Rezah Vahlepi Tugas.docx

Rezah vahlepi 2201011841001

Magister Ilmu Biomedik

Cyclin D: Protein Regulator pada Siklus Sel

A. Pendahuluan

Siklus sel merupakan serangkaian kejadian dengan urutan tertentu berupa duplikasi kromosom sel dan organel didalamnya yang mengarah ke pembelahan sel. Pada eukariotik (sel bernukleus), proses perbanyakan atau sintesis bahan genetik terjadi sebelum berlangsungnya proses pembelahan sel, mitosis atau meiosis. Sel yang mempunyai kemampuan membelah adalah sel "muda" atau sel immature yang belum memiliki fungsi tertentu. Pada kondisi lingkungan yang mendukung sel akan memasuki siklus sel dan menghasilkan 2 sel identik. Sel yang tidak lagi membelah akan keluar dari siklus dan berdeferensiasi menjadi sel yang mature dengan struktur dan fungsi tertentu. Pada dasarnya siklus sel terdapat 2 fase utama yaitu fase S (DNA sintesis) dan fase M (Mitosis). Pada fase S terjadi duplikasi kromosom, organele dan protein interseluler dan pada fase M terjadi pemisahan kromosom dan pembelahan sel. Sebagian besar sel memerlukan waktu ekstra untuk proses sintesis sehingga pada siklus sel terdapat ekstra fase Gap yaitu Gap 1 antara fase M dan fase S serta Gap 2 antara fase S dan Mitosis. Hal ini mendasari pembagian fase menjadi 4 fase yaitu Fase G1, Fase S, Fase G2 (ketiganya disebut Interfase) dan fase M (mitosis dan sitokinesis). Interfase adalah fase istirahat, sel ini sebenarnya sangat aktif secara biokimia walaupun terlihat tidak ada perubahan morfologi (waktu lama, 23 jam dalam 1 siklus 24 jam). M phase (mitosis) merupakan inti dari siklus sel dan secara morfologi terjadi perubahan yang jelas teramati berupa kromosom yang tertarik ke kutub, sitogenesis dan akhirnya sel terbagi menjadi dua (waktu cepat, 1 jam dalam 1 siklus 24 jam).

Fase Gi dan G2 bukan hanya sebagai ekstra waktu proses sintesis namun juga berperan sebagai ekstra waktu bagi sel untuk memonitor kondisi lingkungan internal dan eksternal sebelum masuk ke fase S dan M. Jika kondisi lingkungan tidak mendukung maka sel berhenti berprogress pada G1 dan bahkan memasuki kondisi resting state pada Go (G zero). Go ini dapat berlangsung selama berhari-hari, bertahun-tahun atau sampai sel mati. Jika kondisi lingkungan mendukung dan terdapat sinyal untuk tumbuh maka sel akan memulai proses pada suatu titik akhir G1 yang disebut titik "Start". Setelah melalui titik ini sel akan mulai masuk fase S ditandai dengan Replikasi DNA yang terus berlangsung bahkan walau signal pertumbuhan dan pembelahan sudah tidak ada.

Pada sel Eukariotik sistem kontrol terhadap siklus sel yang memicu progresifitas siklus terletak pada sistem checkpoints. Sistem checkponts terdiri dari 3 bagian utama yaitu 1) Start atau G1 Checkpoints (pada akhir G1, menenyukan sel masuk ke siklus memulai duplikasi kromosom, paling penting), 2) G2/M Checkpoints (sel memulai mitosis, ditandai kromosom bergerak ke kutub pada tahap metafase), 3) Metafase Anafase Transition (sel menuju mitosis dan sitokinesis lengkap). Bila terdapat masalah di dalam dan diluar sel maka sistem kontrol tadi mengeblok atau menghentikan proses sehingga siklus berhenti dahulu sampai masalah teratasi. Komponen utama dari sistem kontrol siklus sel adalah enzim cyclin dependent kinases (Cdks) yang aktivitasnya meningkat atau menurun pada tiap fase siklus sel. Perubahan aktivitas ini dipengaruhi enzim dan protein lain yang berperan sebagai pengatur yaitu cyclins (terkait ekspresi cyclin dan degradasi cyclin). Cdks harus berikatan dengan cyclin membentuk kompleks cyclin-Cdk agar bisa aktif memungkinkan progresifitas siklus sel. Terdapat 4 macam cyclin yang dinamakan sesuai dengan fase siklus sel saat enzim tersebut berikatan dengan Cdk yaitu 1) G1/S Cyclin mengaktivasi Cdk pada akhir G1, memicu progresi melewati titik Start, masuk ke siklus sel, kadar menurun pada fase S, 2) S-cyclin, terikat Cdk sesaat setelah titik Start, menstimulasi duplikasi kromosom, tetap tinggi selama mitosis, 3) M-cyclin, terikat Cdk pada menstimulasi progress ke proses mitosis pada G2/M checkpoints, 4) G1-cyclin membantu. Jenis protein utama lainnya, yakni cyclin D yang akan dibahas dalam review ini

B. Ekspresi dan Struktur Cyclin Cyclin D merupakan salah satu jenis protein cyclin yang menjadi aktivator kerja protein cyclin-dependent kinases (CDKs). Cyclin D berperan sebagai subunit regulator pada holoenzim CDKs (Casimiro et al., 2015). Pada Mammalia, terdapat tiga jenis protein cyclin yang diproduksi, yakni cyclin D1, D2, dan D3. Cyclin D1 menjadi protein cyclin yang paling banyak dikarakterisasi karena paling sering mengalami overexpression dan disregulasi pada kasus kanker. Ekspresi cyclin D1 harus sangat dikontrol untuk mencegah terjadinya neoplasma atau pembentukan sel kanker (Diehl and Knudsen, 2018) Cyclins adalah Kofactors yang mengikat, mengaktifkan dan memberikan spesifisitas substrat ke cyclin dependent kinase (CDKs) yang memungkinkan perkembangan siklus sel. D-type cyclins diperlukan untuk aktivasi CDK4 dan CDK6, dan diekspresikan sebagai tanggapan terhadap keberadaan mitogen.Cyclin D-CDK4 / 6 kompleks aktif memfosforilasi target yang memungkinkan transisi dari fase G1 ke S (Malumbres & Barbacid, 2009).

Cyclin D1, D2, dan D3 Ada tiga D-type cyclins: cyclin D1, cyclin D2 dan cyclin D3, yang terkait erat dalam struktur domain protein. Semua berisi domain ‘cyclin box’, yang memediasi pengikatan CDK; sebuah domain pengikat protein penekan tumor retinoblastoma N-terminal (RB); dan domain PEST wilayah C-terminal, yang mencakup residu treonin vital yang memungkinkan regulasi proteolisis siklik melalui fosforilasi. Sebuah isoform cyclin D1 manusia kedua, cyclin D1b, tidak memiliki bagian dari C-terminus dan muncul dari splicing alternatif (Musgrove et al., 2011). Target dari kompleks cyclin D-CDK4. Setelah aktivasi, cyclin D-CDK4 / 6 kompleks memfosforilasi berbagai substrat target mereka, termasuk protein RB dan RBlike. Ini mengarah pada derepression faktor transkripsi E2F, yang kemudian menginduksi ekspresi gen yang diperlukan untuk masuk ke fase S. Substrat target lainnya termasuk protein yang terlibat dalam migrasi, fungsi mitokondria, respon kerusakan DNA dan duplikasi sentrosom. Peran non-katalitik dari siklis tipe-D D-type cyclins juga memiliki peran non-katalitik dalam regulasi transkripsi, modifikasi kromatin, migrasi, respon kerusakan DNA, interaksi dengan reseptor hormon nuklir dan, yang penting untuk pengembangan siklus sel, sekuestrasi inhibitor CDK (Musgrove et al., 2011). Knockout individual D-type cyclins pada model tikus menghasilkan fenotip yang beragam tetapi ringan, yang menunjukkan bahwa, sementara mereka memiliki peran yang berlebihan di sebagian besar sel, masing-masing tipe D-siklin diperlukan untuk peran tertentu dalam beberapa tipe sel (Choi & Anders, 2014). Fungsi utama dari cyclin D1 adalah aktivasi protein cyclin-dependent kinase (CDK) untuk progresi siklus sel dan terkait pula dengan protein retinoblastoma (Rb). Struktur cyclin D1 tentunya mendukung fungsi utama tersebut. Selain cyclin box untuk berikatan dengan protein CDK dan CDK inhibitor, pada cyclin D1 juga dapat ditemukan binding site spesifik untuk protein retinoblastoma (Musgrove et al., 2011). Selain itu, terdapat pula LxxL binding motif untuk pengikatan koaktivator. Degradasi protein cyclin D1 juga ditandai dengan sekuens PEST untuk mencegah ekspresi berlebihan dari protein. Stabilitas cyclin D1 juga didukung dengan adanya residu threonine, yakni threonine 286, pada struktur protein.

C. Ekspresi, Sintesis, dan Degradasi Cyclin Cyclin D1 diekspresikan oleh gen CCND1. Gen CCND1 terletak pada kromosom 11, tepatnya pada bagian lengan panjang (11q13). Gen ini memiliki ditranslasi ke dalam 295 asam amino. Ekspresi tertinggi cyclin D1 ditemukan pada saat pertengahan hingga akhir fase G1. Cyclin D1 memiliki ukuran protein sebesar 36 kDa. Selain dikenal sebagai cyclin D1, protein ini juga dapat disebut sebagai PRAD1 atau bcl-1. Seperti semua protein cyclin, cyclin D1 memiliki cyclin box. Cyclin box merupakan motif N-terminal 100-asam amino homolog dengan struktur tiga dimensi yang terkonservasi. Struktur inilah yang nantinya berikatan dengan protein CDK yang tepat (Qie and Diehl, 2016). Sintesis cyclin D1 terjadi pada akhir fase G1 melalui Ras-mediated pathway. Ras merespon sinyal yang berasal dari lingkungan ekstraseluler sel dan berperan sebagai molecular switch yang sensitif terhadap growth factor. Ketika memperoleh respon mitogenik ekstraseluler setelah berada pada fase quiescence (G0), Ras memberikan respon dan ditransmisikan melalui serangkaian aktivitas kinase, seperti Raf, MEK, dan mitogen-activated-protein (MAP) kinase. Protein-protein kinase ini kemudian menginduksi berbagai faktor transkripsi protein, termasuk di antaranya adalah cyclin D1, untuk progresi siklus sel. Dengan kata lain, sintesis cyclin D1 dipengaruhi oleh faktor mitogenik eksternal pada saat peralihan dari fase quiescence ke fase mitotik. Beberapa faktor yang juga mendorong ekspresi cyclin D1 yakni Her2/Neu, Rac, Rho, cJun N-terminal kinase, dan p38. Cyclin D1 disintesis pada semua tahapan siklus sel, tetapi mengalami akumulasi tertinggi di nukleus pada fase G1. Jumlahnya dipertahankan tetap tinggi pada fase G1 untuk mendorong sel masuk ke fase S. Pada fase S, jumlah cyclin D1 menurun drastis. Namun, jumlah cyclin D1 akan kembali meningkat ketika memasuki fase G2. Cyclin D1 banyak diekspresikan di sel atau jaringan yang masih aktif membelah, seperti sel epitel (Qie and Diehl, 2018). Faktor mitogenik eksternal memberi pengaruh yang besar terhadap sintesis sel. Apabila sinyal dari faktor mitogenik eksternal telah hilang, maka sel akan menghentikan sintesis cyclin D1 atau mendegradasi cyclin D1 untuk keluar dari siklus sel. Degradasi cyclin D1 berlangsung melalui ubiquitin proteasome-mediated

pathway. Glikogen sintase kinase-3β (GSK-3β)

memfosforilasi cyclin D1 pada residu tunggal threonine-286 (Thr-286). Setelah fosforilasi, cyclin D1 keluar dari nukleus dan masuk ke sitoplasma. Di sitoplasma, cyclin D1 dikenali oleh protein E3 ligase, antara lain Fbxo4, Fbxo31, Fbxw8, β-TrCp, dan APC/C untuk mengalami poliubiquitinisasi. Setelah proses tersebut, cyclin D1 didegradasi oleh proteasom di sitoplasma (Qie and Diehl, 2018).

D. Fungsi dan Mekanisme Kerja Cyclin D-type cyclins dan kanker Pengaturan siklus sel yang berbeda adalah karakteristik utama kanker. Sejumlah besar bukti sekarang menghubungkan deregulasi cyclin D-CDK4 / 6 dengan banyak kanker pada manusia dan ada beberapa inhibitor CDK4 / 6 dalam uji klinis (Choi & Anders, 2014). Meskipun keterlibatan cyclin D1 pada kanker telah menjadi subyek dari sebagian besar penelitian, telah ditunjukkan bahwa cyclin D3 diperlukan untuk pengembangan Leukemia limfoblastik akut sel T yang diinduksi Notch1 (Malumbres, 2012) Overekspresi cyclin D1 telah dilaporkan pada sebagian besar kanker pada manusia, dan ditemukan pada sebagian besar kasus kanker payudara. Upregulation cyclin D1 dapat terjadi sebagai akibat dari perubahan locus gen, sinyal transkripsi menyimpang atau gangguan dari proteolisis cyclin D1. Hal ini menyebabkan aktivasi cyclin D1-CDK4 / 6 yang berkepanjangan, memberikan sel-sel kanker kekuatan untuk memasuki siklus sel secara terus menerus dan untuk menghindari penuaan dan apoptosis (Choi & Anders, 2014). Dalam sebuah eksperimen kunci, Yu et al. (2001) menunjukkan bahwa penghilangan gen cyclin D1 dari genom tikus mencegah ERBB2 (kanker payudara onkogen) menginduksi tumorigenesis. Lebih lanjut, knockout cyclin D1 pada model tikus dengan tumor yang sudah ada menunjukkan peran untuk cyclin D1 dalam pemeliharaan tumor dengan mencegah apoptosis atau penuaan sel kanker (Choi et al., 2012). Namun, studi model tikus lebih lanjut menunjukkan bahwa ablasi cyclin D1 saja tidak cukup untuk mencegah tumorigenesis yang diinduksi ERBB2 karena upregulation kompensasi dari cyclin D3 (Zhang et al., 2014). Dengan demikian, penyelidikan lebih lanjut diperlukan untuk memperjelas peran relatif dari tipe-D siklins dalam jenis kanker yang berbeda. Cyclin D1 memiliki beberapa fungsi utama. Salah satu fungsi utamanya adalah mendorong progresi siklus sel dari fase G1 ke S. Cyclin D1 memiliki sifat onkogenik. Sifat ini akan tampak ketika cyclin D1 berikatan dengan CDK4/CDK6 dan menjadi subunit regulator pada protein-protein tersebut. Kompleks dimer antara cyclin D1 dengan CDK4/CDK6 akan memfosforilasi tumor supression factor, yakni protein retinoblastoma (pRb). pRb memiliki kaitan erat dengan protein p107 dan p130. Hal ini mendorong E2F, sebuah faktor transkripsi, untuk mendorong ekspresi gen-gen progresi siklus sel, seperti transisi dari fase G1 ke S, checkpoints replikasi DNA, struktur kromatin, segregasi kromosom, dan penyusunan benang spindle. E2F juga turut mendorong ekspresi gen cyclin E. Bersama dengan CDK2, cyclin E

bertanggung jawab pula dalam fosforilasi pRB dan mendorong progresi siklus sel dari fase G1 ke S. Kompleks cyclin D-CDK4/CDK6 juga berperan mensequesterisasi p21

dan p27

yang

menghambat pembentukan kompleks cyclin E-CDK2 yang juga mendorong progresi siklus sel (Albero et al., 2018; Otto and Sicinski, 2017; Velasco-Velázquez et al., 2011). Kompleks cyclin D1-CDK4/CDK6 tidak hanya berperan dalam siklus sel. Fosforilasi kompleks tersebut terhadap substrat Smad3 berperan dalam karsinogenesis. Kompleks cyclin D1-CDK4/CDK6 juga memfosforilasi substrat Nrf1 untuk fungsi mitokondria. Lepas dari CDK4/CDK6, cyclin D1 juga memiliki fungsi individual. Cyclin D1 menjadi modulator beberapa jenis co-regulator, seperti BRCA1 dan reseptor nuklear. Cyclin D1 juga berkaitan dengan promotor berbagai gen saat terjadi perkembangan normal, terutama terkait dengan faktor transkripsi. Ikatan antara cyclin D1 dengan regulator asetilasi dan metilasi histon berperan sebagai penghubung antara faktor transkripsi terkait DNA dengan enzim untuk memodifikasi kromatin. Dapat dikatakan bahwa cyclin D1 meregulasi transkripsi pada level kromatin yang mendukung proliferasi serta diferensiasi sel (Casimiro and Pestell, 2012; Musgrove, 2011).

E. Disregulasi Cyclin D1 Peran cyclin D1 dalam mendorong terjadinya siklus sel akan memberi dampak negatif ketika cyclin D1 mengalami overexpression. Ekspresi berlebihan cyclin D1 mendorong terjadinya proliferasi sel terus menerus yang menyebabkan kanker. Pada penderita kanker, gen CCND1 yang mengkode cyclin D1 mengalami amplifikasi sebanyak 15% hingga 40%. Pada penderita tersebut ditemukan pula overexpression mRNA dan protein dari CCND1. Juxtaposisi CCND1 dengan lokus heavy chain immunoglobulin dari translokasilah yang menyebabkan terjadinya overexpression cyclin D1. Beberapa jenis kanker disebabkan oleh perubahan atau overexpression pada cyclin D1, kanker pankreas, kanker paru-paru, kanker payudara, dan melanoma (Qie and Diehl, 2018). Disregulasi cyclin D1 dapat pula diakibatkan oleh gangguan eksport nuklear serta bereaksinya enzim proteolitik dengan cyclin D1. Berbagai faktor eksternal yang mendukung sintesis protein ini juga dapat mendisregulasi produksi cyclin D1 (Musgrove, 2011). Terapi kelebihan ekspresi cyclin D1 dapat dilakukan dengan menghambat kerja CDK4/CDK6 menggunakan Palbociclib, Abemaciclib, dan Ribociclib. Ketiga inhibitor ini menghambat fosforilasi pRb. Palbociclib menjadi inhibitor pertama yang diakui mengobati ER(+), Her2(-) pada kasus metastasis kanker payudara. Abemaciclib juga telah diakui dapat menjadi terapi untuk refractory-hormon-receptor-positive

(HR+) oleh Food

and Drugs

Association (FDA).

References 

1. Choi, Y. J., & Anders, L. (2014). Signaling through cyclin D-dependent kinases. Oncogene, 33 (15), 1890–903.



2. Choi, Y. J., Li, X., Hydbring, P., Sanda, T., Stefano, J., Christie, A. L., Signoretti, S., Look, a T., Kung, A. L., von Boehmer, H., & Sicinski, P. (2012). The requirement for cyclin D function in tumor maintenance. Cancer Cell, 22 (4), 438–51.



3. Malumbres, M. (2012). Cell cycle-based therapies move forward. Cancer Cell, 22 (4), 419– 20.



4. Malumbres, M., & Barbacid, M. (2009). Cell cycle, CDKs and cancer: a changing paradigm. Nat. Rev. Cancer, 9 (3), 153–66.



5. Musgrove, E. a, Caldon, C. E., Barraclough, J., Stone, A., & Sutherland, R. L. (2011). Cyclin D as a therapeutic target in cancer. Nat. Rev. Cancer, 11 (8), 558–72.



6. Yu, Q., Geng, Y., & Sicinski, P. (2001). Specific protection against breast cancers by cyclin D1 ablation. Nature, 411 (6841), 1017–21.



7. Zhang, Q., Sakamoto, K., & Wagner, K.-U. (2014). D-type Cyclins are important downstream effectors of cytokine signaling that regulate the proliferation of normal and neoplastic mammary epithelial cells. Mol. Cell. Endocrinol., 382 (1), 583–92.