Sinh học tế bào ( phần 34 ) Sinh sản hữu tính pps

Sinh học tế bào ( phần 34 ) Sinh sản hữu tính và tính ổn định của bộ nhiễm sắc thể Trước tiên, ta đề cập chủ yếu phương thức sinh sản hữu tính ở eukaryote và mối liên quan giữa nó với sự ổn định về số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng của mỗi loài. Thực ra, các eukaryote có hai kiểu sinh sản chính, vô tính và hữu tính. Sự sinh sản vô tính (asexual reproduction) xảy ra khi một cá thể đơn độc tạo ra một cá thể mới giống nó; đây là phương thức sinh sản phổ biến ở thực vật và các động vật đơn giản. Sự trinh sinh (parthenogenesis) ở rệp cái chẳng hạn là một trường hợp đặc biệt, cũng sinh con nhưng không qua thụ tinh. Nói chung, con cái sinh ra bằng cách này thì giống với bố mẹ về mặt di truyền. Sự sinh sản hữu tính (sexual reproduction) xảy ra khi các cá thể tạo ra các tế bào sinh dục đực và cái, hay các giao tử (gametes), đến lượt chúng kết hợp với nhau tạo thành một tế bào trứng được thụ tinh gọi là hợp tử (zygote), tức một tế bào hoàn chỉnh mà từ đó phát triển thành một cá thể mới. Hình thức sinh sản này xảy ra ở hầu như toàn bộ các kiểu sinh vật, kể cả các động vật đơn giản nhất như con sum (Balanus) chẳng hạn, các thực vật, và thậm chí cả vi khuẩn. Ở vi khuẩn, có các kiểu trao đổi thông tin di truyền như tiếp hợp, biến nạp và tải nạp được gọi là sinh sản cận tính (parasexual; vấn đề này được trình bày riêng trong giáo trình Di truyền Vi sinh vật và Ứng dụng). Thông thường thì các giao tử đực và cái bắt nguồn từ các cá thể khác nhau, cho nên đời con sinh ra khác với bố mẹ chúng về nhiều chi tiết. Đây là nội dung chính mà chương này sẽ tập trung thảo luận. Còn sự tự thụ tinh được xem là trường hợp ngoại lệ quan trọng của sinh sản hữu tính (xem chương 12). Hợp tử cái → (N) x → Con cái trưởng thành → G → Trứng (2n) (2n) (n) Hợp tử đực → (N) x → Con đực trưởng thành → G → Tinh trùng [Sinh trưởng] * [Phát sinh] * [Thụ tinh] giao tử / bào tử Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát về sinh trưởng và sinh sản ở sinh vật hữu tính. Ở đây cho thấy số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) và đơn bội (n) tương ứng với các giai đoạn khác nhau (hàng dưới cùng). Ký hiệu (N) x biểu thị nhiều lần nguyên phân, và G - giảm phân. Sơ đồ tổng quát về sự sinh trưởng và sinh sản của sinh vật sinh sản hữu tính được trình bày ở hình 3.1. Trên nguyên tắc, mỗi hợp tử nhân được hai bộ nhiễm sắc thể đơn bội (haploid) ký hiệu là n, một từ giao tử đực và một từ giao tử cái; nên số lượng nhiễm sắc thể trong hợp tử là lưỡng bội (diploid), tức 2n đặc trưng và ổn định cho loài. Mỗi bộ đơn bội chứa n nhiễm sắc thể khác nhau, mỗi chiếc hay kiểu nhiễm sắc thể chỉ có mặt một lần và chứa các gene khác nhau. Tập hợp toàn bộ các gene trong một bộ nhiễm sắc thể đơn bội như thế được gọi là bộ gene nhiếm sắc thể tương đồng (homologous chromosomes). (genome). Như vậy, trong bộ lưỡng bội đặc trưng của các tế bào soma, các nhiễm sắc thể tồn tại theo từng cặp gồm hai chiếc giống nhau về hình dạng, kích thước và trật tự phân bố các gene - một có nguồn gốc từ bố và một từ mẹ - gọi là các Ở sinh vật đa bào, hợp tử tăng số lượng tế bào nhờ quá trình nguyên phângiảm phân (meiosis), tức kiểu phân chia tế bào tạo ra các giao tử có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (n). Quá trình này được gọi là phát sinh giao tử (gametogenesis) ở động vật và phát sinh bào tửthụ tinh (fertilization), các giao tử cái hay trứng (egg) và giao tử đực hay tinh trùng (sperm) hợp nhất với nhau tạo thành các hợp tử đời con. Các hợp tử mới này lại bắt đầu đi vào một chu kỳ sinh trưởng và sinh sản y hệt như vậy. (mitosis), là kiểu phân chia tế bào tạo ra các tế bào con có số lượng nhiếm sắc thể 2n được giữ nguyên. Khi cơ thể đạt tới độ thành thục sinh dục, một số tế bào của cơ quan sinh sản trải qua (sporogenesis) ở thực vật. Sau đó, trong quá trình Bảng 3.1 Số lượng nhiễm sắc thể 2n của các tế bào soma ở một số loài Loài động vật 2n Loài thực vật 2n Người (Homo sapiens) 46 Đậu Hà Lan ( Pisum sativum) 14 Chimpanzee ( Pan troglodites) 48 Ngô (Zea mays) 20 Bò (Bos taurus) 60 Lúa gạo (Oryza sativa) 24 Ngựa (Equus caballus) 64 Lúa mạch (Secal cereale) 14 Lừa (Equus asinus) 62 Lúa mỳ (Triticum durum) 28 Chó (Canis familiaris) 78 Lúa mỳ (Triticum vulgare) 42 Mèo (Felis catus) 38 Khoai tây ( Solanum tuberosum) 48 Chuột nhắt ( Mus domesticus) 40 Thuốc lá (Nicoti ana tabacum) 48 Gà (Gallus domesticus) ~78 Loa kèn ( Lilium longiflorum) 12 Ếch cự (Rana pipiens) 26 Mận (Prunus domestica) 48 Cá chép ( Cyprinus carpio) 104 Bông (Gossypium hirsutum) 52 Ruồi giấm ( D. melanogaster) 8 Hướng dương ( Helianthus annuus) 34 Mỗi loài có một số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng; nghĩa là tất cả các cá thể của cùng một loài thì có số lượng nhiễm sắc thể như nhau. Số lượng nhiễm sắc thể này ở hầu hết các loài động-thực vật là lưỡng bội (2n) được giới thiệu ở bảng 3.1, và ở một số loài là đơn bội (n) - theo nghĩa có pha đơn bội là chính - như các nấm mốc bánh mỳ hồng (Neurospora crassa, n = 7), mốc bánh mỳ đen (Aspergillus nidulans, n = 8), nấm men bia (Saccharomyces cerevisiae, n = 17) Rõ ràng là số lượng nhiễm sắc thể không tương ứng với nấc thang tiến hóa của các loài. Tuy nhiên, ta có thể thấy các loài có quan hệ họ hàng gần nhau như người và chimpanzee hay ngựa và lừa thì có số lượng nhiễm sắc thể gần bằng nhau. Cũng cần lưu ý rằng, ở một số loài thuộc bộ cánh màng Hymenoptera như ong mật (Apis mellifera) chẳng hạn, con cái là 2n = 32 và con đực là n = 16. Đối với các sinh vật này người ta dùng thuật ngữ là đơn-lưỡng bội (haplodiploid). Ở một số loài động-thực vật như ngô, lúa mạch đen bên cạnh các nhiễm sắc thể chuẩn của bộ nhiễm sắc thể bình thường (gọi là các nhiễm sắc thể A), còn có thêm một vài nhiễm sắc thể rất bé vốn sai khác giữa các cá thể, gọi là các nhiễm sắc thể thừa số (supernumerary chromosomes) hay nhiễm sắc thể B, để phân biệt với các nhiễm sắc thể A. Các nhiễm sắc thể này được coi là không chứa các gen quan trọng, mặc dù trong một vài trường hợp chúng ảnh hưởng lên độ hữu thụ. Ở đa số loài thuộc lớp chim (Aves), bộ nhiễm sắc thể chứa các nhiễm sắc thể rất nhỏ gọi là các vi nhiếm sắc thể (microchromosomes) và thường có số lượng lớn. Sao chép DNA trong tế bào 1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote Để theo dõi sao chép DNA đồng vị phóng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA) được sử dụng. Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (điểm xuất phát sao chép) và triển khai ra cả 2 phía. Khi DNA vòng tròn đang sao chép, quan sát thấy dạng DNA hình con mắt. Chẻ ba sao chép lan dần cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch có mang dấu phóng xạ (thymidin-H3). Có trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía. E.coli chỉ có một điểm xuất phát sao chép ori nên cả phân tử DNA thành một đơn vị sao chép thống nhất được gọi là replicon. Bộ gen của sinh vật tiền nhân thường chỉ có một replicon. 2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào eukaryote Tế bào nhân thực có số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân, tạo nên nhiều nhiễm sắc thể mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng kết hợp với protein. Do đó sao chép DNA của tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotid/giây). Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae có tới 500 replicon, tức có 500 điểm xuất phát sao chép. Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua một lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ DNA được sao chép hoàn toàn. Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase được ký hiệu là pol a, pol b, pol g, pol d, pol e. Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lượng và một số đặc tính hóa học. Pol g phân bố trong ty thể và tham gia tái bản DNA ở ty thể, các DNA polymerase còn lại ở trong nhân. Trong nhân, DNA polymerase d và DNA polymerase e là 2 enzyme chính tham gia tổng hợp trên sợi khuôn dẫn đầu và sợi chậm. Pol b và tiểu đơn vị bé của pol d có hoạt tính đọc sửa. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh Tế bào của những sinh vật ở mức tiến hóa thấp như vi khuẩn, vi khuẩn lam chưa có nhân hoàn chỉnh nên gọi là tế bào tiền nhân và những sinh vật này gọi là những sinh vật tiền nhân (Prokaryote). Các tế bào có nhân hình thành rõ ràng được gọi là tế bào nhân thực, có ở các sinh vật nhân thực (Eukaryote). Sự khác nhau giữa tế bào Prokaryote và Eukaryote lớn hơn sự khác nhau giữa tế bào động vật và thực vật. Các tế bào Prokaryote không có phần lớn các bào quan và màng nhân, có vùng tương tự nhân gọi là nucleoid. Ngoài ra bộ gen gồm DNA không kèm histon. Điểm nổi bậc để phân biệt tế bào Eukaryote là có nhân (nucleus) điển hình với màng nhân bao quanh. Bên trong tế bào có hệ thống màng phức tạp và các bào quan như lưới nội sinh chất, bộ golgi, lysosome, ty thể, lục lạp. Nhiễm sắc thể của Eukaryote thẳng, phức tạp được cấu tạo từ DNA và protein. 1. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh Các tế bào Prokaryote có vùng nhân chứa DNA được tái tạo và phân đều về các tế bào con khi sinh sản. Các tế bào Eukaryote có nhiều bào quan nhưng chỉ có nhân, ty thể, lục lạp có chứa DNA và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền. Nhân chứa thông tin di truyền giữ vai trò chủ yếu trong sinh sản, chiếm khoảng 10% thể tích và hầu như toàn bộ DNA của tế bào (95%). Nó được giới hạn bởi màng nhân do 2 lớp màng xếp đồng tâm, bên trong có 2 cấu trúc chủ yếu là hạch nhân (nucleolus) như một nhân nhỏ trong nhân và chất nhiễm sắc (chromatin) là dạng tháo xoắn của nhiễm sắc thể (chromosome). Sự phân chia đều NST về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thông tin di truyền cho thế hệ sau. 2. Nhiễm sắc thể 2.1. Hình thái NST Khi nhuộm tế bào đang phân chia bằng một số màu base, có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi thường các cấu trúc hình que nhuộm màu đậm, nên được gọi là NST (chromosome). Mỗi NST có hình dạng đặc trưng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân. Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các NST: - Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau - Tâm đầu (acrocentric): 2 vai không bằng nhau - Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối Ở các tế bào sinh dưỡng (soma), mỗi NST có một cặp giống nhau về hình thái, được gọi là các NST tương đồng (homologous). Bộ NST có cặp gọi là lưỡng bội và khi mỗi NST chỉ có một chiếc gọi là đơn bội. 2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ: Tất cả các tế bào của một loài nói chung có số lượng NST đặc trưng cho loài đó. Mỗi loại NST có hình dáng đặc trưng. Sự mô tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype). Kiểu nhân có thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các NST được xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất Sau này kỹ thuật nhuộm màu (màu giemsa hay quinacrin) hoàn chỉnh làm rõ hơn các vệt đặc trưng, hình thái của mỗi NST được xác định chi tiết hơn. Dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu, có thể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các NST cùng loại của các loài có họ hàng gần nhau. Ví dụ so sánh nhiễm sắc đồ của người và vượn cho thấy có mối quan hệ họ hàng rất gần và NST thứ hai của người do sự nối lại của 2 NST khác nhau ở vượn người. 2.3. Chất nhiễm sắc Vào những năm 1930, khi quan sát bằng kính hiển vi quang học ở gian kỳ nhận thấy trên NST có vùng nhuộm màu đậm được gọi là chất dị nhiễm sắc (heterochromatin) phân biệt với phần còn lại nhuộm màu nhạt là chất nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Chất nguyên nhiễm sắc là chất nhiễm sắc ở trạng thái dãn xoắn, còn chất dị nhiễm sắc là chất nhiễm sắc biểu hiện dạng cuộn xoắn cao. DNA chất nguyên nhiễm sắc ở trạng thái hoạt động, còn ở chất dị nhiễm sắc thì DNA không phiên mã được và thường sao chép muộn hơn. 3. Các nhiễm sắc thể đặc biệt Bằng các kỹ thuật tế bào học hiện đại, căn cứ các mặt chức năng, cấu trúc, hình thái và đặc thù trong hoạt động, người ta đã phân biệt các loại NST khác nhau: - Nhiễm sắc thể thường (NST A: autosome): giống nhau ở cả 2 giới đực, cái. - Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome) khác nhau giữa giới đực và cái - Nhiễm sắc thể B (nhiễm sắc thể phụ): được phát hiện ở một số loài thực vật như ngô, mạch đen ngoài các NST A bình thường. Các NST B ít gặp hơn trong các giống đã được chọn lọc của các loài nói trên Ở ngô có 20 NST A, ở một số cây còn có thêm NST B với số lượng biến động từ 1-20 hoặc nhiều hơn. Những cây có NST B thì yếu hơn và kém hữu thụ hơn các cây khác. Ở mạch đen, những cây có hơn 9 NST B thường không có khả năng sống. NST B có hiệu quả di truyền rất thấp. NST B cũng có nhiều ở sâu bọ, giun dẹp nhưng bé và không có hiệu quả di truyền rõ rệt. - NST khổng lồ (polytene chromosome): có trong một số cơ quan, tế bào tuyến nước bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera): Drosophilidae, Chironomidae Năm 1981, E. Balbiani phát hiện NST khổng lồ ở tuyến nước bọt ấu trùng Chironomus, chúng có số lượng sợi nhiễm sắc nhiều gấp hàng ngàn lần so với NST thường, có thể chứa tới 1500-1600 sợi nhiễm sắc. Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội nguyên phân (endomitosis). NST tự nhân đôi bình thường, nhưng không phân ly, nhân tế bào không phân chia, tạo NST có dạng chùm nhiều sợi, bề ngang của NST tăng lên. Chiều dài của NST khổng lồ có thể tới 250-300 mm (gấp 100- 200 lần NST thường) do các NST thể này không đóng xoắn. Dọc theo chiều dài của NST khổng lồphân hóa thành những khoanh bắt màu xẫm, nhạt không đồng nhất như các đĩa sáng, tối xen nhau. Người ta cho rằng các đĩa xẫm màu là nơi tích lũy nhiều DNA, được tạo ra do độ xoắn định khu dày đặc hoặc do tập trung nhiều hạt nhiễm sắc. Ở ruồi giấm, NST khổng lồ ở tuyến nước bọt được hình thành do DNA tự nhân đôi 10 lần, tạo ra 210 = 1024 sợi dính liền nhau suốt dọc theo chiều dài. - NST chổi đèn (lambrush chromosome): NST này có thể dài đến 800mm, có ở tiền kì của giảm phân trong tế bào trứng của động vật có xương sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng có nhiều noãn hoàng (trứng gà, chim hoặc bò sát). Đặc điểm của NST kiểu chổi đèn là từ trục của NST có nhiều vòng DNA, cạnh các vòng DNA này là những loại ARN được tổng hợp từ các vòng DNA mở xoắn. . Sinh học tế bào ( phần 34 ) Sinh sản hữu tính và tính ổn định của bộ nhiễm sắc thể Trước tiên, ta đề cập chủ yếu phương thức sinh sản hữu tính ở eukaryote và mối liên. trọng của sinh sản hữu tính (xem chương 1 2). Hợp tử cái → (N) x → Con cái trưởng thành → G → Trứng (2 n) (2 n) (n) Hợp tử đực → (N) x → Con đực trưởng thành → G → Tinh trùng [Sinh trưởng]. Người (Homo sapiens) 46 Đậu Hà Lan ( Pisum sativum) 14 Chimpanzee ( Pan troglodites) 48 Ngô (Zea mays) 20 Bò (Bos taurus) 60 Lúa gạo (Oryza sativa) 24 Ngựa (Equus caballus) 64 Lúa mạch (Secal