Nhiễm sắc thể và sự phân cắt tế bào

I- NHIỄM SẮC THỂ

         CHƯƠNG I

NHIỄM SẮC THỂ VÀ SỰ PHÂN CẮT TẾ BÀO

            Trong các chương trước chúng ta đã thấy sự sống phụ thuộc như thế nào vào việc sinh vật sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời để tạo ra các đại phân tử giàu năng lượng và sau đó làm thế nào tất cả các sinh vật phân giải những đại phân tử nầy để phóng thích năng lượng cần cho chúng duy trì tất cả các hoạt động sống.  Trong chương nầy chúng ta sẽ khảo sát thêm một hoạt động đặc biệt khác của tế bào: cách thức các tế bào phân cắt và truyền thông tin di truyền từ thế hệ nầy sang thế hệ khác.

            Như chúng ta đã biết, các gen của sinh vật (đơn vị mang thông tin di truyền) được truyền từ tế bào nầy sang tế bào khác qua các thế hệ của tế bào và của cơ thể.  Chúng xác định các đặc điểm của mỗi sinh vật mới và định hướng cho các hoạt động của chúng.  Vì vậy sự nhân đôi và phân ly của các nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào là cơ sở cho sự kế tục và sự đa dạng của sự sống.

I.  NHIỄM SẮC THỂ

Tính trung bình, các tế bào sơ hạch chỉ có một phần ngàn ADN so với một tế bào chân hạch.  Sở dĩ chúng được gọi là tế bào sơ hạch vì chúng chưa có nhân thật được bao bởi màng.  Ở phần lớn tế bào sơ hạch, ADN được tập trung trong một vùng nhân (nucleoid region).  Vi khuẩn chỉ có một phân tử ADN sợi đôi, hình vòng, rất ít protein liên kết với chúng.

Ở vi khuẩn, ngoài ADN nhiễm sắc thể, còn có một số ADN dạng vòng, nhỏ hơn, gọi là các plasmid (Hình 1).  Các plasmid sao chép độc lập với nhiễm sắc thể chính và chúng có thể được chuyển nhận giữa các vi khuẩn khi chúng tiếp hợp. 

Hình 1.  Một vi khuẩn với nhiễm sắc thể và plasmid

Ở tế bào chân hạch, nhiễm sắc thể gồm ADN và protein.  Trong các tế bào dinh dưỡng, các nhiễm sắc thể thường tồn tại thành từng cặp, gọi là cặp nhiễm sắc thể tương đồng (homologous pair), trong đó một chiếc là của mẹ và một chiếc là của cha, mỗi chiếc mang cùng một số gen phân bố theo cùng thứ tự.  Vì vậy, số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào bình thường luôn luôn là bội số của 2 và được gọi là lưỡng bội (2n).  Trong tế bào giao tử (tinh trùng hoặc noãn), mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng chỉ còn lại một chiếc, do đó số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi giao tử là đơn bội (n).

Mặc dù số lượng nhiễm sắc thể giữa các loài có thể khác biệt rất lớn, chẳng hạn ở ruồi giấm 2n = 8, ở người 2n = 46 nhưng các cá thể bình thường trong cùng một loài luôn luôn có số lượng nhiễm sắc thể bằng nhau.

Trong các tế bào chưa phân chia, khi quan sát dưới kính hiển vi quang học, người ta chưa thấy được nhiễm sắc thể mà chỉ thấy các chất nhiễm sắc (chromatin) nằm trong nhân có dạng hạt bắt màu sậm.  Chất nhiễm sắc được cấu tạo từ ADN và 2 loại protein: histon và phi histon.  Các protein phi histon có tính acid, được tìm thấy ở những vùng liên kết lõng lẽo với ADN.  Các protein histon có tính kiềm, gồm 5 loại: H1, H2A, H2B, H3 và H4.  Khi nhiễm sắc thể được thành lập, ADN quấn quanh 8 phân tử histon : H2A, H2B, H3 và H4 (mỗi loại gồm 2 phân tử) tạo nên một cấu trúc gọi là thể nhân (nucleosome) (Hình 2).  Với sự tham gia của histon H1, các thể nhân kết chặc với nhau, cuộn xoắn thành sợi có đường kính 30 nm, các sợi nầy lại tiếp tục xoắn tạo thành sợi dầy hơn (đường kính 300 nm).  Khi các sợi nầy tiếp tục xoắn, các nhiễm sắc thể được tạo thành.

Hình 2.  Cấu trúc của một thể nhân

            Quan sát dưới kính hiển vi quang học người ta có thể thấy được các nhiễm sắc thể khi tế bào bắt đầu phân cắt.  Lúc nầy mỗi nhiễm sắc thể đã nhân đôi, mỗi nhiễm sắc thể gồm 2 nhiễm sắc tử (chromatid) được nối với nhau ở vùng tâm động (centromere) (Hình 3).

Hình 3.  Nhiễm sắc thể đã nhân đôi

II.  SỰ NGUYÊN PHÂN

Sự phân chia tế bào là một đặc điểm của sự sống.  Nó cho phép một cơ thể đa bào tăng trưởng.  Nó cũng giúp thay thế các tế bào bị thương, bị chết, giữ cho tổng số tế bào trong một cá thể trưởng thành tương đối hằng định.  Chẳng hạn, trong cơ thể người mỗi giây có hàng triệu tế bào phân chia để duy trì tổng số khoảng 6.1013 tế bào.  Ðồng thời sự phân chia tế bào cũng là cơ sở cho sự sinh sản của mỗi sinh vật.     

            Ở tế bào chân hạch mỗi chu kỳ tế bào là một trình tự của các sự kiện kể từ khi tế bào phân chia thành hai tế bào con đến khi các tế bào con bắt đầu phân chia.

            Một chu kỳ tế bào gồm hai kỳ: kỳ trung gian (interphase) và kỳ phân cắt nhân và tế bào chất (mitotic phase).  Kỳ trung gian được chia làm 3 giai đoạn: G1, S, G2.  Thời gian cần thiết cho mỗi kỳ khác nhau rất nhiều tùy theo loại tế bào.  Tuy nhiên, kỳ trung gian thường chiếm phần lớn thời gian của một chu kỳ tế bào (Hình 4).

Hình 4.  Chu kỳ tế bào

Trong phần lớn đời sống, tế bào ở vào giai đoạn không phân chia gọi là kỳ trung gian.  Trong thời kỳ nầy, tế bào tiến hành các hoạt động sống như hô hấp, tổng hợp protein, tăng trưởng, chuyên hóa và các vật liệu di truyền được sao chép.  Lúc nầy trong nhân tế bào chưa xuất hiện các nhiễm sắc thể, chỉ thấy được chất nhiễm sắc, màng nhân và hạch nhân.  Ở tế bào động vật, cạnh nhân còn có 2 trung tử hình trụ nằm thẳng góc với nhau.

Kỳ trung gian gồm 3 giai đoạn: G1(gap 1), S (synthesis) và G2 (gap 2).  Trong giai đoạn G1 ribô thể và các bào quan bắt đầu nhân đôi.  Trong giai đoạn S, sự tổng hợp ADN xảy ra cùng với sự tiếp tục nhân đôi của các bào quan.  Khi sự sao chép ADN kết thúc, giai đoạn G2 bắt đầu và tế bào chuẩn bị phân cắt nhân.

Sau giai đoạn G2, tế bào bắt đầu kỳ phân chia nhân.  Kỳ nầy thường được chia thành 4 giai đoạn riêng biệt là kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối (nhưng các giai đoạn nầy thực sự nằm trong một quá trình liên tục, nối tiếp nhau).

a.  Kỳ trước (Prophase)

Ở tế bào động vật, khi các trung tử nhân đôi và phân ly về hai cực của tế bào, các nhiễm sắc thể bắt đầu xoắn lại, trở nên ngắn và dầy hơn.  Lúc đầu chúng có dạng sợi dài và mãnh, về sau có dạng hình que ngắn.

            Một thoi vi ống giúp các nhiễm sắc thể phân ly trong quá trình phân cắt cũng được hình thành ở kỳ trước.  Khi các trung tử bắt đầu phân ly, một hệ thống vi ống xuất hiện ở gần mỗi cặp trung tử và tỏa ra theo tất cả các hướng.  Các vi ống nầy được gọi là các thể sao (asters).  Khi mỗi cặp trung tử về đến cực tế bào, một số vi ống nối với các vi ống ở cực đối diện.  Các vi ống  nầy cùng với các thể sao tạo thành thoi phân bào.

Cuối kỳ trước, màng nhân và hạch nhân dần dần biến mất, một số vi ống gắn vào các đĩa protein (gọi là kinetochores) ở tâm động của nhiễm sắc tử.  Các vi ống này nối tâm động với các cực (Hình 3). 

Ở tế bào thực vật, mặc dù không có trung tử và các thể sao nhưng vẫn có sự thành lập thoi vi ống.

                        b.  Kỳ giữa (Metaphase)

Ðầu kỳ giữa, các nhiễm sắc thể (lúc đầu được phân bố ngẫu nhiên trong nhân) bắt đầu di chuyển về mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào.  Ðến giữa kỳ, các nhiễm sắc thể đã được sắp xếp trên mặt phẳng nầy.  Cuối kỳ, tâm động của mỗi cặp nhiễm sắc tử tách ra, mỗi nhiễm sắc tử trở thành một nhiễm sắc thể có tâm động riêng.

Hình 5.  Sự nguyên phân ở tế bào thực vật

A.  Kỳ trước           B.  Kỳ giữa             C.  Kỳ sau             D.  Kỳ cuối

c.  Kỳ sau (Anaphase)

Sau khi tâm động đã tách ra, hai nhiễm sắc thể sẽ phân ly về hai cực đối diện của tế bào.  Lúc này các vi ống từ hai cực tế bào kéo dài và đẩy hai cực xa ra.  Cuối kỳ này, tế bào có hai nhóm nhiễm sắc thể riêng biệt, mỗi nhóm nằm ở một cực tế bào.  Sự phân chia tế bào chất (cytokinesis) cũng thường được bắt đầu vào cuối kỳ nầy.

d.  Kỳ cuối (Telophase)

Khi hai bộ nhiễm sắc thể về đến hai cực, chúng được bao bằng một màng nhân mới.  Sau đó các nhiễm sắc thể bắt đầu tháo xoắn và trở lại hình dạng như ở kỳ trung gian, hạch nhân cũng từ từ xuất hiện trở lại.  Thoi phân bào biến mất.  Sự phân chia tế bào chất thường cũng được hoàn tất trong suốt kỳ nầy.  Kỳ cuối kết thúc khi hai nhân mới có đầy đủ các đặc điểm như ở kỳ trung gian (Hình 5).

            Kết thúc sự phân chia nhân: từ một nhân có một bộ nhiễm sắc thể (2n) cho ra hai nhân, mỗi nhân cũng có một bộ nhiễm sắc thể (2n).

a.  Ở tế bào động vật

Sự phân chia ở một tế bào động vật bình thường bắt đầu bằng sự thành lập của một rãnh phân cắt (cleavage furrow) chạy vòng quanh tế bào.  Khi sự phân chia tế bào chất xảy ra, vị trí của rãnh thường được xác định bằng sự định hướng của thoi phân bào, thường là ở vùng mặt phẳng xích đạo của thoi.  Rãnh nầy càng ngày càng ăn sâu vào trong cho đến khi nó cắt ngang qua tế bào, tạo ra hai tế bào mới.

b.  Ở tế bào thực vật

Vì tế bào thực vật có vách celluloz tương đối cứng nên không thể tạo các rãnh phân cắt, do đó sự phân chia tế bào chất xảy ra theo một cách khác.

Ở nhiều loài nấm và tảo, màng nguyên sinh và vách phát triển vào bên trong tế bào cho đến khi hai mép gặp nhau và tách biệt hoàn toàn thành hai tế bào con.

Ở thực vật bậc cao một màng đặc biệt gọi là đĩa tế bào (cell plate) được thành lập ở mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào.  Ðĩa tế bào ban đầu được hình thành ở trung tâm của tế bào chất và từ từ lan ra cho đến khi chạm vào mặt ngoài của tế bào và cắt tế bào làm hai phần (Hình 6).

                      tế bào động vật             tế bào tảo          tế bào thực vật bậc cao       

                                    Hình 6.  Ba kiểu phân chia tế bào chất

III.  SỰ GIẢM PHÂN

Như chúng ta đã biết, sự nguyên phân giúp duy trì số lượng nhiễm sắc thể không đổi trong các tế bào dinh dưỡng.  Trong các tế bào giao tử (trứng và tinh trùng), số lượng nhiễm sắc thể chỉ bằng một nửa so với tế bào dinh dưỡng để khi thụ tinh (một trứng kết hợp với một tinh trùng) tạo thành hợp tử, số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội được khôi phục trở lại.  Quá trình phân chia làm số lượng nhiễm sắc thể trong giao tử còn một nửa gọi là sự giảm phân.

            Quá trình giảm phân gồm hai lần phân chia, kết quả từ một tế bào lưỡng bội (2n) tạo ra bốn tế bào đơn bội (n).  Lần phân chia thứ nhất có sự giảm số lượng nhiễm sắc thể, lần phân chia thứ hai có sự phân ly của các nhiễm sắc tử.  Mỗi lần phân chia đều có 4 giai đoạn: kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối.  Giữa hai lần phân chia không có kỳ trung gian.  Trước khi tế bào giảm phân cũng có sự tổng hợp ADN và sự nhân đôi của các bào quan.

a.  Kỳ trước I

Nhiều sự kiện diễn ra trong kỳ trước I của giảm phân giống như trong kỳ trước của nguyên phân.  Các nhiễm sắc thể từ từ xoắn lại, trở nên dầy và ngắn hơn, bắt màu đậm.  Hạch nhân và màng nhân từ từ biến mất, thoi phân bào được thành lập.  Nghiên cứu bằng phương pháp đánh dấu (dùng các chất đồng vị phóng xạ) cho thấy sự nhân đôi của vật liệu di truyền xảy ra trong kỳ trung gian (trước kỳ trước I) nhưng hai nhiễm sắc tử chưa tách biệt nhau.

Tuy nhiên, có những khác biệt quan trọng giữa kỳ trước I của giảm phân  với kỳ trước của nguyên phân.

Ðiểm khác biệt chủ yếu nhất là các nhiễm sắc tử của mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng luôn luôn nằm cạnh nhau và cùng di chuyển.  Hai nhiễm sắc tử của mỗi nhiễm sắc thể còn được giữ chặc với nhau bởi một cặp trục protein mỏng chạy dọc theo suốt chiều dài nhiễm sắc thể.  Các trục protein của hai nhiễm sắc thể tương đồng được nối với nhau bằng cầu protein chéo tạo thành một cấu trúc gọi là phức hệ tiếp hợp (synaptonemal complex), kết nối 4 nhiễm sắc tử với nhau tạo thành tứ tử (tetrad).  Quá trình này gọi là sự tiếp hợp (synapsis).

            Lúc naöy một quá trình quan trọng là sự trao đổi chéo (crossing over) bắt đầu.  Nhiễm sắc tử của nhiễm sắc thể này sẽ trao đổi một số đoạn với nhiễm sắc tử của một nhiễm sắc thể khác trong cặp tương đồng, tạo ra các nhiễm sắc tử lai.  Khi phức hệ tiếp hợp bị phá vỡ, hai nhiễm sắc tử lai vẫn còn dính nhau tại các điểm gọi là điểm bắt chéo (chiasma) trong cặp nhiễm sắc thể tương đồng (Hình 7).

Hình 7.   Sự trao đổi chéo

            Cuối kỳ trước I phần lớn các nhiễm sắc thể có hai nhiễm sắc tử lai (vì vật liệu di truyền đã được trao đổi giữa hai nhiễm sắc tử của hai nhiễm sắc thể tương đồng).  Các vi ống xuất hiện, tỏa ra từ hai cực tế bào, một số vi ống đính vào tâm động.

b.  Kỳ giữa I

Các cặp nhiễm sắc thể tương đồng hoạt động như một đơn vị thống nhất, di chuyển và tập trung về mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào.

c.  Kỳ sau I

Tâm động của hai nhiễm sắc thể không phân chia, do đó chỉ có sự tách và phân ly về hai cực tế bào của hai nhiễm sắc thể.  Vì mỗi nhiễm sắc thể có một tâm động  gắn với các vi ống của một cực nên hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng sẽ được kéo về hai cực đối diện.

d.  Kỳ cuối I

Kỳ cuối I của giảm phân và kỳ cuối của nguyên phân giống nhau, chỉ khác biệt là trong giảm phân mỗi nhân mới được thành lập chỉ còn một nửa số nhiễm sắc thể so với nhân ban đầu và mỗi nhiễm sắc thể đều có hai nhiễm sắc tử.

            Tiếp theo lần phân chia thứ I có một kỳ ngắn tương tự kỳ trung gian giữa hai lần nguyên phân nhưng không có sự sao chép vật liệu di truyền và do đó không có sự tạo thành các nhiễm sắc tử mới.

Ðây là lần phân chia nguyên nhiễm (số lượng nhiễm sắc thể không đổi sau khi phân chia).  Ở kỳ trước II không có hiện tượng tiếp hợp vì tế bào không có các nhiễm sắc thể tương đồng, thoi phân bào được thành lập từ các vi ống.  Sang kỳ giữa II các nhiễm sắc thể tập trung về mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào, các sợi thoi đính vào tâm động.  Sau đó tâm động phân chia, mỗi nhiễm sắc tử  tách thành nhiễm sắc thể .  Trong kỳ sau II, mỗi nhiễm sắc thể  phân ly về hai cực tế bào.  Ðến kỳ cuối II, bốn nhân mới được thành lập, mỗi nhân có số nhiễm sắc thể đơn bội.

IV.  SỰ GIẢM PHÂN VÀ CHU KỲ SỐNG CỦA SINH VẬT

Sự giảm phân ở thực vật thường tạo ra các tế bào sinh sản đơn bội (n) gọi là các bào tử (spores).  Các bào tử này thường nguyên phân để phát triển thành cơ thể đa bào đơn bội.

            Ở một số thực vật sơ khai như Tảo, các bào tử đơn bội (giai đoạn 1) nguyên phân và phát triển thành cơ thể đa bào đơn bội, tăng trưởng nhanh, ít chuyên hóa.  Giai đoạn nầy chiếm phần lớn chu kỳ sống (giai đoạn 2).  Các cơ thể đa bào nầy nguyên phân tạo ra các giao tử đơn bội (giai đoạn 3).  Qua thụ tinh, các giao tử tạo thành hợp tử lưỡng bội (giai đoạn 4).  Ngay sau đó hợp tử giảm phân để tạo ra 4 bào tử đơn bội, bắt đầu một chu kỳ mới.  Ở các thực vật này, giai đoạn đơn bội chiếm ưu thế, giai đoạn lưỡng bội ở hợp tử rất tạm thời.

Ở  Dương xĩ, giai đoạn lưỡng bội và đơn bội trong chu kỳ sống xấp xĩ nhau.  Ởí giai đoạn lưỡng bội của chu kỳ sống, các tế bào trong cơ quan sinh sản giảm phân tạo ra các bào tử đơn bội (giai đoạn 1).  Các bào tử này nguyên phân và phát triển thành các cây đa bào đơn bội (giai đoạn 2).  Sau cùng, chúng tạo ra các giao tử đơn bội bằng sự nguyên phân (giai đoạn 3).  Sự thụ tinh phối hợp hai giao tử thành hợp tử lưỡng bội (giai đoạn 4).  Hợp tử sẽ nguyên phân và phát triển thành một cây đa bào lưỡng bội.  (giai đoạn 5).  Khi cây nầy giảm phân tạo bào tử, một chu kỳ mới bắt đầu.

            Ở các thực vật hột kín, giai đoạn 1 và giai đoạn 2 tiêu giảm, chỉ còn 3 - 8 tế bào không sống tự do và phần lớn đời sống của nó là cây đa bào lưỡng bội.  (giai đoạn 5) (Hình 8).

Trừ một ít ngoại lệ, các động vật bậc cao tồn tại ở dạng cơ thể đa bào lưỡng bội trong toàn bộ chu kỳ sống của chúng.  Vào thời kỳ sinh sản, sự giảm phân sẽ tạo ra các giao tử đơn bội.  Khi nhân của các giao tự hợp nhất lại trong thụ tinh sẽ tạo ra một hợp tử lưỡng bội.  Sau đó hợp tử nguyên phân để tạo ra một cá thể đa bào mới.  Như vậy, chỉ có các giao tử (tinh trùng và trứng) là ở giai đoạn đơn bội trong chu kỳ sống của động vật.

Hình 8.  Bốn kiểu chu kỳ sống của sinh vật

            Ở động vật đực, các tinh trùng được tạo ra từ các biểu mô sinh tinh nằm trong ống sinh tinh của các dịch hoàn (testes).  Khi một trong các tế bào biểu mô giảm phân, bốn tế bào đơn bội nhỏ, kích thước xấp xĩ nhau được tạo ra.  Sau đó cả bốn tế bào nầy đều được chuyên hóa thành tinh trùng (sperm), có đuôi dài, với một ít tế bào chất ở phần đầu.  Quá trình sản sinh tinh trùng gọi là sự sinh tinh (spermatogenesis).

Ở động vật cái, các tế bào trứng được tạo ra trong các nang của buồng trứng (ovaries) bởi một quá trình gọi là sự sinh trứng (oogenesis).  Khi một tế bào trong buồng trứng giảm phân , các tế bào đơn bội được tạo thành có kích thước rất khác nhau.  Lần phân bào thứ I tạo ra một tế bào tương đối lớn và một tế bào rất nhỏ gọi là thể cực (polar body) thứ nhất.  Trong lần phân bào thứ II, tế bào lớn lại cho ra một thể cực nhỏ thứ hai và một tế bào lớn.  Tế bào lớn sau đó chuyên hóa thành tế bào trứng (ovum).  Thể cực thứ nhất có thể tiếp tục phân chia lần thứ II hoặc không phân chia.  Các thể cực này không có chức năng.  Như vậy khi một tế bào lưỡng bội trong buồng trứng hoàn tất giảm phân , chỉ có một tế bào trứng được tạo ra (Hình 9).

Hình 9.  Sơ đồ minh họa sự sinh tinh và sinh trứng ở động vật