Sinh Học Phát Triển người và động vật

1. Khái niệm về sự phát triển2. Vai trò của tế bào trong sự phát triển3. Sự phát sinhh giao tử4. Sự thụ tinh5. Sự phân cắt trứng6. Sự tạo phôi vị7. Sự hình thành hệ thần kinh8. Các cơ quan nội bì và trung bì9. Cơ chế của sự phát triển

1 Chương Khái niệm phát triển I.Nguyên lý thuyết biểu sinh Một vấn đề trung tâm sinh học phát triển nguyên lý thuyết biểu sinh (epigenesis) Theo phần lớn loài sinh vật khởi đầu từ tổ chức đơn giản sau trở thành tổ chức thể phức tạp Thuyết biểu sinh biểu thị phần chu kỳ sống sinh vật Hầu hết cá thể sinh vật bắt đầu sống trứng thụ tinh, trải qua trình phát triển phôi, giai đoạn non, sau giai đoạn trưởng thành Đến lượt cá thể trưởng thành tạo trứng tinh trùng kết hợp với chu kỳ sống hệ Khi thể phát triển từ trứng thụ tinh rõ ràng trình phức tạp Điều cho thấy tổ chức trứng không đơn giản Một trứng có đầy đủ bào quan có chế điều hòa tinh vi tế bào sống Trứng tế bào chuyên hóa, cấu tạo để thực vai trò phát triển Nó bảo vệ lớp vỏ chung quanh sẵn sàng đón nhận tinh trùng thụ tinh Nó đón nhận chất dinh dưỡng mà mang đầy đủ thông tin cấu trúc xác định quan phận tương lai Khả trứng thụ tinh phát triển thành thể trưởng thành phức tạp kỳ công vĩ đại thiên nhiên Thuật ngữ dùng mô tả tượng thuyết biểu sinh Nguyên lý thuyết biểu sinh Aristotle (384-322 TCN) thừa nhận ông quan sát phát triển phôi gà vật khác Tuy nhiên, vào kỷ XVII, người ta lại theo thuyết tiên thành (preformation) Thuyết cho tế bào mầm có thể nhỏ thể gia tăng kích thước trình phát triển Về sau với đời kính hiển vi phương pháp luận mới, tính ưu việt thuyết biểu sinh thống trị suốt kỷ XVIII Nhà giải phẫu học người Đức K F Wolff (1733-1794) thể hình thành sớm tinh trùng hay trứng phát triển gia tăng kích thước phôi trông giống thể nhỏ Tuy nhiên, quan sát Wolff cho thấy phôi gà phát triển không giống với gà nở Hơn nữa, nhiều nhà khoa học khám phá khác phôi, giai đoạn non giai đoạn trưởng thành mà thuyết tân thành bị vào lãng quên Ngày thuyết biểu sinh xem nguyên lý chủ đạo phát triển chế phân tử tế bào đóng vai trò kiến thức sở phát triển Axit nucleic trứng tinh trùng mang vật chất di truyền mã hóa nucleotit ADN Bộ gen loài cung cấp thông tin cần thiết cho tăng trưởng phát triển cá thể suốt đời sống II Các giai đoạn phát triển chu kỳ sống Sự liên tục phát triển mở đầu trứng thụ tinh giai đoạn trưởng thành lặp lại qua sinh sản xem chu kỳ sống Các nhà sinh học phân chia chu kỳ sống làm ba thời kỳ: phát triển phôi, phát triển hậu phôi trưởng thành Mỗi thời kỳ lại phân chia nhiều giai đoạn Để minh họa chu kỳ sống động vật, xem xét phát triển loài ếch Xenopus laevis Nam Phi, đối tượng nghiên cứu tốt sinh học phát triển Thuật ngữ phôi dùng chung để mô tả phát triển cá thể từ thụ tinh biệt hóa mô quan Thời kỳ gọi phát triển phôi phân chia thành giai đoạn: thụ tinh, phân cắt, tạo phôi vị (phôi vị hóa), phát sinh quan phát sinh mô.Sự thụ tinh kết hợp trứng với tinh trùng Trứng tế bào có kích thước lớn chứa đầy chất dinh dưỡng để giúp phôi phát triển vật tự lấy thức ăn từ bên Phần lớn trứng có cực động vật thực vật Cực động vật cực có chứa nhân cực đối diện cực thực vật Ở Xenopus, cực động vật chứa sắc tố cực thực vật sáng chứa khối noãn hoàng lớn Tinh trùng tế bào chuyên hóa cao với chức tìm thụ tinh với trứng Sau thụ tinh tinh trùng, trứng gọi hợp tử Sự thụ tinh tạo thúc đẩy mạnh hoạt động biến dưỡng, chủ yếu tổng hợp ADN protein Trong trình phân cắt, hợp tử phân chia thành 2, 4, 8, 16, 32, 2n tế bào hay gọi phôi bào Lúc đầu phôi tế bào đặc gọi phôi dâu (morula), sau khối tế bào rỗng với lớp tế bào gọi phôi nang (blastula) Giai đoạn phôi vị hóa Trong toàn phôi diễn loạt chuyển động tạo hình Các phôi bào di nhập vào bên trong, xếp lại tạo thành lớp phôi bào thứ hai Phôi giai đoạn gọi giai đoạn phôi vị Lúc phôi có hai phôi (lá phôi phôi trong), có ruột nguyên thủy bên có lỗ phôi Sau phôi chuyển sang giai đoạn tạo trung bì (lá phôi giữa) để hình thành phôi có ba phôi gọi lớp tế bào mầm Trong giai đoạn phát triển phôi, lớp tế bào mầm diễn mạnh mẽ chuyển động tạo hình tương tác với phần khác tạo sở hình thành quan ấu trùng Ở trình gọi phát sinh quan này, phôi thể rõ hình dạng vật Cuối phát sinh mô, tế bào chuyên hóa để đảm nhận chức khác Thời kỳ phát triển hậu phôi kết thúc phát triển phôi bắt đầu giai đoạn trưởng thành Trong thời kỳ vật có dạng Hình 1.1 Chu kỳ sống ếch (Theo K Kalthoff, 1996) Thụ tinh Phân cắt Tạo phôi vị Phát sinh quan Phát sinh mô Nở Phát triển hậu phôi Trưởng thành Phôi nang 10 Vị trí tế bà mầm 11 Ngoại bì 12 Trung bì 13 Nội bì 14 Trứng 15 Tinh trùng thể trưởng thành thu nhỏ Ở ếch nhái nhiều loài động vật khác, trải qua giai đoạn trung gian gọi ấu trùng Nói chung thời kỳ ấu trùng vật thoát khỏi vỏ trứng Đặc trưng ấu trùng có khả di chuyển, dinh dưỡng, đồng thời gia tăng khối lượng Tuy nhiên, ấu trùng có hình dạng lối sống khác với dạng trưởng thành có tên khác, chẳng hạn nòng nọc ếch Nòng nọc có quan ếch trưởng thành mắt, não bộ, tim, có quan đặc biệt mang đuôi Sự biến đổi từ ấu trùng sang dạng trưởng thành gọi biến thái Thời kỳ trưởng thành bắt đầu vật thành thục sinh dục, tạo trứng tinh trùng III Tổ chức kiểu mẫu trường phôi Sau xem xét chu kỳ sống, đề cập đến khía cạnh khác phát triển gọi tổ chức kiểu mẫu (pattern formation) Đây phát triển cách trật tự yếu tố khác Ví dụ điểm mắt cánh loài bướm Chúng xuất nhằm đánh lạc hướng kẻ thù Điểm mắt tạo nên biệt hóa tế bào liên quan với sắc tố khác Các tế bào có màu sáng xanh tạo thành điểm tế bào với sắc tố đen nâu sáng tạo thành vòng bao quanh Như tổ chức kiểu mẫu đòi hỏi tế bào phải có cách thể khác cách có hiệu việc đánh lạc hướng Tổ chức kiểu mẫu hình thành tất giai đoạn phát triển theo tỷ lệ khác từ xếp cấu trúc hiển vi quan sơ đồ cấu tạo thể Đặc biệt biệt hóa để hình thành mô Mô xếp kiểu quan Cơ quan xếp theo sơ đồ thể Chẳng hạn tim động vật có xương sống nằm mặt bụng, cột sống phát triển mặt lưng hệ thần kinh trung ương nằm cột sống hộp sọ Một nhóm tế bào kết hợp để tạo thành quan thể gọi trường phôi (embryonic fields) Sự thiết lập trường phôi tổ chức kiểu mẫu tượng phát triển biết đến Không phải có biệt hóa tế bào mặt số lượng mà biệt hóa xếp quan thể IV Điều khiển di truyền phát triển Tất thông tin quan trọng việc tạo kiểu thể sinh vật, biệt hóa tất tế bào, việc điều khiển chu kỳ sống nằm tế bào hợp tử Hợp tử mang cấu trúc để xây dựng trì sinh vật toàn vẹn từ lần phân chia tế bào chết Tất thông tin nằm vật chất di truyền biết đến ADN Đơn vị chức thông tin gọi gen Gen ảnh hưởng đến hình thái hoạt động tế bào thể tất giai đoạn phát triển chu kỳ sống Thật ra, gen điều khiển việc tạo tính chất phân tử dựa sở phát triển Bởi gen chép thành ARN phiên mã thành polypeptit Sự phát triển hợp tử bé nhỏ hướng dẫn gen gốc ARN protein mã hóa gen gốc tổng hợp xác định trứng trình tạo trứng Gen phôi gen hợp tử di truyền từ bố mẹ điều khiển phát triển Gen tế bào gốc nhân đôi trình phát triển ADN mARN tích lũy để đẩy nhanh phát triển sử dụng tất phôi bào giống Các sản phẩm gen gốc khác phân bố không trứng Vì vậy, số lượng chúng không giống phôi bào khác Nếu sản phẩm gen xác định bị biến đổi đột biến gen gốc mã hóa tổ chức thể phôi phát triển có số xáo trộn Ví dụ: Drosophila thiếu hai gen bicaudal+ sinh ruồi giấm có phần sau thân gấp đôi phần đầu phần ngực bị thiếu Kiểu hình đặc biệt phát triển độc lập với alen bicaudal cá thể đực Các phân tích di truyền phân tử cho thấy protein bicaudal phiên mã từ mARN buồng trứng Phôi xuất phát từ cá thể alen bicaudal chức Gen điều khiển tạo phần đầu phần ngực không hoạt động phần trước thể không tạo nên Nhiều gen có chức phát triển hoạt động vài giai đoạn phát triển số nhóm tế bào Các đột biến không bình thường biểu thị gen làm phong phú nguồn thông tin để phân tích phát triển Các kiểu hình tạo đột biến đặc biệt tìm thấy thời kỳ đầu chu kỳ sống cung cấp đầu mối có giá trị vai trò sinh học gen phát triển Chương Vai trò tế bào phát triển I Nguyên lý tính liên tục tế bào Như biết tẩt sinh vật cấu tạo tế bào Học thuyết tế bào M Schleiden sau T Schwann đề lần năm 1838 Trong thập niên sau đó, nghiên cứu cho thấy tế bào tăng lên qua tồn phân chia Đây khám phá quan trọng nhà khoa học trước nghĩ tế bào tự sinh từ vật chất tế bào Tuy nhiên điều không tìm thấy xảy điều kiện trái đất, tế bào chắn tạo từ kết hợp chất vô đơn giản điều kiện môi trường khác thời kỳ đầu lịch sử hành tinh Tính liên tục tế bào R.Virchow tóm tắt cách súc tích vào năm 1858 tất tế bào sinh từ tế bào Thành tựu quan trọng khác học thuyết tế bào việc khám phá trứng tinh trùng tế bào chuyên hóa chúng sinh từ tế bào buồng trứng tinh hoàn Vào năm 1841, R A Koelliker tinh trùng tế bào đặc biệt có nguồn gốc tinh hoàn không nhiều người nghĩ chúng động vật ký sinh chất dịch ống sinh tinh Tương tự vậy, vào năm 1861, K Gegenbauer thừa nhận trứng tế bào đơn Một vài năm sau, năm 1875, O Hertwig quan sát hai nhân trứng cầu gai thụ tinh, có nguồn gốc từ trứng có nguồn gốc từ tinh trùng Các khám phá thiết lập nguyên lí tính liên tục tế bào: tất sinh vật sinh phân chia liên tục tế bào Điều có nghĩa tế bào thể ngày kết chuỗi tế bào sinh từ bố mẹ, ông bà, tổ tiên loài người, thú, chim, bò sát, sinh vật đơn bào nguyên thủy sinh cách hàng tỷ năm Sinh học đại bắt đầu học thuyết tế bào kết hợp với quan sát hoạt động thể nhiễm sắc Năm 1883, E van Beneden nhân giao tử tương đương với số lượng thể nhiễm sắc thụ tinh Hoạt động thể nhiễm sắc việc tạo giao tử thụ tinh cung cấp sở khoa học cho định luật Mendel quan sát khác di truyền Vào năm đầu kỷ XX, học thuyết dựa tính liên tục phân chia tế bào, chép nguyên văn phân bố thể nhiễm sắc II Chu kỳ tế bào điều khiển chu kỳ tế bào Chu kỳ tế bào thời gian tồn tế bào từ lúc tạo thành kết phân chia tế bào mẹ lần phân chia Chu kỳ tế bào khác lọai tế bào giai đoạn phát triển khác Ví dụ: chu kỳ tế bào sinh vật chưa có nhân thức ( tiền nhân ) kéo dài từ 20-30 phút, chu kỳ tế bào sinh vật có nhân thức ( nhân thật ) kéo dài từ 10-12 Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn chu kỳ tế bào (Theo K Kalthoff, 1996) 1.Tổng hợp ARN 2.Nguyên phân 3.Tổng hợp ARN 4.Tổng hợp ADN 5.Gian kỳ Ở sinh vật chưa có nhân thức, chu kỳ tế bào gồm có hai giai đoạn tách đôi phân tử ADN phân chia tế bào chất ADN sinh vật chưa có nhân thức mạch đơn có dạng vòng Sự phân đôi ADN xảy trước lúc bắt đầu phân chia tế bào Mỗi phân tử ADN gắn với vùng khác màng sinh chất sau chúng tách Sự phân chia tế bào chất lúc màng sinh chất vách ngăn tổng hợp phần tế bào Vách ngăn phân chia tế bào làm hai phần, phần trở thành tế bào Các tế bào sau hình thành dính liền với vi khuẩn dạng sợi tách thành thể loài vi khuẩn khác Ở sinh vật có nhân thức, chu kỳ tế bào gồm hai giai đọan gian kỳ phân chia tế bào Gian kỳ thời kỳ chuẩn bị điều kiện vật chất lượng cho phân bào Đây thời kỳ tế bào tăng trưởng mạnh chiếm 90% thời gian chu kỳ tế bào Gian kỳ chia làm ba kỳ nhỏ kỳ trước tổng hợp (G1), kỳ tổng hợp (S) kỳ sau tổng hợp (G2) Giai đoạn phân chia tế bào (M) bao gồm nguyên phân (mitosis) phân chia tế bào chất (cytokinesis) Thời kỳ nguyên phân bao gồm bốn kỳ: - Kỳ trước (prophase) kéo dài từ 2-270 phút diễn nhân Ở kỳ chất nhiễm sắc xoắn lại tạo thành thể nhiễm sắc Mỗi thể nhiễm sắc gồm hai chromatid dính tâm động Sau thoi vô sắc xuất màng nhân biến - Kỳ (metaphase) kéo dài từ 0,3-170 phút Hình thành thể nhiễm sắc kép tập trung mặt phẳng xích đạo thoi vô sắc - Kỳ sau (anaphase) kéo dài từ 0,3-120 phút Hai chromatid tách tâm động thành thể nhiễm sắc Các thể nhiễm sắc trượt thoi vô sắc tiến hai cực tế bào - Kỳ cuối (telophase) kéo dài từ 1.5-150 phút Hai nhân hình thành hai cực tế bào Thể nhiễm sắc tháo xoắn Thoi vô sắc biến Thời kỳ phân chia tế bào chất diễn lúc với hình thành nhân Đầu tiên việc hình thành rãnh phân cắt bề mặt tế bào, rãnh thắt dần lại để tách thành hai tế bào Quá trình tách đôi tế bào động vật thực nhờ sợi protein actin cực nhỏ có khả co rút tập trung màng sinh chất vùng tế bào mẹ Quá trình giảm phân: Giảm phân gồm giai đoạn nguyên phân Tuy nhiên điểm khác biệt thể nhiễm sắc nhân đôi lần lại chia đôi hai lần (giảm phân I giảm phân II) Kết tạo bốn tế bào nhiễm sắc giảm nửa so với tế bào mẹ Giảm phân I: Đầu tiên thể nhiễm sắc tự nhân đôi Mỗi thể nhiễm sắc gồm hai thể nhiễm sắc tương đồng dính tâm động Giảm phân I chia làm bốn kỳ: - Kỳ trước I chiếm 90% giảm phân Thể nhiễm sắc hình thành sợi nhiễm sắc mảnh có đầu dính vào màng nhân, sau thể nhiễm sắc đồng dạng bắt cặp với xảy trình trao đổi chéo Hai trung tử tách hai cực tế bào - Kỳ giữa: cặp thể nhiễm sắc tương đồng tập trung mặt phẳng xích đạo thoi vô sắc Mỗi thể nhiễm sắc ngắn lại dài lên đồng thời gắn vào sợi thoi vô sắc - Kỳ sau: thể nhiễm sắc kép cặp tương đồng di chuyển cực tế bào - Kỳ cuối: đồng thời với phân chia nhân, tế bào chất phân chia tạo hai tế bào đơn bội Hình 2.2 Các giai đoạn chu kỳ tế bào (Theo K Kalthoff, 1996) (a)Kỳ trung gian (b)Kỳ trước (c)Trước kỳ (d)Kỳ (e)Kỳ sau (f)Kỳ cuối 1.Hạt trung tâm 2.Trung thể 3.Sợi chromatin không cuộn lại 4.Nhân 5.Màng nhân 6.Sợi chuyển động 7.Sợi 8.Sợi nối cực Kinetochore 10.Tâm điểm 11.Chromatid 12.Trung thể 13.Màng nhân bị tan rã Giảm phân II: - Kỳ trước: thoi vô sắc xuất Các thể nhiễm sắc di chuyển vào tế bào - Kỳ giữa: thể nhiễm sắc tập trung mặt phẳng xích đạo thoi vô sắc Mỗi thể nhiễm sắc cặp thể nhiễm sắc tương đồng nối với cực tế bào nhờ thoi vô sắc - Kỳ sau: tâm động thể nhiễm sắc kép tách Mỗi thể nhiễm sắc cực tế bào 10 - Kỳ cuối: Ở cực tế bào hình thành nhân xảy phân chia tế bào chất Như từ tế bào mẹ nhiễm sắc lưỡng bội tạo bốn tế bào nhiễm sắc đơn bội Các tế bào sinh vật đa bào phân chia theo tốc độ khác Các tế bào phôi phân chia mười phút một, tế bào biểu bì hoàn tất chu kỳ tế bào ngày Sự khác biệt thời gian chu kỳ tế bào chủ yếu thay đổi thời gian pha G1 Phần lớn tế bào ngừng phân chia giai đoạn nghĩ pha G1 mà người ta gọi pha G0 Chu kỳ tế bào điều hòa số enzym gọi cyclin-dependent kinases Các enzym làm gia tăng nhóm photphat protein khác Chức quan trọng tế bào gia tăng nhóm phot phat làm thay đổi cấu trúc không gian ba chiều hoạt động sinh học protein Hoạt động cyclin-dependent kinases đòi hỏi kết hợp với cycline Cyclin loại protein đa dạng chúng thay đổi chu kỳ tế bào Chẳng hạn cycline B tích lũy gian kỳ giảm cách đột ngột kỳ Sự kết hợp khác cyclin-dependent kinases với cycline điều hòa trình hình thành tế bào qua pha khác chu kỳ tế bào 65 tế bào biểu mô tế bào phân nhánh mang sợi bao quanh tế bào tuyến Như vậy, tế bào biểu mô loại tế bào riêng lẻ, không mang tính chất trung gian tế bào tế bào biểu bì Tính chất trung gian tồn trình phát triển Chúng biến đổi đạt đến tình trạng thành thục chúng trở thành tế bào chuyên biệt 1.2 Sự ổn định trạng thái biệt hóa: Phần lớn tế bào biệt hóa không chuyển đổi thành loại tế bào khác phát triển bình thường Tế bào xương không trở thành tế bào tế bào không trở thành tế bào biểu bì Trong điều kiện thực nghiệm, người ta quan sát ngoại lệ quy luật Chẳng hạn, tế bào thực vật biệt hóa phân lập tạo toàn tế bào với tất tế bào biệt hóa mang đặc điểm loài Mống mắt kỳ giông trở thành nhân mắt Đặc biệt tái tạo gây pha biệt hóa, tế bào tính chất biệt hóa gia tăng nhanh chóng số lượng trước chúng biệt hóa trở lại theo cách Cuối nhiều tế bào tế bào nang trứng côn trùng cho thấy đa hình liên tục Các tế bào có cấu trúc chức khác giai đoạn phát triển Tuy nhiên, tất trường hợp ngoại lệ không theo quy luật chung 1.2 Sự biệt hóa tế bào diễn bước tùy thuộc vào tế bào khác: Sự biệt hóa tế bào diễn bước bắt đầu phát triển phôi sớm Vào giai đoạn phôi dâu phôi động vật có vú, tế bào bên phân cực tạo nên liên kết nhẹ, tế bào bên không phân cực có kiên kết mạnh Khái niệm loại tế bào có liên quan đến cấu trúc cuối tế bào chúng vị trí thể Chẳng hạn, số loại tế bào xương đầu, thân, cánh tay đùi Như vậy, hai tế bào loại có lịch sử phát triển khác Các tế bào đạt đến trạng thái biệt hóa theo chế khác biệt hóa tế bào Ví dụ: tế bào đuôi giun tròn sinh từ tế bào nguyên thủy chứa tương hay từ tế bào thứ cấp tương Nhiều tế bào chuyên hóa cao tùy thuộc vào tế bào khác nhờ hỗ trợ chúng phát triển đồng thời Chẳng hạn tế bào thần kinh hệ thần kinh trung ương lệ thuộc nhiều vào hệ tiêu hóa hô hấp mặt dinh dưỡng trao đổi khí Quyết định biệt hóa giai đoạn phát triển phôi sớm Người ta làm thí nghiệm làm sai lệch trình phát triển để xem khả điều chỉnh phôi, tức để tìm hiểu thời điểm xẩy định Ở giai đoạn chưa phân cắt, người ta hút bớt cắt bớt phần tế 66 bào chất Ở giai đoạn phân cắt, người ta tách riêng phôi bào, phối hợp phôi bào từ vị trí khác Tùy theo khả tự điều chỉnh vậy, W Roux phân biệt hai loại trứng: trứng điều hòa trứng khảm Trứng điều hòa loại trứng có khả điều chỉnh cao, trứng khảm gồm khu vực tế bào chất có số phận chắn, không thay đổi hướng phát triển, khả điều chỉnh Trứng có khả điều chỉnh cao trứng thủy tức Aegineta Mỗi phôi bào giai đoạn 32 phôi bào tách riêng phát triển thành thể bình thường Thí nghiệm rõ ràng vấn đề thực trứng cầu gai (H 9.1) Bằng kim thủy tinh mảnh, người ta cắt trứng cầu gai chưa thụ tinh làm hai phần tương ứng với hai nửa động vật thực vật trứng Sau tiến hành thụ tinh cho nửa trứng Kết nửa động vật phân cắt vầ phát triển thành phôi nang vĩnh viễn Nửa thực vật phân cắt tạo ấu thể có đường tiêu hóa cấu tạo từ nội bì, số ngoại bì khung xương trung bì tạo nên Ngoại bì có lông rung bao phủ, ấu thể không phát triển qua giai đoạn trưởng thành Cả hai dạng khả sống Mỗi dạng thiếu cấu trúc Có điều thú vị vị trí nhân trứng không ảnh hưởng tới kết phẫu thuật Nhân nằm nửa động vật thực vật Trong thí nghiệm thứ hai, người ta cắt trứng theo mặt phẳng qua trục động - thực vật hai nửa trứng cỏ đầy đủ hai phần cho thụ tinh Kết hai nửa trứng cho hai phôi nguyên vẹn Những kết thí nghiệm khẳng định dẫn liệu vai trò đai sắc tố phát triển trứng nguyên vẹn rõ từ nửa động vật tạo nên ngoại bì; từ nửa thực vật tạo nên chủ yếu trung bì, nội bì ngoại bì Do dẫn liệu nêu mà nẩy sinh thắc mắc tổ chức có liên quan với tạo thành ba phôi thiết lập trứng phần trứng chịu trách nhiệm tổ chức Để tìm hiểu vấn đề người ta ly tâm trứng với tốc độ lớn Khi trứng bị xáo trộn lớn: thành phần khác trứng xếp thành lớp tùy tỷ trọng chúng Nhờ ly tâm thay đổi vị trí ban đầu đa số thành phần hiển vi trứng Nếu thực phần chịu trách nhiệm tổ chức trứng từ trứng ly tâm thu ấu thể quái hình Trên thực tế, trứng cầu gai bị ly tâm mạnh, sau thụ tinh phát triển thành ấu trùng hoàn toàn bình thường Như vậy, tổ chức trứng, có lẽ phụ thuộc vào cấu trúc tinh vi chất tế bào mà không bị ly tâm phá hủy (H 9.2) 67 Hình 9.1 Thí nghiệm tách trứng cầu gai (Theo W B Charles, 1978) (a) Cắt theo mặt phẳng kinh tuyến (b) Cắt theo mặt phẳng vĩ tuyến 1.Ngoại bì 2.Trung bì 3.Nội bì 68 Hình 9.2 Thí nghiệm ly tâm trứng cầu gai (Theo W B Charles, 1978) A.Phôi ly tâm B.Phôi phát triển sau ly tâm 1.Chất tế bào suốt 2.Lớp vỏ 3.Sắc tố 4.Các hạt 5.Nhân 6.Các lipid Hình 9.3 Giả thiết tập trung nội bì, ngoại bì trung bì vỏ trứng cầu gai (Theo W B Charles, 1978) 1.Ngoại bì 2.Chất nội bào 3.Nội bì 4.Trung bì Ngày có nhiều dẫn liệu chứng tỏ lớp vỏ chịu trách nhiệm tổ chức trứng Lớp cấu tạo chất tương đối đặc, có độ nhớt cao chúng không bị hư hại Giả thuyết nêu lớp vỏ chịu trách nhiệm tổ chức trứng phân bố chất tiền thân ba phôi Từ người ta hình dung sơ đồ sau: lớp cực động vật chứa yếu tố chịu trách nhiệm việc tạo ngoại bì; vùng xích đạo trứng, lớp vỏ chứa yếu tố đảm bảo việc tạo nội bì cực thực vật lớp sinh chất vỏ định việc tạo trung bì (H 9.3) 69 Các thí nghiệm chứng tỏ định biệt hóa diễn giai đoạn đầu phát triển phôi Điều khẳng định thêm thí nghiệm khác trứng ếch giai đoạn hình thành liềm xám cấu trúc xuất 30 phút sau thụ tinh vị trí đối diện với nơi xâm nhập tinh trùng Các thí nghiệm Roux Spenmann lần phát vai trò liềm xám phát triển lưỡng cư Điều thể rõ từ kết thí nghiệm tách rời trứng thành hai nửa Nếu mặt phẳng qua liềm xám số hai phôi bào chứa hai nửa liềm xám nửa phát triển thành phôi nguyên vẹn Nếu đường cắt không qua liềm xám có nửa chứa liềm xám nửa không Kết có nửa có liềm xám cho phôi bình thường, nửa liềm xám tạo nên bọc ngoại bì chứa nội bì không biệt hóa Cũng thu kết tương tự dùng phẫu thuật lấy liềm xám trứng có phân cắt không đạt đến giai đoạn phôi vị Hình 9.4 Thí nghiệm tách đôi trứng ếch giai đoạn liềm xám (Theo W B Charles, 1978) A.Nhìn B.Nhìn bên Những thí nghiệm gần cho thấy hoạt tính sinh lý liềm xám tập trung lớp vỏ liềm xám Lấy lớp vỏ từ vùng liềm xám trứng Xenopus thụ tinh không ảnh hưởng tới phân cắt tạo phôi vị không xảy Tầm quan trọng nguyên liệu vỏ biểu rõ rệt hơn, lấy lớp vỏ từ trứng Xenopus thụ tinh chưa phân cắt đem ghép lên phía đối 70 lập trứng khác trứng ghép tạo nên hai liềm xám phát triển nên hai hệ thần kinh trung ương Như vậy, yếu tố cần thiết cho tạo phôi vị phát triển phôi bình thường tập trung lớp tế bào chất vỏ vùng liềm xám gần Đối với động vật có vú, thí nghiệm tách hay phôi bào cho thấy khả điều chỉnh hoàn toàn giai đoạn Thậm chí ghép 2, hay phôi bào làm phôi hỗn hợp cho cá thể bình thường Thuộc loại trứng khảm trứng hải tiêu, sứa lược, giun tròn dạng phân cắt xoắn Ở loài nói trên, phôi bào tách riêng cho cấu trúc mà phôi bình thường chúng cho Ví dụ hải tiêu, sau thụ tinh đã phân biệt trục đầu- đuôi phảitrái Một bốn phôi bào tách riêng cho 1/4 thể, nửa đầu phải, nửa đầu trái, nửa đuôi phải nửa đuôi trái Các ví dụ trình bày cho thấy phân biệt hai loại trứng điều hòa trứng khảm tương đối, tùy thuộc bắt đầu định Sự định sớm theo hai hướng: động vật cho ngoại bì thực vật cho nội bì, hướng thứ ba trung bì xuất muộn chút Sự định trứng khảm lại sớm Về chế, phân hai vùng động, thực vật có giả thuyết C M Child (1936) Ông cho xác định hai cực động vật, thực vật đặc tính phân bố mạch máu xung quanh nang trứng gây nên Phần máu gần gốc mạch nhiều oxi cho phần động vật, phần thực vật hình thành phần mạch xa oxi 3.Giá trị đoán trước khu vực phôi sớm- Bản đồ phôi Bằng cách nhuộm sống dùng chất đồng vị phóng xạ đánh dấu phôi bào theo dõi số phận chúng trình phát triển Vị trí khu vực nhuộm cho biết môi lưng phôi tạo thành từ liềm xám từ phôi vị hình thành nên phôi Nguyên liệu liềm xám nằm khu vực đầu nội bì tạo nên ruột nguyên thủy Các khu vực đánh dấu khác khu vực a nằm môi lưng phôi tạo nên nội bì đầu; từ khu vực b tạo nên dây sống; khu vực c phát triển thành đoạn sau hệ thần kinh; khu vực d nằm gần cực động vật tạo nên phần lớn não bộ; từ phần e, g, h, i phát triển thành biểu bì thuộc phần khác thể ruột sau (H 9.5) Bằng cách thế, người ta tìm hiểu số phận tất khu vực phôi biết giá trị tương lai chúng Căn vào kết người ta vẽ đồ giá trị đoán trước phôi lưỡng cư gọi đồ phôi (H 9.6) 71 Hình 9.5 Giá trị đoán trước khu vực phôi (Theo W B Charles, 1978) A.Phôi vị sớm B.Phôi giai đoạn xác định cấu trúc 1.Môi lưng phôi 2.Tim 3.Biểu bì đầu 4.Não 5.Dây sống 6.Tủy sống 7.Lỗ ruột 8.Biểu bì bụng 9.Xoang ruột Hình 9.6 Bản đồ phôi (Theo W B Charles, 1978) 1.Nội bì đầu 2.Nội bì 3.Thể tiết 4.Biểu bì 5.Tấm thần kinh 6.Dây sống 7.Trung bì bên Môi lưng phôi 72 II Sự tương tác nhân tế bào chất phát triển Sự kết hợp tế bào sinh dục hai cá thể bố mẹ đưa tới việc tạo thành hệ có dấu hiệu hai bố mẹ Vì tinh trùng đóng góp nhân, nên nguyên liệu di truyền có tương tác với thành phần tế bào chất trứng để tạo nên cá thể trưởng thành Phân tích vai trò nhân tế bào chất mối tương tác chúng hướng chủ yếu nghiên cứu Đặc trưng cho nghiên cứu tiến hành thí nghiệm tế bào sinh dục sống phôi sống Spenmann thắt trứng thụ tinh Triton tách làm hai nửa, nửa có chứa nhân, phân cắt xẩy nửa có nhân phát triển thành cá thể nguyên vẹn Vai trò nhân Cả nhân lẫn tế bào chất cần thiết cho phát triển Hoạt động chức tế bào chất bị hạn chế nhân Điều chứng minh thực nghiệm làm nhân cấy nhân amip Amip nhân sống đến hai tuần, hoạt động sống yếu chút cuối chết Nếu vòng ngày đầu lại cấy nhân trở lại phục hồi hoạt động sống bình thường Những dẫn liệu chứng tỏ nhân cần thiết để trì hoạt động sống bình thường tế bào thành thục Có thể tiến hành thí nghiệm tương tự trứng phát triển Các thí nghiệm trứng lưỡng cư cho thấy nhân phân cắt diễn không điển hình phát triển thành phôi nang không hoàn toàn, không biệt hóa, sau chết Tất thí nghiệm trứng không nhân xác nhận điều tổng quát muốn cho trình tổng hợp, phân chia biệt hóa thực phôi phát triển cần thiết phải có nhân Nhân trình tạo hình Các thí nghiệm kinh điển Hammerling với loài tảo đơn bào Acetabularia rõ mối liên hệ trực tiếp nhân trình tạo hình Tế bào tảo hoàn toàn phát triển gồm có mũ lớn, thân rễ gốc hay rễ giả Nhân nằm rễ giả loài tảo có khả tái sinh thân mũ Nhân cần thiết cho tái sinh mũ Thân không nhân tái sinh mũ lần sau vài tháng tế bào chết Tuy nhiên, khúc thân chứa nhân tái sinh mũ Những nghiên cứu Acetabularia phát khía cạnh hoạt động nhân Đó giám sát hình dạng đặc hiệu mũ Ví dụ: đem rễ giả chứa nhân loài B ghép vào thân loài khác (A), phát hoạt động tạo hình nhân cách cắt mũ theo 73 Hình 9.7 Thí nghiêm chứng minh vai trò nhân tảo Acetabularia (Theo W B Charles, 1978) 1.Mũ 2.Thân 3.Rễ giả dõi tái sinh Mũ tái sinh thứ nhất, có hình dạng trung gian dạng loài A B Nhưng mũ tiếp sau đặc trưng cho loài B Những thí nghiệm cho phép kết luận rằng: Nhân kiểm soát hoạt tính tạo hình Acetabularia có lẽ cách tổng hợp chất đặc hiệu xác định đặc điểm mũ tái sinh Vai trò thể nhiễm sắc Ả nh hưởng thể nhiễm sắc lạ lên phát triển trứng động vật có xương sống nghiên cứu đầy đủ lưỡng cư Chúng ta thu cá thể lai lưỡng bội hai loài khác Ví dụ: Triturus taeniatus x Triturus cristatus Rana pipiens x Rana sylvatica Tuy nhiên, trường hợp lai xa nói trên, đưa thể nhiễm sắc lạ vào gây nên tác động khác nhau, từ hoàn toàn hiệu đến chết phôi giai đoạn phôi nang phôi vị sớm Những phôi chứa nửa thể nhiễm sắc bình thường (phôi đơn bội) đạt tới giai đoạn phát triển muộn so với phôi lưỡng bội 74 Thừa thể nhiễm sắc đưa đến kết khác Người ta mô tả phát triển bình thường phôi tam bội, tứ bội, ngũ bội thấy thể đa bội cân không làm rối loạn phát triển phôi Tuy nhiên, phôi, thể đa bội không cân (lệch bội) mà nhân chúng chứa số lượng thể nhiễm sắc bội số số thể nhiễm sắc bình thường gen có rối loạn phát triển Ví dụ rối loạn kiểu thấy bệnh Đao người Sự biểu gen đột biến chứng tỏ vai trò quan trọng nguyên liệu di truyền phát triển Bất kỳ phận thể bị thay đổi ảnh hưởng gen đột biến Ví dụ phôi gà không cánh giai đoạn phát triển muộn Khi phát triển, chồi cánh phôi có tạo nên, sau lớp biểu bì bên thoái hóa đi, lớp điều khiển tạo hình tăng trưởng lớp trung bì bên nên phát triển cánh bị ngừng lại không tiếp tục Trong trường hợp này, gen đột biến mang trách nhiệm ức chế trình cảm ứng tổ hợp ngoại bì-trung bì gà Tính bền vững cấu nhân Cấy nhân tế bào xoma dùng làm phương pháp phát thay đổi hoạt động gen tế bào xoma đánh giá bền vững cấu nhân Những thay đổi tính chất nhân trình phát triển R Brigg T King thực nghiệm cấy nhân tế bào phôi ếch giai đoạn phát triển muộn vào trứng bị nhân hoạt hóa cách châm kim Nếu dùng nhân tế bào cực động vật giai đoạn phôi nang muộn 40-80% trứng cấy bắt đầu phân cắt bình thường đa số đạt tới giai đoạn ấu thể, tới giai đoạn muộn Những thí nghiệm cho thấy giai đoạn phôi nang muộn, nhân biến đổi đáng kể so với nhân giai đoạn phát triển Người ta tiến hành thí nghiệm với nhân lấy từ khu vực khác phôi giai đoạn phôi vị sớm Nhân để cấy lấy từ phần sau phôi: bán cầu động vật, môi lưng phôi khẩu, nội bì Kết cho thấy nhân lấy từ khu vực khác phôi vị sai khác rõ rệt Điều chứng tỏ nhân phôi giai đoạn phôi vị sớm có giá trị Những thí nghiệm cấy hàng loạt nhân hạn chế lũy tiến khả nhân tế bào nội bì, khả bảo đảm biệt hóa phối hợp phần phôi cần thiết cho phát triển bình thường Nếu nhân lấy từ tế bào phôi nang đem cấy vào trứng nhân Các trứng phát triển thành phôi nang Một số phôi nang dùng làm nguồn nhân cho loạt cấy vào trứng nhân khác phôi nang 75 tiếp tục phát triển thành phôi Như vậy, tất phôi thu thí nghiệm cháu nhân Phân tích phôi cho ta khái niệm tính bền vững nhân Hình 9.8 Sơ đồ thí nghiệm cấy nhân phôi nang chưa biệt hóa (Theo W B Charles, 1978) 76 III Hoạt động tái phiên mã phát triển Sau thụ tinh, tái ADN phân bào xảy liên tiếp Ví dụ cá lưỡng cư, chu kỳ tế bào chiếm khoảng 30 phút Sự tổng hợp ADN, tức pha S chiếm 15 phút Như chu kỳ tế bào gồm có hai pha S M, đồng nghĩa với việc có tổng hợp ADN phân chia, pha chuẩn bị G1 G2 Tóm lại suốt giai đoạn phân cắt hoạt động phiên mã Người ta thấy có liên hệ kích thước trứng thời điểm bắt đầu họat động gen Trứng lớn có nghĩa lượng chất dự trữ lớn hoạt động gen bắt đầu muộn Ở trứng nhỏ 200 micromet động vật có vú, tổng hợp ARN bắt đầu sớm, từ giai đoạn hai đến bốn phôi bào Chúng ta xem động thái trình tổng hợp ADN ARN tạo noãn phát triển phôi sớm lưỡng cư Trong thời kỳ đầu tạo noãn ADN tổng hợp mạnh thời gian ngắn không tổng hợp suốt thời kỳ lại kể thời kỳ thành thục Sau thụ tinh, giai đoạn phân cắt, ADN lại tổng hợp với tốc độ cao Tốc độ giảm dần theo gia tăng tương quan nhân/tế bào chất ổn định vào giai đoạn phôi nang Trong giai đoạn tạo noãn sau thời kỳ tổng hợp ADN, tốc độ tổng hợp ARN tăng lên cao không giống lọai ARN Rất đặc biệt gần suốt trình phân cắt họat động phiên mã gen (biểu tổng hợp mARN) Vào cuối giai đọan phân cắt bắt đầu có hoạt hóa làm cho tốc độ tổng hợp mARN tăng lên tốc độ không giống loại ARN khác Hình 9.9 Tốc độ tổng hợp tương đối axit nucleic phát triển ếch (Theo Nguyễn Mộng Hùng, 1993) 77 IV Lý thuyết tế bào gốc phát triển Trong thể vật trưởng thành có số loại tế bào hoàn toàn không phân chia, ví dụ tế bào thần kinh Một số khác luôn tạo tế bào để thay thể cho tế bào bị già chết tế bào biểu bì tế bào máu Việc trì tính ổn định số lượng tế bào phân chia tế bào biệt hóa có mô Từ tế bào chúng phân chia cho nhiều hệ khác Do tế bào gọi tế bào gốc Ví dụ biểu bì: Các tế bào gốc luôn nằm lớp đáy Một tế bào gốc phân chia vài lần tạo nhóm từ tám đến mười tế bào Một số tế bào lại lớp đáy tế bào gốc, tế bào khác chuyển dần lên phía trên, tích lũy keratin hóa sừng Người ta sử dụng tế bào gốc để tạo loạt tế bào khác qua nhiều lần phân chia Ví dụ lấy tế bào tủy xương làm tế bào gốc để tạo loại tế bào máu khác chuột Ngày nay, người ta tìm số phương pháp để dự đoạn xác số tế bào gốc đầu tiên, chúng định theo hướng xác định Ví dụ để hình thành tế bào máu Có thể nuôi in vitro phôi động vật có vú giai đoạn phân cắt Sau tiêu hủy màng sáng bao quanh phôi hỗn hợp hai, ba phôi làm Từ khối tế bào hỗn hợp phát triển thành phôi sau đưa vào tử cung phát triển thành chuột hỗn hợp Những thể gọi thể khảm hay Chimera Ví dụ: ghép phôi dòng chuột trắng với phôi dòng chuột đen thu chuột vằn, có vạch đen trắng luân phiên từ đầu tới đuôi Người ta giải thích tượng giai đoạn định tạo màu sắc, có 34 tế bào gốc phân bố cách dọc theo chiều dài thể Mỗi tế bào phát triển cho màu vạch đặc trưng chuột khảm V Sự bền vững trạng thái biệt hóa di truyền siêu gen Như ta biết, thể có hàng trăm loại tế bào khác phát triển từ tế bào hợp tử Khi tế bào biệt hóa trạng thái biệt hóa trì lâu dài Ví dụ tế bào thần kinh xuất giai đoạn phát triển phôi sớm tế bào thần kinh giữ nguyên gần không đổi suốt đời Một ví dụ khác tế bào gan Gan biệt hóa quan từ giai đoạn sớm Chúng trải qua nhiều lần phân chia chúng tế bào gan Khi so sánh tế bào biệt hóa khác thể, người ta thấy loại tế bào có sản phẩm protein đặc trưng (sản phẩm hoạt động gen) mà tế bào khác Như vậy, loại tế bào có trạng thái hoạt động gen đặc trưng, trạng thái hoạt động gen ổn định 78 truyền từ hệ tế bào sang hệ tế bào khác Rõ ràng tồn dạng di truyền khác gọi di truyền siêu gen Có hai nhóm giả thuyết di truyền siêu gen: nhóm giả thuyết thứ nhấn mạnh vai trò chất chuyển hóa nhóm giả thuyết thứ hai nhấn mạnh vai trò biến đổi cấu trúc ADN Nhóm giả thuyết chuyển hóa cho chất ổn định biệt hóa tồn chất chuyển hóa hoạt hóa nhóm gen Chất ARN protein Theo giả thuyết này, tế bào xuất vòng kín: ARN thông tin phiên từ gen đặc biệt, ARN thông tin dịch protein, protein hoạt hóa gen tất gen đặc trưng cho kiểu biệt hóa Nhóm giả thuyết biến đổi cấu trúc ADN giả định biến đổi cấu trúc vật chất di truyền biến đổi trì qua tái truyền qua loạt hệ tế bào Những biến đổi vật chất di truyền biến đổi cấu trúc bậc biến đổi qua methyl hóa Trong chế cấu trúc di truyền siêu gen người ta cho thay đổi độ xoắn sợi ADN, cấu trúc khác nucleoxom, xếp khác ADN thể nhiễm sắc Tuy nhiên nay, giả thuyết nói chưa chứng minh cách chắn 79 Tài liệu tham khảo I Tài liệu tiếng Việt Nguyễn Tường Anh 1996 Sinh học đại cương - Sự đa dạng, sinh sản phát triển động vật NXB Đại học Khoa học tự nhiên Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh Charles W B 1978 Phôi sinh học đại NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Mộng Hùng 1993 Bài giảng Sinh học phát triển NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Mai Văn Hưng 2003 Sinh học phát triển cá thể động vật NXB Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội II Tài liệu tiếng Anh Barnes R.S.K et al 1999 The Invertebrates - A New Synthesis Blackwell Science Ltd., London Cassier P et al 1997 La reproduction des invertébrés Masson, Paris Dorit R et al 1991 Zoology (Vol.2) Saunders College Publishing New York Jurd R.D 1998 Instant Notes in Animal Biology BIOS Scientific Publisher Limited, Springer-Verlag Kalthoff K 1996 Analysis of Biological Development McGraw-Hill, INC., New York Kardong K.V 1998 Vertebrates-Comparative Anatomy, Function, Evolution (Tom 1) McGraw-Hill, Boston Linzey D 2001 Vertebrate-Biology (Tom 1) McGraw-Hill, Boston Pough F.H 1999 Vertebrate Life Prentice Hall, New Jersey Subramoniam T 2002 Developmental Biology Alpha Science, Madras 79 ... tử Ở động vật có vú người ta phát tế bào sinh dục nguyên thủy nội bì phía đuôi phôi Về sau chúng di cư qua mạc treo ruột vào tuyến sinh dục III.Quá trình sinh tinh Sự tạo tinh trùng Ở động vật, ... thức ăn từ bên Phần lớn trứng có cực động vật thực vật Cực động vật cực có chứa nhân cực đối diện cực thực vật Ở Xenopus, cực động vật chứa sắc tố cực thực vật sáng chứa khối noãn hoàng lớn Tinh... tín hiệu hóa học bên gọi tính hướng động hóa học (chemotaxis) Tính chất hoạt động tinh trùng quan sát nhóm động vật ruột khoang, thân mềm, da gai, có bao động vật có vú bao gồm người (R Miller,1985