III. NHIỄM SẮC THỂ VÀ SỰ PHÂN BÀO
Hình 1.17 Hình ảnh NST khổng lồ (trái) và NST chổi đèn (phải)
bên, che nhánh ở trục chính. Các vòng này quấn cả trong và ngoài nhiễm sắc thể (giống như các bọng trên nhiễm sắc thể khổng lồ - là nơi tổng hợp nhiều ARN)
III. 3. Cấu trúc nhiễm sắc thể
Những năm gần đây nhất đã có nhiều thực nghiệm theo hướng làm rõ vấn đề cấu trúc, tổ chức của nhiễm sắc thể, đảm bảo cho chức năng di truyền quan trọng của chúng, là cơ quan trong nhân tế bào, mang ADN, chứa thông tin di truyền đặc trưng của loài.
Về chức năng, người ta thấy rõ vai trò của nhiễm sắc thể, phải tạo ra được môi trường vật lý cho các phân tử ADN trong đó, có thể tác động qua lại với cả hệ thống trao đổi chất trong tế bào.
Vấn đề mấu chốt, quyết định là nhiễm sắc thể phải có một tổ chức, một kiểu sắp xếp đặc biệt mới tạo thuận lợi cho hoạt động của ADN chứa trong đó, bảo đảm cho quá trình tái bản ADN và phân phối các bản sao ADN về các tế bào con, được hình thành qua nguyên phân và giảm phân.
Hệ thống sắp xếp, cách tổ chức, bố trí ADN trong nhiễm sắc thể rõ ràng vô cùng phức tạp, tinh tế, mới đảm bảo để một tế bào, nhất là tế bào ở sinh vật nhân chuẩn, có thể chứa nhiều nhiễm sắc thể , trong đó bao gồm cả một độ dài tổng số cực lớn ADN, dài gấp nhiều lần so với kích thước của tế bào.
Nghiên cứu , thực nghiệm để làm rõ cách sắp xếp của ADN trong nhiễm sắc thể có nhiều khó khăn vì:
- Tính chất phức tạp của cấu trúc nhiễm sắc thể .
- Các phương pháp, kỹ thuật để nghiên cứu nhiễm sắc thể thường lại làm mất đi hoặc giảm hoạt tính của nhiễm sắc thể.
- Từ trước đến nay, các nghiên cứu tế bào học ở sinh vật nhân chuẩn thường chỉ tập trung trên các tế bào đang phân chia ( nguyên phân và giảm phân).
Tuy vậy, cho đến nay, người ta cũng đã thu được nhiều kết quả qua thực nghiệm, nêu ra được giả thuyết về cách sắp xếp của ADN trong nhiễm sắc thể.
Các kết quả thực nghiệm còn cho thấy cách tổ chức, cấu trúc nhiễm sắc thể tiêu biểu cho một mối tương tác phức tạp nhất giữa cấu trúc và chức năng trong tế bào sống.
III.3.1. Tổ chức của ADN trong nhiễm sắc thể sinh vật nhân nguyên thuỷ:
nucleoic (vùng nhân)
Nhân trong tế bào sinh vật nhân nguyên thuỷ chỉ mới ở dạng nucleoic (vùng nhân), là vùng chứa ADN, trong đó ADN được gấp và cuộn thành nhiều vòng xoắn: Qua kính hiển vi điện tử, người ta thấy được dạng siêu xoắn của ADN này, tính chất siêu xoắn ở đây chịu sự kiểm soát của enzym topoisomerase.
Bằng thực nghiệm, người ta đã tách được ADN từ tế bào E.Coli thành khối đặc, tức nucleoic, trong đó có tác động lẫn nhau giữa ARN với ADN để hình thành cuộn gấp.
Nhiễm sắc thể của sinh vật nhân nguyên thuỷ cũng có phần protein gắn ở trong đó. Đây là loại histon có một đoạn axit amin tương ứng với histon 2B của sinh vật nhân chuẩn, là histon ổn định nhất, vì đoạn axit amin này là chung cho mọi sinh vật nhân chuẩn.
Một trong các vai trò của histon có thể là để bảo vệ ADN khỏi bị thuỷ phân bởi nhiều nuclease có mặt trong tế bào. Vì vậy, ta thấy mọi ADN trong tế bào sinh vật nhân nguyên thuỷ đều có histon kết hợp. Người ta cũng thấy virut SV-40 ở động vật có vú cũng có ADN hai sợi kết hợp với histon.
III.3.2. Tổ chức ADN trong nhiễm sắc thể sinh vật nhân chuẩn: nucleosome ( thể
nhân)
Việc nghiên cứu cách tổ chức, sắp xếp của ADN trong nhiễm sắc thể đã được tiến hành bởi Wood-Cock, Oluis 1974 và Oudet, 1975. Ngày nay, người ta đã xác định rõ trong nhân eukaryote có ít nhất 2 nhiễm sắc thể với hàm lượng ADN lớn hơn nhiều. Các ADN liên kết với nhiều loại protein khác nhau, chủ yếu là các histon (có bản chất bazơ) và các protein phi histon (có bản chất axit), để tạo ra phức hợp nucleoprotein gọi là chất nhiễm sắc (chromatin).
Protein histon trong các tế bào sinh vật nhân chuẩn gồm có 5 loại, với tỷ lệ gần như nhau, bao gồm H1, H2A, H2B, H3, H4. Riêng hàm lương H1 chỉ bằng khoản ½ các loại kia.
Trong nhiễm sắc chất, ADN được cuộn xoắn, co ngắn lại ít nhất trên hàng 100 lần, có nhiều mức độ cuộn vòng, co xoắn khác nhau. Mức đơn giản nhất là thể nhân, tức nucleosome được xem là đơn vị cấu tạo cơ sở theo chiều dọc của nhiễm sắc thể, có phần protein là 8 phân tử histon (octamer), được cuộn quanh bởi ADN.
Trong nucleosome, octamer histon gồm:
- 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm. - 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết ở phía ngoài.
Trong mỗi nucleosme, octamer histon được quấn bởi 13/4 vòng sợi ADN, ứng với khoảng 140-160 bp. Mỗi nucleosome có đường kính 100A0. Nucleosome này nối với nucleosome kia bằng một đoạn ADN nối dài 15-100bp, có gắn các phân tử histon H1 tạo thành một dãy nhiều nucleosome tạo nên sợi cơ bản của nhiễm sắc thể có đường kính khoản 100A0.
Sợi cơ bản này được xoắn tiếp một mức nữa là xoắn bậc 2, tạo nên sợi nhiễm sắc, có đường kính khoảng 250A0. Bước cuộn xoắn này liên quan đến vai trò của histon H1, có vai trò đặc biệt quan trọng tạo ra sự bền vững trong liên kết của các nucleosome, để hình thành cuộn xoắn bậc 2, còn được gọi là solenoit. Trong kỳ trung gian, solenoit được cuộn xoắn một lần nữa, tạo nên một ống rỗng, đường kính khoảng 2000A0, cuối cùng là một lần cuộn xoắn tiếp của ống rỗng, tạo thành cuộn xoắn lớn hơn, có đường kính 6000A0, đây là các chromatide ở kỳ giữa.
Cấu trúc nucleosome được giữ trong suốt chu kỳ của tế bào. Các phân tử histon trong đó được duy trì suốt quá trình tiến hoá, chứng tỏ vai trò quan trọng của chúng đối với cấu trúc của nhiễm sắc thể, chúng luôn có số lượng ổn định.
Hình 1.17. Tổ chức sắp xếp của ADN trong nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân chuẩn
III.3.3. Dị nhiễm sắc chất và đồng nhiễm sắc chất
Trong chiều dài của nhiễm sắc thể, nhiễm sắc chất cũng không đồng đều. Có đoạn là dị nhiễm sắc chất (heterochromatin)-là dạng nhiễm sắc chất kết xoắn nhiều nhất, được phát hiện quanh tâm động và trên nhiễm sắc thể Y, nhuộm màu nhanh hơn, giữ màu lâu hơn. Phần này của nhiễm sắc thể chỉ giữ vai trò cấu trúc trong sự vận động của nhiễm sắc thể trong nguyên phân và giảm phân. Đoạn dị nhiễm sắc chất kết xoắn trước các đoạn khác, không mang hoặc mang ít gen, hầu như không có hoạt tính di truyền, tự sao muộn hơn, không sao mã, duy trì trạng thái cuộn xoắn cả trong kỳ trung gian. Người ta chia làm hai loại dị nhiễm sắc chất: Loại dị nhiễm sắc chất không ổn đinh và loại dị nhiễm sắc chất ổn định.
Những đoạn khác trên nhiễm sắc thể là những đoạn đồng nhiễm sắc chất (euchromatin) bắt màu bình thường, ngưng kết, đóng xoắn bình thường, có hoạt tính sao mã, mang gen, tái bản sớm hơn trong giai đoạn tổnghợp ADN.
Nguyên phân (mitosis) là quá trình phân chia tế bào trong đó các tế bào con được tạo ra có số lượng nhiễm sắc thể giống với các tế bào bố mẹ. Kiểu phân bào này đặc trưng cho các tế bào soma, kế cả các tế bào sinh dục (2n) ở pha sinh sản của sự phát sinh giao tử, xảy ra theo cấp số nhân với bội số bằng 2, nghĩa là từ một tế bào mẹ ban đầu, qua k lần nguyên phân sẽ tạo ra 2k tế bào giống nó. Nhờ vậy cơ thể lớn lên và các tế bào trong cơ thể thường xuyên được đổi mới.
III.4.1. Chu kỳ tế bào (cell cycle)
Các quá trình sinh sản, sinh trưởng và phát triển của tế bào diễn ra vừa có tính liên tục vừa có tính đồng thời và trong một thời gian nhất định có tính chu kỳ, đó là chu kỳ tế bào.
Chu kỳ này gồm các pha của sự phân chia tế bào nguyên nhiễm (M) và kỳ trung gian (interphase) với 3 pha G1, S và G2. Thời gian của toàn bộ quá trình này thay đổi phụ thuộc vào loại tế bào.
Toàn bộ một chu kỳ tế bào gồm 4 pha theo thứ tự sau đây :
III.4.2. Nguyên phân (mitosis)
Quá trình nguyên phân được chia thành 4 giai đoạn khác nhau, diễn biến theo một trình tự: kỳ trước (prophase), kỳ giữa (metaphase), kỳ sau (anaphase) và kỳ cuối (telophase). Mỗi giai đoạn có một nét đặc trưng riêng và gắn liền với tập tính của nhiễm sắc thể.
III.4.2.1. Kỳ trước
Sau khi tự nhân đôi ở kỳ trung gian (pha S) và hoàn tất việc chuẩn bị bước vào nguyên phân ở pha G2, lúc này các nhiễm sắc thể tiếp tục đóng xoắn và cô đặc, nhờ vậy chúng hiện rõ dần dưới kính hiển vi quang học, lúc này mỗi nhiễm sắc thể gồm hai chromatide chị em dính nhau ở tâm động. Theo nguyên tắc, các chromatide này hoàn toàn giống nhau. Trong
+ Thời kỳ trước tổng hợp G1 (giai đoạn G1-first gap) : Thời kỳ này thực hiện việc tổng hợp các protein đặc trưng và các quá trình khác để chuẩn bị cho việc tổng hợp ADN.
+ Giai đoạn S (DNA synthesis): ADN được nhân đôi đồng thời với nhân đôi của histon và một số protein khác.
+ Giai đoạn G2 (second gap): ADN tiếp tục sữa chữa các sai sót khi nó tự nhân đôi, chuẩn bị cho quá trình nguyên phân.
+ Giai đoạn M (mitosis): Thực hiện quá trình nguyên phân.
giai đoạn này, hạch nhân thường biến mất và màng nhân bắt đầu tan vỡ. Trung thể (centriole) phân chia và hình thành xung quanh nó một cấu trúc mới gồm rất nhiều sợi thoi trải dài tới các cực của tế bào, một số sợi thoi đính trực tiếp vào tâm động của nhiễm sắc thể.
III.4.2.2. Kỳ giữa
Vào kỳ giữa, màng nhân tan biến hoàn toàn, các sợi thoi đính vào tâm động của các nhiễm sắc thể và đẩy chúng về mặt phẳng xích đạo của tế bào và xếp thành một vòng. Lúc này các nhiễm sắc thể đóng xoắn cực đại với cấu trúc điển hình đặc trưng cho từng loài.
III.4.2.3. Kỳ sau
Vào đầu kỳ sau, tại mỗi nhiễm sắc thể xảy ra sự phân tách tâm động, các chromatid chị em rời nhau và được gọi là các nhiễm sắc thể con. Kế đó, các sợi thoi co rút và gây ra sự chuyển động của các nhiễm sắc thể con giống nhau về hai cực. Chính sự sắp xếp thành một vòng của nhiễm sắc thể ở kỳ giữa và sự phân ly đồng đều của chúng về hai cực ở kỳ sau là quy luật đặc trưng cho quá trình nguyên phân.
Hình 1.20. Chu trình nguyên phân. Theo thứ tự A, B, C, D-E, F: Kỳ trung gian, kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau, kỳ cuối gian, kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau, kỳ cuối
III.4.2.4. Kỳ cuối
Vào kỳ cuối, hai bộ nhiễm sắc thể con đã về tới các cực đối diện và bắt đầu mở xoắn. Lúc này màng nhân xuất hiện trở lại và bao bọc các bộ nhiễm sắc thể, các thoi vô sắc tan biến, hạch nhân và các nhân được hình thành trở lại.
Kế đó, ở động vật, màng tế bào hình thành một eo thắt từ ngoài vào trong; ở thực vật, một phiến tế bào phát triển từ trung tâm ra ngoài. Điều này làm phân cách hai bộ nhiễm sắc thể con và tế bào chất giữa hai tế bào con. Các tế bào con có số lượng nhiễm sắc thể giống với tế bào ban đầu. Như vậy, nguyên phân gồm hai quá trình phân chia: phân chia nhân và phân chia tế bào chất; nhưng về thực chất là sự phân chia nhân.
III.5. Giảm phân, phát sinh giao tử và thụ tinh
III.5.1. 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.
Giảm phân xảy ra ở pha trưởng thành sau khi bộ nhiễm sắc thể đã được nhân đôi ở kỳ trung gian thuộc pha sinh trưởng. Quá trình giảm phân gồm hai lần phân chia nối tiếp nhau, giảm phân I và giảm phân II. Mỗi lần phân chia này cũng được chia làm bốn kỳ: Giảm phân I còn được gọi là phân bào giảm nhiễm vì số lượng nhiễm sắc thể 2n giảm xuống còn n. Trong giảm phân I, các chromtid chị em vẫn còn dính nhau trong khi các nhiễm sắc thể tương đồng phân ly. Giảm phân II còn gọi là phân chia đồng đều và rất giống với nguyên phân ở chỗ phân tách các chromatid chị em và số lượng nhiễm sắc thể giữ nguyên.
Hình 1.21. Kết quả của giảm phân với hai lần phân chia. Sơ đồ này còn cho thấy hiậu quả của sự tái tổ hợp và phân chia giảm nhiễm trong giai đoạn giảm phân I
Giảm phân là quá trình di truyền căn bản và quan trọng nhất ở cấp độ tế bào, là sơ sở cho việc lý giải các qui luật di truyền và biến dị. 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; giảm phân I cho phép các
nhiễm sắc thể bố và mẹ khác nhau phân ly ngẫu nhiên về mỗi giao tử; 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 alen mới ở các gene khác nhau.
III.5.1.1. Giảm phân I a. Kỳ trước I (prophase I)
Đây là pha phức tạp nhất của toàn bộ quá trình giảm phân, được chia thành 5 giai đoạn khác nhau:
+ Leptitene (sợi mảnh): các nhiễm sắc thể xuất hiện ở dạng sợi mảnh
+ Zygotene (sợi kết hợp): các nhiễm sắc thể tương đồng tiến lại gần nhau và các gen tương ứng đứng đối diện nhau. Quá trình kết hợp của các nhiễm sắc thể tương đồng sau đó gọi là sự tiếp hợp, là nét đặc trưng phân biệt giữa nguyên phân và giảm phân. Cấu trúc gồm hai nhiễm sắc thể tương đồng chứa 4 chromatid chị em gọi là thể lưỡng trị.
+ Pachytene (sợi dày): các thể lưỡng trị ngắn lại, dày lên và sự tiếp hợp hoàn tất. Trong giai đoạn này có thể xảy ra sự trao đổi chéo hay tái tổ hợp.
+ Diplotene (sợi kép): các nhiễm sắc thể tương đồng bắt đầu tách ra, đặc biệt là ở các vùng nằm hai bên tâm động. 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-là bằng chứng cho sự tái tổ hợp xảy ra sau khi các nhiễm sắc thể tương đồng đã tiếp hợp. Dọc trên các nhiễm sắc thể có thể có một số hình chéo.
+ Diakinesis: các nhiễm sắc thể co ngắn lại và chấm dứt các hình chéo. Điều đó có nghĩa là các hình chéo bị đẩy về các đầu mút của nhiễm sắc thể. Hạch nhân và màng nhân biến mất.