A. CHU KỲ TẾ BÀO, CÁC HÌNH THỨC PHÂN CHIA TẾ BÀO NHÂN THỰC. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ PHÂN BÀO BÌNH THƯỜNG VÀ KHÔNG BÌNH THƯỜNG. Ý NGHĨA SINH HỌC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chu kỳ tế bào là khoảng thời gian được tính từ khi tế bào hình thành nhờ sự phân bào của tế bào mẹ cho tới khi nó kết thúc phân bào để hình thành các tế bào mới

A CHU KỲ TẾ BÀO, CÁC HÌNH THỨC PHÂN CHIA TẾ BÀO NHÂN THỰC CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ PHÂN BÀO BÌNH THƯỜNG VÀ KHƠNG BÌNH THƯỜNG Ý NGHĨA SINH HỌC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chu kỳ tế bào [4] [9] [12] Chu kỳ tế bào khoảng thời gian tính từ tế bào hình thành nhờ phân bào tế bào mẹ kết thúc phân bào để hình thành tế bào Chu kỳ tế bào gồm hai thời kỳ chính: - Gian kỳ: thời kỳ hai lần phân chia tế bào Tất hoạt động sống chủ yếu (trao đổi chất, sinh trưởng) chép máy di truyền thực giai đoạn - Thời kỳ phân bào: thời kỳ tế bào phân chia để hình thành tế bào Như vậy, phân chia tế bào chiếm phần chu kỳ tế bào Tuỳ loại tế bào mà thời gian giai đoạn khác nhau, nhiên dài ngắn chu kỳ tế bào chủ yếu gian kỳ định Chu kỳ tế bào 1.1 Gian kỳ Gian kỳ lại chia thành pha: G1, S G2 Pha G1 (Gap 1): gọi pha trước tái bản, tính từ sau tế bào phân chia đến bắt đầu pha S pha chép vật chất di truyền Thời gian pha G1 có dao động lớn loại tế bào, chiếm khoảng 30 40% thời gian chu kỳ Ở pha này, nhiễm sắc thể tháo xoắn, tồn dạng chất nhiễm sắc chất, tế bào diễn trình phiên mã dịch mã để tổng hợp protein phục vụ cho sinh trưởng tế bào, đáng ý cuối pha G1 có tổng hợp protein cyclin A cần thiết cho tái ADN pha S Sau kết thúc pha G1 tế bào vào pha S cuối pha G1 phải vượt qua điểm thời điểm gọi điểm hạn định - điểm R (Restriction point) Pha S (Synthesis): pha chiếm 30-50% thời gian chu kỳ, đặc trưng trình tổng hợp ADN nhân đơi nhiễm sắc thể Ở tế bào Eukaryote, tái ADN gồm giai đoạn bản: hình thành chạc tái bản, tổng hợp đoạn mồi tổng hợp ADN theo chế bán bảo toàn Các Histon tổng hợp để liên kết với phân tử ADN vừa nhân đôi Mỗi NST sau giai đoạn trở thành NST kép gồm hai nhiễm sắc tử Pha G2 (Gap 2): với pha S, diễn thời gian ngắn, chiếm 1020% thời gian chu kỳ, giai đoạn nghỉ sửa chữa sai sót có lúc tổng hợp ADN sẵn sàng chuyển qua thời kỳ phân bào Cuối pha G2 tổng hợp loại protein đặc trưng cyclin B, protein với enzyme kinase xúc tác cho trình trùng hợp tạo thoi phân bào 1.2 Phân bào Tiếp theo pha G2 diễn trình phân bào để hình thành tế bào Bước sang thời kỳ phân chia, tế bào có biến đổi lớn nhân bào tương mà quan sát kính hiển vi quang học Các biến đổi bao gồm biến đổi NST, nhân, màng nhân, trung thể, thoi vô sắc, bào tương Sự phân bào phương thức sinh sản tế bào, đồng thời phương thức truyền đạt thông tin di truyền cho hai tế bào Sự phân bào với tổng hợp chất nội bào gian bào sở cho tăng trưởng mô, quan thể đa bào Các hình thức phân chia tế bào nhân thực, ý nghĩa sinh học nhân tố ảnh hưởng tới phân bào bình thường khơng bình thường tế bào Có nhiều hình thức phân chia tế bào nhân thực như: nguyên phân, giảm phân, trực phân nội phân 2.1 Nguyên phân [4] [5] [7] [9] [11] Nguyên phân chiếm khoảng - 10% thời gian chu kỳ tế bào, hình thức phân bào thơng thường xảy tế bào sinh dưỡng giai đoạn đầu tế bào sinh dục Sơ đồ nguyên phân Phân bào nguyên nhiễm trình liên tục gồm kỳ, kỳ đặc trưng hình dạng, cấu trúc nhiễm sắc thể máy phân bào - Kỳ đầu (prophase): nhiễm sắc thể bắt đầu đóng xoắn, dầy lên, nhiễm sắc thể gồm hai nhiễm sắc tử chị em đính với tâm động Ở đầu tiền kỳ, nhiễm sắc thể chuyển dần phía ngồi màng nhân, màng nhân phân thành bóng khơng bào phân tán tế bào chất, nhân biến Bộ máy phân bào xuất gồm hai thoi phân bào - Kỳ (metaphase): tế bào co ngắn lại, phình to ra; nhiễm sắc thể (NST) dày lên, co ngắn tối đa, tập trung vào tế bào, tâm động nằm mặt phẳng xích đạo thành đám thẳng thành vịng trịn khép kín khơng khép kín Thoi vơ sắc hình thành đầy đủ gồm hai dạng sợi: dạng kéo dài qua suốt tế bào, nối hai cực tế bào, dạng sợi thứ hai đính đầu vào tâm động đầu vào cực tế bào - Kỳ sau (anaphase): Các tế bào dài ra, nhiễm sắc tử tách tâm động tiến hai cực tế bào, nhiễm sắc tử trở thành nhiễm sắc thể Ở thời kỳ bắt đầu hình thành nhân con, màng nhân màng ngăn cách tế bào con; bào quan phân phối tế bào - Kỳ cuối (telophase): nhiễm sắc thể di chuyển đến hai cực, chúng dần duỗi xoắn ẩn vào dịch tế bào Màng nhân tái tạo hoàn toàn, nhân xuất Đồng thời xảy phân chia tế bào chất thành hai phần nhau, trình diễn khác động vật thực vật + Ở động vật: vùng xích đạo hình thành eo thắt ngày phát triển phân tế bào thành hai + Ở thực vật: vùng xích đạo hình thành vách ngăn phân tế bào thành hai Sự hình thành vách ngăn thực vật di chuyển tích cực mạng lưới nội chất, phức hệ golgi cấu thành khác màng miền xích đạo tế bào Ý nghĩa sinh học nguyên phân: phân chia nguyên nhiễm tế bào làm cho thể lớn lên thay tế bào già cỗi tế bào mới, phục hồi tổ chức bị thương tổn có ý nghĩa việc truyền đạt thơng tin di truyền từ hệ sang hệ khác Các nhân tó ảnh hưởng tới phân bào nguyên nhiễm: + Chế độ dinh dưỡng tốt thúc đẩy phân bào nguyên nhiễm ngược lại + Các hormone tăng cường kìm hãm phân bào Ví dụ Oestrogen thúc đẩy phân bào tuyến sữa, niêm mạc tử cung Adrenalin lại kìm hãm phân bào nhiều mô + Tác dụng trực tiếp số hố chất: phytohemaglutinin (PHA) kích thích lymphocytes phân bào; chất hoại tử mơ kích thích phân bào nơi + Khi hệ thần kinh hoạt động mức phân bào bị ức chế ngược lại + Tuổi cá thể ảnh hưởng tới phân bào 2.2 Giảm phân [4] [5] [7] [9] [11] Giảm phân hay phân bào giảm nhiễm kiểu phân chia tế bào sinh dục để hình thành giao tử Phân bào giảm nhiễm hình thức phân bào mà sau phân chia, số lượng nhiễm sắc thể tế bào giảm nửa số lượng nhiễm sắc thể tế bào mẹ ban đầu Trước vào trình phân bào giảm nhiễm, tế bào trải qua gian kỳ phân bào nguyên nhiễm bình thường NST bào tương nhân đôi, có G2 ngắn G2 phân bào nguyên nhiễm Sơ đồ phân bào giảm nhiễm Quá trình phân bào xảy gồm hai lần phân chia liên tiếp Giữa hai lần phân chia thời kỳ xen kẽ thay cho gian kỳ, thời kỳ xen kẽ khơng có nhân đơi ADN, hình ảnh NST giữ nguyên kỳ cuối I Lần phân chia thứ hai hai tế bào hình thành từ lần phân chia thứ tiến hành phân chia song song với * Lần phân chia thứ gồm thời kỳ: - Kỳ đầu I: Kỳ gồm có năm giai đoạn nhỏ: + Giai đoạn sợi mảnh (Leptonema): kính hiển vi quang học thấy nhân có hình mạng lưới, NST sợi mảnh dài khó phát Số lượng NST lưỡng bội 2n + Giai đoạn tiếp hợp (Zygonema): giai đoạn này, cặp NST tương đồng (một NST có nguồn gốc từ bố, NST có nguồn gốc từ mẹ) bắt cặp với cách xác theo suốt chiều dài NST theo hai kiểu: phần tâm áp sát trước hai đầu mút hai NST áp sát trước lan cho hết suốt chiều dài Giai đoạn dài giai đoạn + Giai đoạn sợi dày (Pachynema): NST ghép đôi co ngắn mạnh xoắn vặn Các nhiễm sắc tử tách rõ rệt phần tâm chưa chia giữ lại phần tâm hết lần phân bào I đến kỳ lần phân bào II Cặp NST ghép đơi có tên lưỡng trị (bivalent) Giai đoạn dài + Giai đoạn tách đôi (Piplotene): NST lưỡng trị tách từ phần tâm động, dính với điểm trao đổi chéo Dưới ảnh hưởng lực xoắn, tượng trao đổi chéo xảy ra; nhiễm sắc tử xoắn với đứt đoạn điểm bắt chéo, phần nhiễm sắc tử có nguồn gốc từ bố đính với phần nhiễm sắc tử có nguồn gốc từ mẹ (và ngược lại) thực trao đổi đoạn gen + Giai đoạn Diakinez: lưỡng trị di chuyển mặt phẳng xích đạo Các đầu mút lưỡng trị đính điểm tương đồng tạo nên hình ảnh tứ Bộ tứ lưỡng trị gồm hai NST tương đồng dạng kép, NST dạng kép gồm hai nhiễm sắc tử gọi đôi (dyade) Hai phần tâm lưỡng trị tiếp tục đẩy để vừa thực việc tách hai NST, vừa tạo lực việc trao đổi chéo Kết thúc trao đổi chéo, hai phần tâm lưỡng trị tách hai đầu mút đính tạo nên hình ảnh lưỡng trị có hình trám, hình vịng, hình chuỗi hay hình chữ thập Màng nhân hạch nhân lúc biến - Kỳ I: tứ tập trung mặt phẳng xích đạo, hai tâm động tứ nằm hai bên mặt phẳng xích đạo bám vào sợi thoi vô sắc Đây khác kỳ phân bào nguyên nhiễm phân bào giảm nhiễm (trong kỳ phân bào nguyên nhiễm tâm động bám vào sợi thoi vô sắc nằm mặt phẳng xích đạo) - Kỳ sau I: tứ tách làm hai, NST kép tứ tách cực tế bào - Kỳ cuối I: NST kép gồm hai nhiễm sắc tử đến hai cực tế bào Như cực tế bào có n NST kép Nhân cực tế bào hình thành song song với trình hình thành nhân hai cực tế bào phân chia bào tương thành hai phần cho hai tế bào * Lần phân chia thứ hai: hai tế bào sinh từ lần phân chia thứ bước vào lần phân chia thứ hai song song với mà khơng trải qua gian kỳ (khơng có nhân đơi ADN) Hình ảnh NST giữ ngun kỳ cuối I - Kỳ đầu II: ngắn, hình ảnh tế bào không khác so với thời kỳ xen kẽ hai lần phân bào - Kỳ II: NST tập trung mặt phẳng xích đạo, nhiễm sắc tử tách phần tâm cịn đính với Các tâm động NST bám vào sợi thoi vô sắc, đến tâm động tách kết thúc kỳ II - Kỳ sau II: nhiễm sắc tử tách trở thành NST đơn, NST đơn cực đối lập tế bào - Kỳ cuối II: NST đến hai cực tế bào, giãn xoắn, nhân hình thành cực tế bào song song với trình hình thành nhân trình phân chia bào tương thành hai phần để tạo hai tế bào tinh tử hay nỗn tử mang n NST * Ý nghĩa giảm phân: + Hình thành giao tử đực làm nguyên liệu cho sinh sản hữu tính Nếu khơng có phân bào giảm nhiễm sau lần thụ tinh NST lồi tăng lên gấp đơi + Nhờ có trao đổi chéo kết hợp với thụ tinh mà tạo nên tính đa dạng di truyền, có ý nghĩa lớn tiến hoá * Các nhân tố ảnh hưởng tới phân bào giảm nhiễm: Cũng giống nguyên phân, phân bào giảm nhiễm chịu tác động nhiều nhân tố dinh dưỡng, hormone, hoá chất, hoạt động hệ thần kinh, tuổi cá thể… Trong nhân tố có ảnh hưởng định là: + Tuổi cá thể: tuổi cao khả thực phân bào giảm nhiễm giảm chí bị ngừng lại + Các hormone, đặc biệt gonadotropin (LH, FSH, Prolactin…) + Hoạt động hệ thần kinh trung ương, đối người 2.3 Phân bào vô nhiễm [9] Phân bào vơ nhiễm (cịn gọi trực phân): hình thức phân bào mà nhân bị cắt ngang khơng hình thành nhiễm sắc thể có kính thước hiển vi quang học, khơng hình thành thoi vơ sắc Nhiễm sắc thể phân bố không cho tế bào con, số NST bị đứt, bào tương phân bố không không phân chia Kết nhân tế bào có số lượng chất lượng NST không nhau, bào tương khơng giống nên chúng có kích thước, hình dạng vai trị đặc tính sinh học khác Phân bào vơ nhiễm gặp mô thể trưởng thành phôi Tuổi già làm tăng tỉ lệ phân bào vơ nhiễm Các mơ phân hố cao thường có tế bào phân bào theo lối vơ nhiễm Trong q trình phân bào vô nhiễm, nhân tế bào không chức đặc trưng mình, số lượng ADN tăng gấp đôi trước xảy phân bào tổng hợp ADN xảy trước phân bào tổng hợp không cân đối (khơng tăng gấp đơi mà nhiều hơn) Q trình phân bào vơ nhiễm khơng xảy biến đổi hoá học rõ rệt bào tương nhân Khả ứng dụng phân chia tế bào công nghệ sinh học Nhờ hiểu biết cấu trúc, chức năng, thành phần sinh hoá, di truyền, chu kỳ tế bào Prokaryote Eukaryote, hiểu biết mối tương tác môi trường sinh trưởng phát triển tế bào từ xây dựng nên kỹ thuật nuôi cấy tế bào invitro vi sinh vật (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc, tảo…), tế bào thực vật, động vật tế bào người để phục vụ cho nghiên cứu thực tiễn sản xuất 3.1 Khả ứng dụng nuôi cấy tế bào động vật [10] Kỹ thuật nuôi cấy tế bào động vật tạo điều kiện để nghiên cứu bệnh lý tế bào chẳng hạn nghiên cứu tế bào ung thư, phân loại khối u ác tính, mơ hình thực nghiệm để khảo sát tác động hoá chất, xác định tương hợp mơ cấy ghép tế bào Có thể tóm tắt khả ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào động vật: + Sản xuất viral vector dùng liệu pháp gene Các mục đích liệu pháp bệnh ung thư, hội chứng suy giảm miễn dịch (HIV), chứng viêm khớp, bệnh tim mạch xơ hoá u nang + Sản xuất tế bào động vật dùng làm chất in vitro nghiên cứu hoá chất (các chất độc, dược phẩm) + Phát triển công nghệ sản xuất mô, quan thay thế, chẳng hạn sản xuất da nhân tạo để chữa bỏng, mô gan để chữa viêm gan, đảo langerhans để chữa bệnh tiểu đường… + Kỹ thuật ni cấy tế bào động vật ứng dụng để sản xuất hợp chất hoá sinh dùng chẩn đoán điều trị hormone sinh trưởng người, interferon, hoạt tố plasminogen mô, kháng thể đơn dịng loại vaccine Có sáu nhóm sản phẩm nuôi cấy tế bào động vật sản xuất tiếp tục hồn thiện: Nhóm I: sản xuất enzyme, hormone, nhân tố sinh trưởng Ví dụ: sản xuất urokinase, hormone sinh trưởng, cytokinie… Nhóm II: sản xuất loại vaccine vaccine dại, quai bị, sởi… Nhóm III: sản xuất kháng thể đơn dịng Nhóm IV: sản xuất virus trùng dùng nơng nghiệp Nhóm V: sản xuất chất điều hồ miễn dịch: interferon interleukin Nhóm VI: tế bào nguyên vẹn phục vụ cho thử nghiệm hoá chất Kỹ thuật ni cấy tế bào động vật cịn sử dụng công nghệ lai tế bào, công nghệ nhân vơ tính động vật, cơng nghệ tế bào gốc công nghệ phôi 3.2 Khả ứng dụng nuôi cấy tế bào thực vật [10] Phát triển kỹ thuật ni cấy tế bào thực vật tạo sản phẩm có giá trị, chẳng hạn chất dùng làm dược liệu, chất tạo mùi, chất dùng làm gia vị, sắc tố hố chất dùng nơng nghiệp * Sản xuất sản phẩm thứ cấp dùng thực phẩm: + Sản xuất chất màu: nhờ kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực vật mà sản xuất chất màu với số lượng lớn dùng công nghiệp thực phẩm Chẳng hạn sản xuất anthocyanin, betalaine, crocin crocetin loại gia vị có giá trị có giá trị độ an toàn tạo màu đẹp cho thực phẩm + Sản xuất chất tạo mùi: bước đầu tiến hành sản xuất số chất tạo mùi có nguồn gốc tự nhiên ni cấy tế bào sản xuất vanilla (nguyên liệu tạo mùi dùng phổ biến nay), garlic (chất tạo mùi tỏi), onion (tạo mùi hành)… + Sản xuất chất ngọt: sản xuất stevioside chất tự nhiên, sucrose khoảng 300 lần, sản phẩm an tồn cho người dùng cịn ức chế vi sinh vật gây bệnh vùng miệng * Sản xuất sản phẩm thứ cấp dùng dược phẩm: + Sản xuất alkaloid : ví dụ sản xuất caffeine, berberin, betalain dùng công nghiệp hương liệu y học; reserpin dùng điều trị cao huyết áp rối loạn tuần hoàn… + Sản xuất steroid, shikonin, ubiquinone-10, anthraquinon dùng tránh thai, kháng khuẩn, kháng nấm,giảm huyết áp, giảm đau, chống oxy hoá… * Sản xuất protein tái tổ hợp: nuôi cấy tế bào thực vật sử dụng để sản xuất sản phẩm tự nhiên cách 20 năm gần chúng dùng để sản xuất protein tái tổ hợp Thực vật chuyển gene xem hệ thống kinh tế cho việc sản xuất protein ngoại lai kháng thể, enzyme hormone Hiện việc sản xuất thương mại số protein vi khuẩn động vật tiến hành thực vật tương lai hứa hẹn nhiều triển vọng tốt đẹp 3.3 Khả ứng dụng nuôi cấy tế bào vi sinh vật [10] Nuôi cấy tế bào vi sinh vật đời sớm so với nuôi cấy tế bào động vật thực vật, có đóng góp quan trọng bậc cho nghiên cứu sản xuất Có thể tóm tắt khả ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy tế bào vi sinh vật: * Sản xuất dược phẩm: + Sản xuất kháng sinh: penicillin, streptomycin… + Sản xuất thuốc công nghệ ADN tái tổ hợp: sản xuất insulin, interferon, loại hormone, vaccine, protein trị liệu… * Sản xuất enzyme dùng công nghiệp thực phẩm số dùng chẩn đoán trị liệu * Sản xuất protein đơn bào dùng chăn nuôi sản xuất sản phẩm thịt, trứng nhân tạo… PHẦN KẾT LUẬN Qua số vấn đề trình bày trên, nhận thấy việc nghiên cứu tế bào mở khả ứng dụng to lớn vào sống Ngày nay, nhờ phát triển khoa học đại, hiểu biết cấu trúc chức tế bào - đơn vị sở sống ngày hoàn thiện Trên sở kiến thức cấu trúc chức tế bào hình thành nên cơng nghệ tế bào phận quan trọng công nghệ sinh học Cho đến đạt bước tiến nhảy vọt, ngày có đóng góp quan trọng vào đời sống người Nhờ công nghệ tế bào mà loại dược phẩm đắt tiền hormone, vaccine, protein trị liệu… sản xuất tế bào biến đổi di truyền tế bào lai với giá rẻ số lượng lớn Đồng thời hồn thiện cơng nghệ ni cấy tế bào động vật, thực vật vi sinh vật góp phần sản xuất lượng lớn sinh khối tạo giống có đặc tính ưu việt nhằm đáp ứng với nhu cầu lương thực ngày cao dân số giới 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thành Đạt (2005), Cơ sở sinh học vi sinh vật, tập 1, NXB Đại học Sư phạm, Hà Nội Nguyễn Như Hiền (2006), Giáo trình sinh học tế bào, NXB Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Như Hiền (2005), Công nghệ sinh học, tập 1, NXB Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2004), Tế bào học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Khang Sơn (2005), Mô - phôi học, trường Đại học Y khoa Thái Nguyên Nguyễn Xuân Thành (2004), Vi sinh vật học nông nghiệp, NXB Đại học Sư phạm, Hà Nội Lương Thị Hồng Vân (2004), Tế bào học, Khoa Khoa học Tự nhiên Đại học Thái Nguyên W.D Philips - T.J.Chilton, Sinh học, tập 1, NXB Giáo dục, Hà Nội Cổng thông tin tư liệu/e-learning/Tế bào học /Các tài ngun/Tải giáo trình.htm 10 Cổng thơng tin tư liệu/e-learning /Cơng nghệ tế bào/Các tài ngun /Tải giáo trình.htm 11 http://thuvienkhoahoc.com/tusach/Tế bào phân chia nào? 12 http://vi.wikipedia.org/wiki/Chu kỳ tế bào 11 ... đa bào Các hình thức phân chia tế bào nhân thực, ý nghĩa sinh học nhân tố ảnh hưởng tới phân bào bình thường khơng bình thường tế bào Có nhiều hình thức phân chia tế bào nhân thực như: nguyên phân, ... cá thể ảnh hưởng tới phân bào 2.2 Giảm phân [4] [5] [7] [9] [11] Giảm phân hay phân bào giảm nhiễm kiểu phân chia tế bào sinh dục để hình thành giao tử Phân bào giảm nhiễm hình thức phân bào mà... giảm phân, trực phân nội phân 2.1 Nguyên phân [4] [5] [7] [9] [11] Nguyên phân chiếm khoảng - 10% thời gian chu kỳ tế bào, hình thức phân bào thơng thường xảy tế bào sinh dưỡng giai đoạn đầu tế bào