Chu KÌ TẾ BÀo


Chu KÌ TẾ BÀo

www.docsachysinh.com

Tổng quan và giới thiệu

Năm 1858, nhà bệnh học Rudolph Virchow đã đề ra học thuyết tế bào với nội dung “Tế bào được tạo ra từ tế bào trước đó cũng như động vật được sinh từ động vật và thực vật được sinh ra từ thực vật”. Học thuyết này được phát biểu dựa trên các nghiên cứu trên động vật đơn bào, đa bào và cả con người. Theo các nghiên cứu này, hầu hết các tế bào nhân thực đều trải qua nhiều chu kì sinh trưởng và phân chia (chu kì tế bào). Chu trình này có các cơ chế điều hòa rất chặt chẽ, sai sót xảy ra ở các cơ chế này có thể tạo sự phát triển bất thường của tế bào và gây ung thư

image

Hình 24.1: Chu kì tế bào gồm 4 pha

Các pha của một chu kì tế bào điển hình

Hai hoạt động chủ yếu của chu kì tế bào là: (1) sự tổng hợp DNA để nhân đôi nhiễm sắc thể trong pha S và (2) sự phân chia tế bào trong pha M. Pha G1 (xảy ra trước pha S và sau pha M) có nhiệm vụ chuẩn bị các vật liệu cho quá trình nhân đôi DNA còn pha G2 (xảy ra sau pha S) tổng hợp vật liệu cho quá trình phân chia tế bào. Pha M là pha diễn ra 2 quá trình quan trọng: (1) Nguyên phân (mitosis): bắt cặp và phân chia nhiễm sắc thể đã được nhân đôi và (2) Phân bào (cytokinesis): phân chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con. Nhưng không phải tế bào nào cũng trải qua chu trình như vậy mà vài tế bào dừng lại pha G0, tồn tại ở trạng thái nghỉ hay im lặng(trạng thái không phân chia) và đi vào quá trình biệt hóa. Các tế bào này cũng có thể tiếp tục phân chia khi nhận được các tín hiệu ngoại bào kích hoạt quá trình phát triển.

Các hoạt động diễn ra trong 1 chu kì tế bào

Pha ­G1: Tổng hợp các nguyên liệu cần thiết và điều khiển môi trường ngoại bào, nội bào để chuẩn bị cho quá trình tổng hợp DNA để nhân đôi nhiễm sắc thể. Ở cuối pha này có một điểm kiểm tra (check-point) nếu tế bào đã đủ điều kiện để tổng hợp DNA thì sẽ vượt qua điểm này qua chuyển qua pha S

Pha S: Nhân đôi nhiễm sắc thể. Đây là pha kéo dài nhất trong chu kì tế bào (nếu chu kì tế bào dài 24giờ thì pha S kéo dài từ 10-12 giờ)

Pha G2: Chuẩn bị vật liệu cho (1)phân chia nhiễm sắc thể đã được nhân đôi (nguyên phân) và (2) phân chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con (phân bào); điều khiển môi trường ngoại bào, nội bào thích hợp quá trình phân bào. Pha G2 cũng có điểm kiểm tra để kiểm tra xem tế bào đã có đủ điều kiện tiếp tục vào pha S hay không.

Pha M: phân chia nhiễm sắc thể và tế bào. Gồm 5 kì: kì đầu, kì đầu muộn, kì giữa, kì sau, kì cuối. Quá trình phân bào chỉ thực sự bắt đầu diễn ra ở kì sau. Nếu chu kì tế bào dài 24 giờ thì pha M diễn ra trong vòng 1-2 giờ)

image

Hình 24.2: Tiến trình phân chia của tế bào.

(1)   Kì đầu (prophase): nhiễm sắc thể trong nhân cuộn xoắn và các sợi thoi vô sắc bắt đầu được hình thành từ trung thể ở ngoài nhân.

(2)   Kì đầu muộn (prometaphase): màng nhân vỡ ra, nhiễm sắc thể bám vào thoi vô sắc.

(3)   Kì giữa (metaphase): các nhiễm sắc thể xếp thành hàng trước mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc. Mỗi nhiễm sắc thể trong nhiễm sắc thể đã được nhân đôi (các nhiễm sắc thể kép) hướng về một cực của tế bào

(4)   Kì sau (anaphase): các nhiễm sắc tử chị em trong các nhiễm sắc thể kép phân li về 2 cực của tế bào.

(5)   Kì cuối (telophase):  các nhiễm sắc tử chị em di chuyển đến cực của thoi vô sắc và bắt đầu tháo xoắn. Hai màng nhân mới được hình thành bao quanh 2 bộ nhiễm sắc thể mới để tạo thành 2 nhân con. Tại đây, quá trình nguyên phân kết thúc và bắt đầu quá trình phân bào

Điểm kiểm tra (checkpoints) và quá trình điều hòa chu kì tế bào

Tùy vào mỗi loại tế bào và tùy vào điều kiện môi trường mà các tế bào có các cơ chế điều hòa quá trình phân bào khác nhâu để đảm bảo quá trình này diễn ra một cách bình thường (cụ thể là đảm bào các pha, các kì được diễn ra đúng thứ tự; các quá trình không kéo dài quá mức bình thường; mỗi quá trình chỉ diễn ra 1 lần trong 1 chu kì).

image

Hình 24.3: Các check point của chu kì tế bào

Các cơ chế điều hòa chu kì tế bào thường được nghiên cứu dựa trên các đột biến trên các gene bất hoạt có vai trò mã hóa các thành phần thiết yếu trong chu kì tế bào ở nấm men. Nhờ vào các nghiên cứu này mà các gene điều khiển chu kì tế bào (cell division cycle genes hay cdc genes) được xác định. Các gene có vai trò tương tự ở tế bào động vật có vú cũng được gọi là cdc gene. Rất nhiều các quá trình điều quá chu kì tế bào đều có sự hiện diện của checkpoint trong đó 2 checkpoint quan trọng nhất là 2 checkpoint ở (1) cuối pha G1 đầu pha S và (2) cuối pha G2 đầu pha M.

image

Hình 24.4: Phân loại các phân tử Cdk.

Chịu trách nhiệm chính trong việc đảm bào các quá trình diễn ra vào đúng thời điểm chính xác là họ các protein kinase có tên là kinase phụ thuộc cyclin(cyclin-dependent kinase, CDK). Mỗi CDK điều hòa tại một điểm khác nhau trong chu kì tế bào. CDK thay đổi dẫn đến quá trình phosphoryl hóa protein nội bào thay đổi, qua đó thay đổi hoạt động của các protein này và cuối cùng làm thay đổi chu kì tế bào. Hoạt động của CDK được điểu khiển bởi một  loạt các protein, trong đó quan trọng nhất là cyclin. Nếu cyclin không bám vào CDK, CDK sẽ không có hoạt tính của một kinase. Vì vậy chu kì tế bào không chỉ phụ thuộc vào CDK mà còn phụ thuộc vào sự thay đổi của các cyclin mà CDK phụ thuộc.

535500b724dcc48596d75c43c1bf6cee

G1-cyclin không hiện diện ở tất cả các tế bào nhân thực, chúng đóng vai trò kiểm soát ở cuối pha G1 thồng điểm giới hạn được gọi là Start. G1/S-cyclin bám vào CDK tương ứng tại điểm cuối của G1 và từ đây tế bào bắt đầu vào pha S. S-cyclin bám vào CDK tương ứng trong suốt pha S và khởi động quá trình tổng hợp DNA. M-cyclin bám vào CDK tương ứng và điều khiển quá trình nguyên phân.

Cyclin bám vào CDK làm bộc lộ vùng có diện phosphoryl hóa của CDK. Sau khi CDK được phosphoryl hóa bởi CDK-activating kinase (CAK) phức hợp cyclin-CDK mới được hoạt hóa hoàn toàn.

Ta có thể bất hoạt CDK bằng cáchcho CDK gắn vào protein ức chế (inhibitory protein) hay thực hiện quá trình phosphoryl hóa ức chế (inhibitory phosphorylation). Vd: Weel là một trong các kinase ức chế (inhibitory kinase) có vai trò phosphoryl hóa CDK. Quá trình phosphoryl hóa ức chế này có thể được chấm dứt bởi 1 phosphotase được gọi là CDC25.

Giai đoạn của hoạt động M-CDK ở đầu quá trình nguyên phân được điều hòa chủ yếu bởi 2 enzyme tác động lên hoạt động của CDK. CDK inhibitory protein (CKI; cyclin-kinase inhibitor) là protein bám vào phức hợp cyclin-CDK và bất hoạt phức hợp này. Có 2 loại CKI được tìm thấy ở động vật có vú: (1) CIP: CDK inhibitory protein và (2) INK4: inhibitor of kinase 4. CIP bám vào và ức chế phức hợp của CDK1, CDK2, CDK4, CDK6; còn INK4 bám và ức chế phức hợp của CDK4, CDK6. Có ít nhất 3 CIP trong tế bào động vật có vú, đó là p21Cip1/WAF1 (kí hiệu gene = CDKN1A),  p27KIP1 (kí hiệu gene = CDKN1B) và  p57KIP2(kí hiệu gene = CDKN1C). Biểu hiện của mỗi CIP này được điều hòa bởi các cơ chế chuyên biệt trong chu kì tế bào. Ví dụ DNA bị tổn thương làm thay đổi biểu hiện của p21Cip1, sự thay đổi này được kiểm soát bởi protein ức chế u (tumor suppressor protein) p53. Có ít nhất 4 INK được xác định, đó là: p15INK4B, p16INK4A, and p18INK4C và p19INK4. Protein p16INK4A là một protein ức chế u. Tất cả INK4 đều có 4 đoạn lặp lại sóng đôi (tandem repreat) của chuỗi các amino acid được tìm thấy đầu tiên ở ankyrin. Vì vật chúng được gọi là ankyrin repeats.

Các yếu tố tăng trưởng bám vào thụ thể, giải phóng các tín hiệu điều kiển quá trình phát triển ngoại bào (external growth promoting signals) làm cho các tế bào đang ở trạng thái nghỉ hoặc im lặng tiếp tục phân chia. Hầu hết các yếu tố tăng trưởng thay đổi biểu hiện gen được gọi là early-response genes và delayed-response genes. Growth factor receptor-mediated signal transduction phosphoryl hóa và hoạt hóa yếu tố phiên mã có trong tế bào và cuối cùng hoạt hóa early response genes. Rất nhiều các early response genes được hoạt hóa sẽ là yếu tố phiên mã trong quá trình biểu hiện của delayed-response genes. Các delayed-response genes sẽ mã hóa protein của phức hợp G1-CDK.

image

Hình 24.5: Protein p53 gắn vào DNA bị hư hỏng do các tác nhân bên ngoài và bên trong.

Tiền gene gây ung thư (proto-oncogene) MYC là một ví dụ của gene đáp ứng sớm(early response gene). MYC hoạt hóa một số gene để tạo nên cyclin D – một protein của phức hợp ubiquitin ligase, được gọi là SCF (Skp1/cullin/F-box protein), thuộc họ yếu tố phiên mã E2F.

Có 6 yếu tố phiên mã thuộc họ E2F được đánh số từ 1 đến 6. Cyclin D được tổng hợp sẽ làm bất hoạt p27KIP1 vốn có chức năng ức chế hợp G1-CDK nên phức hợp này sẽ được hoạt hóa. Quá trình tổng hợp của các protein trong họ E2F cũng làm tăng sự tổng hợp protein cần thiết cho tổng hợp DNA, S-phase cyclins A, S-phase cyclins E và CDK2, Hoạt động của E2F được điều hòa bởi protein ức chế u pRB.

Hai phức hợp ubiquitin ligase quan trọng trong quá trình điều kiển sự thu nhận và giải phóng nhanh chóng (turn-over) của cyclin và các protein điều hòa chu kì tế bào khác: (1) phức hợp SCF: điều kiển quá trình tế bào chuyển từ pha G1 sang pha S. (2) phức hợp hướng về kì cuối (anaphase promoting complex , APC): điều khiểu M-phase cyclin, điều hòa quá trình nguyên phân, điều khiển sự phân chia các nhiễm sắc tử chị em giữa kì giữa và kì sau (chức năng quan trọng nhất). Phức hợp cohesion bám vào các nhiễm sắc tử chị em, ức chế quá trình di chuyển của các nhiễm sắc thể này về 2 cực. Chính vì sự bám của phức hợp này vào nhiễm sắc thể nên chúng sẽ được nhân đôi tại pha S cùng nhiễm sắc thể mà chúng bám vàoAPC tác động vào securin (protein có chức năng ức chế separase) làm separase hoạt động, phá hủy phức hợp gắn kết (cohesion), cho phép các nhiễm sắc tử chị em di chuyển về 2 cực của tế bào để bắt đầu kì sau.

Protein ức chế u và quá trình điều hòa chu kì tế bào

Vai trò chính của protein ức chế u là điều khiển tế bào suốt chu kì tế bào vì vậy sự thay đổi về chức năng của các protein này có thể làm tiến triển ung thư. DNA bị lỗi được tổng hợp và không được sửa mà tiếp tục nhân đôi sẽ dẫn đến sự tồn tại của các DNA hỏng này ở các thế hệ tế bào con và gây nên ung thư. Vì vậy cần có 2 điểm kiểm tra quan trọng nhất trong chu kì tế bào tồn tại ở giữa pha G1– pha S (điểm 1) và ở giữa pha G2-pha M (điểm 2). Điểm 1 kiểm tra để đảm bào các DNA được tổng hợp không bị lỗi và điểm 2 kiểm tra để đảm bảo không xảy ra lỗi trong quá trình phân chia nhiễm sắc thể ở pha M. Protein được mã hóa bởi retinoblastoma susceptibility gene (pRB) và p53 là các protein ức chế u có khả năng điều khiển chu kì tế bào ở 2 điểm kiểm tra này. pRP có khả năng làm các tế bào dừng lại pha G1 và p53 có khả năng ngăn tế bào chuyển từ pha S sang pha M.

pRB bị giảm phosphoryl hóa (hypophosphorylated) làm tăng ái lực của protein này với E2F và giúp chúng bám vào E2F làm E2F không còn chức năng của một yếu tố phiên mã, qua đó không tổng hợp được cyclin A, cyclin E và CDK2, vì vậy phức hợp S-CDK cần thiết cho các quá trình diễn ra tại pha S không được tạo thành. Quá trình phosphoryl hóa cực đại ở đầu pha S và cực tiểu ở cuối pha M, đầu pha G1. Sự kích hoạt các tế bào im lặng bằng mitogen hoạt hóa quá trình phosphoryl hoá của pRB và việc các tế bào im lặng đi vào quá trình biệt hóa hoạt hóa quá trình giảm phosphoryl hóa của pRB. pRB được phosphoryl hóa phức hợp G1 cyclin-CDK, chúng giải phóng E2F và E2F có thể hoạt quá quá trình phiên mã của các gene nhất định để tổng hợp phức hợp S-CDK, phức hợp này tiếp tục phosphoryl hóa pRB.

image

Quá trình điều hòa E2F bởi pReB

Vai trò chính của p53 protein (yếu tố phiên mã đồng tetramer) là chỉ cho phép tế bào có đủ điều kiện tiếp tục diễn ra pha S. Bình thường, p53 liên kết ubiquitin ligase có tên là MDM2 (tổng hợp từ gene được phân lập từ dòng tế bào mang gen gây ung thư 3T3DM) nên chúng hầu như không có chức năng gì. Khi DNA bị hư hỏng do tia UV hay tia γ, tế bào hoạt hóa một số kinase trong đó có checkpoint kinase 2 (CHK2) và ataxia telangiectasia mutated (ATM). Các kinase sẽ tác động lên p53 (ngoài ra ATM còn phosphoryl hóa MDM2). p53 được phosphoryl hóa sẽ giải phóng MDM2 và thực hiện chức năng hoạt hóa phiên mã của chúng. p53 tác động vào gen ức chế cyclin p21Cip1(cyclin inhibitor p21Cip1 gene) làm phiên mã p21Cip1, sau đó p21Cip1  này ức chế phức hợp cyclin D1-CDK4 và phức hợp E-CDK2 để dừng chu kì tế bào tại thời điểm bắt đầu vào pha S hay trong thời gian đang diễn ra pha S.

Tóm lại chức năng của pRB và p53 đều là điều hòa phức hợp cyclin-CDK để tế bào có thể sửa chữa các DNA hỏng trước khi nhân đôi nhiễm sắc thể hay trước khi vào quá trình nguyên phân. Nếu các protein này bị mất chức năng sẽ dẫn đến chu kì tế bào diễn tiến bất thường và có khả năng gây ra ung thư.

Cơ chế phân chia tế bào

Quá trình phân chia tế bào phải được diễn ra theo đúng các trình tự để đảm bào cácnhiễm sắc thể đã được nhân đôi để tạo thành các nhiễm sắc thể képđược phân chia đồng đều về các tế bào con và đảm bảo phân bào diễn ra chính xác. Phần này sẽ trình bày về cơ chế hóa sinh của sự điều hòa quá trình này.

Các nhiễm sắc tử chị em trong các nhiễm sắc thể kép được dính vào nhau bởi phức hợp protein nhiều tiểu đơn vị (multisubunit protein complex) –  phức hợp cohensinhiện diện ở khắp các nhiễm sắc thể khi chúng đã được nhân đôi. Sau đó các condensin làm nhiễm sắc thể cuộn xoắn – đây là dấu hiệu rõ nhất cho biết tế bào đã vào M-phase. Condensin và conhensin có cấu trúc tương tự nhau và cùng có vai trò chuẩn bị cho nhiễm sắc thể bước vào nguyên phân.

Các nhiễm sắc tử chị em phân li về 2 cực của tế bào để phân chia thành 2 bộ nhiễm sắc thể cho 2 nhân con mới tạo thành nhờ vào thoi vô sắc được tạo thành bởi các vi ống và các protein bám vào các vi ống này. Quá trình phân bào xảy ra ở cuối kì cuối của nguyên phân và kết thúc khi tế bào được phân chia hoàn toàn, từ 1 tế bào mẹ tạo thành 2 tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giống nhau và giống hệt tế bào mẹ.

image

Trong kì trung gian hệ thống các vi ống không tồn tại ở trạng thái ổn định, chúng liên tục dài ra và co lại.

Trong kì đầu, phức hợp M-CDK được hoạt hóa, phosphoryl hóa protein vận động vi ống (microtubule motor protein) và protein gắn vi ống (microtubule-associated proteins, MAPs). làm thay đổi cấu trúc của vi ống, tạo thành vô số các vi ống ngắn hơn tập trung xung quanh trung tử. Trung tử là nơi tạo thành thoi vô sắc cho quá trình nguyên phân.

Ở kì đầu muộn, phức hợp M-CDK phosphoryl hóa lamina của nhân và làm màng nhân bị vỡ ra, các vi ống bám vào thoi vô sắc (khi bám vào thoi vô sắc các vi ống đã có cấu trúc ổn định). Một số vi ống còn bám vào kinetochore – phức hợp protein tập hợp các DNA đã cuộn xoắn chặt tại trung tâm. Các vi ống sắp xếp các nhiễm sắc thể kép thành một hàng trước mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc ở kì giữa. Kì giữa còn được gọi là điểm kiểm tra việc bám vào thoi vô sắc của nhiễm sắc thể (spindle-attachment checkpoint) để đảm bào rằng tất cả các nhiễm sắc thể ở các tế bào đi vào kì sau đều bám vào sợi tơ của thoi vô sắc.

Ở kì sau, nhiễm sắc tử chị em bắt đầu được phân li về 2 cực tế bào nhờ vào sự hoạt hóa của APC.

Cuối kì sau, các nhiễm sắc tử chị em được phân li hoàn toàn về 2 cực tế bào và bắt đầu tháo xoắn để bắt đầu kì cuối.

Bắt đầu vào kì cuối, lamins (vật liệu tạo nên lamina của nhân) được khử phosphoryl hóa, tập hợp lại tạo thành màng nhân bao quanh bộ nhiễm sắc thể con mới được phân chia. Sau đó, các nhiễm sắc thế đã tháo xoắn hoàn toàn và cuối cùng tạo ra 2 tế bào giống hệt nhau và giống tế bào mẹ của chúng.

Sửa lần cuối ngày 8/9/2012 – www.docsachysinh.com

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s