Apoptosis merupakan proses aktif yang diatur dengan sangat baik yang ditandai oleh perubahan
morfologis dan biokimia. Signifikansi dalam memahami rangkaian mekanisme apoptosis ini mutlak
dibutuhkan karena apoptosis merupakan gabungan komponen baik dalam proses fisiologis maupun
patologis. Apoptosis dapat distimulasi oleh kondisi fisiologis dan patologis serta memegang peranan
penting dalam menjaga homeostasis normal dan patogenesis beberapa penyakit. Sinyal untuk
apoptosis terjadi melalui jalur caspase dependen dan independen yang diawali oleh kejadian yang
memicunya dari dalam sel atau dari luar sel melalui ikatan reseptor kematian. Tinjauan pustaka ini
bertujuan untuk menyediakan pandangan yang berkaitan dengan apoptosis, karakteristik morfologis
dan biokimia, serta mekanismenya.
Kata apoptosis berasal dari bahasa Yunani
yang berarti gugurnya kelopak bunga atau daun
dari pohon.1 Istilah ini pertama kali dikenalkan
oleh Kerr, Wyllie, dan Currie tahun 1972 untuk
menggambarkan kematian sel yang terprogram
atau lebih dikenal dengan Programmed Cell
Death (PCD).2 Kematian sel, khususnya
apoptosis merupakan salah satu proses yang
penting karena apoptosis tidak hanya
menggambarkan patogenesis suatu penyakit,
namun juga dapat memberikan petunjuk cara
pengobatan penyakit.3 Penyebab apoptosis
terbagi atas dua, yakni penyebab fisiologis,
seperti pada perkembangan embrionik saat
pembentukan jaringan, involusi fisiologis seperti
luruhnya endometrium saat menstruasi,
kehancuran sel epitel normal yang diiringi
penggantian proliferasi sel kulit baru, involusi
kelenjar timus saat usia kanak-kanak.3,4
Penyebab patologis diantaranya obat anti
kanker, graft versus host disease, kematian sel
CD-4 dalam Acquired Immunodeficiency
Syndrome (AIDS), virus yang memicu kematian
sel seperti Hepatitis B atau C, radiasi, hipoksia,
degenerasi sel seperti Alzheimer dan Parkinson,
serta kematian sel akibat infark miokardium.3, 4
Perubahan Morfologis dan Kimia dalam
Apoptosis
Perubahan morfologis yang terjadi saat
apoptosis adalah kondensasi kromatin dan
fragmentasi nuklear di dalam inti sel diiringi
pengurangan volume sel (piknosis), dan retraksi
pseudopoda.5 Tahap awal apoptosis, kromatin
pecah, namun membran sel masih utuh
(karioheksis). Tahap akhir apoptosis, terjadi
penonjolan membran, modifikasi ultrastruktural
organel sitoplasma, dan integritas membran
hilang.5 Biasanya sel-sel fagosit seperti sel
epitel, makrofag, dan fibroblas akan memakan
sel apotosis sebelum badan apoptotik terbentuk.
Sel apoptosis yang tidak difagosit seperti dalam
proses kultur sel di laboratorium, maka akan
mengalami degradasi yang mirip nekrosis
sehingga disebut nekrosis sekunder.5
Tiga ciri utama perubahan biokimia dalam
apoptosis, yakni aktivasi caspase, pecahnya
DNA dan protein, dan perubahan pada membran
sehingga dapat dikenali oleh sel-sel fagosit.6
Tahap awal apoptosis ditandai ekspresi
Phosphatidylserine (PS) yang terlempar keluar
dari lapisan dalam ke lapisan luar membran sel.
Badan apoptotik yang terbentuk di akhir
apoptosis menyebabkan sel mati ini dapat
dikenali oleh makrofag tanpa dilepaskannya
komponen pro-inflamatori selular. Pemecahan
DNA membentuk 50 hingga 300 kilobasa
bagian.6 Tahap akhir apoptosis menimbulkan
pemecahan DNA internukleosomal menjadi
oligonukleosomal dari 80 hingga 200 pasangan
dasar oleh endonuklease.6 Gambaran khas
apoptosis lain adalah aktivasi caspase.6 Huruf
“c” atau Cys dari caspase menunjukkan protease
sistein, sedangkan “aspase” berarti bagian unik
enzim yang membelah pada terminal C pada
residu Asp.6 Aktivasi caspase menyebabkan
keluarnya protein vital selular dan memecah
perancah nuklear serta kerangka dinding sel.
Regulator apoptosis yang lain adalah anggota
famili Bcl-2.6 Saat ini ada 18 anggota famili Bcl-
2 yang telah diidentifikasi, dan dibagi ke dalam
dua grup berdasarkan strukturnya.7 Anggota
grup pertama diwakili oleh Bcl-2 dan Bcl-xL
yang berfungsi sebagai protein anti-apoptosis.7
Anggota grup kedua diwakili oleh subfamili Bax
dan Bcl-2 associated killer (Bak), serta subfamili
a novel BH3 domain-only death agonist (Bid)
dan the Bcl-2 associated death molecule (Bad),
sebagai protein pro-apoptosis.6, 7
Mekanisme apoptosis sangat kompleks
dan rumit. Secara garis besar apoptosis dibagi
menjadi empat tahap, yakni adanya sinyal
kematian (penginduksi apoptosis) yang bersifat
fisiologis (hormon dan sitokin), biologis (virus,
bakteri, parasit), kimia (obat), atau fisik (radiasi
dan toksin).8 Tahap kedua adalah tahap integrasi
atau pengaturan (transduksi signal, induksi gen
apoptosis yang berhubungan), selanjutnya
adalah tahap pelaksanaan apoptosis yakni terjadi
perubahan morfologi dan kimia (degradasi DNA,
pembongkaran sel, pembentukan badan
apoptotik).8 Tahap terakhir adalah tahap
fagositosis atau eliminasi oleh makrofag,
dendritik atau sel yang berdekatan dengan sel
apoptosis.8 Peristiwa apoptosis melibatkan
adanya pemadatan inti sel, pemadatan dan
pembagian sitoplasma ke dalam selaput ikat
badan apoptotis, dan kerusakan kromosom ke
dalam fragmen yang berisi berbagai nukleosom.
Target protein pada umumnya melibatkan
protein lain, suatu DNA endonuklease.8 Ketika
protein target pecah, DNAase bebas untuk
berpindah tempat ke inti dan mulai pelaksanaan.
Perubahan dalam apoptosis terjadi ketika
caspase-3 membelah gelsolin, yakni suatu
protein pemelihara morfologi sel. Gelsolin akan
membelah actin filamen di dalam sel. Protein
yang lain diperlukan untuk membentuk badan
apopotik adalah p21-activated kinase 2 (PAK-2).
Kinase ini diaktifkan oleh caspase-3 dengan
proteolisis terbatas. Caspase-3 juga berfungsi
untuk membelah sitokeratin terutama
cytokeratin 18 (CK18), dimana epitop baru pada
CK18 tampak dominan saat apoptosis awal.
Jalur Caspase Dependen (Jalur Ekstrinsik
dan Intrinsik)
Apoptosis dipicu oleh berbagai jalur
sinyal dan diatur oleh ligan ekstrinsik dan
intrinsik yang kompleks.10 Terdapat dua jalur
apoptosis utama yakni melibatkan fungsi
caspase dan tanpa caspase. Mitokondria
bertindak sebagai crosstalk organelles yakni
organel yang berperan pada kedua jalur
apoptosis yang berbeda tersebut. Jalur apoptosis
terbagi dua yaitu caspase dependen dan
independen.10 Sinyal apoptosis jalur caspase
dependen bisa terjadi secara intraseluler dan
ekstraseluler.10 Jalur ekstrinsik (ekstraseluler)
diinisiasi stimulasi reseptor kematian sedangkan
jalur intrinsik diinisiasi oleh pelepasan faktor
sinyal dari mitokondria dalam sel.10
Apoptosis jalur ekstrinsik dimulai dari
adanya pelepasan molekul sinyal disebut ligan,
oleh sel lain bukan berasal dari sel yang akan
mengalami apoptosis.10 Ligan tersebut berikatan
dengan reseptor kematian yang terletak pada
transmembran sel target yang menginduksi
apoptosis.10 Reseptor kematian yang terletak di
permukaan sel adalah famili reseptor Tumor
Necrosis Factor (TNF), yang meliputi TNF-R1,
CD 95 (Fas), dan TNF-Related apoptosis
inducing ligan (TRAIL)-R1 dan R2. Ligan yang
berikatan dengan reseptor tersebut
mengakibatkan caspase inisiator 8 membentuk
trimer dengan adaptor protein FADD.
Reseptor CD 95, TRAIL-R1 dan R2 terikat
dengan FADD, sedangkan TNF-R1 terikat secara
tidak langsung dengan molekul adaptor lain,
yaitu TNF-Reseptor Associated Death Domain
(TRADD). Kompleks yang terbentuk antara
ligan-reseptor dan reseptor kematian FADD
disebut DISC.10 Kompleks ini akan menginisiasi
pro caspase-8 yang mengaktifkan caspase
eksekutor.10
Caspase-8 bekerja dengan cara memotong
anggota famili Bcl-2 yaitu Bid.11, 12 Bid yang
terpotong pada bagian ujungnya akan
menginduksi insersi Bax ke dalam membran
mitokondria dan melepaskan molekul
proapoptotik seperti sitokrom c, Samc/Diablo,
Apoptotic Inducing Factor (AIF), dan
omi/Htr2.11 Adanya dATP akan terbentuk
kompleks antara sitokrom c, Apaf-1, dan
caspase-9 yang disebut apoptosom. Caspase-9
akan mengaktifkan aliran procaspase-3.11
Protein caspase-3 yang aktif memecah berbagai
macam substrat, diantaranya enzim perbaikan
DNA seperti poly-ADP Ribose Polymerase
(PARP), dan DNA protein kinase yaitu protein
struktural seluler dan nukleus, termasuk aparatus
mitotik inti, lamina nukleus, dan aktin serta
endonuklease, seperti Inhibitor Caspase-
Activated Deoxyribonuklease (ICAD) dan
konstituen seluler lainnya.11
Caspase-3 juga mempunyai kemampuan
untuk mengaktifkan caspase lainnya, seperti pro-
caspase-6 dan 7 yang memberikan amplifikasi
terhadap kerusakan seluler.8 Adanya stres seluler
meningkatkan ekspresi dari protein p53 yang
mengakibatkan terjadinya G1 arrest atau
apoptosis.8 Anggota dari Apoptosis Stimulating
Protein p53 (ASPP) yaitu ASPP 1 dan ASPP 2
secara spesifik menstimulasi fungsi transaktivasi
p53 pada promotor gen pro-apoptotik seperti
Bax dan p53 inducible gene 3 (PIG 3), tapi tidak
pada promotor gen yang menyebabkan
hambatan siklus sel, yaitu p21 dan mdm2.8
Stres mitokondria yang menginduksi apoptosis
jalur intrinsik disebabkan oleh senyawa kimia
atau kehilangan faktor pertumbuhan, sehingga
menyebabkan gangguan pada mitokondria dan
terjadi pelepasan sitokrom c dari intermembran
mitokondria.11 Sitokrom c adalah suatu heme
protein yang bertindak sebagai suatu pembawa
elektron dalam fosforilasi oksidasi mitokondria,
pemberhenti elektron sitokrom c oksidase,
keluar intermembran dan mengikat protein
sitoplasmik yang disebut Apaf-1. Protein ini
akan mengaktifkan inisiator caspase-9 di
sitoplasma.8 Protein ini keluar dari mitokondria
setelah terjadi perubahan potensiasi elektrokimia
di membrane yang menyebabkan terbukanya
suatu kanal yang nonspesifik dalam membran
yang permeabel, terdiri atas dua protein selaput
bagian dalam yakni Adenine Nucleotide
Translocator (ANT) dan protein bagian luar
yakni porin; Voltage Dependent Anion Channel
(VDAC). Protein ini bertindak bersama-sama,
pada sisi luar dan sisi dalam terjadi kontak.
Saluran ini dapat dilewati zat yang memiliki
bobot molekular kurang dari 1500. Perubahan
pada gradien proton menyebabkan oksidasi dan
foforilasi di mitokondria dan perubahan ion
menyebabkan pembengkakan matriks. Sisi
bagian dalam sangat kusut dan memiliki luas
permukaan jauh lebih besar dibanding selaput
yang luar, bengkak pada matriks mengarah
rusaknya sisi luar, sehingga sitokrom c dan
Apaf-1 keluar masuk sitoplasma. Jalur ini biasa
diaktifkan dalam respon stimulus letal yang lain
seperti perusakan DNA, stress oksidatif, dan
hipoksia.
Gambar 1. Jalur Caspase Dependen (Ekstrinsik dan Intrinsik). Mitokondria dan organel nukleus memegang peranan
penting dalam tipe apoptosis ini. Organel ini dpat menghubungkan sinyal yang berbeda untuk aktivase caspase
sehingga terjadi perubahan pada senyawa oksigen reaktif, sitokrom c, dan membran potensial mitokondria. Selain
jalur mitokondria, ligan eksternal juga dapat mengaktifkan ERK yang dilanjutkan dengan rangkaian aktifitas
caspase.1
Mitokondria mengandung faktor
proapoptosis seperti sitokrom c dan AIF.
Keduanya merupakan substrat yang berbahaya,
akan tetapi tersimpan aman dalam mitokondria.
Saat keduanya dilepaskan ke sitoplasma, protein
ini dapat mengaktifkan jalur aktivasi caspase.11
Pelepasan tersebut diatur oleh famili Bcl-2 yang
terikat dengan mitokondria, yaitu Bax dan Bad.
Sitokrom c berperan sebagai pembawa elektron
yang larut dalam air dalam fosforilasi oksidatif
mitokondria.11 Bila terjadi kumparan elektron
melalui sitokrom c oksidase atau kompleks IV,
adanya perubahan kekuatan ion menyebabkan
terjadinya gelombang matriks. Saat membran
dalam mitokondria memiliki permeabilitas
permukaan yang lebih luas dibanding membran
luar maka gelombang matriks menyebabkan
pori-pori permeabilitas bagian dalam membran
nonspesifik menjadi terbuka sehingga sitokrom c
keluar ke sitoplasma.110 Sitokrom c yang keluar
ke sitoplasma kemudian berikatan dengan Apaf-
1 membentuk Caspase Recruitment Domain
(CARD). Beberapa CARD bergabung
membentuk kompleks apoptosom kemudian
mengikat pro-caspase-9 dan mengaktivasinya
menjadi caspase-9 (caspase inisiator).11
Caspase-9 ini akan mengaktivasi procaspase-3
menjadi caspase-3 yang merupakan caspase
efektor yang melaksanakan apoptosis.11
Keseimbangan kerja caspase
dipertahankan dengan adanya hambatan caspase
berasal dari famili inhibitor apoptosis (IAPs)
seperti survivin, cIAP-1, cIAP-2, ILP-2, XIAP,
livin, BIRC, dan NAIP.8 Famili IAPs dapat
menghambat caspase inisiator dan eksekutor
melalui beberapa proses yang berbeda.13 Aksi
caspase-8 diatur oleh FADD-like ICE (FLICE)-
inhibitory protein (FLIPs).13, 14 Protein ini dapat
mengikat FADD dan caspase-8 melalui interaksi
sejenis sehingga dapat menghambat caspase-8
untuk membentuk DISC.14 Mekanisme jalur
ekstrinsik dan intrinsik tampak dalam Gambar 1.
Jalur Caspase Independen
Selain jalur caspase dependen, apoptosis
juga dapat dipicu tanpa melalui aktivitas
caspase, yakni jalur caspase independen. Jalur
caspase dependen diawali dengan sejumlah ligan
akan merangsang perubahan potensial membran
mitokondria yang akan meningkatkan produksi
radikal bebas. Radikal bebas akan merangsang
pengeluaran caspase sehingga terjadi apoptosis.
Jalur caspase dependen, caspase tidak berperan
banyak, namun kerusakan mitokondria
disebabkan oleh enzim dapat menghasilkan
radikal bebas.
Gambar 2. Jalur Caspase Independen.1 Tipe apoptosis ini tidak melibatkan anggota famili caspase dan tidak dapat
dihambat oleh inhibitor caspase. Beberapa komponen sel seperti AIF, spesies oksigen reaktif, Ca2+, ATP, modifikasi
dan misfolding protein, serta kerusakan DNA dapat memicu apoptosis caspase independen.1
Literatur menyebutkan bahwa Granzyme
A (GzmA) dapat menginduksi secara langsung
peningkatan senyawa oksigen reaktif dan
kerusakan mitokondria jalur caspase
independen.15 Target khusus GzmA adalah 270–
420 kDa endoplasmic reticulum (ER)-associated
complex yang mengandung GzmA-activated
DNase NM23-H1 atau kompleks SET. Walaupun
fungsi normal kompleks SET ini belum
diketahui dengan jelas, namun kandungan
proteinnya berhubungan dengan tumorigenesis.
Kompleks SET akan berpindah ke nukleus dan
menyebabkan kerusakan DNA.16 Faktor pro-
apoptosis yang paling penting dalam jalur ini
adalah AIF, yang dilepaskan oleh mitokondria
dan menyebabkan kerusakan DNA dalam
nukleus.16Pelepasan AIF oleh mitokondria
dipengaruhi juga oleh aktivasi PARP-1 akibat
senyawa oksigen reaktif. Ini membuktikan
senyawa oksigen reaktif berperan pada jalur
caspase dependen dan independen.16 Selain AIF,
proses glutationilasi dan nitrosilasi menghambat
beberapa grup thiol dan mempengaruhi fungsi
protein menyebabkan apoptosis. Mekanisme
jalur caspase independen terlihat pada Gambar
2. Hingga kini mekanisme apoptosis caspase
independen masih belum jelas diketahui.
Beberapa peneliti telah menemukan bahwa AIF;
ROS, dan ligan lainnya mampu menstimulasi
tipe kematian sel ini, jalur sinyal ini masih tahap
fenomena dan mekanisme yang lebih terperinci
masih terus diteliti. Apapun bentuk
apoptosisnya, kematian sel jenis ini memiliki
fungsi yang penting dalam pertumbuhan sel,
proliferasi, dan kematian pada beberapa spesies.
Apoptosis merupakan fenomena yang
masih terus diteliti, memegang peranan penting
dalam homeostasis organisme multiseluler serta
dapat mengatasi penyakit, namun malfungsi
proses apoptosis akan menimbulkan penyakit
seperti kanker, neurodegeneratif, dan autoimun.
Rangkaian molekuler ini melibatkan dua jalur
yakni caspase dependen (ekstrinsik dan
intrinsik) serta caspase independen.
neurodegeneratif, dan autoimun. Hingga kini
mekanisme apoptosis dan implikasinya untuk
tujuan pengobatan penyakit masih terus diteliti.
