VIII. Về cơ chế phát triển
1. Một số vấn đề di truyền và cơ sở phân tử của phát triển phôi sớm
1.1. Đặc điểm chung của hoạt động gen trong phát triển phôi sớm.
Giai đoạn phát triển phôi sớm là giai đoạn được đặc biệt chú ý vì những lí do sau: Trong thời kỳ này bắt đầu biểu hiện các gen mới có trong hợp tử. Bắt đầu hoạt động các quy luật hình thành phôi, sự biến đổi hệ thống đơn bào sang hệ thống đa bào. Chính vào giai đoạn này cũng bắt đầu hoạt động các sản phẩm của nhiều gen, được tổng hợp và tích lũy dự trữ trong nhân và trong tế bào chất từ giai đoạn tạo noãn, gây nên một ấn tượng rõ rệt là thiếu sự kiểm soát gen đối với quá trình phát triển phôi sớm, và rõ rệt là phát triển được kiểm soát bởi các tác nhân tế bào chất. Để nghiên cứu giai đoạn này người ta sử dụng một số phương pháp sau:
- Phân tích các loại phân tử là sản phẩm hoạt động của gen trong phát triển phôi sớm (như các ARN, các protein cấu trúc, các enzim).
- Nghiên cứu di truyền thực nghiệm như hủy nhân, cắt bỏ tế bào chất, v.v...
- Nghiên cứu tiềm năng của nhân, hoặc của các phôi bào khi tách riêng, khi phối hợp các phôi bào, trong cấy nhân tế bào xôma vào trứng.
- Nghiên cứu quá trình phát triển sớm của các phôi có bộ gen bị biến đổi như đơn bội, đa bội, với các sai lệch nhiễm sắc thể, các đột biến.
Dưới đây sẽ trình bày sơ lược một phần các kết quả quan trọng thu được.
1.2. Về hoạt động tái bản và phiên mã trong phát triển sớm
Trước tiên phải nói đến ADN vì nó là thành phần cơ bản của gen, đồng thời có một mối tương quan nghịch giữa tái bản và phiên mã. Khi ADN tái bản cũng là lúc nó không có hoạt động phiên mã, đồng thời các hoạt động phiên mã diễn ra mạnh vào thời kì không có tái bản. ở các quần thể phân chia mạnh, hoạt động phiên mã thường rất yếu. ở các quần thể tế bào chuyên hóa, tế bào ở pha Go, tức là không có tái bản ADN và không có phân bào.
Sau thụ thai, sự tái bản ADN và phân bào xảy ra liên tiếp. Thí dụ như ở cá và lưỡng thê, chu kì tế bào chiếm khoảng 30 phút. Sự tổng hợp ADN, tức pha S, chiếm 15 phút, như vậy chu kì tế bào chỉ gồm có hai pha S và M, tức là chỉ có tổng hợp ADN và phân chia, không có các pha chuẩn bị G1 và G2. ở ruồi giấm các phân cắt đầu tiên còn diễn ra nhanh hơn nữa, cứ 9 phút lại một lần phân bào. Như vậy, trong suốt giai đoạn phân cắt không có hoạt động
phiên mã. Giai đoạn này dài hay ngắn tùy thuộc vào loại trứng. Người ta thấy có một sự liên hệ giữa kích thước trứng và thời điểm bắt đầu hoạt động gen. Trứng càng lớn, có nghĩa là lượng chất dự trữ càng lớn thì hoạt động gen bắt đầu càng muộn, thí dụ như ở cá và lưỡng thê. ở các trứng nhỏ, nhỏ dưới 200 micromet như ở động vật có vú, sự tổng hợp ARN (hay hoạt động gen) bắt đầu rất sớm, ngay từ giai đoạn 2-4 phôi bào.
Trong thời kì tạo noãn, các ARN được tổng hợp với tốc độ rất cao tuy nhiên rõ ràng là không có sự phối hợp về tổng hợp các loại ARN khác nhau. ở đây ta thấy có sự lệch pha giữa tổng hợp tARN, 5S ARN với 28S và 18S ARN. Sự bất phối hợp đó có lẽ là do các phân tử tổng hợp nên không phải để sử dụng ngay mà để dự trữ cho các giai đoạn phát triển sau. Nhiều dẫn liệu chứng tỏ là có tổng hợp ARN thông tin ở giai đoạn này và dự trữ các ARN đó cho giai đoạn phát triển sau, tuy nhiên phát hiện, tách chiết và phân tích các ARN này là một việc hết sức khó khăn.
Trong suốt thời kỳ thành thục hoàn toàn không có sự tổng hợp ADN hoặc bất kỳ loại ARN nào.
Rất đặc biệt là trong gần suốt quá trình phân cắt không thấy có hoạt động gen, không có hoạt động phiên mã các gen. Vào cuối giai đoạn phân cắt, bắt đầu được hoạt hóa là các gen tARN và ARN không đồng nhất (người ta cho các ARN không đồng nhất là các ARN thông tin, iARN), và sau đó các gen 28S, 18S và 5S ARN được đồng thời hoạt hóa và sự tổng hợp phối hợp với nhau với tỷ lệ cần thiết cho quá trình tổng hợp protein.
1.3. Chu kỳ sinh hình của nhân trong phát triển phôi sớm
Năm 1959 đã xuất hiện phương pháp làm mất hoạt tính của nhân bằng phóng xạ và đã tiến hành nhiều thí nghiệm quan trọng về vai trò của nhân trong phát triển phôi sớm.
Nhân và tế bào chất rất khác nhau về độ mẫn cảm với chiếu xạ (chiếu xạ ion hóa hoặc chiếu xạ tia cực tím). Nhân có độ mẫn cảm lớn hơn nhiều so với tế bào chất, do đó có thể chọn liều chiếu xạ phá hủy hoàn toàn nhân mà không có ảnh hưởng nhiều lắm tới tế bào chất.
Nghiên cứu được tiến hành trên phôi cá chạch với liều chiếu được chọn là 20Kr (kilorơnghen). Nếu phá huỷ nhân hợp tử phôi vẫn tiếp tục phân cắt, mặc dù các phôi bào không chứa nhân. Phôi không nhân tiếp tục phát triển cho tới giai đoạn phôi nang, tuy nhiên nó không thể bước sang tạo phôi vị được. Thí nghiệm này cũng chứng tỏ là giai đoạn phân cắt và phôi nang không cần tới nhân. ở chạch, trong nhiệt độ 210 C, phôi đạt tới giai đoạn phôi nang muộn mất 9 giờ và giai đoạn này cũng gọi là giai đoạn 9 giờ. Nếu chiếu xạ tiến hành 1-2 giờ sau thụ thai, kết quả cũng như vậy. Kết quả không thay đổi nếu chiếu vào các giờ 4,5,6, phôi vẫn ngừng phát triển ở giai đoạn 9 giờ. Các thí nghiệm trên chứng tỏ rằng các iARN tổng hợp và dự trữ trong tạo noãn đủ để đảm bảo cho phôi phát triển trong 9 giờ đầu và trong 6 giờ đầu nhân không hoạt động.
Kết quả khác hẳn nếu chiếu xạ tiến hành vào giờ thứ bảy. Các phôi rõ ràng là bắt đầu tạo phôi vị nhưng ngừng phát triển ở giai đoạn phôi vị sớm, giai đoạn 12 giờ. Nếu chiếu xạ vào giờ thứ 8, phôi sẽ ngừng phát triển vào cuối tạo phôi vị, giai đoạn 16 giờ. Chiếu xạ vào giờ thứ 9 phôi sẽ ngừng phát triển chỉ sau khi hoàn thành tạo phôi vị. Như vậy 1 giờ hoạt động nhân sẽ đảm bảo cho 3 giờ phát triển tiếp tục. Sự hoạt động nhân đảm bảo cho một quá trình tạo hình của phôi, cho nên người ta gọi là hoạt động sinh hình của nhân và hoạt động có tính chất chu kì gọi là chu kì hoạt động sinh hình của nhân trong phát triển. Chu kì thứ nhất là thời kì hoạt động nhân vào các giờ 7, 8 và 9. Chiếu xạ vào các giờ thứ 10, 11, 12 và 13 không ảnh hưởng tới tạo phôi vị. Chu kì hoạt động sinh hình thứ hai của nhân vào các giai đoạn từ 14 tới 22 giờ. Giờ thứ 14 hoạt động nhân đảm bảo cho sự phát triển mầm thần kinh diễn ra vào giai đoạn 17- 28 giờ. Chiếu xạ vào giờ thứ 22 gây ngừng phát triển hệ thần kinh vào giờ thứ 26 và ngừng phát triển thể tiết vào giờ thứ 32.
Tóm lại, ở lưỡng thê, phôi phát triển qua giai đoạn phân cắt nhờ các chất dự trữ có trong trứng mà không cần có sự hoạt động của nhân. Vào cuối giai đoạn phân cắt bắt đầu có hoạt động sinh hình của nhân đảm bảo cho quá trình phát triển tiếp theo.