Cơ chế để NST nằm trên thoi vô sắc

 Cơ chế phân tách NST: Có 3 sự kiện quan trọng phải diễn ra trong giảm phân I để đảm bảo tính chính xác của mô hình phân ly NST này: + Đầu tiên, các liên kết phải được thiết lập giữa các cặp nhiễm sắc thể tương đồng 1 NST có nguồn gốc từ mẹ và 1 NST tương tự có nguồn gốc từ cha để đảm bảo gắn bó với các cực đối lập của thoi phân bào giảm phân I. Thông thường nhất, tái tổ hợp phân bào giảm nhiễm cung cấp những liên kết này bằng cách tạo ra ít nhất một điểm vắt chéo (chiasma), trong đó một nhiễm sắc tử chị em từ một tương đồng được đồng hóa trị liên kết với một nhiễm sắc chị em từ những tương đồng khác. + Thứ hai, thể động (chinetochore) chị em của mỗi tương đồng phải gắn với các vi ống phát ra từ cùng một cực. Bằng cách này, sức ép được tạo ra khi các cặp tương đồng liên kết bởi các điểm vắt chéo được gắn vào các cực đối lập của thoi giảm phân I. + Thứ ba, các nhiễm sắc tử chị em gắn kết phải mất đi theo từng bước. Việc loại bỏ các vai nhiễm sắc thể gắn kết gây nên sự phân chia nhiễm sắc thể tương đồng và giải quyết các điểm vắt chéo trong kì sau I. Tuy nhiên, nhiễm sắc tử chị em gắn kết phải được lưu giữ trong các khu vực xung quanh tâm động (được gọi là pericentromere. Mất sự gắn kết pericentromeric này trong kì sau II gây nên sự phân ly của nhiễm sắc tử chị em cực đối lập. VẬY CÁI GÌ ĐÃ NGĂN CẢN SỰ PHÂN LY NHIỄM SẮC THỂ Ở KỲ SAU I ? Thí nghiệm của Yoshinori Watanabe và các cộng sự: họ đã biết rằng trong kỳ sau I, protein shugoshỉn chỉ có ở xung quanh tâm động. Họ muốn biết liệu nó có bảo vệ cohesin khỏi bị phân hủy trong giảm phân I để đảm bảo cho các nhiễm sắc tử vẫn gắn với nhau trong khi các nhiễm sắc thể tương đổng phân ly hay không

Họ và tên:

1. Nguyễn Thị Túy

2. Hoàng Thị Thanh Tùng

3. Vương Thị Thanh Tâm

SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO

Sự phân chia tế bào gồm có 2 quá trình: phân chia nhân và phân chia tế bào chất Có 2 kiểu phân chia nhân: phân chia nguyên nhiễm và phân chia giảm nhiễm Tương ứng với 2 kiểu phân chia nhân, có 2 hình thức phân chia tế bào: phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân) và phân bào giảm nhiễm (giảm phân)

A. Nguyên phân là một giai đoạn của chu kỳ tế bào Là sự phân bào có tơ hay

là sự phân đôi nhân Nguyên phân bao gồm 4 kỳ: kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và

kỳ cuối Quá trình này được biểu thị bởi :

- Sợi NST xoắn, sau đó phân chia thành số lượng giống nhau cho 2 tế bào con

- Sự xuất hiện hệ thống vi ống làm cho NST di chuyển về 2 cực tế bào

- Sự biến mất của màng nhân

- Nhân của tế bào con được hình thành ở cuối pha nguyên phân

Hình 1 Gian kì và các giai đoạn của nguyên phân.

 Kỳ trước:

- Các sợi NST trở nên xoắn chặt hơn, co đặc lại thành các NST riêng rẽ

- Các hạnh nhân biến mất, màng nhân tiêu biến

- Mỗi NST đã nhân đôi gồm 2 nhiễm sắc tử gắn với nhau tại tâm động, và dọc theo NST nhờ các protein cohesin

- Thoi nguyên phân bắt đầu hình thành (ở thực vật không có trung tử mà có vùng gọi là trung tâm tổ chức vi ống, chức năng là hoạt hóa sự trùng hợp tubulin để tạo thành thoi phân bào nên được gọi là phân bào không sao)

 Cơ chế để NST nằm trên thoi vô sắc:

Mỗi trong số hai nhiễm sắc tử chị em của NST đã nhân đôi có 1 thể động (kinetochore), một cấu trúc protein liên kết với một đoạn đặc hiệu của DNA NST ở tâm động Hai thể động của NST quay về hai hướng đối lập nhau Trong kỳ trước giữa, một số vi ống của thoi bám vào thể động đó gọi là các vi ống thể động (Số lượng số vi ống bám vào thể động khác nhau ở các loài khác nhau) Khi một trong các thể động “bị tóm” bởi các vi ống, NST bắt đầu di chuyển về phía cực nơi mà các vi ống kéo dài tới

HÌNH 2 KÌ SAU, KÌ CUỐI VÀ SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO CHẤT

 Kỳ giữa:

- Các NST tập trung trên phiến giữa các tâm động của các NST nằm trên phiến giữa

- Thể động của các nhiễm sắc tử bám với các vi ống thể động đi từ 2 cực đối lập

 Kỳ sau:

- Bắt đầu ngay lúc tâm động phân chia

- Các protein cohesin tách nhau ra Sự kiện đó cho phép các nhiễm sắc tử chị

em của mỗi cặp đột ngột tách ra Mỗi nhiễm sắc tử trở thành 1 NST đầy đủ

- Hai NST con đã tách nhau ra dần di chuyển về 2 cực đối lập của tế bào khi các vi ống thể động ngắn lại

- Vào cuối kỳ sau, 2 cực của tế bào có 2 bộ NST hoàn chỉnh và tương đương nhau

 NST di chuyển trên thoi vô sắc đi về các cực của tế bào:

- Có nhiều giả thuyết về việc di chuyển của NST trên thoi vô sắc:

o Thuyết cơ học: tế bào chất là động lực chủ yếu Chúng chui vào NST, hút nước làm trương phồng, do đó đẩy NST đi về 2 cực

o Thuyết hóa học: trong sợi tơ có thành phần protein giống myozin của cơ

Sự co rút và làm ngắn các sợi tơ, sự kéo dài tơ với sự tham gia của ATP làm di chuyển NST về 2 cực Cơ sở này là sự phát hiện của enzyme ATP-ase

o Thuyết cân bằng động: có sự cân bằng giữa một lượng lớn các chất đơn phân và chất trùng phân định hướng các chất trùng phân hình thành nên sợi thoi hay vi ống Sự thay đổi lệ thuộc vào sự thêm hay mất những đơn phân mới

- Cơ chế NST di chuyển trên thoi vô sắc nhờ sự tham gia của các protein động cơ, có hai cơ chế :

+ Thực nghiệm thông minh của Phòng thí nghiệm Gary Borisy của Trường Đại học Tổng hợp Wisconsin năm 1987 giả định rằng: Các protein đã

“cõng” các NST bước đi dọc theo các vi ống và đầu thể động của các vi ống giải trùng hợp khi các protein đi qua

+ Các NST bị “guồng” bởi các protein động cơ tại các cực của thoi và các vi ống phân rã sau khi đi qua các protein động cơ

Vậy các vi ống thể động ngắn đi từ đầu nào trong kì sau ?

o Thí nghiệm của Gary Borisy và cộng sự :

Trước tiên họ nhuộm các vi ống của tế bào thận lợn ở kỳ sau sớm bằng thuốc nhuộm huỳnh quang vàng

Sau đó họ đánh dấu 1 đoạn vi ống thể động giữa 1 cực và NST nhờ sử dụng laze khử màu thuốc nhuộm ở vùng này Khi kỳ sau diễn tiến, họ ghi nhận sự thay đổi độ dài vi ống ở hai bên đoạn dấu

Kết quả: khi NST di chuyển về cực, đoạn vi ống ở phía thể động của dấu ngắn đi, trong khi đoạn bên phía cực giữ nguyên độ dài

Trong kì sau của tế bào này, sự di chuyển NST liên quan đến sự ngắn đi các

vi ống thể động ở đầu thể động chứ không phải ở cực của thoi Thực nghiệm này ủng hộ giả thuyết cho rằng trong kì sau, NST được cõng đi dọc theo vi ống khi vi ống giải trùng hợp ở đầu thể động và giải phóng các đơn phân tubulin

 Kỳ cuối:

- Trong tế bào hình thành 2 nhân

- Màng nhân hình thành từ các mảnh của màng nhân cũ và các hệ thống khác của màng nội bào

- Xuất hiện nhân con

- Sự chia nhân, chia 1 nhân thành 2 nhân giống hệt nhau về mặt di truyền đã kết thúc

 Chia tế bào chất:

- Sự chia tế bào chất thường xảy ra ở cuối kỳ cuối, và 2 tế bào con xuất hiện ngay sau khi chia nhân

- Trong tế bào động vật, sự chia tế bào chất bao gồm sự hình thành rãnh phân cắt, rãnh lõm sâu và chia đôi tế bào

- Trong tế bào thực vật, sự chia tế bào chất gồm sự hình thành tấm tế bào giữa các tế bào con Mỗi tế bào tạo ra một màng sinh chất và một vách tế bào trong tấm tế bào

Khác với nguyên phân, trong phân bào giảm nhiễm (giảm phân) có thêm một lần phân chia NST nơi mà chúng ta gọi là các cặp nhiễm sắc thể tương đồng - 1 NST có nguồn gốc từ mẹ và 1 NST tương tự có nguồn gốc từ cha - tách nhau ra Vậy diễn biến các giai đoạn của giảm phân sẽ như thế nào?

B. Giảm phân cũng giống như nguyên phân, được tiến hành sau khi các NST

đã được nhân đôi Tuy nhiên, chỉ có 1 lần nhân đôi NST duy nhất trước khi xảy ra 2 lần phân bào liên tiếp nhau, được gọi là giảm phân I và giảm phân

II Hai lần phân bào này tạo ra 4 tế bào con , mỗi tế bào con chỉ có một nửa

số NST như ở tế bào mẹ

Hình 3 Các giai đoạn của giảm phân I.

 Giảm phân I: các NST tương đồng tách nhau ra

 Kỳ đầu I:

- Hạch nhân và màng nhân bị phá vỡ

- Các NST bắt đầu co xoắn lại, và các NST tương đồng bắt đôi với nhau suốt chiều dài, gen nọ nằm cạnh gen kia

- Trao đổi chéo được hoàn tất trong khi các NST tương đồng vẫn tiếp hợp, được giữ chặt với nhau nhờ protein

- Tiếp hợp kết thúc ở giữa kỳ đầu, và NST trong từng cặp dần tách nhau ra nhưng không tách rời hoàn toàn vì chúng được giữ với nhau ở cặp tâm động

- Cuối kỳ đầu I NST tương đồng tiếp tục tách rời và duỗi xoắn

 Kỳ giữa I:

- Các cặp NST tương đồng sắp xếp ở mặt phẳng xích đạo, mỗi NST trong một cặp hướng về 1 cực tế bào

 Kỳ sau I:

- Các protein gắn kết các nhiễm sắc tử chị em bị phân hủy làm cho NST tương đồng tách nhau ra

- Mỗi NST trong cặp tương đồng di chuyển về 1 cực đối lập nhờ sự hướng dẫn của thoi phân bào

- Lực cố kết giữa các nhiễm sắc tử chị em vẫn duy trì ở tâm động, làm cho các NST di chuyển như 1 đơn vị hướng về cùng 1 cực

 Kỳ cuối I và phân chia tế bào chất:

- Đầu kỳ cuối I, mỗi nữa tế bào có 1 bộ NST đơn bội hoàn chỉnh với các NST

đã được nhân đôi Mỗi NST gồm 2 nhiễm sắc tử chị em

- Phân chia tế bào chất thường xảy ra đồng thời với kỳ cuối I hình thành nên 2

tế bào đơn bội

- Trong các tế bào thực vật phiến tế bào (ở tế bào động vật thì rãnh phân cắt) được hình thành

- Ở một số loài, các NST dãn xoắn và màng nhân tái hình thành

Hình 4 Các giai đoạn của giảm phân II

 Giảm phân II: các nhiễm sắc tử chị em tách rời nhau

 Kỳ đầu II:

- Bộ máy thoi phân bào hình thành

- Ở cuối kỳ đầu II các NST mỗi cái vẫn còn 2 nhiễm sắc tử dính với nhau ở tâm động, di chuyển về mặt phẳng xích đạo

 kỳ giữa II:

- Các NST sắp xếp ở phiến giữa như trong nguyên phân

- Vì trao đổi chéo có thể xảy ra trong giảm phân I nên 2 nhiễm sắc tử chị em không giống hệt nhau về mặt di truyền

- Cuối kỳ giữa II tâm động phân chia, kết quả mỗi NST tách thành 2 NST như tại kỳ giữa của nguyên phân

 Kỳ sau II:

- Phân hủy các protein gắn kết nhiễm sắc tử chị em với nhau với tâm động làm cho các nhiễm sắc tử tách nhau ra Các nhiễm sắc tử di chuyển về các cực đối lập như những NST riêng biệt

 Kỳ cuối II và phân chia tế bào chất:

- Nhân con hình thành, các NST bắt đầu dãn xoắn và bắt đầu phân chia tế bào chất

- Một tế bào mẹ giảm phân tạo ra 4 tế bào con đơn bội, mỗi tế bào chứa 1 bộ NST (chưa nhân đôi) đơn bội

- Mỗi 1 trong số 4 tế bào con khác biệt hẳn nhau về mặt di truyền và khác với

tế bào mẹ

Trong giảm phân, sao chép DNA được theo sau bởi 2 sự kiện phân ly NST liên tiếp, dẫn đến việc sản sinh các giao tử với một số NST đơn bội trong một tế bào tiền thân lưỡng bội Sự phân ly NST trong giảm phân đòi hỏi nhiễm sắc tử chị

em gắn kết bị mất từ vai nhiễm sắc thể trong giảm phân I, nhưng vẫn giữ ở vùng tâm động cho đến khi giảm phân II Điều này diễn ra nhờ vào cơ chế nào?

 Cơ chế phân tách NST:

-Có 3 sự kiện quan trọng phải diễn ra trong giảm phân I để đảm bảo tính chính xác của mô hình phân ly NST này:

+ Đầu tiên, các liên kết phải được thiết lập giữa các cặp nhiễm sắc thể tương đồng - 1 NST có nguồn gốc từ mẹ và 1 NST tương tự có nguồn gốc từ cha để đảm bảo gắn bó với các cực đối lập của thoi phân bào giảm phân I Thông thường nhất, tái tổ hợp phân bào giảm nhiễm cung cấp những liên kết này bằng cách tạo ra ít nhất một điểm vắt chéo (chiasma), trong đó một nhiễm sắc tử chị em từ một tương đồng được đồng hóa trị liên kết với một nhiễm sắc chị em từ những tương đồng khác

+ Thứ hai, thể động (chinetochore) chị em của mỗi tương đồng phải gắn với các vi ống phát ra từ cùng một cực Bằng cách này, sức ép được tạo ra khi các cặp tương đồng liên kết bởi các điểm vắt chéo được gắn vào các cực đối lập của thoi giảm phân I

+ Thứ ba, các nhiễm sắc tử chị em gắn kết phải mất đi theo từng bước Việc loại bỏ các vai nhiễm sắc thể gắn kết gây nên sự phân chia nhiễm sắc thể tương đồng và giải quyết các điểm vắt chéo trong kì sau I Tuy nhiên, nhiễm sắc tử chị

em gắn kết phải được lưu giữ trong các khu vực xung quanh tâm động (được gọi là pericentromere Mất sự gắn kết pericentromeric này trong kì sau II gây nên sự phân ly của nhiễm sắc tử chị em cực đối lập

VẬY CÁI GÌ ĐÃ NGĂN CẢN SỰ PHÂN LY NHIỄM SẮC THỂ Ở KỲ SAU I ?

* Thí nghiệm của Yoshinori Watanabe và các cộng sự: họ đã biết rằng trong

kỳ sau I, protein shugoshỉn chỉ có ở xung quanh tâm động Họ muốn biết liệu nó có bảo vệ cohesin khỏi bị phân hủy trong giảm phân I để đảm bảo cho các nhiễm sắc

tử vẫn gắn với nhau trong khi các nhiễm sắc thể tương đổng phân ly hay không

Để kiểm tra giả thuyết này, họ đã sử dụng một loài nấm men, trong đó giảm phân tạo ra các bào tử đơn bội nằm thẳng hàng theo một trình tự đặc biệt trong nang bào tử Để theo dõi sự di chuyền của các nhiễm sắc thể, họ đã đánh dấu huỳnh quang vùng gắn tâm động của cả hai nhiễm sắc tử của một NST tương đồng còn vùng này của NST tương đồng còn lại thì không đánh dấu Sau đó họ đã làm bất hoạt gene mã hoá shugoshin và so sánh dòng nấm men này (shugoshin -) với các tế bào nấm men bình thường (shugoshin+) Họ đã kỳ vọng rằng hai NST đã được đánh dấu hình thành từ hai nhiễm sắc tử trong tế bào bình thường sẽ phân ly

về các bào tử khác nhau nằm mỗi cái ở một đầu của túi bào tử.Tiếp đó họ cũng tiên đoán rằng nếu shugoshin bảo vệ cohesin ở tâm động khỏi bị phân huỷ ở kỳ sau I thì các NST được đánh dấu trong các tế bào shugoshin sẽ phân ly một cách ngẫu

nhiên trong giảm phân II, đôi khi chúng lại ở cùng một bào tử.

Kết quả thí nghiệm đã kết luận rằng shugoshin bảo vệ cohesin ở tâm động

ở kì sau I, nhờ vậy duy trì sự gắn kết giữa các nhiễm sắc tử chị em và đảm bảo cho chúng phân ly bình thường trong giảm phân II

Như vậy, cơ chế bên trong là do sự gắn kết tâm động trong giảm phân và vai

trò của một loại protein - shugoshin, trong việc điều chỉnh quá trình này

-Các nhiễm sắc tử được gắn với nhau dọc theo chiều dài của chúng bằng các phức protein được gọi là cohesin

+ Trong nguyên phân sự gắn kết này được kéo dài tới tận cuối kì giữa, khi enzim phân hủy cohesin làm cho các nhiễm sắc tử có thể di chuyển tới các cực của

tế bào

+ Trong giảm phân, sự gắn kết nhiễm sắc tử được giải phóng qua hai bước

Ở kì giữa I, các NST được giữ với nhau bởi sự gắn kết bởi các vai của các nhiễm sắc tử trong các vùng mà ở đó DNA đã được trao đổi Trong kì sau I cohesin được loại bỏ ở các vai cho phép các NST tương đồng tách nhau ra Ở kì giữa II, cohesin được loại bỏ ở tâm động cho phép các NST tách rời nhau

Trong giảm phân, nhiễm sắc tử chị em được gắn với nhau bằng phức cohesin chứa tiểu đơn vị giảm phân Rec8 Trong giảm phân I, cặp nhiễm sắc thể tương đồng được liên kết bởi chiasmata và thể động chị em đính kèm để các vi ống phát ra từ cùng một cực Enzyme separase phân cắt các Rec8 trên vai của nhiễm sắc thể; tuy nhiên, Rec8 ở tâm động được bảo vệ do sự hiện diện của shugoshin Trong giảm phân II, sự gắn kết tâm động còn tạo điều kiện cho các thể động chị

em để các vi ống phát ra từ các cực đối lập của thoi phân bào Sức ép trên thể động chị em có thể làm bất hoạt shugoshin, và sự phân ly nhiễm sắc tử được kích hoạt bằng cách phân cắt của Rec8 còn lại bằng separase.

• Shugoshin bảo vệ gắn kết tâm động trong quá trình giảm phân I

Nhiễm sắc tử chị em gắn kết được gắn bởi các phức cohesin đa protein, tạo thành một cấu trúc hình vòng bao gồm nhiễm sắc tử chị em Cốt lõi của khu phức hợp cohesin gồm 4 tiểu đơn vị: Smc1, Smc3, Scc1 / Rad21 và Scc3 Phân bào gắn kết nhiễm sắc tử chị em bị phá hủy trong kì sau do sự kích hoạt của separase, một cystein protease, sẽ tách Scc1 / Rad21 dẫn đến mở vòng cohesin Trong giảm phân, các cohesin tiểu đơn vị Scc1 / Rad21 phần lớn được thay thế bởi một tiểu đơn vị giảm phân cụ thể Rec8 Tuy nhiên, cả hai sự cách ly các nhiễm sắc thể tương đồng

ở kì sau I và sự cách ly các nhiễm sắc tử chị em trong kì sau II cũng đòi hỏi sự phân tách Rec8 bởi separase, Rec8 được bảo vệ đặc biệt từ hoạt động separase xung quanh tâm động trong giảm phân I

• Shugoshin-PP2A-B’ ngăn chặn Cohesin phosphoryl

Làm thế nào để shugoshin ngăn chặn Rec8 tách ở tâm động trong giảm phân I? Protein phosphatase 2A (PP2A) là một phosphatase serine / threonine PP2A này bảo vệ cohesin ở tâm động từ enzyme separase bằng cách loại bỏ các nhóm phosphate trên Rec8 được sản sinh bởi nhiều enzyme kinase, điều này rất cần thiết cho Rec8 phân cắt PP2A-B' ưu tiên hợp tác với Sgo1 ở tâm động phân bào giảm nhiễm Sgo1 là cần thiết cho sự định vị tâm động của PP2A-B' trong giảm phân và tương tự như sgo1 đột biến thì bất hoạt của PP2A-B' (bằng cách xóa các tiểu đơn vị xúc tác hoặc tiểu đơn vị của B) gây ra sự mất sớm của Rec8

ở tâm động, gây ra sự phân ly sớm của nhiễm sắc tử chị em trong giảm phân I Tóm lại, việc bảo vệ Rec8 ở tâm động bởi shugoshin và PP2A có thể là một cơ chế rất quan trọng

• Nhiều kinase thúc đẩy sự gắn kết phân cắt

Kinase nào phosphorylate Rec8 để thúc đẩy sự phân tách của nó và làm mất tác dụng tại pericentromere bởi PP2A-B' ? Ba kinase, cụ thể là polo, casein kinase 1δ / ε (CK1) và Dbf4 phụ thuộc Cdc7 kinase (DDK) liên quan trong quá trình này Các kinase polo-như Cdc5 có thể có vai trò trong việc thúc đẩy Rec8 tách Tuy nhiên, một số quan sát chỉ ra rằng Rec8 phosphoryl hóa bởi polo kinase có thể không cần thiết cho sự phân tách của nó Đầu tiên, Rec8 tách không ngăn chặn các

tế bào Cdc5 cạn kiệt Sgo1 Thứ hai, trong điều kiện đột biến nhất định, Rec8 được phân tách trong kì đầu, mặc dù Cdc5 vắng mặt ở giai đoạn này của giảm phân Thứ