Đối với các tế bào có chu kỳ chuẩn thì tế bào phải trải qua G1 là giai đoạn sinh trưởng đủ
dài mới chuyển sang giai đoạn S để nhân đôi hàm lượng ADN và chỉ sau khi qúa trình nhân
đôi ADN hoàn thành thì tế bào mới bước vào giai đoạn G2 và M để phân bàọ Như vậy, chu kỳ chuẩn phải kéo dài trong một thời gian đủ dài để hoàn thành các giai đoạn cần thiết trước khi phân bào và hệ thống điều chỉnh của chu kỳ hoạt động thích ứng với thời gian đó.
Các tế bào của phôi ở giai đoạn phát triển sớm của nhiều động vật có chu kỳ bất thường. Chúng phân bào rất nhanh và bỏ qua giai đoạn sinh trưởng G1 và như vậy đòi hỏi sự hoạt động của hệđiều chỉnh phải thích ứng với trạng thái đó, nghĩa là cho phép tế bào trong thời gian ngắn nhất phải hoàn thành được các qúa trình tối ưu cần thiết là nhân đôi hệ gen và phân ly hệ gen về
hai tế bào con.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phôi sớm của ếch Châu phi (Xenopus) để xem xét hệ
thống điều chỉnh như vậỵ
Tế bào trứng của ếch là một tế bào rất lớn, đạt đường kính khoảng 1mm, chứa một nhân bé nhưng chứa tế bào chất với khối lượng 100.000 lần nhiều hơn tế bào bình thường, bởi vì trong tế bào chất của trứng chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết đủ cho sự phát triển của trứng đến giai đoạn nòng nọc.
Noãn bào (ovocyte - tiền thân của tế bào trứng) sau khi đã qua Meiosis I, trong đó số
lượng thể nhiễm sắc đã giảm thành đơn bội (n) và như chúng ta đã biết đặc trưng cho Meiosis là có một lần nhân đôi ADN nhưng trải qua hai lần Meiosis (I và II). Sự sinh trưởng của noãn bào để tích lũy các chất dinh dưỡng trải qua thời gian rất dài, vì vậy tiến trình Meiosis bị ách lại ở pha G2 của chu kỳ chuẩn.
Để noãn bào có thể vượt qua điểm chốt để hoàn thành chu kỳ và trở thành trứng chín,
đòi hỏi phải có hormon tác động đến noãn bàọ
Khi trứng được thụ tinh, trứng nhanh chóng phân bào nguyên nhiễm liên tục cho ra một phôi có hàng nghìn tế bào bé mà không cần tăng trưởng và điều kiện cần độc nhất là tổng hợp và nhân đôi ADN qua một chu kỳ. Chu kỳ phân bào đầu tiên kéo dài khoảng 90 phút, nhưng 11 chu kỳ phân bào tiếp theo với khoảng cách chỉ 30 phút và trong khoảng 7 giờ đã hình thành phôi với 212 (4096) tế bào con. Mỗi chu kỳ bao gồm giai đoạn M →15 phút và gian kỳ
(interphase - giữa hai lần M) kéo dài 15 phút đủđể nhân đôi ADN, như vậy coi như không có G1 và G2.
Nhân tố điều chỉnh có trong tế bào chất kiểm tra cửa đi vào M. Vấn đề đặt ra là tại sao các tế bào phôi sớm lại vượt qua được các điểm chốt dừng G1 và G2 để đi vào M nhanh như
vậỷ Hai thí nghiệm chủ yếu cho phép người ta giả thiết là có nhân tố tồn tại trong tế bào chất của tất cả các tế bào đang ở trạng thái phân chia và nhân tốđó đã phát động cho tế bào đi vào M.
Thí nghiệm thứ nhất sử dụng các noãn bào của ếch đang bị ách lại ở G2 của Meiosis I tức là không đi được vào M. Người ta tiêm tế bào chất của trứng ếch đã chín nhưng chưa thụ tinh vào trong noãn bào đang ở giai đoạn G2 của Meiosis I bị ách lại ở G2, thì noãn bào này sẽ chuyển vào M để tiếp tục hoàn thành phân bào và trở thành tế bào trứng chín. Nhân tố có hoạt tính đó có trong tế bào chất được đặt tên là nhân tố phát động trứng chín - MPF (Muturation Promoting Factor) cũng là nhân tố phát động mitosis hoặc meiosis (Mitosis Promoting Factor - MPF). Bởi vì, nhiều thí nghiệm đã chứng minh chính MPF cũng là nhân tố phát động để tế bào vượt qua điểm chốt G2 để tiến vào M (xem hình 1.7)
Hình 6.1
Thí nghiệm tiêm tế bào chất của trứng ếch đã chín có chứa MPF vào noãn bào ếch ở giai đoạn G2 của Meiosis I
Loại thí nghiệm thứ hai được tiến hành với các tế bào động vật có vú. Vì tế bào động vật có vú rất bé (từ 10 - 30μm) nên khó sử dụng phương pháp tiêm, cho nên thông thường người ta nuôi cấy invitro chung nhau các tế bào ở các giai đoạn khác nhau của chu kỳ, tạo điều kiện cho chúng hòa hợp lẫn nhau (bằng phương pháp lai tế bào soma). Ví dụ, đem các tế bào đang
ở giai đoạn M (giai đoạn phân bào) nuôi chung với tế bào ở giai đoạn G1 hoặc giai đoạn S, hoặc giai đoạn G2 thì các tế bào này (dù ở giai đoạn nào của I → gian kỳ) sẽđi vào giai đoạn M, thể hiện ở chỗ nhân của chúng có xu thế cô đặc, xoắn ngắn lại giống như thể nhiễm sắc của các tế bào đang ở giai đoạn phân bàọ
Như vậy, nhân tố MPF không chỉ có tác dụng phát động để vượt qua điểm chốt dừng ở
G2 và có thể cũng là nhân tố phát động vượt qua điểm chốt dừng ở G1 cho phép tế bào đi vào S.
Nhiều thí nghiệm đã chứng minh rằng đối với tế bào phôi ếch sớm thì hoạt tính của MPF
được tăng cao ở giai đoạn phân bào và giảm bớt ở giai đoạn gian kỳ theo chu kỳđỉnh cao 30 phút, như vậy hoạt tính phân bào là tùy thuộc vào hoạt tính của MPF. Nhiều thí nghiệm loại bỏ nhân tế bào cũng đã chứng minh được rằng hoạt tính của MPF là đến từ tế bào chất và không phụ thuộc vào sự có hay không của qúa trình nhân đôi ADN trong nhân. Nhưng khi qúa trình tổng hợp protein ở G1 bị ức chế thì hoạt tính của MPF và cả tiến trình phân bào cũng bịức chế, như vậy hoạt tính của MPF là có liên quan mật thiết đến sự tổng hợp protein
đặc trưng trong gian kỳ. Để chứng minh, người ta làm thí nghiệm với phôi sớm của cầu gai, có chu kỳ tế bào giống phôi sớm của ếch. Sử dụng phương pháp đánh dấu bằng phóng xạ (S35
methionin) để theo dõi sự tổng hợp protein qua các chu kỳ tế bào người ta chứng minh rằng một loại protein đặc biệt được tích lũy theo tiến trình của chu kỳ: trong giai đoạn gian kỳ
chúng được tích lũy nhiều cho tới giai đoạn phân bào ở bước chuyển trung kỳ - hậu kỳ và sau
Hình 6.2
Sự tăng và giảm MPF và Cyclin qua các chu kỳ tế bào phôi ếch sớm
Người ta giả thiết rằng có tồn tại một số cyclin, khi hàm lượng của chúng đạt tới ngưỡng nào đó sẽ tác động hoạt hóa MPF và khi chúng bị phân hủy sẽ làm bất hoạt MPF và ức chế
phân bàọ
Để làm sáng tỏ vai trò của cyclin, người ta theo dõi chu kỳ tế bào invitro. Người ta tách chiết tế bào chất của các phôi ếch đang phát triển và cho vào nuôi cấy invitro. Người ta tách nhân của tinh trùng ếch và cho các nhân đó vào môi trường nuôi cấy invitro có tế bào chất của phôi bàọ Qua một thời gian các nhân tinh trùng trương phồng và nhân đôi ADN và trong tế
bào đã được thụ tinh, người ta có thể dùng phản ứng đó làm chỉ thịđể xác định các giai đoạn của chu kỳ tế bào mà từ chúng tế bào chất được chiết xuất và sử dụng.
Nếu người ta đem phân hủy hết mARN trong tế bào chất được nuôi cấy invitro thì chu kỳ
tế bào bịđình chỉở gian kỳ giống như trường hợp có sự ức chế tổng hợp protein ở các phôi bàọ Trái lại nếu ta đem cho thêm mARN mã hóa cho cyclin được tinh chế thì hoạt tính MPF
được khôi phục và phát động phân bàọ Điều đó chứng tỏ rằng hoạt tính của MPF phát động phân bào phụ thuộc vào cyclin được tổng hợp và tích lũy đến một ngưỡng nào đó. Tuy nhiên, hoạt tính của MPF không chỉ phụ thuộc vào cyclin mà còn phụ thuộc vào sự tác động của một số protein khác nữa và cyclin chỉđược xem là một phần của phức hệ, đóng vai trò điều chỉnh hoạt tính của protein kinaza (Cdk) trong phức hệ MPF.
Như vậy, sự tích lũy là cần thiết cho sựđi vào mitosis và sự phân hủy đột ngột cyclin là cần thiết cho sự thoát ra khỏi mitosis. Thường thì cyclin bị phân hủy ở mitosis khi chuyển từ
trung kỳ sang hậu kỳ.
Có nhiều loại (có thể có đến 5 loại) cyclin tác động qua chu kỳ tế bào khi liên kết với Cdk.
Như chúng ta đã nêu ở trên, phức hệ MPF gồm hai cấu thành là cyclin đóng vai trò điều chỉnh, cấu thành kia là Cdk (protein kinaza) đóng vai trò là enzym kinaza là phần mang hoạt tính. Cdk sẽ thể hiện hoạt tính photphorin hóa các protein khác cần thiết cho chu kỳ tế bào
bao gồm các protein có vai trò làm thể nhiễm sắc co đặc lại, làm phân hủy màng nhân (tác
động đến tấm lamina), tạo thoi phân bào v.v..
Một qúa trình quan trọng nhất đòi hỏi phải có đủ thời gian xảy ra trước khi mitosis là sự
tái bản ADN phải được hoàn thành, như vậy phải có cơ chế kiểm tra ngược đến từ ADN đang
được tái bản nhằm ngăn hệ thống kiểm tra tích cực làm cho tế bào tiến vào M và như vậy ngăn chặn cho tế bào rơi vào tình trạng nguy hiểm “phân bào tự diệt” (vì không đủ lượng ADN để phân cho hai tế bào con). Tuy nhiên, ở phôi ếch sớm trong các chu kỳ tế bào đầu tiên diễn ra trong khoảng 30 phút đầu thì hầu như bỏ qua G1 và G2, như vậy không có tính hiệu kiểm tra ngược. Người ta cho rằng ởđây các điều kiện cho sự tái bản ADN đã có đầy đủ từ
môi trường dinh dưỡng trong tế bào trứng, đủđể thực hiện 12 chu kỳ phân bào mà không cần chuẩn bị trước và sau thời gian đó, cơ chế kiểm tra ngược sẽ hoạt động giống nhưở chu kỳ tế
bào chuẩn. Ngoài ra, còn tồn tại cơ chế kiểm tra tác động ức chế tái bản ADN xảy ra nhiền lần nếu như ADN đó đã được tái bản qua một chu kỳ trước khi vào M