Giảm phân: Cơ sở Tế bào của Di truyền và Biến dị

Giảm phân, sự phát sinh giao tử và thụ tinh 1. Giảm phân (meiosis)

Giảm phân là kiểu phân bào đặc trưng cho các tế bào sinh dục, trong đó các tế bào con sinh ra (gọi chung là các giao tử) có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (hình 3.10). Giảm phân là một giai đoạn trong quá trình phát sinh giao tử, xảy ra ở pha trưởng thành (mature) sau khi bộ nhiễm sắc thể đã được nhân đôi ở kỳ trung gian thuộc pha sinh trưởng. Giảm phân II (meiosis II) còn gọi là phân chia đồng đều (equational division) và rất giống với nguyên phân ở chỗ phân tách các chromatid chị em và số lượng nhiễm sắc thể giữ nguyên không đổi.

Bởi vì giảm phân là quá trình di truyền quan trọng và căn bản nhất ở cấp độ tế bào, cơ sở cho việc lý giải các quy luật di truyền và biến dị, cho nên trước khi đi vào mô tả giảm phân, cần nắm ba điểm chính sau đây: (1) Giảm phân cùng với sự thụ tinh sau đó cho phép duy trì số lượng nhiễm sắc thể ở các loài sinh sản hữu tính. (3) Sự trao đổi chéo giữa các chromatid trên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng ở kỳ trước trong giảm phân I tạo ra các tổ hợp allele mới ở các gene khác nhau. Giai đoạn thứ nhất gọi là giai đoạn leptotene (sợi mảnh), đặc trưng bằng sự xuất hiện của các nhiễm sắc thể ở dạng các sợi mảnh khi nhìn dưới kính hiển vi quang học.

Thông thường mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có thể có một hoặc hai vùng trong đó chúng vẫn còn kề sát nhau hoặc tiếp xúc với nhau, gọi là các hình chéo (chiasmata). Ở kỳ giữa I (hình 3.11f), các nhiễm sắc thể xếp trên mặt phẳng xích đạo thành hai vòng và các tâm động được đính vào các sợi thoi, sao cho cứ hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng (tức thể lưỡng trị) nằm đối diện nhau qua mặt phẳng kỳ giữa, với các hình chéo xếp thẳng hàng dọc theo nó. Ở hầu hết sinh vật, sau khi các nhiễm sắc thể di chuyển tới các cực thì màng nhân hình thành xung quanh chúng và tế bào này phân chia thành hai tế bào con (hình 3.11h).

Giữa giảm phân I và giảm phân II thường chỉ có một kỳ trung gian ngắn ngủi gọi là interkinesis (hình 3.11i) Trong thời gian này không xảy ra sự tổng hợp DNA; mỗi tế bào chứa một bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n), trong đó mỗi nhiễm sắc thể chứa hai chromatid chị em. Sau khi trải qua pha sinh sản, mỗi tế bào sinh noãn này biệt hóa thành noãn bào sơ cấp (primary oocyte; 2n kép) ở pha sinh trưởng, với kích thước tăng trưởng một cách đặc biệt. Nguyên nhân là do giảm phân xảy ra gần màng tế bào, nên các thể cực chỉ nhận được một ít tế bào chất và chúng vẫn còn bám trên bề mặt của trứng cho đến lúc tiêu biến, tách ra.

Sự tập trung tế bào chất trong một noãn tử để rồi sau đó biệt hóa thành trứng (ovum, egg) chính là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho sự phát triển phôi sau khi thụ tinh. Nói chung, thụ tinh (hình 3.14) là hiện tượng kết hợp ngẫu nhiên giữa các giao tử đực và giao tử cái mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n) tạo thành các hợp tử (zygotes) có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) đặc trưng của loài. Khi ống phấn xâm nhập túi phôi (embryo sac) và đưa hai tinh tử vào, sẽ xảy ra hai quá trình thụ tinh: một tinh tử sẽ kết hợp với noãn (egg) tạo thành hợp tử (2n) và tinh tử kia sẽ dung hợp với nhân nội nhũ (endosperm nucleus; 2n) tạo thành một nhân nội nhũ (3n).

Các biến đổi của nhiễm sắc thể

Các hậu quả về sau đều là kết quả của sự tiếp hợp gene-đối-gene giữa các nhiễm sắc thể bình thường và bất thường (kiểu kết cặp không hoàn toàn tương xứng này được gọi là kiểu dị nhân, heterokaryotypic) cũng như các vấn đề sau này xảy ra ở các kỳ sau I và II trong giảm phân. (1) Về phương diện tế bào học, khi một cá thể là dị hợp kiểu nhân về một nhiễm sắc thể lặp đoạn và một nhiễm sắc thể bình thường thì vùng lặp đoạn đó không có đoạn tương đồng để kết cặp trong giảm phân. (2) Về phương diện kiểu hình, các cá thể dị hợp hoặc đồng hợp về các đoạn lặp bé vẫn có thể sống, mặc dù chúng thường bộc lộ ra một vài hiệu quả kiểu hình (như trong trường hợp các đột biến mắt Bar ở ruồi giấm).

Về cơ chế, có thể hình dung như sau: vì lý do nào đó, một nhiễm sắc thể xoắn lại ở một vai (không liên quan tâm động) hoặc băng qua cả hai vai (tâm động nằm trên vòng cuộn), sau đó xảy ra sự đứt gãy tại vùng giao nhau rồi nối lại không đúng. Khi các thể dị hợp chuyển đoạn trải qua giảm phân sẽ cho ra khoảng một nửa số giao tử chứa cả hai phần của chuyển đoạn thuận nghịch và khoảng một nửa kia chứa cả hai nhiễm sắc thể bình thường. Điển hình là trường hợp chuyển đọan Robertson (Robertsonian translocation), trong đó các vai dài của hai nhiễm sắc thể tâm đầu không tương đồng gắn với nhau và chỉ có một tâm động (hình 3.20b).

Cụ thể trong trường hợp này, vai dài nhiễm sắc thể 21 (đọan 21q) bị đứt ra và gắn vào chỗ đứt trên vai ngắn nhiễm sắc thể 14; người bố hoặc mẹ này ở trạng thái dị hợp với kiểu hình bình thường, nhưng có nguy cơ gây hội chứng Down ở đời con do sự phân ly sai hình xảy ra trong giảm phân. Từ bảng 3.2 cho thấy sự biến đổi số lượng nhiễm sắc thể sai khác nhau ở hai cách cơ bản: (1) Các thể biến dị nguyên bội hay thể đa bội (euploid variants) có số lượng các bộ nhiễm sắc thể khác nhau; và (2) các thể biến dị lệch bội hay thể dị bội (aneuploid variants) có số lượng nhiễm sắc thể cụ thể không phải là lưỡng bội. Như đã đề cập, nếu như các chuyển đọan thuận nghịch xảy ra giữa hai nhiễm sắc thể tâm đầu mà các đọan lớn (tức vai dài) được nối lại với nhau, kết qủa là tạo ra một nhiễm sắc thể lớn có tâm giữa và một nhiễm sắc thể bé mà nó có thể biến mất trong quá trình phân bào.

Cơ chế hình thành một nhiễm sắc thể tâm giữa lớn do sự đứt-nối xảy ra tại các tâm động của hai nhiễm sắc thể tâm đầu không tương đồng như thế gọi là sự dung hợp tâm động (centric fusion; hình 3.22a). Tuy nhiên, các dạng bất thường như thế có tính không ổn định bởi vì chúng thường bị loại bỏ khỏi tế bào khi phân ly về hai cực trong quá trình phân bào; chẳng hạn, dạng hai tâm động thường xuất hiện ở dạng cầu nối và sẽ bị đứt gãy do các sợi thoi kéo căng về hai cực. Trong quá trình giảm phân ở các loài thuộc chi này, các nhiễm sắc thể kết đôi tạo thành các thể lưỡng trị, loài 118 nhiễm sắc thể tạo thành 9 thể lưỡng trị, loài 36 nhiễm sắc thể tạo thành 18 thể lưỡng trị v.v.

Mỗi giao tử nhận một nhiễm sắc thể từ mỗi thể lưỡng trị, vì vậy số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi giao tử của bất kỳ loài nào cũng chính bằng một nửa số lượng nhiễm sắc thể được tìm thấy trong mỗi tế bào soma của nó. Thông thường, người ta phân biệt hai kiểu thể đa bội: (1) các thể đa bội cùng nguồn hay thể tự đa bội (autopolyploids) là các thể đa bội nhận được tất cả các bộ nhiễm sắc thể của chúng từ cùng một loài; và (2) các thể đa bội khác nguồn hay thể dị đa bội (allopolyploids) là các thể đa bội nhận được các bộ nhiễm sắc thể từ các loài khác nhau. Chẳng hạn, nếu như một hạt phấn lưỡng bội không giảm nhiễm từ một loài lưỡng bội thụ tinh cho một trứng lưỡng bội cũng của loài đó, đời con sinh ra là các thể tự tứ bội (autotetraploids), hay AAAA, trong đó A biểu thị một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh hay bộ gene (genome) của kiểu A.

Sự không phân tách trong giảm phân tự nó được coi là kết quả của sự kết cặp không đúng cách của các nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm phân sớm đến nỗi các tâm động không đối diện nhau trên mặt phẳng kỳ giữa, hoặc là không hình thành được hình chéo. Trong số những người mắc hội chứng Down, chỉ có chừng 5% là kiểu nhân dị hợp về chuyển đoạn thuận nghịch như đã nói trước đây, và hầu hết (khoảng 95% trường hợp) là kết quả của sự không phân tách trong giảm phân.