1. Tugas Biologi
Jurnal Evolusi
Anggota:
Hesty Yulisty (06121010031)
Melantina Oktriyanti (061210100 )
Pujiati (06121010018)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SRIWIJAYA
2012
2. Apakah Teori Evolusi “Central Molecular Cell” Biologi itu?
Protein sinyal Transduser dan aktivator transkripsi (STAT) biasanya
laten dalam sitoplasma sampai terjadi aktivasi oleh protein sinyal ekstraseluler
(Levy & Darnell, 2002). Protein sinyal yang mengaktifkan STAT termasuk
sitokin, faktor pertumbuhan, dan bahkan beberapa peptida sederhana. Sinyal
protein ini mengikat reseptor permukaan sel dan mengaktifkan tirosin kinase,
yang kemudian phosporylate protein STAT. Protein STAT yang begitu diaktifkan
kemudian terakumulasi dalam nukleus dan memulai transkripsi, pada akhirnya
mempengaruhi fenotip sel. Dipelajari dengan baik dalam kinase Janus (Jaks) dan
target STAT mereka. Jalur The Jak kanonik-Stat merupakan contoh penting dari
jalur sinyal kompleks dengan relevansi yang luas terhadap kesehatan manusia dan
penyakit (Schindler, 2002). Salah satu anggota keluarga STAT, STAT3 pertama
kali dijelaskan untuk kegiatan DNA-mengikat IL-6 hepatosit sitokin-terangsang.
Protein yang ditemukan secara struktural mirip dengan STAT lainnya.
Dalam menanggapi rangsangan sitokin, memediasi kinase Janus
fosforilasi tirosin, yang terjadi pada satu lokasi dekat ujung karboksi (Levy & Lee,
2002). Aktivasi STAT3 dimerisasi, translokasi ke inti, dan memulai pengikatan
DNA. Namun, STAT3 juga dapat diaktifkan oleh fosforilasi serin di sebuah situs
di domain transactivation. Peran serin fosforilasi dalam kegiatan transkripsi tetap
agak ambigu (Levy & Lee, 2002). Dibandingkan dengan STAT lain, fungsi
STAT3 tampaknya juga unik, dengan data yang menunjukkan peran umum dalam
mengatur homeostatsis seluler (Schindler, 2002). Pada saat yang sama, peran
beragam STAT3 mengangkat pertanyaan tentang bagaimana faktor transkripsi
tunggal bisa terlibat dalam seperti respon yang tampaknya bertentangan (Levy &
Lee, 2002). Karya terbaru (Gough et al, 2009;. Myers, 2009;. Wegrzyn et al,
2009) telah menjelaskan ketidakjelasan fungsi STAT3 dengan menunjukkan
bahwa itu benar-benar memiliki dua fungsi yang berbeda. Petunjuk awal
disediakan oleh interaksi STAT3 dengan GRIM-19, yang merupakan komponen
dari kompleks I dari mitokondria rantai transport elektron (Gambar 1). Wegrzyn
et al. (2009) membawa pengamatan ini beberapa langkah lebih lanjut dan
3. menunjukkan bahwa beberapa STAT3 dalam sel memang melokalisasi
mitokondria.
Bukti tambahan menunjukkan bahwa STAT3 adalah komponen dari
kompleks I dan mungkin kompleks II dari rantai transpor elektron mitokondria.
Menggunakan sel yang kekurangan STAT3, Wegrzyn dkk. (2009) menunjukkan
bahwa kapasitas fosforilasi oksidatif (yang dilakukan oleh rantai transpor elektron
mitokondria) berkurang dalam sel-sel juga. Sebuah peran fungsional STAT3 di
kompleks I dan II disarankan. Memang, fosforilasi serin tampaknya menjadi
bagian integral fungsi ini mitokondria (Gambar 2).
Gambar 1. Mitokondria rantai transpor elektron. Sebuah skema rantai transpor
elektron mitokondria menunjukkan kompleks I - V, koenzim Q (Q), dan sitokrom
c (CYT c). Panah kecil menelusuri aliran elektron dari NADH dan FADH2
oksigen. Panah besar menunjukkan ekstrusi proton (H +) oleh kompleks I, III, dan
IV dan kembalinya proton ke matriks mitokondria melalui ATP synthase
(kompleks V), memicu perakitan ATP (panah putus-putus).
Oksidasi substrat (yaitu, makanan) menghasilkan NADH dan FADH2
yang merupakan sumber elektron yang mengalir antara kompleks, menghasilkan
gradien proton transmembran. Proton gradien ini memicu pembentukan ATP.
Beberapa hal peraturan yang jelas: (i) kurangnya substrat (kelaparan), yang
menghasilkan jumlah minimal NADH dan FADH2, aliran elektron minimal,
kompleks yang relatif bebas dari elektron (teroksidasi), gradien proton minimal,
dan sedikit pembentukan ATP, (ii) kurangnya permintaan metabolik, yang
menghasilkan jumlah minimal ADP, kompleks jenuh dengan elektron (dikurangi),
gradien proton maksimal, dan pembentukan ATP kecil, (iii) kekurangan oksigen
(O2), yang menghasilkan kompleks jenuh dengan elektron (dikurangi), gradien
proton maksimal, dan pembentukan ATP sedikit. The "Goldilocks" metabolik
menengah: substrat yang cukup cocok dengan kebutuhan metabolik dan
ketersediaan oksigen.
Dalam keadaan metabolik, kompleks mentransfer elektron pada tingkat
maksimal, sebuah bentuk gradien proton moderat, dan ATP diproduksi pada
tingkat maksimal. Rantai transpor elektron adalah kemungkinan perbedaan
4. fungsional utama antara simbiosis mitokondria dan host mereka di awal sejarah
dari sel eukariotik (dimodifikasi dari Blackstone, 2003).
Gambar 2. Dua fungsi STAT3. Aktivasi reseptor sitokin pada membran sel
memicu phosporylation tirosin STAT3 oleh Janus kinase (JAK). STAT3s
terfosforilasi tirosin dimerisasi dan pindah ke inti di mana mereka berfungsi
sebagai faktor transkripsi. Di sisi lain, serin hasil fosforilasi di STAT3s pindah ke
mitokondria di mana mereka berfungsi sebagai protein integral dari rantai transpor
elektron (Gambar 1). Saat ini, tidak diketahui apakah sinyal mengaktifkan serin
fosforilasi (dimodifikasi dari Myers, 2009).
Gough et al. (2009) menindaklanjuti pekerjaan ini. Kegiatan STAT3 Augmented
banyak dikaitkan dengan tumor manusia, namun observasi seperti itu tampaknya
konsisten dengan STAT3 bertindak semata-mata sebagai faktor transkripsi.
Menggunakan transformasi onkogenik Rasdependent sebagai contoh, penulis
menunjukkan bahwa transformasi ini tergantung pada STAT3. Sementara
fosforilasi tirosin tidak diperlukan, serin fosforilasi STAT3 sangat penting untuk
transformasi ini. Data lebih lanjut mendukung hipotesis bahwa transformasi Ras
membutuhkan STAT3 non-transkripsi dan non-nuklir. Ini menunjukkan peran
mitokondria untuk STAT3, kemungkinan meningkatkan hubungan antara aktivitas
STAT3 dan metabolisme mitokondria abnormal yang mencirikan sel-sel kanker
(Garber, 2006). Memang, mitokondria STAT3 tampaknya berkontribusi dalam
transformasi seluler Ras-tergantung dengan mengubah aktivitas kompleks dari
rantai transpor elektron serta entah bagaimana upregulating glikolisis.
Semua ini karya inovatif pada STAT3 rupanya dilakukan dan dilaporkan tanpa
mengacu pada sejarah evolusi sel eukariotik. Orang mungkin menduga dari
membaca literatur ini bahwa pandangan evolusi itu tidak mungkin menambah
wawasan apapun untuk masih on-going penyelidikan kasus aneh STAT3.
KONTEKS EVOLUSI
Pemahaman kita tentang konteks evolusi untuk fungsi STAT3 dimulai
5. dengan endosimbiosis mitokondria yang sekarang diterima secara luas.
Berdasarkan fitur struktural, beberapa ahli biologi telah lama menyarankan bahwa
mitokondria adalah bakteri simbiotik (Margulis, 1981). Baru-baru ini, data
sekuens nukleotida telah sangat mendukung pandangan ini (Gray et al., 1999).
Berbagai hipotesis telah diusulkan mengenai sifat asosiasi awal dan
kemampuan host asli dan simbion (misalnya, Lane, 2005; Embley & Martin,
2006). Mitokondria simbiosis umumnya dipandang sebagai peristiwa mani dalam
asal-usul eukariota, yang merupakan salah satu transisi evolusi besar dalam
sejarah kehidupan (Maynard Smith & Szathmáry 1999). Simbiosis ini
menciptakan kompartemen prinsip untuk metabolisme eukariotik, tapi seperti
biasa makan siang tidak pernah bebas. Tahap awal simbiosis ini kemungkinan
besar sangat berbeda dari harmoni relative yang terlihat pada sel eukariotik
modern. Karena mitokondria adalah unit evolusi mampu mewariskan variasi,
tingkat-of-seleksi sinergi dan antagonisme yang tidak diragukan lagi memerintah
fitur yang muncul dari sel eukariotik. Sebagian besar kerjasama dan konflik yang
terjadi terkait dengan perbedaan fungsional antara simbion dan host: pada awal
simbiosis, simbion yang dimiliki rantai transpor elektron fungsional sementara
host tidak memiliki fitur ini (Blackstone, 1995). Ketika menganalisis setiap fitur
dari eukariota modern, sejarah evolusi ini harus diingat. Jalur sinyal Mitokondria
mungkin tetap sebagai sisa-sisa konflik tingkat-of-pilihan kuno (Blackstone &
Green, 1999).
Dua interpretasi evolusioner yang mungkin dan masing-masing akan
dibahas panjang lebar. Pertama, STAT3 mungkin awalnya menjadi protein
mitokondria yang dikooptasi menjadi fungsi baru memanipulasi host untuk
keuntungan simbion tersebut. Setelah mitokondria menjadi simbion obligat dan
dengan demikian bagian dari evolusi unit-tingkat yang lebih tinggi baru (sel
eukariotik), mereka tidak akan langsung berinteraksi lagi dengan lingkungan.
Seleksi akan mendukung simbion yang dapat memicu respon host tertentu
terhadap rangsangan jika tanggapan tersebut kemudian meningkatkan kebugaran
simbion. Dalam konteks ini, protein mitokondria yang dapat bertindak sebagai
faktor transkripsi DNA inang akan menjadi alat yang sangat berharga. Ketika
6. simbion terdeteksi sinyal metabolisme tertentu yang pada akhir lingkungannya,
faktor transkripsi dapat diaktifkan, mungkin oleh fosforilasi, dan bisa pindah ke
inti di mana aktivitas gen yang tepat akan dimulai.
Dalam kasus ini, "aktivitas gen yang tepat" akan menguntungkan
simbion, tetapi juga mungkin manfaat host di bawah berbagai kondisi tertentu
atau tidak berpengaruh pada host sama sekali. Jika aktivitas gen ini merugikan
host, yaitu, jika ada konflik antara seleksi pada tingkat simbion dan pada tingkat
host, perhitungan evolusi kemudian akan menjadi lebih kompleks.
Rantai transpor elektron biasanya pada lokus bukan hanya konversi energi, tetapi
penginderaan lingkungan juga. Bakteri menggambarkan hal ini sangat baik
(Allen, 1993; Georgellis et al, 2001.). Sistem Arc Escherichia coli memberikan
contoh yang dipelajari dengan baik dari jenis dua-komponen sistem sinyal
transduksi yang sering digunakan dalam beradaptasi metabolisme bakteri pada
kondisi lingkungan. Dua protein, arcA dan ArcB, terlibat. ArcB adalah sensor
transmembran kinase dengan loop terkena sitoplasma. Lingkaran sitoplasma ini
berisi residu histidin lestari yang dapat terautophosporylasi dalam menanggapi
kondisi metabolik. Fosforilasi ini terjadi sebagai respons terhadap keadaan
oksidasi pembawa elektron kuinon (yaitu, jika mereka jenuh atau tidak). Quinones
adalah bagian dari rantai transpor elektron, sebanding dengan coq pada Gambar 1
(perhatikan bahwa rantai transpor elektron E. coli mirip tetapi tidak sepenuhnya
sama dengan satu mitokondria yang diilustrasikan). Bentuk kuinon teroksidasi
menghambat autofosforilasi (Georgellis et al., 2001). Di sisi lain, jika kuinon
dikurangi penghambatan ini dapat terhapus. Seperti dengan kompleks dari rantai
transpor elektron (Gambar 1), bilangan oksidasi dari kuinon sensitif terhadap
kondisi lingkungan. Di hadapan substrat dan ADP, kuinon tetap relatif teroksidasi
dan autofosforilasi dihambat selama transpor elektron ke akseptor elektron
terminal (oksigen) adalah mungkin.
Jika oksigen tidak tersedia, elektron "back up" pada pembawa elektron
dari rantai transpor elektron dan operator tersebut menjadi berkurang.
Autofosforilasi kemudian terjadi. Setelah autofosforilasi, ArcB
transphosphorylates komponen kedua, arcA, yang merupakan regulator global
7. transkripsi. Ketika terfosforilasi, arcA merepresi ekspresi banyak gen yang
produknya terlibat dalam respirasi aerobik dan mengaktifkan banyak gen yang
produknya terlibat dalam fermentasi anaerob. Dengan cara ini, bakteri
menyesuaikan metabolisme terhadap kondisi lingkungan. Mitokondria tidak
seperti keturunan dari bakteri E. coli. Mereka diharapkan dapat melakukan
mekanisme yang sama dengan penginderaan lingkungan. Pertimbangkan STAT3
dalam konteks ini. Bukti menunjukkan bahwa jika diaktifkan oleh serin
fosforilasi, yang merupakan komponen kompleks mitokondria I dan II. Di sisi
lain, jika diaktifkan oleh phosporylasi tirosin, merupakan faktor transkripsi nuklir.
Seperti penjajaran peran fungsional menunjukkan bahwa mungkin
awalnya telah menjadi sensor lingkungan untuk rantai transpor elektron
mitokondria. Di bawah kondisi metabolik yang tepat, bisa dengan cepat diubah
menjadi faktor transkripsi nuklir, memodifikasi aktivitas gen untuk menyesuaikan
dengan kondisi metabolisme mitokondria. Meskipun awalnya mungkin ada aspek
eksploitatif interaksi ini (yaitu, disukai oleh seleksi pada mitokondria, tapi
mungkin merugikan host), secara bersamaan akan ada seleksi yang kuat pada host
untuk mempertahankan mitokondria dalam kondisi fungsional yang baik. Dengan
kata lain, host responsif terhadap sinyal yang memperlancar metabolisme
mitokondria yang akan menuai dividen energi dalam bentuk generasi ATP.
Dividen energi ini maka dapat digunakan dalam replikasi host secara cepat.
Dengan demikian sistem faktor transkripsi dari mitokondria sensor / nuklir
STAT3 bisa berkembang dengan cepat menjadi jalur sinyal yang saling
menguntungkan.
Penafsiran evolusi kedua STAT3 sinyal dimulai dengan hipotesis alternatif yang
awalnya berasal dari host. Mengingat bahwa perbedaan fungsional prinsip antara
host dan simbion adalah kehadiran rantai transpor elektron, produk dan produk
sampingan dari rantai ini dapat digunakan oleh anggota simbion dalam satu host
untuk memanipulasi host mereka (Blackstone, 1995).
Misalnya, spesies oksigen reaktif, hasil sampingan dari respirasi, dapat
digunakan untuk memicu rekombinasi dan fusi sel keseluruhan dalam host,
8. sehingga memberikan simbion dengan habitat baru (Blackstone & Kirkwood,
2003). Pada akhirnya, manipulasi seperti akan mengguncang simbiosis karena
baru dan "egois" varian simbion terus akan berkembang, mengorbankan manfaat
tingkat grup kerjasama untuk keuntungan jangka pendek dalam individu-tingkat
kebugaran. Untuk simbiosis stabil muncul, semakin tinggi tingkat unit (termasuk
host serta seluruh populasi simbion) harus berkembang mekanisme untuk
menahan varian egois seperti mitokondria (Michod & Nedelcu, 2004). Dalam
mitokondria modern, mekanisme ini sangat banyak dan beragam, mungkin
terutama menggeser sebagian dari genom mitokondria ke inti. Pindah genom ini
untuk inti mengurangi jumlah variasi diwariskan tersedia untuk memproduksi
unit-tingkat yang lebih rendah. Mitokondria rantai transpor elektron pada
khususnya telah memperlihatkan sebagian besar gen yang mengkode komponen
dari kompleks I - V pindah ke inti. Dengan beberapa pengecualian penting (Allen
et al., 2005), regulasi respirasi terlalu penting untuk diserahkan kepada kendali
simbion individu. Namun demikian, transfer gen ini mungkin telah mengambil
waktu yang relatif lama untuk menyelesaikannya. Pada awal simbiosis,
memasukkan protein host ke dalam rantai transpor elektron untuk memungkinkan
regulasi host respirasi yang mungkin dipilih dengan sangat kuat.
STAT3 merupakan kandidat yang memungkinkan untuk suatu protein
regulator. Pada akhirnya, sel eukariotik dengan protein ini membentuk simbiosis
stabil.
Karena kanonik Jak / jalur Stat sinyal adalah terlibat dalam sinyal antara sel-sel
dari organisme multiseluler yang sama, jalur ini diperkirakan telah berevolusi
kemudian dalam sejarah eukariota, mungkin berevolusi sebagai hewan itu sendiri.
Setidaknya beberapa protein yang terlibat dalam jalur sinyal kompleks dalam
eukariota multiseluler ditemukan pada eukariota uniseluler melakukan tugas lain
(Nedulcu, 2009). Dalam konteks ini, sinyal host-simbion dapat memberikan asal
fungsional yang masuk akal dari keluarga protein STAT. Narasi diatas dapat
dikembangkan lebih lanjut untuk membuat prediksi diuji. Tujuannya di sini
adalah agak lebih sederhana: hanya untuk menunjukkan bahwa ada konteks
evolusi yang kuat untuk crosstalk molekul antara mitokondria modern dan inti sel.
9. Daripada diabaikan oleh biologi sel molekuler, konteks ini bisa dan harus menjadi
titik awal penyelidikan.
MELENGKAPI SINTESIS DI MOLEKULER BIOLOGI SEL
Seperti yang disarankan oleh Wilson et al. (2009), sintesis evolusi kuat
tapi dalam beberapa hal tidak lengkap. Departemen biologi sering dibagi
(misalnya, ekologi dan biologi evolusi [EEB] dan biologi sel molekuler [MCB]).
Anggota EEB dan MCB biasanya mengajukan dukungan kepada lembaga
pendanaan yang berbeda, mempublikasikan dalam jurnal yang berbeda, dan
mengajarkan kursus yang berbeda. Biologi evolusioner biasanya diajarkan oleh
fakultas EEB, dan kursus tersebut cenderung mencerminkan penelitian evolusi,
yaitu organisme dan gen. Program biologi yang lain mungkin tidak pernah
menyebutkan kemungkinan menggunakan teori evolusi sebagai alat prediksi
untuk mengeksplorasi subyek tertentu.
Sementara mungkin sebagian besar ahli biologi akan setuju bahwa semua
program biologi harus dihubungkan dengan evolusi, pertanyaannya tetap
bagaimana untuk mencapai tujuan ini. Tentu saja, situasi ini tidak sepenuhnya
suram. Munculnya genomik telah menyuntikkan beberapa derajat pemikiran
komparatif dan evolusi dalam semua tingkat biologi. Pendukung perancangan
cerdas telah menantang ahli biologi evolusi untuk bergerak melampaui fokus pada
organisme dan gen dan mempertimbangkan mekanisme biokimia. Bahkan
halaman yang didambakan of Science baru-baru ini termasuk beberapa penelitian
penting evolusi protein (Holt et al, 2009;. Tan et al, 2009;.. Matsuno et al, 2009).
Namun demikian, langkah lebih lanjut perlu diambil untuk mempercepat sintesis
ini dan membawanya lebih penuh. Dari sudut pandang teori evolusi, biologi sel
molekuler adalah sejarah alam deskriptif kaya benar-benar meminta penjelasan
evolusi.
Dengan pendekatan terminologis sedikit, ahli biologi evolusi dapat
menggunakan keahlian mereka dalam berbagai cara untuk menerangi sejarah alam
10. ini, seperti ahli biologi evolusi sejak Darwin telah menerangkan sejarah alami
organisme. Dari sudut pandang biologi molekuler, teori evolusi dapat digunakan
untuk merasionalisasi apa yang sebaliknya mungkin tampak hasil baroque. Lebih
luas lagi, teori evolusi dapat memberikan kerangka prediktif yang dinyatakan
sebagian besar kurang dalam biologi sel molekuler. Dalam gambaran tentang awal
biologi molekuler, stent (1968:. P 393) menulis: "meskipun kesimpulan langsung
diambil dari hasil percobaan. Hampir selalu benar, spekulasi lebih umum dan
benar-benar menarik ini dibangun di atas kesimpulan orde pertama sebagian besar
salah.
Tentu saja, tujuan di sini bukan untuk mengkritik banyak keberhasilan
yang luar biasa dari biologi sel molekuler. Namun bukan tidak mungkin bahwa
beberapa arah dari teori evolusi dapat meningkatkan bidang yang sudah sangat
sukses. Misalnya, pendekatan evolusioner berpikiran sederhana dengan gen dan
genom mungkin telah membuat prediksi yang berguna: manusia adalah binatang,
binatang memiliki sekitar 20.000 gen dalam genom mereka, dan karena manusia
memiliki sekitar 20.000 gen dalam genom mereka. Dalam kasus contoh STAT3,
jika ahli biologi sel molekuler tercermin pada akar evolusi yang mungkin dari
Jak / Stat jalur, mereka mungkin telah secara aktif mencari anggota keluarga
STAT yang terlibat dalam signaling mitokondria. Ambiguitas awal fungsi STAT3
akan membuat protein ini memungkinkan, dan dwifungsi mungkin telah
diselesaikan lebih awal daripada kemudian. Demikian juga mungkin berpikir ini
menyebabkan prediksi yang berguna untuk apa yang mungkin menjadi efektor
fosforilasi serin. Pada akhirnya, sebuah sintesis evolusi lengkap akan
menyeimbangkan nilai dari kedua holistik pemikiran evolusioner dan pendekatan
molekuler reduksionis.
