Chet theo lap trinh PCD

Các tế bào chết vì nhiều lí do, cả hai cố ý hoặc không chủ sự sinh trưởng và phát triển của cơ thể sinh vật nói chung và cơ thể thực vậtnói riêng, sự lão hóa và chết của tế bào diễn ra l

ĐẠI HỌC HUẾ ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ KHOA SINH HỌC



BÀI KIỂM TRA GIỮA KỲ

Môn: Sinh học phát triển cá thể

thực vật

Đề tài tìm hiểu:

Ý nghĩa của cái chết tế bào trong quá trình sinh

trưởng và phát triền của thực vật

Giáo viên hướng dẫn:

I Đặt vấn đề:

Mỗi cơ thể sống của chúng ta là cả một thế giới sống bao gồm hàng tỉ

tế bào khác nhau Tế bào được xem là một đơn vị tổ chức cơ bản của thếgiới sống về cấu tạo, chức năng sinh lý và di truyền Tế bào chỉ sống khichúng thể hiện đầy đủ các đặc tính như trao đổi chất, sinh trưởng, sinh sản,cảm ứng và thích nghi với môi trường sống

Trong tất cả các sinh vật, đối với mọi tế bào, có một thời gian để sống

và thời gian chết Các tế bào chết vì nhiều lí do, cả hai cố ý hoặc không chủ

sự sinh trưởng và phát triển của cơ thể sinh vật nói chung và cơ thể thực vậtnói riêng, sự lão hóa và chết của tế bào diễn ra liên tục bên trong cơ thể

Vậy sự lão hóa và chết của tế bào diễn ra như thế nào bên trong tếbào, những yếu tố nào chi phối quá trình này và ý nghĩa của nó như thế nào?Trên thế giới, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm để làm rõ vấn

đề này qua đố vận dụng sự hiểu biết về sự lão hóa và cái chết của tế bào vàotrong thực tiễn nhằm kéo dài tuổi thọ của các loài sinh vật và tim ra phươngcách hiệu quả để chữa bệnh ung thư

Phần II Nội dung:

cách tự nhiên, là một phần của chu kỳ

sống của tế bào và có lợi cho cơ thể

Trong khi đó hoại tử hoàn toàn ngược lại

Hoại tử gây hại cho tổ chức mô, cơ quan

trong cơ thể và có thể dẫn đến tử vong

Các tế bào chết do hoại tử sẽ không giải

phóng tín hiệu hóa học đến hệ thống miễn dịch Điều này dẫn đến các đạithực bào lân cận tế bào chết không đến bao vây và tiêu hủy tế bào chết; từ đóhình thành nên mô chết hoặc mãnh vở tế bào

Khi các tế bào chết do hoại tử ngoài việc không gửi tín hiệu đến hệ thốngmiễn dịch chúng còn tiết ra một số chất độc vào các mô, tế bào xung quanhđặc biệt là lysosome Lysosome giải phóng enzyme thủy phân gây phá hủycác bộ phận của tế bào mà nó gặp Việc này có thể dẫn đến sự chết tế bào dâychuyền Khi số lượng tế bào chết tăng lên một mức đáng kể Các tế bào bịthương, các tế bào được thủng nơi mà các tế bào gây tổn hại Lyse và thànhphần khác, gây thiệt hại nghiêm trọng cho các tế bào lân cận khác, gây ra một

sự tiêu hủy tế bào trên diện rộng [1]

2 Nguyên nhân và cơ chế:

Nguyên nhân gây hoại tử là do các yếu tố bên ngoài như chấn thương,nhiễm khuẩn, nhiễm độc, ung thư, hoặc viêm tác động lên tế bào

Sự chấn thương vật lý hay hóa học đều có thể dẫn đến sự tan ra gâychết cấu trúc và hoạt động tế bào

Hoại tử là một dạng bị động, quá trình dị hóa mà đại diện cho một tếbào phản ứng lại khi gặp những chấn thương ngẫu nhiên hay do độc tố, nóluôn luôn là một trạng thái bệnh lí

Hoại tử của tế bào thông thường gây ra bởi sự phá hủy tế bào vàkhông yêu cầu hoạt động của gen Màng tế bào là nơi bị thiệt hại chính và ởnhững nơi khác chúng mất khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu Cuốicùng những thành phần của tế bào được giải phóng và xuất hiện hiện tượngviêm

II Sự chết theo chương trình (PCD)

1 Khái niệm PCD:

- Khái niệm: PCD là một quá trình chết của tế bào hoàn toàn bìnhthường về mặt sinh lí, là cơ chế trong đó loại bỏ một cách có lựa chọn các tếbào không mong muốn (Ellis và cs,1991), và có vai trò bảo vệ các sinh vậttrước những tác nhân bất lợi của môi trường

- So sánh: Năm 1972, James Cormack, một giáo sư ngôn ngữ người

Hi Lạp đề nghị sử dụng thuật ngữ “Apoptosis” Ở cơ thể động vật, người tanhận thấy có ba loại hình PCD đó là apoptosis (Sự chết theo lập trình),autophagy (tự thực) và non-lyzosome PCD Theo Scharts, L M Smith, W

W Jones, M E E và Osborne, B A (1993), ở thực vật tồn tại ít nhất hailoại PCD và một trong số đó diễn ra tương tự với PCD diễn ra ở động vật.Những nghiên cứu gần đây đã cung cấp những bằng chứng cho rằng sự lão

hóa và chết ở tế bào thực vật trong một số trường hợp có sự ương đồng về

cơ chế với quá trình chết theo chương trình (Apoptosis) ở tế bào động vật.Khi làm khô nhanh những tế bào thực vật, người ta nhận thấy các hình tháitương tự như những tế bào động vật chết theo chương trình Thêm vào đó,một số kiểu chết tế bào thực vật còn kèm theo sự phân chia các ADNthường Một chất tương đồng của một gen, dad 1,đã được biết là có liênquan đến sự ngăn cản quá trình PCD ở động vật cũng được tìm thấy ở thựcvật tuy chức năng của nó ở thực vật vẫn chưa được xác định Mặc dù tìmthấy những mối tương đồng của cái chết tế bào ở động vật và thực vật nhưng

ở một số khía cạnh nào đó, cơ chế và chức năng của sự chết tế bào theochương trình ở thực vật vẫn khác những gì xảy ra bên trong tế bào động vật

Sự tự hủy diệt tế bào chết mà không có tình trạng viêm của các mô xungquanh Được xác định bởi một loạt các đặc điểm rõ ràng như:

- Sự đứt gãy ADN trong nucleosome

- Sự hình thành các bong màng nguyên sinh chất

- Sự phá hủy các tế bào thành các mảnh có màng sinh chất bao quanh

- Sự phân hủy các yếu tố của bộ khung tế bào, tế bào chất và nhân tế bào

- Có sự hình thành các thể apoptosome

Tế bào chết được biết đến nhiều nhất được gọi là apoptosis Một đặc điểmphân biệt apoptosis là các mảnh vỡ của tế bào chết được thực bào bởi các tếbào xung quanh mà không giải phóng ra những tế bào chất của tế bào tiềnviêm Apoptosis không xảy ra ở tế bào thực vật.

 Tín hiệu của apoptosis:

- Kích hoạt tín hiệu từ bên trong tế bào

- Các yếu tố thúc đẩy cái chết tế bào liên kết với thụ thể trên bề mặt tế bàonhư: TNF-œ, Fas ligand (Fasl) 3 Các chất tương tác với O2 mà gây ra sựnguy hiểm cho tế bào

Apoptosis được kích hoạt thông qua hai con đường tín hiệu: Cell extrinsic pathway và cell - intrinsic pathway

-Hình 2: -Hình thái tế bào trải qua Apoptosis

2.2 Tự thực (Autophagy) – cái chết phụ thuộc vào lysosome:

- Tự thực là một suy thoái các thành phần tế baofbowir sự hình thành cácthể tự tiêu (Yoshimori, 2004)

- Tự thực là một sự suy thoái chủ yếu và hệ thống quay vòng trong các tbnhân thực Lum et all., 2005

Tự thực là một chương trình nhằm loại bỏ các thành phần tế bào trước cáichết tế bào Tự thực có vai trò trong đáp ứng miễn dịch ở thực vật, đặc biệttrong việc ngăn chặn sự lan rộng của cái chết và mầm bệnh sang các tb liênquan (Greeenberg, 2005)

- PCD phát triển (trong quá trình phát triển bình thường) liên quan đến sựsuy thoái của các tb đặc biệt và hầu hết hết các ví dụ PCD phát triển trongthựt vật với định nghĩa PCD theo kiểu Autophagy (Van Doon và Woltering,2005)

Sự chết tế bào được đặc trưng bởi sự hình thành của không bào lớn đã ănhết những cơ quan từ trước khi nhân bị phân hủy

2.3 Chết tế bào theo chương trình không phụ thuộc vào lysosome

-hoại tử:

Kiểu PCD này không liên quan đến lysosome mà liên quan đến sự

phồng lên của các cơ quan tử và sự hình thành các khoảng trống trong tế bàochất Hình dạng tế bào thực vật trong các phản ứng quá nhạy cảm phù hợpvới PCD theo kiểu lysosome ( Van Doorn và Woltering, 2005)

3 Những biểu hiện của PCD ở thực vật:

- Sự không bào hóa tế bào chất và sự co xoắn của chất nhiễm sắc và tế bàochất được quan sát tương tự các sự kiện apoptosis ở động vật

- Sự phá hủy ADN còn xuất hiện như một đặc điểm phổ biến của PCD ởthực vật Những đoạn ADN lớn được tạo ra tong suốt quá trình PCD

- Sự phân hủy các thành phần khác của tế bào

Ở thực vật do không có hệ thống miễn dịch nên thường tạo ra các enzimphân hủy các thành phần tế bào.

4 Nguyên nhân, cơ chế gây nên PCD ở thực vật:

4.1 Nguyên nhân:

Một tế bào thường có một chương trình đã được lập sẵn ở trong bộgen Với một tế bào bình thường chúng sẽ phát triển thành một cơ quan hoànchỉnh, ở đây có sự kết hợp giữa quá trình phân chia tế bào và quá trình chếtcủa tế bào Tế bào chết là hoàn toàn bình thường Cái chết của tế bào rất cầnthiết cho sự phát triển lành mạnh và nội cân bằng cho cơ thể Tuy nhiênkhông phải tất cả tế bào chết là có lợi Bất cứ khi nào một trục trặc tế bàođơn lẻ hoặc trở thành bệnh, sau đó tự hủy diệt xảy ra Đây là sự cố quyếtđịnh tế bào đó kết hợp với việc sản xuất mới tế bào Vì vậy, việc duy trì mộtquy trình tương đối liên tục của sự sống và cái chết

Một số nguyên nhân cho PCD xảy ra bao gồm: Trong tế bào bìnhthường PCD được bắt đầu để đáp ứng các tín hiệu phát triển nhất định Tế

Hình 3: Hình thái tế bào trải qua PCD

bào DNA bị hư hại do oxy hóa hoặc các chất khác như: ánh sáng ngoại tử,X- quang, thuốc hóa học trị liệu Kích thích bao gồm stress nặng hoặc thiệthại thành phần tế bào quan trọng, có thể gây ra bởi sốc nhiệt, chất độc, táchrời tế bào từ các mô xung quanh, hoặc nhiễm vi khuẩn virus , hoặc gây ungthư tín hiệu Tế bào sai sót không thể sửa chữa Quá trình PCD diễn ra đểloại bỏ các tế bào đó ra khỏi cơ thể Nội cân bằng của tế bào bình thườngphụ thuộc vào việc loại bỏ các tế bào cũ bằng PCD, làm trẻ hóa tế bào Lậptrình tế bào chết là cần thiết cho sự phát triển đúng như nguyên phân Và cầnthiết để tiêu diệt các tế bào đại diện cho một mối đe dọa đến tính toàn vẹncủa sinh vật PCD loại bỏ tế bào không để nó còn chất dinh dưỡng và không

bị lây nhiễm virus cho các tế bào lân cận

Hình 4: Một số nguyên nhân dẫn đến PCD

PCD là một quá trình hoạt động của sự lão hóa và chết tế bào, nó diễn ratrong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật Quá trình nàyđược điều khiển bởi những yếu tố di truyền bên trong tế bào Năm 1998,Cheng Hung Yen Và Chang Hsien Yang đã tìn thấy những bằng chứngchứng minh cho lý thuyết này thông qua việc nghiên cứu sự lão hóa ở lá của

5 loài thực vật bao gồm: Philodendron hastratum, Epipremum aureum,

Bauthinia pupurea, Delonix regia và Butea monosperma.

4.2 Cơ chế:

Apoptosis là một PCD phổ biến trong tự nhiên Đó là một cơ chế

quan trọng giúp các sinh vật đa bào duy trì sự toàn vẹn và chức năng của mô

để loại bỏ các hư hại hoặc các tế bào không mong muốn Nhà khoa họcngười Đức Cart Vogt là người đầu tiên mô tả cơ chế của apoptosis vào năm

1842 Sau đó vào năm 1885, nhà giải phẩu Walther Flemming đã đưa ra một

mô tả chính xác hơn về quá trình chết tế bào theo lập trình (apoptosis) Quá

trình naỳ được kích hoạt bên trong tế bào theo hai cách: thông qua ty thể vàthông qua tác nhân bên ngoài

 Con đường thông qua ty thể:

Con đường này được kích hoạt bởi các yếu tố như sốc nhiệt, sự tổnthương ADN Sau khi nhận được tín hiệu stress thì những protein tham giavào quá trình apoptosis sẽ gắn lên màng ngoài ty thể để truyền tín hiệu chomột số quá trình phức tạp khác Kết quả của sự tiếp nhận các tín hiệu stressnày là sự phóng thích Cytochrome c ra khỏi ty thể Sau đó Cytochrome c sẽkết hợp với một protein khác là Apaf-1 và ATP để hình thành một proteintrong tế bào Phức hợp này sẽ hoạt hóa caspase-9 (là một phức hợp củaCytochrome c, ATP Và Apaf-1) để tạo thành một apoptosome Ty thể sảnsinh ra protein SMAC – chất hoạt hóa caspase-9 – được tiết vào trong tế bàochất sau khi tăng tính thấm của màng ty thể SMAC liên kết với protein ức

chế apoptosis (IAPs) và khử hoạt tính của nó Qua đó ngăn chặn việc IAPs

ức chế quá trình apoptosis và cho phép quá trình tiêu diệt tế bào được diễn ratheo đúng chương trình đã lập sẵn Thể apoptosome đã được tạo ra trước đó

sẽ hoạt hóa caspase-3 (là một protease tham gia vào quá trình phân hủyADN) Vì vậy, kết quả của những quá trình trên là sự phân hủy ADN, màng

tế bào bị biến dạng Tế bào chất và nhân bị co lại Cuối cùng tế bào chết bịcác đại thực bào tiêu thụ

 Kích hoạt apoptosis thông qua các tác nhân bên ngoài:

Hình 5: Con đường ty thể

Những tác nhân ngoại cảnh gây ra sự chết tế bào theo một chươngtrình độc lập Khi những điều kiện bên ngoài có tác động bất lợi đến cơ thểthực vật thì bản thân tế bào sẽ sản sinh ra những phối tử để kích hoạt quátrình apoptosis Cụ thể, những phối tử này sẽ kích hoạt DR4 và DR5 dẫnđến việc kích hoạt FADD và procaspase 8 , proxaspase 10 để nhanh chóngtạo thành những tín hiệu phứa tạp (Disc) Sau đó, procaspase 8 vàprocaspase 10 được tách ra để tạo thành các caspase 8 và caspase 10.caspase 8 và caspase 10 này sẽ hoạt hóa effector caspase 3, 6, 7 để “khơimào” apoptosis.

Hình 6: Con đường bên ngoài

 Ngoài hai con đường kích hoạt apoptosos như đã trình bày ở trên còn cócon đường khác kết hợp cả hai yếu tố bên ngoài và yếu tố nội tại của cơ thể.Ethylene kích thích Ca2+ làm biến đổi sự phosphoryl hóa protein ( theo Raz

và Fluhr, 1992,1993) và kết quả là dẫn đến PCD ở tế bào thực vật Tuynhiên, sự khủng hoảng thừa ethylene trong tế bào không phải nguyên nhândẫn đến sự lão hóa sớm ( Guzman và Ecker,1990) mà để hoạt động được,ethylene phải được kết hợp với những phần tử tín hiệu khác để điều khiểnquá trình lão hóa

Liên quan đến sự lão hóa tế báo trong sự phát triển mạch dẫn,1 genlão hóa khác, gen TED2, mã hóa cho NADPH oxidoreductase (theo Demura

và Fujuda, 1994) có tính chất tương đồng với tinh thể quinineoxidoreductase cũng là một tính hiệu gây ra sự chết tế bào ở thực vật Sảnphẩm của gen này đã sinh ra một lượng H202 đủ để châm ngòi cho PCD ởmột số nhóm thực vật (theo Demura và Fujuda, 1994) Nghiên cứu củaBestwich và cộng sự (1997) với đối tượng là những tế bào xylem trên câyrau diếp, sự tích lũy H202 trong tế bào chính là tác nhân châm ngòi cho quátrình PCD Cũng trong năm này, Pastori và Del Rio đã chứng minh sự tíchlũy O2- và H202 trong tế bào là nhân tố khởi động cho quá trình PCD diễn ra ởnhững lá đậu già Trong những tế bào HR, sự oxi hóa nhanh chóng còn dẫnđến sự tích lũy O2- và H202 (theo Mehdy,1994; Lamb và Dxixon,1997) đikèm với điều kiện kỵ khí còn ức chế quá trình PCD ở những tế bàonhayjcamr của cây thuốc lá (theo Mitter và cộng sự, 1996) Bên cạnh đó,NADPH oxidoreductase cũng là một tác nhân sản sinh ra lượng O2- và H202

để kích hoạt quá trình PCD ở những tế bào HR này

Ngoài ra, còn có ý kiến cho rằng những protein arabinogalactan cũngđóng vai trò trong việc gây ra sự lão hóa và chết tế bào trong những tế bàomạch dẫn đang phát trineer của bao la mầm ngô Những protein này có tác

dụng làm rời rạc cấu trúc vách tế bào và phá vỡ sự tương tác giữa những tếbào với nhau.

Sự chết theo chương trình cũng được uan sát thấy trong suốt một sốgiai đoạn sinh sản của thực vật Ở ngô, sự xác định giới tính của hoa có liênquan đến việc giết có chọn lọc những mầm cái có khả năng sinh sản để tạođiều kiện cho những cấu trúc hoa đực phát triển trong cụm hoa đực Điềunày được quy định bởi gen Tasselseed2, đó là những gen qui định chết tếbào trong việc xác định giới tính của hoa Protein Ts2 được tạo ra từ gen này

có trình tự giống với một huydroxyl steroid reductase và có chức năng nhưmột tín hiệu kích hoạt chương trình tự hủy tế bào, nó được ví như “một ngòinổ” cho toàn bộ úa trình PCD ở thực vật

5 Các yếu tố điều khiển quá trình PCD::

Mặc dù có nhiều bằng chứng rỏ ràng rằng PCD xảy ra trong quá trìnhphát triển của thực vật tương tác với môi trường, các tìn hiệu kích hoạt PCD

ở thực vật vẫn chưa được biết đến tuy nhiên, H202 tích lũy trong rau diếp cáTracheic elements (TEs) (Bestwick, 1997) và H202 tích lũy trong cây đậu hàlan (pastori và Del Rio,1997).Như vậy, có thể phản ứng loại O2 là một kíchhoạt chung cho PCD ở thực vật

5.1.Các phytohormon- tín hiệu điều hòa:

- Salicylic acid- tích lũy nhiều ở những nơi bị thương tổn salicylic acid

là một tín hiệu có the thúc đẩy tế bào chết nhưng chỉ đóng vai trò thứ yếu sovới các nhân tố khác

- Nito oxide (NO) hợp tác với salicylic acid để thực hiện HR và kích hoạt

tế bào chết