM CELL
Leri et al., mengungkapkan adanya satu populasi
stem cell di dalam jantung atau resident stem cell
yang memiliki kemampuan berdiferensiasi
menjadi kardiomiosit, sel otot polos dan sel endotel,
yang disebut cardiac stem cell. 107 Penemuan ini
tidak hanya memutarbalikan doktrin bahwa jantung
yaitu organ pascamitotik melainkan bersifat self-
renewal, sekaligus membuka peluang terapeutik
(Gambar 11). 24 Apa yang disampaikan dalam
tinjauan pustaka Leri et al., yaitu berdasar hasil
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
28
studi dari kelompok mereka yaitu Beltrami et al.,
yang melaporkan adanya satu populasi sel diisolasi
dari jantung tikus yang mengekspresi tyrosine kinase
receptor c-kit (marker stemness) yang kurang
mengkespresikan hematopoietik.108 Penyuntikan
CSC manusia ke dalam miokardium roden dengan
infark miokard dapat memperbaiki struktur dan
fungsi ventrikel kiri dan terbentuk kimera jantung
berisikan miokardium manusia yang tersusun atas
miosit dan pembuluh darah koroner. 109
Bukti bahwa kardiomiopati iskemik berhubungan
dengan hilangnya fungsi CSC, 110 memotivasi
penelitian CSC pada gagal jantung kronik. Suntikan
c-kit+ CSC secara intramiokard ke zona batas infark
20 hari setelah oklusi koronaria permanen pada tikus
menunjukkan daya regenerasi pada jaringan parut
(scar) sebesar kurang lebih 42% dengan
pertumbuhan miokard baru, berkurangnya dilatasi
ventrikel kiri dan perbaikan fungsi jantung. 111
Penelitian oleh Tang et al., 112 mendapatkan bahwa
CSC yang disuntikkan secara introkoronaria dapat
meregenerasikan jaringan jantung dan mengurangi
remodeling ventrikel kiri pascainfark pada infark
miokard lama setelah satu bulan pada tikus,
menghantarkan Bolli et al., melakukan verifikasi
hasil penelitian. 113 Dengan memakai hewan
coba babi, kelompok peneliti ini melakukan oklusi
arteri koronaria dan reperfusi. Setelah oklusi
dilakukan, dilakukan isolasi dan kultur
memperbanyak c-kit+ CSC pada atrium kanan.
Dengan memakai kateter, hasil kultur sebanyak
1 juta CSC disuntikan secara introkoronaria, dan
mendapatkan peningkatan LVEF (left ventricular
ejection fraction), dan peningkatan penebalan
sistolik dinding ventrikel di tempat infark,
penurunan tekanan diastolik akhir, dan peningkatan
dP/dtmax ventrikel. 112 Hasil yang meyakinkan ini
meletakkan dasar bagi penelitian SCIPIO (Cardiac
Stem cell Infusion in Patients with Ischemic
Cardiomyopathy), uji klinis pertama memakai
CSC. 24
SCIPIO yaitu suatu studi acak tersamar
memakai CSC autologus untuk pengobatan
gagal jantung iskemik kronik, dengan target populasi
LVEF 40% yang telah menjalani coronary bypass.
Kurang lebih 4 bulan setelah bypass, CSC yang
diperoleh sebanyak 1 juta yang diperoleh dari hasil
ekspansi kultur, disuntikan secara intrakoromasi,
dengan kelompok kontrol tidak diberi CSC. Hasil
sementara sangat menjanjikan. 114,115 Pada kelompok
terapi CSC, LVEF yang diukur dengan eko 3
dimensi mengalami peningkatan dari 29.01.7%
menjadi 362.5% setelah 4 bulan. Pada kelompok
kontrol sebanyak 13 orang tidak mengalami
perubahan. Efek CSC meningkat pada penilaian1
tahun (LVEF +8.1% versus baseline; n=17) dan 2
tahun (LVEF : +12.9%; n=8). Dengan pemeriksaan
MRI, besar infark berkurang pada 4 bulan dari
34.92.3 menjadi 21.62.7 gr (reduksi 38.1%) dan
pada 1 tahun dari 33.93.0 menjadi 18.73.6 gr
(reduksi 44.8%). Efek ini memicu perbaikan
kelas fungsional NYHA dan kualitas hidup. 114
CARDIOSPHERE DAN CARDIOSPHERE-
DERIVED CELL
Messina et al., pertama kali melakukan isolasi satu
populasi sel yang melekat secara klaster pada piring
petri dari hasil biopsi atrium and ventrikel manusia
dan mencit. 116 Populasi sel ini mampu
berdiferensiasi menjadi kardiomiosit, sel endotel dan
sel otot polos maka kelompok studi ini menamakan
cardiosphere. 116 Smith et al., mendapatkan
cardiosphere yang diperoleh dari spesimen hasil
biopsi endomiokardium dan ditanamkan dalam
kultur sehingga memperoleh cardiosphere-derived
cells (CDC). CDC dilaporkan juga mampu
berdiferensiasi menjadi kardiomiosit stabil
berdenyut secara in vitro dan memicu
regenerasi kardiomiosit, meningkatkan fungsi
jantung saat disuntikan pada model mencit dengan
infark miokard.117 Penelitian eksperimental
dilakukan Johnston et al., tahun 2009 dengan
menyuntikan CDC manusia secara intrakoronaria ke
babi dengan infark miokard lama memicu
regenerasi jantung, reduksi besarnya infark, dan
mengurangi proses remodeling ventrikel kiri serta
memperbaiki fungsi jantung. 118 Secara fenotipe,
CDC yaitu campuran berbagai tipe sel, termasuk
sel yang mengekspresi endotel (kinase inserta
dpmain receptor (KDR) atau CD31, stem cell
(CD34+, c-kit, Sca-1) dan marker antigen
mesenkimal (CD105, CD90) (Gambar 11). 24
Studi klinis fase I secara acak tersamar
(CADUCEUS) oleh Makkar et al., pada pasien
dengan infark miokard akut dan gangguan fungsi
ventrikel LVEF45% mendapatkan bahwa dari 17
pasien yang disuntikan CDC dosis 12.5, 17,3 atau 25
juta sel secara autologous dari hasil biopsy
endomiokard, setelah 1,5-3 bulan dengan infark,
dengan 8 pasien sebagai kontrol, mendapatkan
Stem Cell Epigenetik
29
bahwa CDC dapat mereduksi besaran infark sebesar
42% (dari 24% menjadi 12% pada ventrikel kiri)
pada 12 bulan follow-up, dan peningkatan jaringan
yang hidup dan penebalan dinding sistolik regional
pada regio infark, 119 namun terapi CDC tidak dapat
meningkatkan LVEF, mengurangi volume LV dan
meningkatkan kelas fungsional NYHA atau kualitas
hidup diukur dengan Minnesota Living with Heart
Failure Questionnaire. 119
INDUCED PLURIPOTENT STEM CELL
Takahashi dan Yamanaka memakai 4 faktor
transkripsi (octamer-binding transcription factor ¾
(OCT3/4), sex determining region Y-box2 (Sox-2),
c-Myc, Kruppel-like factor 4 (Klf-4), dikenal
sebagai faktor Yamanaka, pada fibroblast mencit
dewasa dan mengubahnya menjadi satu populasi
induced pluripotent stem cells (iPSC).120 Sel ini
dapat mengekspresi marker permukaan embryonic
stem cell (ESC), dan memiliki morfologi dan
pertumbuhan seperti pada ESC. Potensi iPSC
terhadap kardiogenik sangat menyerupai potensi dari
ESC, dengan kardiomiosit yang dihasilkan berupa
denyutan spontan, kontraktilitas dan ekspresi ion
kanal. 121 Namun, sampai saat ini, belum ada studi
yang spesifik menilai potensi iPSC pada model
hewan dengan gagal jantung.
Faktor transkripsi yang digunakan memiliki sifat
onkogenik seperti c-Myc dan Kruppel-like factor-4
sehingga berpotensi menghasilkan teratoma. Metode
lebih baru tidak lagi memakai faktor ini
sehingga dapat menyingkirkan kemungkinan
pembentukan teratoma, 122,123 tetapi sifat alamiah
yang terkandung di dalam sel ini dapat
memicu tumorigenesis. 124 Efisiensi yang
rendah dari iPSC dan variasi antar cell line juga
menimbulkan masalah terhadap reprogramming. 125
Namun, dengan perkembangan teknologi yang pesat,
teknik ini akan dapat diatasi.
Dengan sifat yang dimiliki menyerupai embryonic
stem cell (ESC) sehingga memungkinkan
tumorigenesis, maka timbul pertanyaan apa yang
membuat iPSC dapat menyerupai ESC ? Para ahli
mengungkapkan bahwa di dalam iPS cell ada
“epigenetic memory”, suatu pola chemical mark
(penanda kimia) pada metilasi DNA yang
menggambarkan asal tipe sel, 126 dengan
sekelompok gen spesifik yang resisten terhadap
proses reprogramming. 127 sebab itu, retensi
epigenetic memory memiliki pengaruh lebih
signifikan terhadap karakteristik sel. 127 Dengan
melakukan reprogramming berulang atau subkutur
iPSC secara kontinu atau obat demethylating agent
dapat dilakukan perubahan ulang untuk mencapai
pluripotensi yang paling mendasar. 128
EPIGENETIK
Kata epi- dalam bahasa Yunani berarti di atas,
dekat, pada, sebelum atau sesudah. Namun
konotasi sebelum atau sesudah mungkin lebih
sering digunakan. Epigenetik dapat diartikan
sebagai perubahan dalam regulasi ekspresi gen
yang dapat diturunkan kepada sel progeni tanpa
perubahan pada urutan nukleotida gen. 129 Definisi
epigenetic pertama kali dikemukakan oleh Conrad
Waddington sebagai perubahan ekspresi gen yang
diturunkan dan fenotipe sel yang tidak bergantung
pada perubahan sekuensi DNA. 130 Hal ini berarti
bahwa melalui perubahan pada ekspresi gen yang
diturunkan, epigenetik dapat mengubah proses
pada DNA melalui serangkaian proses seperti
metilasi DNA, modifikasi kromatin dan non-coding
RNA. 131
Kromatin yaitu makromolekul DNA dan protein
histon, yang menyokong seluruh genom yang
mengandung materi genetik di dalam sel eukariot.
Unit dasar kromatin yaitu nukleosom, terdiri dari
oktamer berisikan dua histon H2A, H2B, H3 dan
H4, tempat terbungkusnya 147 bp DNA (Gambar
28). 132 Nukleosom dipisahkan oleh DNA linker
dengan panjang 20-50 bp. 133 DNA nuklesom yang
terbungkus lebih sulit dipengaruhi daripada DNA
linker (Gambar 29). 134 sebab itu, posisi genom dan
perubahan nukleosom dapat mempengaruhi
kemampuan protein berikatan dengan sekuensi
target di dalam DNA. Kromatin dapat dibagi atas :
heterokromatin, dengan kromatin yang terbungkus
ketat, terutama mengandung gen tidak aktif,
sedangkan eukromatin mengandung konformasi
yang lebih relaks yang memungkinkan terjadinya
transkripsi aktif. Berbagai kondisi dapat
berpengaruh terhadap proses ini yaitu modifikasi
pada DNA atau histon (Gambar 28 B). 132
Perubahan epigenetik dan susunan kromatin dalam
aktivasi dan represi gen penting dalam
mempertahankan pluripotensi stem cell, seperti pada
embryonic stem cell dan sel germinal primordial. 135
Kedua jenis sel dapat menghasilkan semua jenis sel
dari suatu organisme, sedangkan multipoten dan
unipoten stem cell memiliki keterbatasan
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
30
kapasitas diferensiasi dalam menghasilkan sel
progeni. Progresivitas dalam kondisi stem menjadi
sel yang lebih terdiferensiasi memerlukan perubahan
fungsi sel, pola ekspresi gen dan morfologi. 135
sebab itu, sifat khusus sel tidak hanya ditentukan
oleh sekuensi DNA, tetapi juga kombinasi gen aktif
dan silent dalam suatu waktu saat mengalami
proses perkembangan.
Gambar 28. Nukleosom. Unit dasar fungsional kromatin yaitu nukleosom (Panel A), tersusun atas oktamer histon
dikelilingi DNA. Oktamer dipisahkan oleh DNA linker. Oktamer histon dibentuk oleh histon tetramer H3:H4 dan dua
dimer H2A: H2B. Ekor histon terdiri dari empat histon inti yang dipengaruhi oleh modifikasi post-translasi (Panel B).
Hal ini meliputi metilasi (Me), asetilasi (Ac), fosforilasi (Ph), ubiquilasi (Ub) dan isomerisasi prolin (Iso), yang terjadi
pada tempat asam amino yang spesifik, seperti K4 dan K9 pada ekor histon H3. Asam amino histon yang sama juga
mengalami modifikasi post translasi yang berbeda.
________________________Dawson MA, Tony Kouzarides T, Huntly BJP. Targeting epigenetic readers in cancer. N Engl J Med 2012;367:647-57.
Stem Cell Epigenetik
31
Gambar 29. Metilasi DNA dan modifikasi kimia terhadap histon dapat mempengaruhi kecepatan transkripsi DNA
menjadi molekul RNA (histon yaitu protein tempat lilitan DNA membentuk kromatin). Aktivitas faktor transkripsi dan
struktur elemen DNA (lokasi dan sekuensi) dari elemen DNA pengaturan gen termasuk promotor, yang berada upstream
dari tempat dimulainya transkripsi RNA.
________________________Ecker JR. Serving up a genome feast. Nature 2012; 489: 52-53.
Meskipun semua sel di dalam tubuh memiliki
sekuensi DNA yang identik, namun setiap sel
memiliki fenotipe dan pola ekspresi gen berbeda.
Misalnya, perubahan kromatin di otak dapat
mempengaruhi ekspresi gen yang berupa
‘epigenetik’ dan menetap walaupun terjadi
pembelahan sel. Teori “kode epigenetik”
menjelaskan bahwa dua kondisi kromatin diperlukan
dalam memodifikasi kompleks kromatin. Regio
dengan aktivitas transkripsi diperankan oleh asetilasi
lisin oleh enzim histone acetyltransferase (HATs)
dengan merelaksasikan struktur kromatin dengan
melemahkan interaksi muatan positif pada ekor
histon dengan muatan negatif fosfat yang menopang
DNA, sehingga memungkinkan aktivator transkripsi
masuk dan menginduksi gen. 136 Sedangkan histone
deacetylase (HDACs) memperantarai deasetilasi
lisin dengan merubah sifat elektrostatik kromatin
yang memicu represi gen. 135,136 sebab itu,
histone acetyltransferases (HATs) dan HDACs
bekerja saling berlawanan dalam mengatur kondisi
asetilasi protein.
Untuk mendapat gambaran secara umum tentang
peran epigenetik terhadap ekspresi gen, maka di
sini akan dipaparkan salah sau contoh pengaruh
histone deacetylase terhadap ekspresi pada
penyakit jantung dan ginjal dan upaya intervensi
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
32
terhadap peran kromatin dengan melakukan
modifikasi kromatin.
Ada spasi
Sebagian besar studi HDAC terfokus pada peranan
dalam pengaturan hipertrofi jantung. Hipertrofi
jantung terjadi sebagai respon patologik dalam
upaya untuk menormalkan regangan dinding jantung
untuk meningkatkan performan jantung. Untuk
jangka panjang, respon ini bersifat maladaptif, 137
sehingga supresi terhadap hipertrofi jantung akan
menurunkan angka morbiditas dan mortalitas pada
pasien dengan hipertensi. Jika hipertensi tidak
ditanggulangi dengan baik, dapat memicu
gagal jantung dengan preservasi fraksi ejeksi
(HFpEF). 136 Hal yang sama dapat terjadi pada ginjal
jika pengontrolan hipertensi tidak diatasi dengan
baik. Upaya menurunkan tekanan darah
memakai angiotensin converting enzyme
inhibitor atau obat ß-bocker, melalui modulasi
terhadap sistem renin angiotensin, hanya
mempertahankan pengontrolan tekanan darah dan
sedikit memperlambat proses injuri glomerulus dan
mekanisme fibrotik sehingga berakhir pada HPpEF
dan penyakit ginjal tahap akhir.136 Histone
deacetylases (HDACs) memegang peranan penting
dalam petogenesis penyakit ini, sehingga inhibitor
HDAC berpotensi terhadap pengobatan pada sumbu
kardiorenal ini. 136
Studi Zhang et al, mendapatkan bahwa HDAC kelas
IIa befungsi sebagai represor terhadap signal
hipertrofi jantung. saat terjadi signal stres, HDAC
kelas IIa keluar dari nukleus kardiomiosit shingga
tidak mampu merepresi gen yang meningkatkan
pertumbuhan miosit. 138 Hal ini berarti HDAC
bersifat represi terhadap gen. Penelitian
memakai mencit transgenik dengan
overekspresi HDAC2 dependent yang memicu
hipertrofi dapat dihambat oleh HDAC inhibitor TSA
(trichostatin A) atau valproic acid selama 2
minggu.139
Bagaimana mekanisme HDAC inhibitor dalam
memberi efek terapeutik terhadap penyakit
jantung, dalam hal hipertrofi dan gagal jantung ?
Tentu salah satu penjelasan yaitu efek protektif
terhadap ekspresi gen jantung dengan melepaskan
represi, misalnya peningkatkan ekspresi gen
Kruppel-like factor (Klf)4 transcription factor,
sebab gen ini dapat menekan ekspresi gen yang
berhubungan dengan hipertrofi jantung.
Studi Gardner et al., mendapatkan bahwa ekspresi
BNP (brain natriuretic peptide) yang memperantarai
regangan ventrikel jantung, dan meningkat pada
gagal jantung pada waktu hipertrofi jantung,
bergantung pada HDAC2 dengan faktor transkripsi
yin-yang (YY1) terhadap promotor gen BNP. 140
YY1 mengalami asetilasi pada miosit jantung
sehingga deasetilasi terhadap faktor transkripsi ini
oleh HDAC akan memicu stimulus terhadap
transkripsi gen BNP. Dengan memakai TSA,
dapat menghambat kompleks YY1: HDAC2 dan
menekan ekspresi BNP yang diinduksi endotelin. 140
Penelitian Menick et al., menunjukkan bahwa
aktivitas HDAC1 merangsang ekspresi gen
sodium/calcium exchanger (NCX1) selama terjadi
hipertrofi jantung. 141 Setelah asetilasi, Nkx2.5 tidak
mampu berasosiasi dengan p300 HAT sehingga
tidak mampu merangsang ekspresi NCX1.
Deasetilasi gen Nkx2.5 oleh HDAC1 meningkatkan
hubungan dengan p300 dan memicu ekspresi
NCX1, dan proses ini dapat dihambat oleh TSA.
Dengan demikian, dapat dikemukakan bahwa studi
gen BNP dan NCX1 menjelaskan mekanisme
HDAC menekan ekspresi gen dengan merubah
kondisi asetilasi pada protein nonhiston (Gambar
30). 136
Penyakit ginjal kronik (CKD, chronic kidney
disease) dapat disebabkan hipertensi dan diabetes.
Penyakit ini sebagai respon terhadap stres dan injuri
kronik, memicu pelepasan sitokin dan
inflamasi. 136 Peningkatan kadar transformisng
growth factor-ß (TGF-ß) mengaktivasi sel mesangial
dan fibroblast memicu produksi protein
extracellular matrix (ECM) sehingga memicu
fibrosis organ baik terhadap ginjal dan jantung.142
TGF-ß juga meningkatkan dediferensiasii sel epitel
ginjal menjadi sel mesenkimal yang memproduksi
matrix melalui proses epithelial-to-mesenchymal
transition (EMT). 143
Studi Yoshikawa et al., menunjukkan bahwa TSA
dapat memblok TGF-ß yang memperantarai EMT,
mengurangi ekspresi profibrotik ECM dan
mempertahankan ekspresi E-cadherin, marker
fungsional epitel. 144 TSA juga meningkatkan
ekspresi faktor renoprotektif, bone morphogenetic
protein (BMP)-7, suatu inhibitor TGF-ß signaling
yang dikenal menekan EMT dan mengembalikan
fibrosis ginjal. 145,146 Pada model nefritis nefrotoksik
pada mencit dengan injuri renal autoimun selama 3
minggu, pemberian TSA dapat mengurangi fibrosis
dan mengembalikan fungsi ginjal secara
signifikan.147 Pemberian pan-HDAC dapat
mengembalikan fungsi ginjal pada model ini.
Stem Cell Epigenetik
33
Mekanisme yang mendasari efikasi HDAC inhibitor
sebagian disebabkan oleh rangsangan ekspresi BMP-
7 oleh stem cell di dalam ginjal. 136
Gambar 30. Regulasi gen jantung oleh HDAC inhibitor. Stimuli stres memicu pengeluaran antihipertrofi HDAC class
IIa melalui nukleus. HDAC klas IIa memiliki aktivitas intrinsik katalitik minimal sehingga resisten terhadap HDAC
inhibitor. Pada kondisi patologik, faktor transkripsi YY1 terikat pada HDAC klas 1, HDAC 2 mendeasetilasi YY1,
meningkatkan ekspresi gen BNP. HDAC kelas 1 mendeasetilasi faktor transkripsi Nkx2.5, sehingga meningkatkan
hubungan terhadap p300 HAT dan merangaang ekspresi gen NCX1. sebab itu, pemakaian inhibitor HDAC dapat
menghambat ekspresi gen tersebut. Inhibitor HDAC merangsang gen Klf4 dan Egr1 di dalam jantung, sehingga dapat
menghambat hipertrofi (Klf4) dan meningkatkan gen kontraktilitas (Egr1).
________________________Bush EW, McKinsey TA. Protein acetylation in the cardiorenal axis. The promise of histone deacetylase inhibitors. Circ
Res. 2010;106:272-284.
Restorasi asetilasi protein oleh HDAC inhibitor
merupakan suatu pendekatan terapi yang
menjanjikan pada penyakit kardiorenal. Kemampuan
HDAC inhibitor dapat disebabkan kemampuan
1. Sel, Stem Cell dan Epigenetik
34
senyawa ini mempengaruhi berbagai tipe sel seperti
miosit, fibroblast, sel epitel, sel inflamatori dan
mekanisme patologik, misalnya hipertrofi miosit,
produksi sitokin inflamatori, EMT, deposisi ECM,
dan apoptosis yang memicu gagal organ
(Gambar 31). 136
Gambar 31. Target HDAC inhibitor terhadap mekanisme patologik pada penyakit jantung dan ginjal kronik. Stres kronik
hipertensi dan diabetes memicu hipertrofi kardiomiosit dan inflamasi yang memicu fibrosis kardiorenal,
mengurangi fungsi organ, kematian sel dan akhirnya memicu gagal organ. HDAC inhibitor dapat menargetkan
berbagai tipe sel dalam progresivitas penyakit. HDAC inhibitor bersifat kardioprotektif dan renoprotektif, memblok
hipertrofi jantung dan mencegah kematian sel ginjal pada model gagal jantung dan gagal ginjal.
ada manusia, informasi genetik (DNA) tersusun
di dalam 23 pasang kromosom berjumlah
kurang lebih 25.000 gen. Kromosom ini diibaratkan
sebagai sebuah pustaka dengan berbagai jenis buku
berbeda di dalamnya, yang memberi instruksi
terbentuk seorang manusia; tersusun oleh jaringan
tubuh yang dibentuk oleh protein. Sekuensi DNA di
dalam genom terdiri atas 3x109 (3 miliar) basa,
disingkat dengan 4 huruf; A,C,G, dan T di dalam
urutan basa, sehingga memberi suatu rangkaian
kata (gen), kalimat, bab dan buku. Namun,
bagaimana kejadian sel dikoordinasi selama
perkembangan normal dan abnormal merupakan
suatu tantangan dalam mengungkapkannya. 1
Jika molekul DNA dari sel eukariot dibentangkan,
maka panjang sekitar 2 meter harus dikondensasikan
secara maksimal menjadi 10.000 lipatan untuk diisikan
di dalam sebuah nukleus, ruang yang menyimpan
materi genetik. DNA yang mengelilingi suatu
“bantalan benang” protein, yang dikenal sebagai
protein histon, yaitu polimer DNA yang disebut
kromatin. saat tumpukan DNA berada di dalam
ruangan terbatas, maka timbul masalah sulit
mendapatkan buku pilihan, sebab itu diperlukan
sistem indeks. Kromatin sebagai platform penyusun
genom memberi indeks. Kromatin bersifat
fleksibel, sebab dapat mengalami kondensasi (dikenal
heterokromatin) atau kurang kondensasi (eukromatin).
Hal ini terjadi sebab adanya variasi kromatin yang
P
2
Stem Cell Epigenetik
43
dikenal sebagai protein histon yang tidak lazim (histon
varian), perubahan struktur kromatin (remodeling
kromatin), dan penambahan unsur kimia ke dalam
protein histon (modifikasi kovalen). Penambahan satu
gugus metil ke dalam satu basa cytosine (c) dalam
cetakan DNA (dikenal metilasi DNA) dan histon
kovalen dapat mengubah kondisi kromatin. Noncoding
RNA dapat “menuntun” regio khusus di dalam genom
menjadi kromatin yang lebih kondesasi. sebab itu,
kromatin bersifat dinamik dalam menentukan indeks
genom dan signal protein dari pengaruh lingkungan,
sehingga menentukan apakah gen akan diekspresikan
atau tidak. 1
Pengaturan kromatin di dalam genom dikenal sebagai
“epigenetik”. Jadi, epigenetik memberi pola indeks
yang diturunkan pada pembelahan sel, memberi
“memori” seluler, yang merupakan ekstensi informasi
diturunkan dari kode genetik (DNA). sebab itu,
epigenetik dapat didefinisikan sebagai perubahan
dalam transkripsi gen melalui perubahan kromatin,
tanpa proses perubahan sekuensi DNA. Proses
epigenetik yang memicu perubahan ekspresi gen
umumnya melalui proses metilasi DNA, modifikasi
kromatin dan non-coding RNA. 2
Proses perkembangan pada sebuah sel telur yang
dibuahi dapat berlanjut dari satu genom tunggal
menghasilkan beberapa “epigenom” berbeda pada
lebih dari 200 jenis sel (Gambar 1) 1. Variasi
program ini dikenal sebagai “kode epigenetik” yaitu
mekanisme kovalen dan non kovalen yang
berpengaruh terhadap kondisi kromatin melalui
pembelahan dan perkembangan sel.
Gambar 1. Sekuensi DNA (untaian ganda berwarna hijau). Komposisi kromatin pada seluruh genom bergantung pada
tipe sel, dan respon terhadap signal internal dan ekstena. (Panel bawah) Divertifikasi genom pada organisme multiseluler
selama perkembangan dan diferensiasi dari satu stem cell (embrio yang telah dibuahi) menjadi sel terdiferensiasi.
Pengembalian diferensiasi (de-defereniasi) atau transdiferensiasi (garis biru) memerlukan reprogramming epigenom sel.
________________________Allis CD, Jenuwen T, Reinberg D. Overview and concepts. In : Allis CD eds., EpigeneticsCold Spring Harbour Laboratory
Press 2007, p. 23-61.
2. Epigenetik : Ilmu Baru Genetik
44
Gambar 2. Protein yang terlibat dalam regulasi modifikasi epigenetik. Writer menunjukkan enzim mengkatalisis
modifikasi. Reader yaitu protein atau kompleks multiprotein yang mengenal dan berikatan dengan modifikasi, dan
eraser yaitu kelompok enzim yang mengkatalisis epigenetic mark. Koordinasi pengaturan ketiga kelompok tidak hanya
mempertahankan epigenetik yang dapat diturunkan tetapi juga menentukan regulasi epigenetik selama perkembangan.
Daftar modifikasi histon writer, reader, dan eraser amat panjang. sebab itu, hanya dimuat contoh masing-masing
modifikasi. Protein dalam cetakan huruf biru menunjukkan defek jantung saat terjadi mutasi. DPF3B–Tetralogy of
Fallot, MLL2–Kabuki Syndrome, CHD7–CHARGE Syndrome, WHSC1–Wolf-Hirschhorn Syndrome. 5mC
menunjukkan 5-methylcytosine; 5hmC, 5-hydroxymethylcytosine; ASH1L, (absent, small or homeotic)-like; ATF,
activating transcription factor 4; BPTF, bromodomain PHD finger transcription factor; CBX, chromobox; CDYL,
chromodomain Y-like; CHD, chromodomain; CTBP, C-terminal binding protein; DNMTs, DNA methyltransferases;
DPF3B, D4 Zinc and double PHD Fingers, family 3; EAF (Eleven nineteen lysine-rich leukemia gene)-associated factor;
EZH, enhancer of zeste; GCN5, general control of amino-acid synthesis 5; H3K27me3, histone 3 lysine 27
trimethylation; HAT, histone acetyltransferase; HDAC, histone deacetylase; ING2, inhibitor of growth family member 2;
JHDM1D, jumonji C domain-containing histone demethylase 1; KDM, lysine demethylase; MeCP2, methyl- CpG
binding protein 2; MLL, mixed-lineage leukemia; MPP8, M-phase phosphoprotein 8; MYST1, MOZ YBF2 SAS2 TIP60
family member 1; NO66, nucleolar oxygenase 66; NSD1, nuclear receptor binding SET domain protein 1; PCL,
polycystin-like; PHF2, PHD finger protein 2; RSC4, remodel the structure of chromatin complex subunit 4; SETD,
su(var)3-9 and enhancer of zeste domain; SNF5, switch/sucrose nonfermentable (SWI/SNF) homolog 5; PRDM, PR
domain-containing; TAF3, TATA box binding protein associating factor 3; TET, ten eleven translocation; UHRF1,
ubiquitin-like PHD and Ring finger domain-containing protein 1; and WHSC1, Wolf-Hirschhorn syndrome candidate 1
________________________Boland MJ, Nazor KL, Loring JF. Epigenetic regulation of pluripotency and differentiation. Circ Res. 2014;115:311-324.
Perubahan fenotipe yang terjadi dari sel ke sel
selama perkembangan organisme multiseluler
diungkapkan oleh Waddington sebagai “epigenetic
landscape”. Namun, spektrum sel, dari stem cell ke
sel yang mengalami diferensiasi memiliki sekuensi
DNA yang sama, tetapi sangat berbeda dalam profil
gen yang diekspresikan. 2
Regulasi epigenetik terhadap stem cell meliputi
modifikasi DNA, seperti 5-methylcytosine (5mC)
dan 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), modifikasi
ekor histon post-translasi, remodeling nukleosom
energy-dependent, dan long noncoding RNA. 3
Modifikasi DNA oleh residu deoxycytidine
memberi efek terhadap ekspresi gen yang kuat.
4,5,6 Pemahaman terkini mengenai modifikasi histon
Stem Cell Epigenetik
45
pada remodeling kromatin (kode histon) telah
mengungkapkan berbagai hubungan epigenetik
yang kompleks. Modifikasi DNA atau histon yang
meliputi enzim yang mengkatalisis modifikasi
(writer), protein yang mengenal dan berikatan
dengan modifikasi (reader), dan enzim yang
menghilangkan modifikasi (eraser). Misalnya
histone 3 lysine 27 trimetilasi (H3K27 me3)
dikatalisis oleh histone methyltransferase (HMTase)
enhancer dari zeste homolog 2 (EZH2), dibaca oleh
chromobox homolog 7 (CBX7), dan dihapus oleh
lysine-specific demethylase UTX (Gambar 2). 3
Reader memiliki pengenalan terhadap motif yang
khas seperti methyl-CpG binding domain untuk
5mC dan bromodomain untuk lysine atau arginine
dalam modifikasi yang spesifik, termasuk
chromodomain dan tudor, WD40 repeat, dan plant
homeodomain (PHD) finger domain. 7
Untuk mendapat gambaran yang lebih jelas dari
pengaruh epigenetik terhadap stem cell di atas, maka
dibahas cara pengaturan epigenetik terhadap sel
mamalia. Proses epigenetik yang memicu
perubahan ekspresi gen umumnya melalui proses
metilasi DNA, modifikasi kromatin dan non-coding
RNA. 8 Berikut ini akan dipaparkan metilasi DNA,
modifikasi histon, noncoding RNA yang
berpengaruh terhadap elemen pengaturan spesifik
yaitu promoter dan enhancer.
METILASI DNA
Metilasi DNA bersifat diturunkan dan reversibel,
merupakan modifikasi epigenetik yang memegang
peranan penting dalam represi transkripsi, supresi
transposisi retroelemen, genomic imprinting, XCI
(X-chromosome inactivation), dan susunan
kromatin. 3 Metilasi DNA melakukan pemindahan
gugus metil dari S-adenosylmethionine (SAM) ke
karbon 5 dari cincin cytosine untuk menghasilkan 5
mC dalam CpG dinucleotide (cytosine-guanine
dinucleotide yang dipisahkan oleh satu phosphate).
3,9 Sekuensi CpG cenderung dikelompokkan
bersama dikenal sebagai CpG island mengelilingi
gen promoter. Gen ini dapat diidentifikasi sebagai
high (HCP) atau low (LCP) density promoter.10
Reaksi pemindahan ini dikatalisis oleh DNA
methyltransferase (DNMTs). Dikenal tiga enzim
DNMT yaitu DNMT1, DNMT3A, DNMT3B dan
kofaktor DNMT3L. 3,9 saat proses katalisis
terjadi, gugus metil yang telah menempati tempat
promoter dapat mencegah ikatan oleh faktor
transkripsi dan juga ekspresi gen (Gambar 3).10, 11
Pada mamalia, metilasi DNA terjadi selama
perkembangan embrio dan dipertahankan saat
terjadi pembelahan sel. sebab itu, pola metilasi
DNA memungkinkan marking epigenetik genom
tetap stabil melalui pembelahan sel mutipel sehingga
membentuk memori sel.
Gambar 3. Metilasi cytosine pada DNA.
(a) Penambahan satu gugus metil (merah) pada posisi 5
cincin pirimidin cytosine (tanda panah hitam) tidak
mengganggu pasangan basa GC (garis biru). DNA
methyltransferase berhubungan dengan karbon posisi 6
secara kovalen (tanda panah hijau) selama transfer gugus
metil. (b) Model DNA dimetilasi panel b pada cytosine
pada dua sekuensi yang saling komplementer. Gugus metil
berpasangan (warna merah hati dan kuning) terletak pada
sulkus mayor dari untaian ganda.
________________________Li En, Bird A. DNA methylation n mamals. In : Allis
CD eds. Epigenetics. Cold Spring Harbour Laboratory press
2007, p. 341-355.
Penelitian molekuler dan genetik menunjukkan
bahwa metilasi cytosine DNA berhubungan dengan
gene silencing (Gambar 4). 11 Gugus metil dari
residu metil cytosine berada di sulkus mayor DNA
helix, tempat protein berikatan DNA dan
memberi efek menarik atau mengeluarkan
protein yagn berikatan dengan DNA. beberapa
protein dapat berikatan dengan DNA yang
mengandung CpG dinucleotide yang dimitilasi,
2. Epigenetik : Ilmu Baru Genetik
46
dikenal dengan methyl CpG binding protein, yang
dapat merekrut kompleks represor terhadap regio
promoter yang dimetilasi sehingga memicu
transcriptional silencing. Metilasi CpG mencegah
ikatan protein dan berpengaruh terhadap transkripsi.
Faktor transkripsi hanya dapat berikatan dengan
sekuensi DNA yang mengandung CpG saat tidak
dimetilasi. 11
Gambar 4. CpG islands.
CpG islands yaitu regio dengan kepadatan CpG tinggi
tetapi metilasi CpG berkurang pada promoter gen
manusia. Silencing gen jangka panjang terjadi jika metilasi
didapati pada CpG island. Misalnya, gen pada kromosom
X inaktif dan imprinted genes yang mengalami silencing
di tempat ini. Pada sel kanker ada gen tertentu yang
mengalami silencing oleh metilasi pada CpG island.
________________________Li En, Bird A. DNA methylation n mamals. In : Allis
CD eds. Epigenetics. Cold Spring Harbour Laboratory press
2007, p. 341-355.
MODIFIKASI KROMATIN
Histon yaitu unsur pembentuk nukleosom, dengan
struktur berbentuk oktamer yang membungkus DNA
pada sel eukariot. Struktur yang terbentuk dikenal
sebagai kromatin. 12 Histon mudah mengalami
modifikasi melalui proses dikenal sebagai
posttranslational modification (PTM). Modifikasi
yang berpengaruh terhadap struktur kromatin ini
dilakukan oleh 2 kelompok : 1. Molekul kimia kecil
termasuk asetilasi, fosforilasi dan metilasi. 2 Peptida
yang lebih besar; ubikuitilasi dan sumoilasi (Tabel
1).12
Mekanisme histone posttranslational modification
(HPTM) yang berpengaruh terhadap kromatin dapat
berupa transkripsi gen atau represi melalui tiga
model (Gambar 5).12 Model 1 yaitu histon yang
telah mengalami modifikasi berpengaruh terhadap
struktur kromatin. Model 2 HPTM dapat
menghambat ikatan suatu faktor terhadap kromatin.
Model 3 HPTM menciptakan suatu tempat ikatan
untuk protein tertentu.
Tabel 1. Tipe histone posttranslational modification
kovalen
________________________Kouzarides T, Berger SL. Chromatin modifications
and their mechanism of action. In : Allis CD eds. Epigeetics. Cold
Spring Harbour Laboratory press 2007, p. 191-209.
Gambar 5. Model menunjukkan bagaimana histone
posttranslational modification berpengaruh terhadap
kromatin.
________________________Kouzarides T, Berger SL. Chromatin modifications
and their mechanism of action. In : Allis CD eds. Epigenetics.
Cold Spring Harbour Laboratory press 2007, p. 191-209.
Asetilasi dan Deasetilasi
Penelitian eksperimental menunjukkan bahwa
asetilasi (versus tanpa asetilasi) berhubungan dengan
Stem Cell Epigenetik
47
proses transkripsi. Regio dengan transkripsi aktif,
atau akan menjadi aktif, cenderung memicu
konfigurasi kromatin “terbuka” sehingga mudah
diakses DNase dan MNase, jika ditambahkan pada
nuklei, dapat memotong DNA. Dengan
memakai chromatin immunoprecipitation
(ChIP), dapat dianalisis protein yang berikatan
dengan sekuensi DNA tertentu secara in vivo. Pada
pertengahan tahun 1990 an, enzim asetilasi histon
dan deasetilasi pertama kali diidentifikasi dan
berperan dalam pengaturan gen. Aktivator yang
berikatan dengan DNA merekrut histone
acetyltransferase (HAT) melakukan asetilasi
terhadap histon nukleosom, sedangkan represor
merekrut enzim HDAC (histone deacetylase)
melaksanakan deasetilasi histon. Hal ini
memicu perubahan nukleosom dalam
mengatur gen on atau off (Gambar 6). 12 Aktivitas
enzim HAT dan HDAC penting untuk mengatur
aktivasi dan represi gen.
Gambar 6. Enzim pengubah histon direkrut ke arah
promoter oleh faktor transkripsi yang mengikat DNA.
Histone acetyltransferase (HAT direkrut oleh aktivator
yang berikatan dengan upstream activating sequences
(UAS). Enzim ini mengkatalisis asetilasi pada histon, dan
berkontribusi terhadap aktivasi transkripsi. Histone
deacetylases (HDAC) direkrut oleh represor transkripsi
yang berikatan dengan upstream repressive sequences
(URS) dan memicu deasetilasi histon sehingga
terjadi represi transkripsi.
________________________Kouzarides T, Berger SL. Chromatin modeifications
and their mechanism of action. In : Allis CD eds. Epigenetics.
Cold Spring Harbour Laboratory press 2007, p. 191-209.
Protein HAT dapat mengadakan asetilasi residu lisin
pada ke empat inti histon, tetapi enzim yang berbeda
memiliki spesifisitas dalam pemilihan substrat
(Gambar 7). 12 Misalnya, famili HAT – GNAT
(acetyltransferase yang berhubungan dengan GNAT)
dengan target pada histon H2 (?) sebagai substrat
utama. Famili HAT kedua yaitu MYST, dengan
target pada H4. Famili ketiga yaitu terbesar yaitu
CBP/p300 dengan target pada kedua H3 dan H4.
Domain protein khusus yaitu bromodomain, berikatan
khusus dengan lisin yang mengalami asetilasi. Protein
yang mengandung bromodomain lain yaitu Taf1 dan
Bdf1 di dalam kompleks TFIID.
Gambar 7. Tempat-tempat asetilasi histon. Histon
mengalami asetilasi terutama pada residu lisin yang
terletak pada amino terminal H3 dan H4, kecuali H3K56
pada globular domain. Tampak protein dengan ikatan
khusus pada histon asetilasi.
________________________Kouzarides T, Berger SL. Chromatin modeifications
and their mechanism of action. In : Allis CD eds. Epigenetics.
Cold Spring Harbour Laboratory press 2007, p. 191-209.
ada berbagai enzim HDAC yang mengeluarkan
gugus asetil, dikenal tipe I, tipe II, dan tipe III atau
enzim yang berhubungan dengan Sir2. Tipe I dan
tipe II tidak melibatkan kofaktor sedangkan tipe III
memerlukan kofaktor NAD sebagai bagian
mekanisme katalitik. HDAC bersama dengan
kompleks multisubunit sebagai komponen dengan
target enzim terhadap gen memicu represi
transkripsi (Gambar 6).12
Fosforilasi
Histon merupakan salah satu protein pertama yang
mengalami fosforilasi, saat sel dirangsang untuk
proliferasi, dengan gen diinduksikan menjadi aktif
dan berfungsi merangsang siklus sel. Peningkatan
ekspresi gen berhubungan dengan fosforilasi histon
H3. Fosforilasi juga dikenal sebagai modifikasi
posttranslasi dalam proses signal transduction dari
permukaan sel melalui sitoplasma ke dalam nukleus
sehingga menimbulkan ekspresi gen. 12
2. Epigenetik : Ilmu Baru Genetik
48
Metilasi
Metilasi yaitu modifikasi histon kovalen yang lebih
kompleks sebab dapat terjadi pada lisin atau
arginin. Modifikasi metilasi dapat menimbulkan
ekspresi transkripsi positif atau negatif bergantung
pada posisi residu di dalam histon (Tabel 1).12
Keadaan metilasi dapat juga terjadi secara multipel
pada masing-masing residu. Lisin dapat mengalami
mono (me-1), di (me-2) atau tri (me-3) metilasi,
sedangkan arginin dapat mono (me1) atau di-me(2)
metilasi. Kombinasi metilasi di dalam nukleosom
amat besar sebab paling tidak ada 24 tempat
metilasi lisin dan arginin pada H3, H4, H2A, H2B.
Hal ini disebabkan proses regulasi yang bersifat
dinamik memerlukan sekuensi dan waktu transkripsi
yang tepat.
Dari beberapa tempat metilasi yang dikenal, ada
enam yang telah diketahui. Lima ada pada H3
(K4, K9, K27,K36,K79) dan satu pada H4 (K20).
Secara umum, metilasi berkaitan dengan aktivasi
transkripsi dan juga represi (Tabel 1). 12 Ada dua
tempat yang berkaitan dengan DNA repair yaitu
H3K79me dan H4K20me. 12
Ubikuitilasi dan Sumoilasi
Ubikuitilasi (Ub) dan Sumoilasi (SUMO) yaitu
polipeptida besar, yang meningkatkan ukuran histon
kurang lebih dua pertiga kali lipat, sedangkan PTM
sebelumnya; asetilasi, fosforilasi dan metilasi yaitu
molekul kimia kecil. Ub and SUMO identik sebesar
18%, memiliki 3 dimensi dengan permukaan muatan
berbeda.
Ubikuitilasi dapat bersifat represif atau aktivasi
(Tabel 1), 12 bergantung pada tempat khusus. H2A
dan H2B yaitu tempat monoubikuilasi, dengan
H2B monoubikuilasi mengaktivasi transkripsi,
sedangkan H2K119ub1, bersifat represif terhadap
transkripsi pada mamalia dan dikatalisis oleh grup
protein Policomb Bmi2/Ring1At (tulisan Gambar 8
dihapus). 12
Sumoilasi bersifat represif pada jamur dan mamalia.
Peran SUMO bersifat negatif dengan mencegah
aktivasi HPTM. Inhibisi terhadap HPTM melalui
dua mekanisme : SUMO-histon secara langsung
menghambat tempat substrat lisin pada asetilasi dan
sumoilasi secara bergantian seperti terlihat pada
Gambar 5 model 2. Kedua, histon sumoilasi dapat
merekrut HDAC ke arah kromatin (Model 3) dan via
grup SUMO yang terjadi pada represor yang
mengikat DNA.
NONCODING RNA
Noncoding RNA (ncRNA) dapat dibagi atas dua
kelompok yang berhubungan dengan epigenetic
yaitu : long ncRNA, dan short ncRNA termasuk di
dalamnya miRNA, siRNA dan Piwi-interacting
RNA (piRNA). Dalam pembahasan pada bab ini,
difokuskan pada short ncRNA dan miRNA. 13
Short ncRNA dan miRNA
RNAi (RNA interference) yaitu mekanisme
dsRNA (double stranded RNA) pendek yang
digunakan untuk pengaturan ekspresi gen pada
sekuensi khusus, dengan pengikatan beberapa
nukleotida ncRNA terhadap regio coding atau
promoter mRNA.13 Pengikatan ini memicu
silencing terhadap ekspresi mRNA. Meskipun ada 3
kelas utama ncRNA; miRNA, short interfering RNA
(siRNA) dan Piwi-interacting RNA (piRNA)
(Gambar 8), 13 miRNA paling dikenal di antara
ketiga kelas pengatur ncRNA. Studi menunjukkan
bahwa tidak hanya satu gen miRNA yang
menargetkan pada beberapa ratus gen target dalam
mengurangi ekspresi, 14 tetapi beberapa miRNA
dapat mengurangi ekspresi melalui metode
deadenilasi pada polyA tail. 15
miRNA memiliki peran penting dalam stem
cell terhadap self-renewal dan diferensiasi. 16
Pengaturan pada self renewal atau self-replication
pada sel jaringan termasuk adult stem cell (sel
somatik dan germline-cells) memicu
pembelahan asimetrik, dengan satu sel anak
mempertahankan sifat stem cell dan sel anak lain
memiliki fungsi diferensiasi. Sifat ini diatur
secara interseluler (antar sel melalui cell
signaling), juga intrasel melalui epigenetik,
transkripsi, translasi dan mekanisme posttranslasi.
Akhir-akhir ini, miRNA memegang peranan
penting dalam mengatur nasib dan sifat stem cell,
contoh klaster miR 290-295 yaitu kelompok
miRNA yang memiliki motif sama dengan 5’
proximal AAGUGC. 17 Ekspresi klaster ini akan
meningkat selama perkembangan pre-implantasi
dan tetap meninggi pada embryonic stem cell
(ESC) dalam kondisi undifferentiated, tetapi
Stem Cell Epigenetik
49
menurun pada waktu diferensiasi ESC. 17
Gambar 8. Jalur pengaturan ncRNA. (A) miRNA pada awalnya yaitu single-stranded RNA (ssRNA) dihasilkan melalui
transkripsi atau splicing, yang melipat menjadi stem-loop membentuk double-stranded RNA yang tidak sempurna
(dsRNA). Kemudian diproses oleh endoribonuclease RNase III (Dicer) sebelum mengalami denaturasi. Salah satu
untaian RNA (biasanya yang kurang stabil) berikatan dengan RNA-induced silencing complex (RISC), kemudian
berikatan dengan mRNA yang berisikan sekuensi komplementer terhadap miRNA, untuk menginduksi pemecahan atau
degradasi, atau memblok translasi. (B) siRNA dihasilkan oleh dsRNA dan dapat masuk melalui jalur post-transcriptional
gene silencing (PTGS), memicu degradasi miRNA di dalam sitoplasma, atau trancriptional gene silencing (TGS)
yang melibatkan modifikasi kromatin. (C) piRNA yaitu ssRNA yang dihasilkan dalam bentuk klaster dan dipecahkan
menjadi unit individual melalui mekanisme yang belum diketahui. Kemudian akan berikatan dengan protein PIWI untuk
menginduksi pengaturan epigenetik dan transposon.
________________________Collins LJ, Schonfeld B, Chen XS. The epigenetics of non-coding RNA : In : In : Tollefsbol TO ed. Handbook of
Epifegentics.AcademicPress2011,p.49-61.
MEKANISME EPIGENETIK DALAM
PENGATURAN EKSPRESI GEN PADA
RISIKO KARDIOVASKULER
METILASI DNA DAN MODIFIKASI
KROMATIN
Gambaran keterlibatan pengaturan ekspresi gen oleh
mekanisme epigenetik dapat dilihat dari hasil studi
besar Diabetes Control and Complications Trial
(DCCT) 3 dekade yang lain. Studi acak tersamar
yang melibatkan 1441 pasien yang didiagnosis
diabetes tipe 1 memakai terapi suntikan insulin
1 atau 2 kali dibandingkan terapi kombinasi regimen
suntikan insulin multipel dengan monitoring glukosa
secara ketat. 18 Hasil studi ini mendapatkan
penurunan kadar HbA1c 7% dan 9% pada masing-
masing pasien yang mendapat terapi insulin intensif
dan standar. Manfaat klinis yang diperoleh dari
pengontrolan glukosa secara intensif membuat
DCCT diterminasi lebih dini yaitu reduksi insiden
dan progresivitas komplikasi mikrovaskuler;
nefropati, neuropati dan retinopati secara signifikan
pada terapi insulin intensif. 19 Sebagai lanjutan
terhadap studi ini, dilakukan studi observasional the
Epidemiology of Diabetic Interventions and
Complications (EDIC). 20 EDIC meneliti insiden
kejadian makrovaskuler yang tidak dilakukan DCCT
sebelumnya sebab jangka studi yang relatif singkat.
Hasil studi EDIC mendapatkan outcome vaskuler
yang lebih melebar antara kedua kelompok,
menunjukkan bahwa adanya pengaruh terapi insulin
sebelumnya. 20
Manfaat terapi insulin secara intensif pada awal
pengobatan terhadap progresivitas komplikasi
vaskuler diabetika tetap lebih baik saat uji klinis
DCCT/EDIC telah memasuki dekade ke 4. Hal ini
yang sama terjadi pada uji klinis United Kingdom
2. Epigenetik : Ilmu Baru Genetik
50
Prospective Diabetes Study (UKPDS) terhadap
pasien diabetes melitus tipe 2, meskipun dengan
level HbA1c yang hampir sama pada kedua
kelompok setelah di follow-up selama 10 tahun,
menunjukkan bahwa r
.jpeg)
.jpeg)
