Chu Kì Tế Bào - BioMedia Vietnam Group

BioMedia

Chu kỳ tế bào hay chu kỳ phân bào là một loạt các sự kiện xảy ra trong tế bào dẫn tới hình hành hai tế bào con từ một tế bào mẹ ban đầu. Ở sinh vật nhân sơ (prokaryotes), chu kỳ tế bào xảy ra thông qua quá trình trực phân (binary fission). Đối với các tế bào nhân thực (eukaryote), chu kỳ tế bào có thể chia thành 3 giai đoạn:

• Kỳ trung gian (interphase) gồm 3 pha G1, S và G2: tế bào tăng trưởng và tích lũy các chất dinh dưỡng cần thiết cho giai đoạn nguyên phân.
• Nguyên phân(mitotic) gồm: kỳ đầu (prophase), kỳ giữa (metaphase), kỳ sau (anaphase) và kỳ cuối (telophase): tế bào mẹ ban đầu phân chia thành 2 tế bào con.
• Sự phân bào (cytokinesis): tế bào mới được phân chia thành 2 tế bào con hoàn chỉnh riêng biệt

Nguồn ảnh: https://s3.amazonaws.com

Để đảm bảo sự phân chia tế bào một cách hợp lý, một số chế kiểm soát được gọi là các điểm kiểm soát (checkpoint) luôn tồn tại trong chu kỳ tế bào.

Chu kỳ phân bào có ý nghĩa sống còn đối với tế bào bởi nhờ đó mà trứng được thụ tinh từ một tế bào đơn phát triển thành cơ thể trưởng thành, đồng thời tóc, da, tế bào máu và một vài cơ quan nội tạng luôn được làm mới. Sau giai đoạn phân chia, mỗi tế bào con tạo thành sẽ bắt đầu kỳ trung gian của một chu kỳ phân bào mới.

1. Điều hòa chu kỳ tế bào ở eukaryote

Điều hòa chu kỳ tế bào rất quan trọng đối với tế bào, bao gồm phát hiện và sửa chữa những tổn thương trong bộ gen cũng như ngăn ngừa sự phân chia tế bào một cách mất kiểm soát. Cơ chế kiểm soát chu kỳ tế bào được lập trình và có định hướng, nghĩa là mỗi quá trình xảy ra theo một hướng liên tục và không thể đảo ngược chu kỳ.

• Vai trò của cyclin và CDK

Cylins và kinases phụ thuộc cyclin (cyclin dependent kinase-CDK) là hai loại phân tử điều hòa chủ chốt quyết định diễn tiến của chu kỳ tế bào.Các gen mã hóa cyclin và CDK được bảo tồn ở eukaryote, nói chung các sinh vật phức tạp hơn sẽ có hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào tỉ mỉ hơn bởi có sự hợp tác giữa các thành phần độc lập. Các gen mã hóa CDK tìm thấy ở nấm men, đặc biệt là Saccharomyces cerevisisae được đặt tên theo danh pháp di truyền là cdc (cell division cycle) đi kèm với số nhận diện của nó, chẳng hạn như cdc25 hay cdc20.

CDK tồn tại ở dạng dimer dị thể (heterodimer) và chỉ có hoạt tính xúc tác khi được gắn với cyclin hay nói cách khác cyclin là một protein điều hòa có vai trò hoạt hóa CDK. CDK thực hiện phản ứng phosphoryl hóa có tác dụng hoạt hóa hay bất hoạt protein mục tiêu để tế bào đi vào các pha tiếp theo của chu kỳ tế bào. CDKcó hàm lượng không đổitrong tế bào trong khi cyclin chỉ được tổng hợp tại các giai đoạn đặc biệt của chu kỳ.

• Các tương tác cyclin-CDK

Nhờ các tín hiệu ngoại bào tiền nguyên phân (pro-mitotic), phức hợp cyclin-CDK G1 trở nên có hoạt tính giúp tế bào tiến vào pha S bằng cách thúc đẩy sự biểu hiện các nhân tố phiên mã (transcription factor) giúp tăng cường sự biểu hiện cyclin của pha S và các enzyme cần thiết cho sự nhân đôi ADN. Phức hợp cyclin-CDK G1cũng thúc đẩy sự phân hủy các phân tử ức chế pha S bằng cách ubiquitin hóa protein mục tiêu, từ đó phân hủy các protein này nhờ proteasome.

Phức hợp cyclin-CDK ở pha Sphosphoryl hóa protein làm phức hợp tiền nhân đôi (pre-replication complex) đã được tập hợp trong suốt pha G1 gắn vào điểm khởi đầu sao chép ADN cảm ứng sự nhân lên của ADN. Sự phosphoryl hóa nhằm 2 mục đích: hoạt hóa phức hợp tiền nhân đôi đã được hình thành và ngăn chặn hình thành các phức hợp mới nhằm đảm bảo mỗi phần của bộ gen được nhân lên chỉ một lần duy nhất. Ngăn chặn các khoảng trống trong quá trình nhân đôi bộ gen rất quan trọng, bởi các tế bào con bỏ lỡ toàn bộ hay một phần các gen quan trọng sẽ chết. Tuy nhiên, đối với tác động do số bản sao gen, sở hữu quá nhiều bản sao của một gen nào đó cũng gây hại cho tế bào con.

Phức hợp cyclin-CDK nguyên phân(Mitotic cyclin-CDK complexes)bị bất hoạt trong suốt pha S và G2sẽ khởi đầu giai đoạn nguyên phân bằng cách kích thích các protein xuôi dòng (downstream) liên quan đến sự xoắn chặt của nhiễm sắc thể và sự hình thành thoi vô sắc (mitotic spindle). Ubiquitin ligase, còn gọi là phức hợp thúc đẩy kỳ sau (anaphase promoting complex-APC)được hoạt hóa nhằm thúc đẩy sự phân hủy các protein cấu trúc liên kết với phức hợp protein gắn vào tâm động nhiễm sắc thể (chromosomal kinetochore). APC cũng phân hủy cyclin trong giai đoạn nguyên phân để kỳ cuối và giai đoạn phân chia tế bào chất có thể tiếp tục.

• Hoạt động đặc trưng của phức hợp cyclin-CDK

Cyclin D là cyclin đầu tiên được tạo ra trong chu kỳ tế bào đáp ứng lại các tín hiệu ngoại bào chẳng hạn như các nhân tố tăng trưởng. Cyclin D gắn vào CDK4, tạo phức hợp cyclin D-CDK4 hoạt hóa có vai trò phosphoryl hóa protein ức chế khối u retinoblastoma (Rb) giúp Rb phân tách khỏi phức hợp E2F/DP1/Rb (phức hợp này được gắn vào gen và ngăn chặn quá trình phiên mã) dẫn tới hoạt hóa E2F. Sự hoạt hóa này cho phép phiên mã nhiều gen khác nhau như cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidine kinase, …. Cyclin E khi gắn vào CDK2 tạo phức hợp cyclin E-CDK2 có vai trò đẩy tế bào từ G1 vào pha S. Sự hoạt hóa phức hợp Cyclin B-CDK2 giúp phá vỡ màng nhân và khởi đầu kỳ đầu của giai đoạn nguyên phân, đồng thời sự bất hoạt phức hợp này giúp tế bào thoát khỏi mitosis. Phức hợp cyclin-CDK ở các giai đoạn khác nhau của tế bào eukaryote được mô tả ở hình 1.

Hình 1: Các giai đoạn khác nhau ở tế bào eukaryote

2. Ức chế chu kỳ tế bào

Hai họ gen, cip/kip (protein tương tác CDK-CDK interacting protein/protein ức chế kinase-Kinase inhibitory protein) và INK4a/ARF (ức chế kinase 4 – Inhibitor of kinase 4/khung đọc luân phiên-Alternative Reading Frame) ngăn chặn sự tiến triển của chu kỳ tế bào, do đó ức chế sự hình thành khối u.

Họ cip/kip (gồm các gen p21, p27 và p57) dừng chu kỳ tế bào ở pha G1bằng cách gắn và bất hoạt phức hợp cyclin-CDK. p21 được hoạt bởi p53 ức chế hoạt tính của cyclin-CDK (trường hợp ADN bị tổn thương), trong khi p27 lại được hoạt hóa bởi chất ức chế tăng trưởng là nhân tố tăng trưởng chuyển dạng β (Transforming Growth Factor of β – TGF β).

Họ INK4a/ARF bao gồm p16INK4a (gắn vào CDK4 và làm ngừng chu kỳ tế bào ở pha G1) và p14ARF có tác dụng ngăn chặn sự phân hủy p53.

Các chất ức chế Cdc25 có thể rất hữu ích trong việc dừng chu kỳ tế bào, do đó được dùng như tác nhân chống ung thư.

3. Hệ thống điều hòa phiên mã

Các bằng chứng hiện tại cho rằng hệ thống phiên mã bán tự chủ hoạt động phối hợp với bộ máy CDK-cyclin để điều hòa chu kỳ tế bào. Một số nghiên cứu biểu hiện genở Saccharomyces cerevisiae đã nhận diện 800-1200 gen có thay đổi sự biểu hiện xuyên suốt trong chu kỳ tế bào. Chúng được sao chép ở mức cao tại các thời điểm đặc biệt trong chu kỳ tế bào, và duy trì ở mức thấp trong suốt phần còn lại. các nghiên cứu đều cho rằng phần lớn gen của nấm men được điều hòa theo thời gian

Các nhân tố phiên mã được biểu hiện theo chu kỳ sẽ khởi động các gen biểu hiện theo chu kỳ. Sàng lọc knockout gen đơn đã nhận diện 48 nhân tố phiên mã (chiếm khoảng 20% nhân tố phiên mã không thiết yếu) thể hiện sai sót trong diễn tiến chu kỳ tế bào. Các nghiên cứu mở rộng bộ gen dùngkỹ thuật hiệu năng cao nhận diện các nhân tố phiên mã gắn vào vùng khởi động (promoter) trên gen của nấm men, và mô hình biểu hiện theo thời gian cho phép sự nhận diện các nhân tố phiên mã khởi động sự biểu hiện các gen đặc hiệu cho các pha. Dữ liệu biểu hiện của các nhân tố phiên mã này được khởi động bởi các nhân tố phiên mã tạo đỉnh (peak) trong pha trước và mô hình tính toán cho thấy hệ thống CDK-tự động của các nhân tố phiên mã này đủ để tạo ra dao động đều đặn trong biểu hiện gen.

Các bằng chứng thực nghiệm cũng cho thấy rằng sự biểu hiện gen có thể dao động theo chu kỳ được nhận thấy trong sự phân chia các tế bào hoang dại một cách độc lập với cơ chế CDK. Orlando và cộng sự đã dùng vi chíp để đo lường sự biểu hiện của tập hợp 1,271 genđược biểu hiện theo chu kỳ trong cả tế bào hoang dại và tế bào vắng mặt cyclin pha S và pha nguyên phân (clb 1, 2, 3, 4,5 5, 6). Trong đó có 882 gen tiếp tục được biểu hiện trong tế bào thiếu cyclin tại cùng thời điểm với tế bào hoang dại, mặc dù các tế bào thiếu cyclin bị dừng tại ranh giới giữa pha G1 và S. Tuy nhiên, có 883 gen có sự thay đổibiểu hiện giữa dạng hoang dại và tế bào đột biến, chứng tỏ các gen này được điều hòa trực tiếp hay gián tiếp bởi cơ chế CDK-cyclin. Một số gen tiếp tục được biểu hiện đúng lúc trong tế bào đột biến nhưng ở các mức khác nhau trong tế bào đột biến và hoang dại, chứng tỏ thỉnh thoảng hệ thống phiên mã có thể dao động một cách độc lập với sự dao động CDK-cyclin, chúng được bắt cặp theo cách đòi hỏi cả hai phải đảm bảo các sự kiện chu kỳ tế bào chính xác theo thời gian. Nghiên cứu khác chỉ ra rằng sự phosphoryl hóa (một sự biến đổi sau dịch mã) các nhân tố phiên mã chu kỳ tế bào bởi Cdk1 có thể biến đổi sự định vị hoặc hoạt tính của các nhân tố phiên mã nhằm kiểm soát chặt chẽ các gen đích theo thời gian.

Trong khi sự phiên mã dao động đóng vai trò then chốt trong diễn tiến chu kỳ tế bào ở nấm men, cơ chế điều hòa CDK-cyclin hoạt động độc lập trong chu kỳ tế bào ở giai đoạn sớm của phôi. Trước khi chuyển sang giai đoạn phôi nang giữa, sự phiên mã ở hợp tử không xảy ra và tất cả protein cần thiết như cyclin loại B (B-type cyclin) được dịch mã từ mARN đã được tổng hợp từ trứng trước khi thụ tinh.

4. Sự sao chép ADN và hoạt động khởi đầu sao mã

Các phân tích đồng bộ dịch nuôi cấy S. Cerevisiaevới điều kiện ngăn chặn khởi đầu sao mã ADN mà không trì hoãn chu kỳ tế bào cho thấy rằng sự nhận biết điểm khởi đầu sao chép làm giảm sự biểu hiện của các gen có điểm khởi đầu sao chép gần đầu 3’ của chúng, chứng tỏ các điểm khởi đầu hạ nguồn có thể điều hòa sự biểu hiện của các gen thượng nguồn. Điều này khẳng định những dự đoán trước đây từ các mô hình tính toán về sự phối hợp giữa hoạt động điểm khởi đầu sao mã ADN và sự biểu hiện mARN và cho thấy rằng các mô hình tính toán dữ liệu chíp ADN có thể được dùng để dự đoán chính xác các mô hình điều hòa sinh học đã biết.

5. Điểm kiểm soát (Checkpoint)

Điểm kiểm soát chu kỳ tế bào có tác dụng kiểm soát và điều hòa tiến triển chu kỳ tế bào, ngăn sự phát triển của chu kỳ tế bào tại các điểm đặc biệt, từ đó cho phép kiểm tra lại các pha cần thiết và sửa chữa tổn thương ADN nhằm đảm bảo ADN bị tổn thương hoặc không hoàn chỉnh không được phân vào các tế bào con. Các tế bào không thể tiến vào các pha tiếp theo cho đến khi các điểm kiểm soát được đáp ứng đầy đủ điều kiện. Về cơ bản, các điểm kiểm soát bao gồm một hệ thống các protein điều hòa có vai trò kiểm soát và ra lệnh sự tiến triển của tế bào trong chu kỳ phân chia.

Có 3 điểm kiểm soát chính trong chu kỳ tế bào: điểm kiểm soát G1/S ở vị trí chuyển tiếp G1/S, điểm kiểm soát G2/M ở vị trí chuyển tiếp G2/M và điểm kiểm soátcon thoi ở vị trí trước kỳ sau của chu kỳ tế bào. Trong đó, điểm kiểm soát G1/S được biết là điểm giới hạn tốc độ trong chu kỳ tế bào và p53 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế kiểm soát ở cả hai điểm kiểm soát G1/S và G2/M.

6. Quá trình hình thành khối u

Sự mất kiểm soát điều hòa các thành phần chu kỳ tế bào có thể dẫn tới sự hình thành khối u. Khi các gen ức chế chu kỳ tế bào như Rb, p53,… bị đột biến có thể làm tế bào nhân lên không kiểm soát và hình thành khối u. Thời gian chu kỳ tế bào ở tế bào khối u bằng hoặc thậm chí dài hơn so với tế bào bình thường nhưng số lượng tế bào ở trạng thái phân chiaso với các tế bào ở trạng thái im lặng trong pha G0 ở khối u lại cao hơn so vớicác mô bình thường. Do đó có sự gia tăng về lượng tế bào trong khối u trong khi số tế bào chết theo chương trình hoặc già yếu vẫn duy trì giống nhau.

Các tế bào đang trong diễn tiến chu kỳ tế bào trở thành mục tiêu của liệu pháp điều trị ung thư bởi ADN được phơi bày trong quá trình phân chia tế bào nên dễ bị tổn thương bởi thuốc hay phóng xạ. Trong phương pháp cắt bỏ một phần khối u (debulking) được ứng dụng để điều trị ung thư, khi một phần khối u được loại bỏ sẽ đẩy mạnh một lượng đáng kể tế bào khối u còn lại chuyển từ trạng thái im lặng G0 sang G1 (do sự gia tăng dinh dưỡng, oxygen, các nhân tố tăng trưởng,…), khi đó các liệu pháp phóng xạ hay hóa học được sử dụng theo sau đó sẽ giết các tế bào khối u còn lại khi chúng vừa mới bước vào chu kỳ tế bào.

Tế bào hẻm tuyến (crypt cell) trong biểu mô ruột non là tế bào động vật hữu nhũ có thời gian chu kỳ tế bào nhanh nhất, chỉ từ 9-10 giờ trong khicác tế bào gốc ở da chuột có thời gian tới hơn 200 giờ. Hầu hết sự khác biệt này do sự thay đổi thời gian pha G1, đây là pha có thời gian dao động nhiều nhất trong chu kỳ tế bào so với các pha M và S có thời gian không thay đổi nhiều.

Nói chung tế bào nhạy cảm với phóng xạ nhất ở giai đoạn cuối pha M và pha G2 và hầu như kháng ở pha S muộn. Ở các tế bào có thời gian chu kỳ tế bào dài hơn và pha G1 dài đáng kể, sẽ có đỉnh kháng thứ hai ở cuối G1. Hoạt tính kháng và nhạy với phóng xạ này tương quan với lượng hợp chất sulfhydryl có trong tế bào. Sulfhydrid là cơ chất tự nhiên giúp bảo vệ tế bào khỏi tác hại của phóng xạ và có khuynh hướng đạt hàm lượng cao nhất ở pha S và thấp nhất khi gần giai đoạn nguyên phân.

Dịch và tổng hợp từ Wikipedia

BioMedia VN