Tài liệu Tiểu luận cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN MÔN: SINH HỌC PHÂN TỬ TẾ BÀO Chủ đề: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực. HÀ NỘI NỘI DUNG CHÍNH PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC 1. Lịch sử nghiên cứu tế bào 2. Đặc điểm cấu trúc của tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực PHẦN II. CƠ CHẾ PHÂN BÀO 1. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân sơ 2. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân thực 2.1. Cơ chế nguyên phân 2.2. Cơ chế giảm phân PHẦN III. ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO 1. Đặc điểm của chu kì tế bào 2. Các cơ chế điều khiển chu kì tế bào 2.1. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ 2.2. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC 1. Lịch sử nghiên cứu tế bào Robert Hooke là người đầu tiên sử dụng kính hiển vi để quan sát về tế bào, đồng thời mở ra ngành khoa học sinh học tế bào. Năm 1665, tế bào được Hooke mô tả giống như các ô rỗng có thành bao quanh và xếp cạnh nhau như tổ ong. Sau đó vào những năm 1674 – 1683, cùng với sự phát triển của kính hiển vi, nhà khoa học người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek đã phát hiện được các tế bào như: vi sinh vật trong giọt nước ao, tế bào máu, tế bào tinh trùng động vật. Từ những quan sát của mình, ông đã kết luận rằng tế bào có cấu tạo phức tạp gồm màng sinh chất, tế bào chất chứa các bào quan và nhân chứ không chỉ có dạng xoang rỗng như Hooke thấy. Năm 1838 - 1839, Matthias Schleiden và Theodor Schwann đã đưa ra học thuyết tế bào với nội dung: Tất cả sinh vật được cấu tạo từ tế bào và tế bào là đơn vị sống cơ bản của sinh giới. Năm 1858, Virchow phát biểu thêm rằng: Tế bào sinh ra từ tế bào có trước. Năm 1862, Pasteur tiếp tục chứng minh rằng: Sự sống không tự hình thành ngẫu nhiên từ các chất vô sinh. Ngày nay học thuyết tế bào vẫn giữ nguyên giá trị của nó và tế bào được xem là đơn vị tổ chức cơ bản của thế giới sống cả về cấu tạo, chức năng sinh lý và di truyền. F. Engels đã từng đánh giá: cùng với hoạc thuyết tiến hóa của Darwin, và thuyết bảo tồn năng lượng, học thuyết tế bào là một trong ba phát kiến vĩ đại của thể kỉ XIX. 2. Đặc điểm cấu trúc của tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực Tùy theo mức độ phức tạp về cấu trúc mà người ta phân biệt hai dạng tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực. Từ hai loại tế bào này sẽ cấu trúc nên hai nhóm sinh vật tương ứng là sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực. Sinh vật nhân sơ bao gồm vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Sinh vật nhân thực được tạo nên từ các tế bào nhân thực như động vật đơn bào, tảo, nấm, thực vật và động vật. Tế bào nhân sơ thường có kích thước nhỏ và cấu tạo đơn giản với ba thành phần cấu tạo chính: màng sinh chất, tế bào chất, vùng nhân (Hình 1). Màng sinh chất của vi khuẩn chứa khoảng 45% lipit và 55% protein có cấu trúc và chức năng tương tự màng sinh chất của tế bào nhân thực. Nhiều chỗ màng sinh chất gấp nếp lồi lõm vào tế bào chất tạo nên các mezoxom được xem như một loại bào quan có vai trò quan trọng trong sự phân bào. Bên trong tế bào chất có chứa nhiều loại riboxom tổng hợp protein của vi khuẩn nhưng không có các bào quan có màng bao bọc và không có hệ thống nội màng điển hình như tế bào nhân thực. Hầu hết các chức năng của các bào quan như ty thể, lục lạp, bộ máy Golgi được tiến hành trên màng sinh chất. Vùng nhân chứa nhiễm sắc thể của vi khuẩn là phân tử ADN trần (không liên kết với histon), là chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú ở vùng tế bào chất. Ngoài ADN trong thể nhân, còn có một số phân tử ADN khác được gọi là plasmit chứa thông tin di truyền quy định một số đặc tính của vi khuẩn. Ngoài ba thành phần chính có ở các tế bào nhân sơ điển hình, một số vi khuẩn còn có thêm các thành phần cấu tạo khác như lông, roi, thành tế bào, vỏ nhầy. Lông và roi là các protein bám 1 trên bề mặt tế bào giúp vi khuẩn di chuyển chủ động trong môi trường. Thành tế bào có bản chất là peptidoglican giúp vi khuẩn giữ nguyên hình dạng và không bị tác động của áp suất thẩm thấu trong môi trường nhược trương. Vỏ nhày là rào cản phụ giúp bảo vệ tế bào, chọn lọc các chất ra vào tế bào. Tuy cũng được cấu tạo từ ba thành phần chính là màng sinh chất, tế bào chất và nhân, nhưng tế bào nhân thực có kích thước lớn hơn và cấu tạo phức tạp hơn nhiều so với tế bào nhân sơ (Hình 2). Màng tế bào cũng gồm hai thành phần chính là lipit và protein nhưng được phân hóa phức tạp hơn. Màng có cấu trúc khảm - động: lớp photpholipit kép tạo nên cái khung liên tục của màng, còn các phân tử protein phân bố rải rác trong khung, xuyên qua khung hoặc bám ở rìa trong và rìa ngoài của màng, các phân tử lipit và protein có trong màng có tính động. Tế bào chất được phân vùng và chứa các bào quan phức tạp như mạng lưới nội chất, riboxom, ti thể, lục lạp, thể Golgi, lizoxom, peroxixom, trung thể…Trong đó trung thể có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong sự phân bào (tạo thành bộ máy phân bào), các vi ống và định hướng cho các vi ống. Tế bào nhân thực có nhân hoàn chỉnh với lớp màng kép bao bọc lấy vật chất di truyền. Vật chất di truyền gồm một hoặc một số phân tử ADN mạch thẳng liên kết với protein histone tạo nên cấu trúc nhiễm sắc thể. Ngoài nhân, ADN còn được tìm thấy ở một số bào quan như ti thể, lục lạp. 2 Tế bào thực vật cũng như tế bào động vật đều thuộc dạng tế bào nhân thực điển hình. Ngoài những đặc điểm chung giống nhau, chúng còn khác nhau ở một số đặc điểm. Một số loại bào quan chỉ có thể tìm thấy ở tế bào thực vật hoặc tế bào động vật mà không thể cùng tồn tại trong cả hai loại tế bào này. Các lysosome, trung tử với các trung thể chỉ có ở tế bào động vật mà không có ở tế bào thực vật. Lục lạp, không bào trung tâm, thành tế bào, cầu sinh chất có thể tìm thấy ở tế bào thực vật còn tế bào động vật thì không. Như vậy, điểm khác biệt quan trọng giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực là sự xoang hóa ở tế bào nhân thực nhờ các lớp nội màng giúp chúng thực hiện các hoạt động trao đổi chất riêng biệt. Trong đó, quan trọng nhất là việc hình thành nhân tế bào có hệ thống màng riêng để bảo vệ các phân tử ADN của tế bào. Chính những khác biệt trong cấu trúc của hai loại tế bào này sẽ tạo nên sự khác nhau trong cơ chế phân bào cũng như điều khiển chu kì tế bào ở hai nhóm sinh vật nhân sơ và nhân thực. PHẦN II. CƠ CHẾ PHÂN BÀO 1. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân sơ Tế bào nhân sơ chưa có nhân hoàn chỉnh nên phân bào bằng cách phân đôi trực tiếp, không hình thành thoi phân bào như ở tế bào nhân thực. Nhiễm sắc thể của chúng chỉ là ADN trần, là chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú ở vùng tế bào chất được gọi là thể nhân nucleoit. Mặc dù ADN của thể nhân liên kết với các protein giúp đóng gói phân tử thành một kích thước nhỏ gọn, nhưng không có protein histone nên không có nucleosom ở sinh vật nhân sơ. Tuy nhiên, các protein đóng gói của vi khuẩn có liên quan đến các protein cohesin và condensin tham gia vào quá trình nén nhiễm sắc thể của sinh vật nhân chuẩn. Qúa trình phân đôi của vi khuẩn E. Coli gồm 5 năm bước (Hình 3). 3 Đầu tiên, ADN nhiễm sắc thể của vi khuẩn bắt đầu nhân đôi tại điểm khởi đầu sao chép, quá trình này diễn ra theo hai hướng. Ngay sau đó, một bản sao của điểm khởi đầu sao chép nhanh chóng di chuyển về đầu đối lập của tế bào bằng một cơ chế chưa rõ. Sự nhân đôi tiếp tục, mỗi đầu tế bào đã có một bản sao của điểm khởi đầu nhân đôi. Đồng thời tế bào dài ra, các protein FtsZ di chuyển về giữa của tế bào và định hướng sự phân chia giữa các nucleoit ở sinh vật nhân sơ. Nhiễm sắc thể sau khi được nhân đôi tiếp tục di chuyển về hai cực đối diện của tế bào, các protein FtsZ tạo thành vòng phân cắt ở chính giữa tế bào và ngăn cách hai nulceoit với nhau. Một vách ngăn được hình thành giữa các nucleoit, màng sinh chất và thành tế bào lõm dần từ ngoại vi về phía trung tâm của tế bào. Sau khi vách ngăn hoàn thiện, tế bào phân chia thành hai tế bào con. Protein FtsZ nằm phân tán trong tế bào chất của hai tế bào mới. 2. Cơ chế phân bào của sinh vật nhân thực Nhiễm sắc thể của sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp gồm ADN xoắn kép, liên kết với protein histon tạo thành các sợi nhiễm sắc. Trong kì trung gian, các sợi nhiễm sắc ở trạng thái giãn xoắn được gọi là chất nhiễm sắc, và khi phân bào chúng ở trạng thái 4 xoắn và co ngắn lại tạo thành các thể có hình dạng nhất định được gọi là nhiễm sắc thể. Sau khi ADN được tái bản, nhiễm sắc thể được nhân đôi ở pha S của kì trung gian, nhiễm sắc thể sẽ gồm 2 nhiễm sắc tử đính với nhau ở trung tiết (tâm động). Vì nhiễm sắc thể có cấu trúc phức tạp, nằm trong nhân có màng nhân, nên phương thức phân bào diễn ra phức tạp và đòi hỏi phải có bộ máy phân bào (thoi phân bào). Có hai phương thức phân bào là: phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân - mitosis) và phân bào giảm nhiễm (giảm phân meiosis). 2.1. Cơ chế nguyên phân Nguyên phân là hình thức phân bào nguyên nhiễm, trong đó từ một tế bào ban đầu phân chia sẽ tạo ra hai tế bào mới giống nhau và giống hệt tế bào ban đầu. Người ta quy ước chia nguyên phân thành năm kì: kì đầu, kì trước giữa, kì giữa, kì sau và kì cuối. Gối lên kì cuối của nguyên phân là kì chia tế bào chất và kết thúc pha phân bào (Hình 4). Sau khi hoàn thành kì trung gian, các nhiễm sắc thể đơn đã nhân đôi để tạo thành nhiễm sắc thể kép. Mỗi nhiễm sắc thể kép gồm hai nhiễm sắc tử chị em dính với nhau ở tâm động và dọc theo nhiễm sắc thể nhờ các protein cohesin. Mỗi trong nhiễm sắc tử có một thể động, một cấu trúc protein liên kết với một đoạn đặc hiệu của ADN nhiễm sắc thể ở tâm động. Hai thể động của nhiễm sắc thể kép quay về hai hướng đối lập nhau. Bước vào kì đầu của nguyên phân, các nhiễm sắc thể kép bắt đầu co xoắn. Ở tế bào thực vật, do có không bào trung tâm lớn nên trước khi quá trình nguyên phân bắt đầu, nhân phải di chuyển vào trung tâm của tế bào. Hạch nhân dần tiêu bến, bộ máy phân bào xuất hiện. Tế bào động vật có trung thể gồm hai trung tử và vùng quanh trung tử, trung tử nhân đôi ở pha S kì trung gian tạo thành hai đôi trung tử con và phát triển thành trung thể mới. Do sự hoạt hoá của chất quanh trung tử, các đơn hợp tubulin trong tế bào chất trùng hợp hoá thành các vi ống tubulin. Các vi ống xếp phóng xạ quanh trung tử mới, tạo thành sao phân bào. Hai trung thể và hai sao di chuyển vể hai cực tế bào. Giữa hai sao, các vi ống phát triển sắp xếp thành hệ thống sợi có dạng hình thoi được gọi là thoi phân bào. Tế bào của thực vật thiếu các trung tử; thay vào đó, các vi ống hình thành một trục trên bề mặt của nhân và sau đó được tổ chức thành một trục bởi chính các nhiễm sắc thể, sau khi vỏ nhân bị phá vỡ. 5 Kì trước giữa, các lamins được phosphoryl hóa bởi các yếu tố thúc đẩy nguyên phân (MPF), màng nhân tan rã đứt ra thành nhiều đoạn và biến thành các bóng không bào bé phân tán trong tế bào chất, tạo điều kiện cho nhiễm sắc thể di chuyển ra ngoại vi tế bào. Các vi ống thể động bắt đầu tìm kiếm và gắn vào các thể động của nhiễm sắc thể. Một số vi ống không gắn vào thể động của nhiễm sắc thể (các vi ống không thể động) sẽ tìm và tương tác với các vi ống không thể động tương ứng từ phía đối diện để hình thành thoi phân bào. Khi một vi ống kết nối với thể động, một protein động cơ sẽ kích hoạt, sử dụng năng lượng từ ATP để "trượt" lên ống về phía trung thể khởi đầu. Hoạt động vận động này, cùng với quá trình polyme hóa và khử phân giải của các vi ống, cung cấp lực kéo cần thiết để sau này phân tách hai nhiễm sắc tử của nhiễm sắc thể. Kì giữa là kì dài nhất của nguyên phân, sau khi các vi ống đã định vị và gắn vào các thể động, hai trung thể bắt đầu kéo các nhiễm sắc thể về các đầu đối diện của tế bào. Sự kéo căng của thoi phân bào làm cho các nhiễm sắc thể sắp xếp dọc theo mặt phẳng xích đạo, một đường tưởng tượng nằm ở trung tâm tế bào. Để đảm bảo sự phân bố đồng đều của các nhiễm sắc thể ở cuối quá trình nguyên phân, điểm kiểm tra chuyển tiếp đảm bảo rằng các thể động được gắn đúng vào thoi phân bào và các nhiễm sắc thể được xếp thẳng hàng. Kì sau bắt đầu khi các protein cohesin tách nhau ra khiến các nhiễm sắc tử chị em của mỗi cặp đột ngột tách nhau theo, mỗi nhiễm sắc tử trở thành một nhiễm sắc thể đơn, trượt dọc theo thoi phân bào về hai phía đối diện của tế bào. Các vi ống không gắn với nhiễm sắc thể dài ra và đẩy ra xa nhau, tách các cực và làm cho tế bào dài ra. Tất cả các quá trình này đều được thúc đẩy bởi các protein vận động , các cỗ máy phân tử có thể “trượt” dọc theo các đường dẫn vi ống và mang nhiễm sắc thể hoặc các vi ống khác về hai cực của tế bào. Đây là thời kì diễn ra nhanh nhất của nguyên phân, chỉ mất vài phút. Kết thúc kì sau, ở hai cực của tế bào có hai bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh và tương đương nhau. Khi các nhiễm sắc thể đã di chuyển xong về hai cực của tế bào cũng là lúc kì cuối bắt đầu. Các vi ống cực tiếp tục dài ra, kéo dài tế bào hơn nữa. Một vỏ nhân mới sẽ hình thành bằng cách sử dụng các túi màng của vỏ nhân cũ của tế bào mẹ. Vỏ mới hình thành xung quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể con đã tách rời và nhân con xuất hiện trở lại, thoi phân bào tiêu biến. Cả hai bộ nhiễm sắc thể, bây giờ được bao quanh bởi màng nhân mới, bắt đầu "giãn" hoặc phân rã. Quá trình phân chia nhân hoàn tất, mỗi nhân con có một bộ nhiễm sắc thể giống hệt nhau. Ngay sau đó quá trình phân chia tế bào chất diễn ra phân cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con. Tế bào động vật hình thành eo thắt và lõm sâu của eo tiến tới cắt đôi tế bào chất. Khi vòng sợi actin co rút kéo theo phần màng sinh chất lõm thắt vào trung tâm, và khi màng nối với nhau sẽ phân tách tế bào chất thành hai nửa, mỗi nửa chứa một nhân con. Đối với tế bào thực vật do được bao bởi thành xenlulozơ nên sự phân chia tế bào chất xảy ra khác với tế bào động vật. Một vách ngăn ngang xuất hiện ở vùng trung tâm xích đạo, và phát triển dần ra ngoại vi cho đến khi liên kết với thành tế bào, và như vậy phân tách tế bào chất thành hai nửa chứa nhân con. 6 2.2. Cơ chế giảm phân Giảm phân, phân bào giảm nhiễm, là hình thức phân bào chỉ xảy ra ở các tế bào sinh dục chín (tế bào sinh tinh và sinh trứng) tạo ra các giao tử (tinh trùng hoặc trứng) mang một nửa bộ nhiễm sắc thể của tế bào mẹ ban đầu. Giống với nguyên phân, giảm phân cũng có một lần nhân đôi nhiễm sắc thể ở pha S kì trung gian nhưng có hai lần phân bào liên tiếp là giảm phân I và giảm phân II, trong mỗi lần phân bào lại chia thành các kì: kì đầu, kì giữa, kì sau, kì cuối. Diễn biến chi tiết của quá trình giảm phân được mô tả như trong hình 5. Giảm phân I chính là quá trình phân ly các nhiễm sắc thể trong cặp nhiễm sắc thể tương đồng, tạo ra hai tế bào đơn bội. Kì đầu I cho đến nay là giai đoạn dài nhất, nhiễm sắc thể bắt đầu co xoắn, màng nhân và nhân con dần tan rã, bộ máy phân bào xuất hiện. Trung thể sau khi nhân đôi tiến dần về hai cực tế bào, các thoi phân bào hình thành. Các cặp nhiễm sắc thể tương đồng, tiếp hợp và có thể trao đổi chéo thông tin di truyền cho nhau. Tiếp hợp kết thúc ở giữa kì đầu và nhiễm sắc thể trong từng cặp dần tách nhau ra. Mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có một hoặc nhều hơn các bắt chéo, điểm xảy ra trao đổi chéo và các nhiễm sắc thể tương đồng vẫn còn liên kết với nhau nhờ lực cố kết giữa các nhiễm sắc tử chị em. Cuối kì đầu I, vi ống từ các cực gắn vào hai thể động, cấu trúc protein nằm ở tâm động của các nhiễm sắc thể . Cặp nhiễm sắc thể tương đồng sau đó di chuyển về măt phẳng xích đạo của tế bào. Ở kì giữa, các cặp nhiễm sắc thể tương đồng xếp thành hai hàng ở mặt phẳng xích đạo, mỗi nhiễm sắc thể trong một cặp hướng về một cực của tế bào. Cả hai nhiễm sắc tử của một nhiễm sắc thể tương đồng gắn với các vi ống thể động từ một cực, còn các nhiễm sắc tử của các nhiễm sắc thể kia gắn với vi ống từ cực đối lập. Sau đó các protein gắn kết các nhiễm sắc tử chị em bị phân hủy làm cho các nhiễm sắc thể tương đồng tách nhau ra. Mỗi nhiễm sắc thể trong cặp tương đồng di chuyển về một cực đối lập nhờ sự định hướng của bộ thoi phân bào. Lực cố kết giữa các nhiễm sắc tử chị em vẫn duy trì ở tâm động, làm cho các nhiễm sắc tử di chuyển như một đơn vị hướng về cùng một cực. Sau khi các sự kiện của kì sau I kết thúc, tế bào chuyển sang kì cuối I và phân chia tế bào chất. Đầu kì cuối I, mỗi nửa tế bào có một bộ nhiễm sắc thể đơn bội hoàn chỉnh với các nhiễm sắc thể đã được nhân đôi. Mỗi nhiễm sắc thể gồm hai nhiễm sắc tử chị em, một hoặc cả hai nhiễm sắc tử có vùng ADN của nhiễm sắc tử 7 không chị em. Qúa trình phân chia tế bào chất diễn ra tương tự như phân chia tế bào chất ở nguyên phân: tế bào động vật hình thành eo thắt trung tâm, tế bào thực vật hình thành vách ngăn ngang phân cắt tế bào. Kết thúc kì cuối, nhiễm sắc thể dãn xoắn và màng nhân, nhân con tái hình thành. Sau khi kết thúc giảm phân I, tế bào trải qua một kì chuyển tiếp rất ngắn rồi ngay lập tức bước vào giảm phân II mà không có quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể. Lần phân bào II cũng trải qua các kỳ: kỳ đầu II, kỳ giữa II, kỳ sau II, kỳ cuối II và phân tế bào chất để tạo thành hai tế bào mang nhiễm sắc thể đơn bội. Người ta nói lần phân bào hai là phân bào cân bằng và nó có cơ chế tương tự với phân bào nguyên phân. Sự phân ly ở kỳ sau hai giống hệt với nguyên phân, hai nhiễm sắc tử chị em tách khỏi nhau và di chuyển về hai cực theo mặt phẳng cắt dọc giữa hai nhiễm sắc tử chị em. Do chỉ có một lần nhân đôi nhiễm sắc thể diễn ra vào kì trung gian trước lần phân bào I nhưng lại có tới hai lần phân chia nhiễm sắc thể cho các tế bào con ở kì sau I và sau II nên khi kết thúc quá trình giảm phân, từ một tế bào có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội ban đầu sẽ tạo ra bốn tế bào con đơn bội. PHẦN III. ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO 1. Đặc điểm của chu kì tế bào Chu kì tế bào là một chu trình tuần hoàn các sự kiện xảy ra trong một tế bào từ lần phân bào này cho đến lần phân bào kế tiếp. Chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ rất đơn giản và được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn giữa phân chia (sơ sinh) và bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể (giai đoạn B); thời kỳ cần thiết để sao chép nhiễm sắc thể (kỳ C); và khoảng thời gian từ khi hoàn thành quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể đến khi hoàn thành quá trình phân chia tế bào (kỳ D) (Hình 6). Chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực diễn ra phức tạp hơn với hai thời kì chính là kì trung gian và phân bào (M). Kì trung gian bao gồm ba pha là G1, S, G2 (Hình 7). Chu kỳ phân bào có ý nghĩa sống còn đối với tế bào bởi nhờ đó mà trứng được thụ tinh từ một tế bào đơn phát triển thành cơ thể trưởng thành, đồng thời tóc, da, tế bào máu và một vài cơ quan nội tạng luôn được làm mới. Sau giai đoạn phân chia, mỗi tế bào con tạo thành sẽ bắt đầu kỳ trung gian của một chu kỳ phân bào mới. Pha Gl là pha sinh trưởng của tế bào vì trong pha này xảy ra sự tổng hợp các ARN và protein, số lượng nhiễm sắc thể chứa hàm lượng ADN là ổn định. Mỗi một nhiễm sắc thể chứa một phân tử ADN liên kết với 8 histon ở trạng thái hoạt động. Vào cuối pha G l, có một thời điểm được gọi là điểm kiểm soát R. Nếu tế bào vượt qua điểm R chúng tiếp tục đi vào pha S. Đối với các tế bào biệt hoá thì tế bào không vượt qua R mà đi vào quá trình biệt hoá tế bào để tạo nên các dòng tế bào sinh dưỡng (tế bào soma) khác nhau, có chức năng khác nhau. Cuối pha G1 tế bào tổng hợp một loại protein đặc trưng là cyclin A và được tích luỹ trong nhân tế bào. Pha S: chủ yếu xảy ra sự tổng hợp ADN (tái bản ADN) và nhân đôi nhiễm sắc thể. Protein cyclin A (nhân tố hoạt hoá tổng hợp ADN) tác động cho tới cuối pha S thì biến mất. Sau pha S, hàm lượng ADN và số lượng nhiễm sắc thể đã được nhân đôi. Pha G2: các ARN và protein được tổng hợp chuẩn bị cho phân bào. Cuối pha G2, một protein được tổng hợp là cyclin B và được tích luỹ trong nhân cho đến tiền kỳ phân bào. Cyclin B hoạt hoá enzim kinaza và đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện quá trình phân bào như sự tạo thành các vi ông tubulin để tạo thành thoi phân bào. Tiếp theo pha G2 là pha phân bào, là thời kỳ tế bào mẹ phân chia thành 2 tế bào con. 2. Điều khiển chu kì tế bào 2.1. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ Chất dinh dưỡng là yếu tố quyết định chính cho việc bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể của sinh vật nhân sơ. Việc sản xuất protein khởi đầu DnaA và các thành phần thiết yếu khác của cơ chế sao chép tỷ lệ thuận với lượng cacbon sẵn có và tốc độ tăng trưởng. Sự thiếu hụt các axit amin sẽ ức chế trực tiếp sự khởi đầu sao chép thông qua việc sản xuất guanosine tetraphosphate và guanosine pentaphosphate (được gọi chung là (p) ppGpp). Tốc độ tăng trưởng cũng có thể ảnh hưởng gián tiếp đến sự khởi đầu, có khả năng ngăn chặn sự khởi đầu quá mức. Sự sẵn có của chất dinh dưỡng và sự thiếu axit amin cũng ảnh hưởng đến sự kéo dài sao chép và sự phân li của nhiễm sắc thể. Việc đạt được kích thước hoặc khối lượng cụ thể đã được chấp nhận rộng rãi như là cơ chế chính liên kết sự phát triển của tế bào với việc bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể. Theo hướng này, một yếu tố cần thiết để bắt đầu sao chép, thường được giả định là DnaA, tích lũy phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng, đạt đến ngưỡng khi tế bào đạt được kích thước cụ thể (được gọi là 'khối lượng ban đầu') để kích hoạt sao chép (Donachie, 1968). Nếu khối lượng ban đầu không đổi có nghĩa là các tế bào ngắn phải trì hoãn quá trình sao chép cho đến khi chúng đạt đến kích thước thích hợp, trong khi các tế bào dài hơn sẽ bắt đầu 9 sao chép ADN sớm hơn. Đây là một cơ chế đơn giản để duy trì cân bằng kích thước tế bào trong một quần thể nhất định. Sự kiểm soát tạm thời quá trình phân chia tế bào ở sinh vật nhân sơ (Hình 8). Quá trình lắp ráp FtsZ được phối hợp với việc bắt đầu sao chép DNA và phân ly nucleoid để đảm bảo rằng các tế bào con nhận được các bản sao hoàn chỉnh của bộ gen vi khuẩn. Ở Bacillus subtilis , con đường sinh tổng hợp glucolipid đóng vai trò như một bộ cảm biến trao đổi chất để truyền thông tin về lượng carbon và tốc độ tăng trưởng, thông qua nồng độ UDP-glucose nội bào, đến bộ máy phân chia. Khi cảm biến này hoạt động (trên cùng), sự phân chia được kết hợp với việc đạt được kích thước cụ thể (được gọi là 'khối lượng tới hạn') cũng như thời gian nhân đôi khối lượng. Khi cảm biến này bị lỗi (dưới cùng), sự phân chia không bị tách rời khỏi việc đạt được khối lượng tới hạn nhưng vẫn nhạy cảm với thời gian nhân đôi khối lượng, dẫn đến giảm kích thước tế bào. 2.2. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực Điều hòa chu kỳ tế bào rất quan trọng đối với tế bào, bao gồm phát hiện và sửa chữa những tổn thương trong bộ gen cũng như ngăn ngừa sự phân chia tế bào một cách mất kiểm soát. Cơ chế kiểm soát chu kỳ tế bào được lập trình và có định hướng, nghĩa là mỗi quá trình xảy ra theo một hướng liên tục và không thể đảo ngược chu kỳ. Các cơ chế điều hòa được thể hiện tóm tắt trong hình 9. 10 Thứ nhất là một hệ thống các điểm chốt của chu kỳ và cơ chế tác động điều chỉnh của MPF. Cơ chế kiểm tra ở điểm chốt là cơ chế kiểm tra theo mối liên hệ ngược, nghĩa là công việc ở giai đoạn sau chỉ được bắt đầu khi công việc của giai đoạn trước đó đã hoàn thành, cũng có nghĩa là công việc sẽ xảy ở giai đoạn sau đã được chuẩn bị đầy đủ, tiền đề cần thiết diễn ra ở giai đoạn trước đó. Tác động lên điểm chốt có các tín hiệu nội bào và các tín hiệu đến từ các tế bào và các mô khác trong cơ thể, cũng như tín hiệu đến từ môi trường. Có ba điểm chốt quan trọng: đó là điểm chốt từ Gl sang S (ở nấm men được gọi là điểm xuất phát S (start), còn ở động vật bậc cao được gọi là điểm hạn định R (restriction)), khi tế bào vượt qua được điểm chốt G l chúng sẽ đi vào S để tổng hợp ADN. Điểm chốt thứ hai là điểm chốt G2 để kiểm tra cửa vào M của tế bào, và điểm chốt thứ 3 là điểm chốt M ở thời kỳ từ kì giữa chuyển sang kì sau phân bào, thường được gọi là điểm cửa ra của phân bào, nghĩa là khi tế bào vượt qua điểm này sẽ hoàn tất phân bào và đi vào Gl tiếp tục chu kỳ mới (hình 7). Điểm chốt Gl báo hiệu rằng quá trình tăng trưởng, quá trình chuẩn bị cho sự tái bản ADN ỏ Gl đã được hoàn tất. Đối vổi các tế bào bị ách lại ở Gl, các nhân tố sinh trưởng GF (Growth Factor) cũng như các chất kích thích phân bào thường tác động lên điểm chốt Gl. Nhân tố phiên mã E2F có tác động kích thích sự phiên mã các gen mã hóa cho các protein và enzim cần thiết cho sự tái bản ADN. Khi tế bào chưa vượt qua điểm chốt G l thì E2F bị ức chế do liên kết với các protein ức chế, ví dụ, protein Rb. Khi protein Rb bị photphorin hóa nhờ các phức hệ kinaza (tức MPF) như Cdk4/6-cyclinD và Cdk2- cyclinE thì E2F được giải phóng, chúng sẽ tác động cùng với Cdk2- cyclinA lên hệ tái bản ADN, và như vậy Gl được chuyển vào S. Người ta đã phát hiện ra protein p53 (gọi như vậy vì khối lượng 53kDa) có vai trò ức chế tế bào người ở Gl khi có sự hư hỏng ADN. Khi protein không hoạt động, các tế bào với hư hỏng ADN sẽ vượt qua Gl vào S để tái bản ADN, hoàn thành chu kỳ và sẽ cho ra các tế bào con có thể chuyển dạng thành tế bào ung thư. Vì vậy người ta gọi gen mã hóa cho protein p53 là gen ức chế ung thư (tumor suppressor gene). Trong trường hợp bình thường, protein p53 là một nhân tố phiên mã, chúng rất không bền vững, vì vậy, chúng tồn tại với lượng rất ít vừa đủ để bám vào yếu tố kiểm tra tương ứng của ADN và hoạt hóa sự phiên mã. Sự hư hỏng ADN làm bền vững hoá protein p53 và nồng độ của chúng tăng cao, chúng sẽ tích cực kích thích phiên mã. Một trong các gen được chúng kích thích 11 phiên mã là gen mã hóa cho protein ức chế CIP p21, là protein ức chế hoạt tính của phức hệ cyclin-kinaza. CIP p21 liên kết và ức chế tất cả Cdk-cyclin ở động vật có vú và kết quả là các tế bào bị ách lại ở Gl (hoặc G0) cho tới khi ADN hư hỏng đã được sửa chữa và nồng độ p53 và CIP p21 giảm xuống. Nếu ADN bị hư hại quá nặng thì protein p53 sẽ hoạt hóa các gen dẫn đến quá trình tự chết của tế bào (apoptosis). Điểm chốt G2 báo hiệu là các quá trình cần thiết cho sự phân bào phải được hoàn tất như sự tái bản ADN, sự đông đặc và tăng xoắn của sợi nhiễm sắc, sự tạo thành các vi ống chuẩn bị cho sự tạo thành thoi phân bào, thì tế bào mới vượt qua chốt để vào kì đầu của phân bào. Nếu các quá trình đó chưa được hoàn tất hoặc có xảy ra sự hư hỏng ADN thì tế bào cũng bị dừng lại ở G2 và không vào được M, như vậy ngăn chặn không để xảy ra sự hư hỏng trong hệ gen của thế hệ tế bào con cháu. Điểm chốt của giai đoạn M ở kì giữa chuyển sang kì sau: Nếu các quá trình như tan rã màng nhân, tạo thoi phân bào và các trung tiết (tức tâm động) bám gắn nhiễm sắc thể vào sợi của thoi... chưa hoàn tất thì tế bào bị dừng lại ở trung kỳ. Thứ hai là hệ thống điều chỉnh chu kỳ tế bào là gồm hai họ protein chủ yếu. Họ thứ nhất là các kinaza phụ thuộc cyclin-Cdk có tác dụng phát động các quá trình tiền thân bằng cách gây photphorin hóa nhiều protein đặc trưng tại gốc serin và threonin. Họ protein thứ hai là các protein đặc biệt được gọi là cyclin, các cyclin đóng vai trò kiểm tra hoạt tính photphorin hóa của Cdk đối với các protein đích. Khi cyclin liên kết với Cdk thành một phức hệ thì Cdk ở trạng thái hoạt tính và khi cyclin tách khỏi Cdk thì Cdk không có hoạt tính. Cyclin và kinases phụ thuộc cyclin (CDK) là hai loại phân tử điều hòa chủ chốt quyết định diễn biến của chu kỳ tế bào. CDK chỉ có hoạt tính xúc tác khi được gắn với cyclin hay nói cách khác cyclin là một protein điều hòa có vai trò hoạt hóa CDK. CDK thực hiện phản ứng phosphoryl hóa hoạt hóa hay bất hoạt protein mục tiêu để tế bào đi vào các pha tiếp theo của chu kỳ.Nhờ các tín hiệu ngoại bào tiền nguyên phân, phức hợp cyclin-CDK G1 trở nên có hoạt tính giúp tế bào tiến vào pha S bằng cách thúc đẩy sự biểu hiện các nhân tố phiên mã giúp tăng cường sự biểu hiện cyclin của pha S và các enzyme cần thiết cho sự nhân đôi ADN. Phức hợp cyclin-CDK G1cũng thúc đẩy sự phân hủy các phân tử ức chế pha S. Phức hợp cyclin-CDK ở pha S phosphoryl hóa protein làm phức hợp tiền nhân đôi đã được tập hợp trong suốt pha G1 gắn vào điểm khởi đầu sao chép ADN cảm ứng sự nhân lên của ADN. Phức hợp cyclin-CDK nguyên phân bị bất hoạt trong suốt pha S và G2 sẽ khởi đầu giai đoạn nguyên phân bằng cách kích thích các protein liên quan đến sự xoắn chặt của nhiễm sắc thể và sự hình thành thoi vô sắc. APC được hoạt hóa nhằm thúc đẩy sự phân hủy các protein cấu trúc liên kết với phức hợp protein gắn vào tâm động nhiễm sắc thể đồng thời phân hủy cyclin trong giai đoạn nguyên phân để kỳ cuối và giai đoạn phân chia tế bào chất có thể tiếp tục. Cyclin D là cyclin đầu tiên được tạo ra trong chu kỳ tế bào đáp ứng lại các tín hiệu ngoại bào chẳng hạn như các nhân tố tăng trưởng. Cyclin D gắn vào CDK4, tạo phức hợp cyclin D-CDK4 hoạt hóa có vai trò phosphoryl hóa protein ức chế khối u (Rb) giúp Rb phân tách khỏi 12 phức hợp E2F/DP1/Rb (phức hợp này được gắn vào gen và ngăn chặn quá trình phiên mã) dẫn tới hoạt hóa E2F. Sự hoạt hóa này cho phép phiên mã nhiều gen khác nhau như cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidine kinase, …. Cyclin E khi gắn vào CDK2 tạo phức hợp cyclin E-CDK2 có vai trò đẩy tế bào từ G1 vào pha S. Sự hoạt hóa phức hợp Cyclin B-CDK2 giúp phá vỡ màng nhân và khởi đầu kỳ đầu của giai đoạn nguyên phân, đồng thời sự bất hoạt phức hợp này giúp tế bào thoát khỏi nguyên phân. Phức hợp cyclin-CDK ở các giai đoạn khác nhau của tế bào nhân thực được mô tả ở hình Thứ ba là nhân tố phát động trứng chín - MPF (M aturation Promoting Factor) giúp điều chỉnh chu kì tế bào của phôi ở giai đoạn phát triển sớm. Nhân tố này giúp cho tế bào vượt qua điểm chốt G2 tiến vào M. Nhân tố MPF không chỉ có tác dụng phát động để vượt qua điểm chốt G2 mà còn phát động vượt qua điểm chốt ở G l cho phép tế bào đi vào S. Tồn tại một số cyclin, khi hàm lượng của chúng đạt tới ngưỡng nào đó sẽ tác động hoạt hoá MPF và khi chúng bị phân hủy sẽ làm bất hoạt MPF và ức chế phân bào. Thứ tư là các nhân tố sinh trưởng giúp điều chỉnh chu kì tế bào. Tác động của nhân tố sinh trưởng có thể gây cho tế bào có hai đáp ứng: đáp ứng sớm và đáp ứng chậm. Trong đáp ứng sớm: Nhân tố sinh trưởng có tác động kích thích sự phiên mã của nhiều gen, chủ yếu là các gen mã hóa cho các nhân tố phiên mã như c-Fos và C-Jun. Trong đáp ứng chậm: Các protein được tổng hợp trong giai đoạn đáp ứng sớm có tác động hoạt hóa các gen ở giai đoạn đáp ứng chậm. Một số gen này là các gen mã hóa cho các nhân tố phiên mã như E2F. Một số gen khác trong đáp ứng chậm là các gen mã hóa cho các loại cyclin D, A, E, các gen mã hóa cho các loại Cdk2, Cdk4 và Cdk6 cũng được hoạt hóa và biểu hiện. Cho đến khi nào nồng độ các protein này tích lũy đủ thì tế bào mới vượt qua điểm R để vào S và tái bản ADN. Một số nhân tố phiên mã E2F là cần thiết cho sự phiên mã các gen trên đây, cũng như các gen mã hóa cho nhiều protein tham gia vào sự tổng hợp ADN và nhân tố E2F cũng kích thích sự phiên mã các gen mã hóa cho bản thân chúng. Khả năng kích thích phiên mã của E2F lại bị ức chế bởi protein liên kết với chúng là Rb và bởi 2 protein thân thuộc khác là pl07 và pl30. Protein Rb đầu tiên được xác định như là sản phẩm của gen ức chế, do đó dẫn đến sự hoạt hóa các gen cần thiết bởi E2F để đi vào giai đoạn S. Một số protein ức chế cũng có vai trò trong điều khiển chu kì tế bào. các protein có tác dụng ức chế hoạt tính của các cyclin-kinaza, được gọi là CKI (Cyclin Kinase Inhibitor) và chúng có hai lớp: Một lớp được gọi là CIP (Cdk Inhibitor Protein), chúng liên kết và ức chế tất cả các phức hệ Cdkl-, Cdk2-, Cdk4- và Cdk6-cyclin. Một lớp khác được gọi là INK4 (kinase-4-inhibitor) liên kết và ức chế phức hệ Cdk4-cyclin D và Cdk6cyclin D. Người ta đã biết được một loại protein INK4 là pl6 có tác động như một chất ức chế ung thư (tumor suppressor). Người ta cũng đã biết được ở động vật có vú có ba lớp protein CIP được gọi là p21, p27 và p57. Các protein ức chế như INK4 và các CIP như p21, p27 và p57 đóng vai trò ức chế hệ MPF, từ đó ức chế chu kỳ tế bào. Vai trò của CIP p21 là đáp ứng lại sự hư hỏng của ADN ở tế bào động vật có vú. Chúng cũng có vai trò 13 ức chế sự tăng sinh tế bào trong phát triển phôi sinh. Protein CIP p57 được biểu hiện trong các tế bào được biệt hóa của đa số mô của cơ thể trưởng thành. Như vậy cơ chế phân bào và điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực diễn ra phức tạp và chặt chẽ hơn so với sinh vật nhân sơ. Điều này phù hợp với sự phức tạp và hoàn thiện hơn về cấu trúc của tế bào nhân thực và đồng thời giúp đảm bảo sự sinh trưởng, phát triển bình thường, ổn định của tế bào và cơ thể. 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. N.A. Campbell, J.B Reece, L.A Urry, M.L Cain, S.A Wasseman, P.V Minorsky và R.B Jackson (2012), Sinh học (dịch theo sách xuất bản lần thứ 8). NXB Giáo dục Việt Nam 6 2. Nguyễn Như Hiền (2007), Giáo trình Sinh học tế bào, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 3. Jue D. Wang and Petra A. Levin (2009). Metabolism, cell growth and the bacterial cell cycle, Nature Reviews Microbiology volume 7, pages822–827. 4. Eric V. Wong (2009), Cells: Molecules and Mechanisms, Axolotl Academic Publishing. 5. http://biomedia.vn/review/chu-ki-te-bao.html 6. https://www.scienceabc.com/pure-sciences/what-is-meiosis-definition-and-stages.html 7. https://vi.wikipedia.org/wiki/Nguy%C3%AAn_ph%C3%A2 15