Chúng ta hãy xem xét một số công trình nghiên cứu về các đặc tính di truyền và biến dị, sự tái bản mã, phiên mã và dịch mã của tế bào lai, cũng như đặc tính biệt hóa tế bào của chúng.
7.3.3.1 Sự hoạt hóa của nhân
Khi lai các tế bào mang nhân hoạt hóa như limpho bào (lymphoblast) của chuột, tế bào ung thư Hela (là tế bào ung thư cổ tử cung của chị Henrietta được tách ra để nuôi cấy từ năm 1951 khi chị bị tử vong) của người với tế bào mang nhân bất hoạt, ví dụ tế bào hồng cầu của
gà, người ta thu được tế bào lai có chứa cả nhân của hồng cầu gà và nhân của tế bào chuột (khi lai với tế bào chuột) hoặc người (khi lai với tế bào Hela).
Trong môi trường tế bào chất của tế bào lai, nhân của hồng cầu gà được hoạt hóa thể hiện
ở các hiện tượng sau:
- Khối lượng nhân tăng lên, nhân ở dạng xốp hơn và chứa chất nhiễm sắc ở dạng phân tán.
- Có sự xâm nhập của các protein đặc trưng cho người từ tế bào chất vào nhân. - Có sự hoạt hóa các ARN-polymeraza và tổng hợp các dạng ARN.
- Có sự tạo thành hạch nhân và tạo nhiều riboxom.
- Có sự tổng hợp nhiều loại protein đặc trưng cho gà bao gồm các enzym, các protein kháng nguyên bề mặt và các protein thụ thể.
- Có sự tổng hợp ADN.
- Tạo thành tế bào lai syncaryon chứa một nhân, trong đó đa số thể nhiễm sắc của gà bị
thải loạị
Ta xem xét một số hiện tượng trong các biến đổi trên đây:
Tổng hợp ARN và ADN trong tế bào lai
+ Trong tế bào lai giữa hồng cầu gà với tế bào Hela diễn ra sự tổng hợp ARN, tức là
phiên mã từ nhân hồng cầụ Sử dụng
H3-uridin để đánh dấu và theo dõi sự tổng hợp ARN thì sự tổng hợp ARN tăng lên theo sự
tăng thể tích và tăng độ xốp của chất nhiễm sắc của nhân hồng cầu vào những ngày đầu tiên sau khi dung hợp, dạng ARN được tổng hợp là các mARN và chỉ sau đó các rARN mới được xuất hiện sau khi xuất hiện hạch nhân.
+ Khoảng 10 - 15 giờ sau khi dung hợp thì nhân hồng cầu trong tế bào lai heterocaryon tăng cao thể tích nhưng vẫn còn ở giai đoạn G1. Sử dụng H3-timidin đểđánh dấu và theo dõi sự tổng hợp ADN thì quan sát thấy sau 48 giờ hàm lượng ADN trong nhân hồng cầu được tăng lên. Sự tăng cao thể tích của nhân không tương ứng với sự tổng hợp ADN, nhưng cần có sự tác động của các nhân tố (các protein) đến từ tế bào chất của tế bào Hela vào nhân hồng cầụ
+ Khi sử dụng các tế bào nhân bất hoạt nhưng ở mức độ vừa phải so với nhân hồng cầu, ví dụ các đại thực bàọ Bình thường các đại thực bào không tổng hợp ADN và tế bào ở giai
đoạn biệt hóa G1, chúng chứa hạch nhân nhỏ và tổng hợp một ít ARN. Khi nuôi cấy các đại thực bào (từ thỏ hoặc chuột) với các tế bào hoạt hóa như tế bào Hela hoặc tế bào melanom của người, sẽ tạo nên các tế bào lai heterocaryon, trong đó nhân đại thực bào tăng cao thể tích và chúng tổng hợp ARN tăng 4 - 10 lần so với bình thường chỉ một giờ sau dung hợp và sau ba giờ xảy ra tổng hợp ADN. Điều đó chứng tỏ so với nhân của hồng cầu gà, nhân của đại thực bào bất hoạt ở mức thấp hơn.
Khi nghiên cứu tiến trình tổng hợp các ARN và ADN trong tế bào lai giữa đại thực bào và tế bào melanom, người ta đã chứng minh là sự tổng hợp ADN trong nhân đại thực bào không phụ thuộc vào sự tổng hợp ARN và protein trong nhân đại thực bào mà phụ thuộc vào các nhân tốđến từ tế bào chất của tế bào melanom.
+ Sử dụng virut Sendai làm tác nhân kích thích có thể tạo được tế bào lai từ các tế bào soma (2n) với các tế bào giao tử (n) như tinh trùng hoặc tế bào trứng.
Khi lai với tinh trùng thì nhân của tinh trùng tồn tại trong tế bào lai rất lâu (có thể tới vài tháng) và vẫn ở trạng thái bất hoạt, nhưng khi đem lai tinh tử (spermatide) với tế bào soma (ví dụ lai tinh tử chuột cống với tế bào soma chuột nhắt) thì tạo nên các tế bào lai có khả năng phân bàọ
Khi đem tế bào trứng chưa thụ tinh của chuột nhắt lai với các tế bào soma khác nhau như: tế bào chuột cống, khỉ hoặc người sẽ tạo nên tế bào lai và tế bào lai này có thể phát triển tới giai đoạn phôi dâu (morula).
Sự thụ tinh là sự dung hợp giữa tinh trùng và trứng để tạo nên hợp tử chứa cả nhân tinh trùng và nhân trứng - có thểđược xem như một tế bào lai giữa hai tế bào đơn bội cùng loài hoặc đôi khi khác loài xảy ra invitro trong ống dẫn trứng của con cái (hoặc ở phần nào đó trong xoang bụng ngoài ống dẫn trứng) là đã được chương trình hóa trong bộ gen của chúng. Trong nuôi cấy invitro để thực hiện được sự thụ tinh giữa tinh trùng và trứng thì tinh trùng phải được xử lý để làm thay đổi tính chất sinh lý của chúng được gọi là sự khả năng hóa (capacitation), nhưng khi sử dụng virut Sendai thì tinh trùng không cần phải “khả năng hóa” vẫn thực hiện được thụ tinh với trứng.
Sựđiều hòa tổng hợp ADN và ARN trong tế bào lai
Khi sử dụng các dạng tế bào soma có đặc tính hoạt hóa hay bất hoạt khác nhau về tổng hợp ARN và ADN trong nhân để tạo tế bào lai và nghiên cứu sự tổng hợp ADN và ARN ở tế
bào lai người ta thấy:
Bảng 7.3 Sự tổng hợp ARN và ADN trong các tế bào bố mẹ I và II và tế bào lai heterocaryon (I x II)
Heterocaryon ARN AD
N
Tế bào I ARN AD
N Tế bào II ARN ADN I II I II Hela (người) + + Đại thực bào (thỏ) + - + + - + + - Hela (người) + + Tế bào limpho (chuột) + - + + - + + - Hela (người) + + Hồng cầu (gà) - - + + - + + - Đại thực bào (thỏ) + - Hồng cầu (gà) - - + + - - - Nguyên bào cơ (chuột) + + Hồng cầu (gà) - - + + - + - Tế bào cơ (chuột) + - Hồng cầu (gà) - - + + - - - Melanocy t (chuột) + + Đại thực bào (thỏ) + - + + - + + - Ghi chú: + có; - không, + - khi có khi không
Tế bào có hoạt tính càng cao tham gia vào tế bào lai sẽ kích thích nhân tế bào không có hoạt tính hoặc có hoạt tính thấp tổng hợp ADN và ARN càng tích cực hơn (trừ trường hợp nhân tế bào ít hoạt tính lớn hơn nhiều lần so với nhân tế bào hoạt tính cao, hoặc khi heterocaryon được tạo thành từ các tế bào qúa già).
Nhân không có hoạt tính hoặc có hoạt tính thấp sẽđạt mức tổng hợp ADN và ARN nhưở
nhân có hoạt tính.
Ví dụ, khi dùng tế bào chỉ có hoạt tính tổng hợp ARN mà không tổng hợp ADN (tế bào cơ, đại thực bào) thì trong tế bào lai, nhân không hoạt tính chỉ tổng hợp có ARN (xem bảng 7.3).
Tín hiệu phát động sự tổng hợp ARN và ADN đến từ tế bào chất của tế bào có hoạt tính cao và không mang tính đặc trưng mô hoặc loàị
Cơ chế và nguyên tắc điều hòa sự tổng hợp ADN (tái bản mã) và ARN (phiên mã) diễn ra trong tế bào lai tương tự ở tế bào bình thường. Nhiều gen là bất hoạt trong các tế bào không có hoạt tính vẫn giữ trạng thái bất hoạt trong tế bào lai chứng tỏ chúng không mang tính ngược chiều, nhưng nhiều gen bất hoạt đã trở lại hoạt động trong tế bào lai chứng tỏ chúng có tính ngược chiềụ Những công trình cấy ghép nhân hoặc nhân bản vô tính từ tế bào soma chứng tỏ là tuỳ loại tế bào, tuỳ mức độ và giai đoạn biệt hóa mà tính ngược chiều của hoạt
động gen thể hiện khác nhau từ các gen riêng lẻ, các họ gen hay toàn bộ genom.
7.3.3.2 Biến đổi của bộ thể nhiễm sắc trong tế bào lai
Phân tích bộ thể nhiễm sắc của tế bào lai có tầm quan trọng trong việc xác định các tế
bào dung hợp có thực sự là tế bào lai hay không và cho phép nghiên cứu các vấn đề về cấu trúc, tập tính của thể nhiễm sắc như là cấu trúc hiển vi chứa thông tin di truyền của tế bàọ Bằng phương pháp đánh dấu thể nhiễm sắc và các phương pháp tế bào học khác như xây dựng kiểu nhân, nhuộm cắt băng phương pháp lai ADN v.v. người ta đã làm sáng tỏ nhiều vấn đề di truyền và biến dị của các tế bào lai somạ
Trong tế bào lai khác loài, ví dụ giữa chuột và người, giữa chuột với khỉ, giữa chuột với gà v.v. khi hai bộ thể nhiễm sắc của hai tế bào bố mẹ tổ hợp lại với nhau sẽ xảy ra sự biến mất một số thể nhiễm sắc của một trong hai bộ hoặc của cả hai bộ thể nhiễm sắc (xem bảng 7.4).
Theo dõi sự biến đổi bộ thể nhiễm sắc trong dòng tế bào lai qua các thế hệ thấy các quần thể tế bào lai chứa bộ thể nhiễm sắc rất đa dạng về mức bội thể (heteropolyploid) và tuỳ
thuộc không chỉ về loài mà còn tuỳ thuộc vào loại mô bố mẹ (tim, gan, thận, tuỷ xương, tuyến ức, lách, não, v.v.) và còn tuỳ thuộc vào trạng thái của thể nhiễm sắc của tế bào bố mẹ
trước khi đem lai (bịđột biến do chiếu xạ, hóa chất hoặc ung thư v.v.) và cả trạng thái hoạt
động của gen. Xu thế là thể nhiễm sắc nào bị tổn thương, hoặc thể nhiễm sắc chứa nhiều gen hoạt động sẽ bị thải loại trong tế bào laị
Bảng 7.4 Sự biến mất thể nhiễm sắc trong tế bào lai khác loài
Người + Chuột nhắt Người + Chuột hamster Chuột nhắt + Khỉ
Chuột nhắt + Chuột cống Chuột nhắt + Gà con Chuột hamster + Gà con
Người Người Khỉ Chuột nhắt, chuột cống Gà con Gà con
Số lượng thể nhiễm sắc bị mất cũng như tốc độ mất tuỳ thuộc vào sự khác biệt chủng loại giữa tế bào bố mẹ và tuỳ thuộc vào dòng tế bào lai qua các thế hệ sống còn. Ví dụ, trong tế
bào lai giữa chuột nhắt với chuột hamster sự thải loại thể nhiễm sắc xảy ra chậm, còn trong tế
bào lai giữa người với gà, thải loại thể nhiễm sắc xảy ra nhanh hơn trong giai đoạn sống đầu tiên nhưng càng về sau sự thải loại xảy ra chậm dần cho tới khi tế bào lai mang số thể nhiễm sắc ổn định (giữ lại từ một đến ba thể nhiễm sắc của người). Trong một dòng tế bào lai sự thải loại thể nhiễm sắc diễn ra cũng rất khác nhau, ví dụ tế bào lai giữa chuột và người có dòng vẫn giữ nguyên bộ thể nhiễm sắc người trong suốt bốn tháng, trong thời gian đó có dòng bị
thải loại tới 50% thể nhiễm sắc ngườị Để thuận tiện phân tích bộ thể nhiễm sắc các nhà nghiên cứu thường sử dụng tế bào chuột hamster Trung Quốc (2n = 22) lai với tế bào người (2n = 46). Các tế bào lai chỉ qua thời gian sống từ 1 - 2 tuần đã cho các dòng ổn định với toàn bộ bộ thể
nhiễm sắc của chuột và 1 - 2 thể nhiễm sắc người và như vậy rất thích hợp cho việc nghiên cứụ Sự giữ lại hoặc thải loại thể nhiễm sắc nào trong bộ thể nhiễm sắc bố hoặc mẹ trong tế
bào lai xảy ra không phải ngẫu nhiên mà chắc chắn là tuân theo các cơ chế tương tác giữa hai genom trong trạng thái tế bào chất chung của tế bào lai và với môi trường nuôi cấy invitro.
Trong tế bào lai xảy ra sự biến đổi về cấu trúc thể nhiễm sắc. Các tế bào bố mẹ được dùng để lai trong nuôi cấy có thểở các giai đoạn khác nhau của chu kỳ tế bào: có tế bào ở giai
đoạn M (Mitosis - giai đoạn phân bào), có tế bào ở giai đoạn gian kỳ I (Interphase - gian kỳ
gồm G1, S, và G2). Khi các tế bào bố mẹ dung hợp tạo thành tế bào lai heterocaryon chứa một nhân dung hợp thống nhất với hai hoặc vài bộ thể nhiễm sắc, thường quan sát thấy sự
biến đổi về cấu trúc trong các thể nhiễm sắc như sựđông đặc hóa, đứt đoạn v.v.. Nếu tế bào bố mẹ một ở giai đoạn M thì nhân của tế bào bố mẹ hai có thể đang ở giai đoạn G1, S hoặc G2. Nếu ở G1 người ta quan sát thấy các sợi nhiễm sắc qua tế bào một ở dạng đông đặc sợi
đơn, nếu ở G2 tức là giai đoạn sau tổng hợp ADN, các sợi nhiễm sắc đông đặc ở dạng sợi đôi gần giống nhưở tiền kỳ của mitos bình thường. Nếu ở S thì dạng đông đặc ở dạng các mảnh vụn. Người ta cho rằng dưới ảnh hưởng của các nhân tố phân bào của tế bào hai đã làm biến
đổi cấu trúc của thể nhiễm sắc của tế bào một, sang dạng đông đặc gần giống với dạng đông
đặc và co ngắn của thể nhiễm sắc ở kỳ giữa trong phân bào mitos bình thường. Các thể nhiễm sắc bịđông đặc và đứt mảnh sẽ bị thải loại qua các kỳ phân bào của tế bào lai syncaryon.
Trong nuôi cấy, các syncaryon có xu thếđồng thời hóa (synchronisation) các pha qua các thế hệ phân bào và để thuận tiện cho việc nghiên cứu tế bào lai các nhà nghiên cứu thường thực hiện phương pháp làm đồng thời hóa các pha của các tế bào bố mẹ trước khi đem nuôi cấy để lai để loại trừ hiện tượng đông đặc hóạ Nhưng khi cần nghiên cứu so sánh trạng thái mở xoắn và xốp hóa của chất nhiễm sắc ở gian kỳ với trạng thái xoắn và đông đặc của thể
nhiễm sắc ở phân bào, cũng như khi cần nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân gây đột biến (như bức xạ, hóa chất) lên cấu trúc của chất nhiễm sắc ở gian kỳ thì các nhà nghiên cứu thường sử dụng các tế bào lai mang các thể nhiễm sắc đông đặc.