Tải bản đầy đủ

Bài giảng sinh học phát triển SĐH phần a và b

BÀI GIẢI : SINH HỌC PHÁT TRIỂN - SDH
Phần A
CÁC VẤN ĐỀ CHUNG
Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1. Lược sử nghiên cứu sinh học phát triển
- Khoảng 600 năm trước công nguyên, trên bờ biển Eđi thuộc xứ Ioni nước
Hy lạp đã xuất hiện một số trường phái triết học về quan niệm sự sống
- Theo truyền thuyết của Anclemeon thế kỉ thứ XI trước Công nguyên là
người đầu tiên đã giải phẫu động vật để miêu tả và quan sát sự phát triển của
phôi gà. Do vậy ông được coi là người đầu tiên đặt nền móng cho phôi sinh học,
một bộ môn nghiên cứu sự phát triển cá thể.
- Thế kỉ thứ XVII với thuyết “Tự sinh” cho rằng các sinh vật sống được
hình thành từ các vật không sống qua việc quan sát sự xuất hiện các con dòi (ấu
trùng của ruồi) trong thịt thối rữa. Với thuyết này đã gây ra sự tranh luận gay gắt
và rộng rãi ở thế kỉ XVII và XVIII giữa những người theo thuyết sinh lực luận
và duy tâm.
- Cùng với sự phát hiện ra kình hiển vi bởi một thương gia người Hà Lan là
Antonivan Lovenhuc (1632 – 1723). Các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu mô
và phôi của động vật.

- Nhà sinh lí học người Nga là Caxpa Fridik Volf (1733 – 1794) là người
mở đầu chống lại thuyết “tiến thành luận” trong Luận án tiến sĩ của mình ông
mô tả sự phát triển của hoa và lá thực vật. Theo ông chồi mầm “đỉnh sinh
trưởng” do những cấu trúc chưa phân hoá và đồng nhất tạo thành. Trong quá
trình sinh trưởng một số phân hoá thành hoa, một số thành lá. Trong phôi gà, các
mô chưa phân hoá dần dần thành các cơ quan nội tạng sau này. Vì vậy, thuyết
của Volf gọi là thuyết biểu sinh. Nhà động vật học người Pháp là Etien Jofrua
Saintiner (1772 – 1844) đã bổ sung bằng chứng cho thuyết biểu sinh bằng cách
1

1


tạo sự phát triển không bình thường cho phôi gà đã thu được những phôi quái
hình
- Người đặt nền móng cho sự nghiên cứu về mô là một thầy thuốc người
Pháp Mari Frangxoa Xavie Bisa (1771- 1802) ông đã phát hiện ra rằng các cơ
quan khác nhau được cấu tạo từ các hợp phần khác nhau về hình dạng. Ông gọi
các yếu tố hợp phần đó là mô.
- Năm 1805 -1855 nhà sinh lí học người Đức là Huygo Fonbon gọi các yếu
tố hợp thành trong các mô là những tế bào.
- Nhà sinh lí học người Nga là Karl Makximovits Ber (1791 – 1871) đã
nghiên cứu và trả lời các câu hỏi “Bằng cách nào từ trứng lại biến đổi thành cơ
thể độc lập?”. Qua 10 năm nghiên cứu, ông đã cho xuất bản tác phẩm đầu tiên
bàn về vấn đề này. Chính ông là người phát triển và đặt nền móng cho bộ môn
phôi sinh học và sinh học phát triển. Trong công trình của mình ông đã chứng
minh rằng: trứng đang phát triển tạo thành các lớp mô chưa phân hoá, mỗi lớp
khởi sinh hình thành các cơ quan khác nhau của cơ thể.
- Nhà sinh lí học người Đức, Robe Remac (1815 – 1865) khi nghiên cứu sự
phát triển phôi của động vật, đã phát hiện phôi gồm 3 lá khác nhau là ngoại bì,
trung bì và nội bì. Như vậy, có thể thấy sự phát triển của phôi động vật đa bào
bắt đầu từ trứng được thụ tinh, những trứng này về cơ bản giữa các loài không
có sự khác nhau lớn. Chỉ khi phôi phát triển dần dần mới có sự sai khác.
- Ngày nay, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu nhằm giải thích cơ sở
quá trình phát triển của các nhóm sinh vật khác nhau, đặc biệt các nghiên cứu đi
sâu vào bản chất quá trình điều khiển quá trình phát triển của sinh vật. Vì vậy,
nhiều quá trình phát triển đã được sáng tỏ ở cấp độ tế bào và phân tử. Tuy nhiên,
vấn đề phát triển của sinh vật vẫn còn nhiều bí ẩn cần có nhiều các công trình
nghiên cứu ở cấp độ sâu hơn.
1.2. Đối tượng của môn sinh học phát triển


- Nghiên cứu các qui luật phát triển cá thể, qui luật phát sinh hình thái và
cơ chế kiểm tra nó ở các mức độ khác nhau (phân tử, tế bào, mô, cơ quan và cơ
thể)
2

2


- Nghiên cứu các yếu tố điều khiển quá trình phát triển của sinh vật đa bào.
- Nghiên cứu qui luật chuyển tiếp của sinh giới từ bậc thấp đến bậc cao, từ
đơn bào đến đa bào v.v..
1.3. Nội dung môn sinh học phát triển
Môn sinh học bao gồm các nội dung cơ bản
- Phần cơ sở của sự phát triển sẽ đề cập đến các vấn đề cơ sở phân tử, tế
bào của sự phát triển, đồng thời khái quát các hình thức sinh sản của sinh vật,
một quá trình có liên quan mật thiết đến sự phát triển của sinh vật.
- Nghiên cứu sự phát triển của sinh vật bậc thấp (virut, vi khuẩn, tảo và
nấm).
- Nghiên cứu quá trình phát triển và các yếu tố điều khiển quá trình phát
triển của thực vật và động vật bậc cao.
1.4. Một số khái niệm có liên quan
1.4.1. Sinh trưởng
Sinh trưởng của sinh vật là quá trình tăng không thuận nghịch kích thước
(chiều dài, bề mặt, thể tích) và khối lượng kèm theo sự tạo mới các thành phần
cấu trúc (tế bào, mô, cơ quan) của cơ thể
1.4.2. Phân hoá
Sự biến đổi về mặt định tính được thực hiện nhờ sự hình thành mới về mặt
hình thái và chức năng làm xuất hiện các sai khác về chất giữa các tế bào, mô,
cơ quan gọi là sự phân hoá.
1.4.3. Tăng trưởng
Tăng trưởng là điều kiện cốt yếu của sinh sản vì nếu không có tăng trưởng
thì mọi phương thức sinh sản đều dẫn đến thế hệ sau có kích thước giảm dần,
cũng có nghĩa là sự sống dần đi đến kết thúc. Sự tăng trưởng mang tính đặc
trưng cho loài và phụ thuộc vào các yếu tố môi trường.
1.4.4. Di truyền
Là khả năng thế hệ sau lặp lại thế hệ trước dựa trên cơ sở bố mẹ truyền cho
con cái các phân tử AND. Đồng thời nhờ sinh sản mà các yếu tố di truyền được
tổ hợp lại.
3

3


1.4.5. Phát triển
Phát triển là những biến đổi về chất trong cấu trúc, hoạt tính chức năng của
toàn bộ cơ thể và các bộ phận cấu thành nó (tế bào, mô, cơ quan) trong tiến trình
phát triển cá thể.
1.4.6. Phát sinh cá thể (ontogenesis) hay chu trình sống
Phát sinh cá thể (ontogenesis) hay chu trình sống là tổng thể những biến
đổi chức năng và hình thái do di truyền gây nên trong cơ thể từ khi cơ thể hình
thành hay mầm sinh dưỡng đến cái chết tự nhiên trong điều kiện bình thường
của ngoại cảnh.
1.5. Quan hệ giữa sinh trưởng và phát triển
- Sinh trưởng tạo điều kiện cho phát triển hay nói cách khác không có sinh
trưởng thì không có phát triển.
Thí dụ: phôi cần có sự sinh trưởng về kích thước và số lượng tế bào mới
chuyển sang nảy mầm hình thành cơ thể non trẻ. Một số loài cây (cà chua) cơ
thể phải có một số lượng lá nhất định mới chuyển sang trạng thái sinh trưởng
sinh sản.
- Phát triển lại tạo cho sinh trưởng diễn ra với tốc độ và hình thức khác
nhau. Có thể nói sinh trưởng và pháp triển là qui luật triết học về lượng và chất.
Thí dụ: Ở cây Một lá mầm, giai đoạn non trẻ cơ quan sinh dưỡng sinh
trưởng mạnh, sang giai đoạn ra hoa, tạo quả cơ quan sinh dưỡng ngừng sinh
trưởng. Các cây sống lâu năm, ra hoa kết quả nhiều lần trong vòng đời cũng có
hiện tượng tương tự. Khi hình thành hoa, quả cơ quan sinh dưỡng sinh trưởng
chậm.

4

4


Chương 2

CƠ SƠ CỦA SỰ PHÁT TRIẺN
2.1. Cở sở phân tử của sự phát triển
Quá trình phát triển của cơ thể đa bào bắt đầu từ trứng thụ tinh cho đến
khi cơ thể chết tự nhiên. Không có bất cứ một tế bào trứng hay tinh trùng có sãn
các tính trạng. Trong trứng và tinh trùng chỉ chứa sãn chương trình phát triển cá
thể dưới dạng hệ thống các gen. Chương trình này mang tính đặc thù cho loài, cá
thể về số lượng gen, trình tự về thời gian hoạt động và cơ chế tác động của gen.
2.1.1. Kích thước, tổ chức và tính phức tạp của bộ gen
+ Không có bất kì một trứng hay một tinh trùng nào đã có sãn các tính
trạng của cơ thể mà trong nó chỉ chứa hệ thống các gen qui định sự phát triển
của cơ thể. Tuy nhiên, mỗi loài bộ gen lại có sự khác nhau. Chính vì vậy sự phát
triển của mỗi loài lại mang tính đặc trưng.
+ Kích thước của bộ gen có mối qua hệ đến sự phức tạp của cơ thể
Thí dụ: E.coli bộ gen có 0,47. 108 cặp bazo (cb); ruồi giấm có 2.108 cb;
người có 30.108 cb..
+ Tổ chức gen của sinh vật nhân sơ (Procaruota)
- ADN không liên kết với protein histon.
- Đa số các gen mã hóa các phân tử protein.
- Gen của Procaruota không phân mảng.
+ Tổ chức gen của sinh vật nhân chuẩn (Eukaryota)
- ADN liên kết với protein histon vì vậy sự mở mã di truyền của mỗi gen
vào mỗi giai đoạn lại khác nhau.
- Trong hệ gen có nhiều gen lặp: ở người ADN dài 1,2 m, nhưng thực chất
ở người chỉ có 30000 – 40000 gen còn lại là các gen lặp.
- Đa số gen phân mảng, chỉ có một số ít không phân mảng.
- Ngoài gen trong nhân, chúng còn có gen ngoài nhân.
2.1.2. Sự biểu hiện gen và sinh học phát triển
5

5


2.1.2.1. Sự biểu gen của sinh vật tiền nhân (Procaruota)
- Trong cơ thể vi khuẩn các gen được xếp thành các Operon. Một operon
gồm các gen cấu trúc và các gen điều tiết. Sự sao mã và tổng hợp các phân tử
protein của các gen cấu trúc do các gen điều tiết điều khiển.
a. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của Lac – operon
Lac – operon của vi khuẩn E.coli do Francois Jacob và Jacques Monod ở
viện Pasteus Paris mô tả vào năm 1961.
+ Trong sinh vật Procaruota các gen được cấu trúc thành các operon, sự
hoạt động của các operon có liên quan đến sinh trưởng và phát triển của cơ thể.
+ Cấu trúc một operon (hình 1)
- Trong một operon gồm các vùng: vùng khởi động (P); vùng chỉ huy (O)
và các gen cấu trúc. Điều hòa operon có gen điều hòa R. (gen R không nằm
trong operon)
+ CÊu tróc Lac- opreon theo F. Jacop vµ J. Mono (1961)

Hình 1. Mô hình cấu trúc operon (theo N.A. Camplell và CS 1977)
A. Lac – operon đóng; B. Lac- operon mở khi môi trường có lactozo.
- Vùng khởi động (P) khởi động quá trình sao mã các gen cấu trúc
6

6


- Vùng điều hành (O) điều hành các gen cấu trúc
- Gen cấu trúc gồm 3 gen: gen1: tổng hợp β -galactosidaza; gen 2: tổng
hợp permeaza; gen 3: tổng hợp enzim transacetylaza.
+ Operon đóng: bình thường gen R sao mã tổng hợp protein điều hòa,
protein này gắn vào vùng O làm cho các gen cấu trúc không sao mã, tổng hợp
các enzim.
+ Operon mở: khi môi trường có lactozo đóng vai trò là chất cảm ứng liên
kết với protein điều hòa. Vì vậy, vùng O được giải phóng. Enzim ARNpolimeaza xác tác quá trình sao mã các gen cấu trúc 1, 2, 3 để tổng hợp các
enzim β -galactosidaza; polimeaza; transacetylaza tham gia vào phân hủy đường
lactozo
b. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của Trp - operon

Hình 2.2. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của Trp - operon
Hệ thống tryptophan cũng có cấu trúc tương tự hệ thống lactozo gồm gen
điều ḥa R và operon tryptophan (promoter, operator và 5 gen cấu trúc) các gen
cấu trúc xác định 5 enzim được xếp theo thứ tự tương ứng chức năng xúc tác
theo tŕnh tự các phản ứng của chuỗi biến dưỡng tryptophan (hình 2.2). Sự khác
7

7


nhau căn bản với hệ thống Lac-operon là ở gen điều ḥa. Gen điều ḥa của
tryptophan tổng hợp thường xuyên protein aporepressor, là chất ḱm hăm mà
riêng nó không có hoạt tính. Khi tryptophan dư thừa nó trở thành chất động ḱm
hăm (holorepressor) có hoạt tính. Phức hợp này gắn vào operator của trp –
operon làm dừng phiên mă các gen cấu trúc. Khi nồng độ triptophan thấp, nó
tách khỏi phức kĩm hăm và protein aporepressor mất hoạt tính. Lúc này các
operator lại được mở và ARN polymerase dịch mă 5 gen cấu trúc để dịch mă 5
enzim tổng hợp tryptophan (hh́nh 2). Sự điều ḥa kiểu này gọi là điều hóa ngược
(retro-inhibition) do sản phẩm cuối cùng có môi quan hệ nghịch (feed – back)
như hình 2.3

Hình 3. Sự kiểm soát âm đối với operon tryptophan của E.coli
Như vậy, hoạt động của hệ thống Trp – operon ngược lại với hệ thống Lacoperon: khi có tryptophan thì operon đóng, thiếu tryptophan thì operon mở.
+ ý nghĩa: Nhờ có khả năng điều hòa mà cơ thể có thể tổng hợp được trp
khi nguồn dinh dưỡng thiếu, đồng thời dừng quá trình này khi môi trường có đã
đủ trp. Như vậy, cơ thể có thể tiết kiệm được vật chất và năng lượng, giúp sự
sinh trưởng- phát triển bình thường.
2.1.2.2. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn (Eucaryota)
- Khác với sinh vật nhân sơ, sinh vật nhân chuẩn có màng nhân, màng này
có vai trò ngăn cách bộ máy phiên mã (sao mã) và bộ máy dịch mã (giải mã). Vì
vậy, quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra không đồng thời.
8

8


- ADN của sinh vật nhân chuẩn liên kết với histon để hình thành các cấu
trúc lớn hơn là nucleoxom, sợi nhiễm sắc và nhiễm sắc thể (NST). Chính sự
đóng gói này đã giúp quá trình điều khiển sự phát triển của cá thể. Ở mỗi mô, cơ
quan do tương tác bộ gen với môi trường bên trong và môi trường bên ngoài mà
các gen được hoạt động sao mã hay không sao mã.

Hình 2.4. Mô hình mở xoắn NST của các mô khác nhau của cơ thể
Thí dụ 1: Các thí nghiệm quan sát NST trong tế bào ở các mô khác nhau
thấy hình dạng NST ở trạng thái tháo xoắn khác nhau (hình chổi rửa ống
nghiệm), điều đó các gen trong các mô sao mã khác nhau (hình 2.4)
Thí dụ 2: Khi quan sát NST X người ta thấy sự đống xoắn NST X ở động
vật có vú có sự khác nhau, con cái có 2 NST X (XX) thì chỉ có 1 NST X hoạt
động, còn 1 bị đóng gói chặt mất hoạt tính gọi là thể Barr (Barr body) như hình
2.5.
NST X hoạt động

NST X bất hoạt (thể Barr)

Hình 2.5. Sự mất hoạt tính của NST X trong tế bào mèo Calico (theo
N.A.Campbell và CS. 1977)
- Tổ chức gen trong sinh vật nhân chuẩn cũng có sự khác với sinh vật sơ.
Sinh vật nhân chuẩn có hai loại gen là
9

9


+ Gen phân đoạn: trong cấu trúc có đoạn không mã hoa (intron) và đoạn
mã hóa thông tin cấu trúc các axit amin (exon)
+ Gen không phân đoạn không chứa các đoạn intron
Thí dụ: gen Histon ở cầu gai và gen sốc nhiệt của ruồi giấm (Drosophila).
- Sự điều tiết gen trong sinh học phát triển của sinh vật nhân chuẩn có
nhiều mức độ
+ Điều hòa đóng và tháo xoắn NST dựa vào bằng chứng về sự tháo xoắn
NST của các mô khác nhau (xem phần trên)
+ Điều hòa ở mức cấu trúc gen: gen phân đoan và không phân đoạn..
+ Điều hòa ở mức phiên mã: kết quả nghiên cứu vấn đề này chủ yếu trên
đối tượng ruồi giấm, còn ở thực vật đã có một số kết quả nghiên cứu trên cây
Arabidopsis thaliana (cải soong). Tuy mỗi tế bào đều chứa bộ gen như nhau,
nhưng sự mở mã của gen nào để sao mã còn tùy thuộc tín hiệu hóa học (thường
là phytohoocmon và vitamin). Sự điều hòa phiên mã còn phụ thuộc vào các
enzim ARN- polimeaza định cư ở các vị trí khác nhau trong tế bào.
* ARN polimeaza I định cư trong nhân con tổng hợp rARN.
* ARN polimeaza II định cư trong cơ chất tổng hợp pro-ARN
* ARN polimeaza III định cư trong cơ chất tổng hợp tARN
I

E1

I

I

E3

I

I

E1

I

I

E3

I

Gen

Pre-ARN

E1

mARN

10

E1

E2

E3

E2

E1

E3

10

E3

E2


Hình 2.6. Quá trình cắt – nối các intron và enxon hình thành các
mARN khác nhau (theo Nei. A. Campbell và CS. 1977)
Chú ý: nếu một gen có m exon thì có thể tạo ra m! Các loại mARN khác
nhau. Chức năng của đoạn intron? Hiện nay chưa có câu trả lời đầy đủ về vai
trò của intron. Nhưng theo các nhà sinh học thì intron có vai trò điều tiết hoạt
động của gen, điều tiết dòng mARN ra khỏi màng nhân vào tế bào chất, tạo
nhiều loại mARN từ 1 pre-ARN, ngoài ra intron còn làm tăng khả năng trao đổi
chéo của các gen trên NST.
+ Điều tiết sau phiên mã: Sau khi phiên mã từ các gen phân đoạn được
tiền ARN (pre – ARN) còn gọi là ARN không đồng nhất (ARNhn- hetorogenous
nuclear ARN). Tiếp đến pre – ARN sẽ được cắt bỏ bớt đoạn intron và nối các
đoạn exon (cắt – nối- processing) để hình thành các phân tử mARN chỉ chứa các
đoạn exon. Vì vậy, pre – ARN thường dài hơn mARN từ 10 – 100 lần. Chính sự
cắt- nối này mà từ một gen có thể hình thành nhiều loại mARN khác nhau. Nhờ
quá trình dịch mã mà hình thành nhiều loại protein ở các mô khác nhau. Sơ đồ
cắt – nối pre- ARN được thể hiện ở (hình 7)
ADN

1. Điều tiết phiên mã
Pre-ARN

2. Điều tiết sau phiên mã
mARN

3. Điều tiết vân chuyển mARN
mARN
mARN bất hoạt

5. Điều tiết phân giải

11

Protein

4.Điều tiết tổng hợp

11

6.Điều tiết hoạt tinh Pr

Protein bất hoạt


Hình 2.7. Các bước điều tiết quá trình biểu hiện gen trong tế bào
nhân chuẩn (Eucaryota)
Để mARN có thể tham gia quá trình dịch mã chúng cầm gắn thêm mũ
metyl guanilat vào đầu 5’, đầu mũ này có vai trò bảo vệ mARN không bị phân
hủy bởi ARN-aza. Đầu 3’ được gắn thêm đuôi poli A (gồm 100 – 200 gốc
Adenilic). Đuôi poli A cũng giúp cho mARN không bị phân giải và đi được qua
màng nhân ra ngoài tế bào chất. Cả mũ và đuôi còn tăng hiệu quả dịch mã ở
riboxom (hinh 7).
+ Điều tiết sự biểu hiện của gen ở mức trong và sau dịch mã thể hiện:
- Thời gian tồn tại của mARN phụ thuộc vào mô, trạng thái sinh lí của tế
bào.
Thí dụ: Peter và Silverthorne (1995) khi nghiên cứu trên cây đâu (Vicia
faba) bị nhiễm nấm cho thấy mARN bị phân giải nhanh, tế bào tổng hợp nhiều
prolin ở vách tế bào.
- Điều tiết sự biểu hiện của gen sau dịch mã là protein sản phẩn có thể
trực tiếp tham gia chức năng sinh lí hay bị bất hoạt (hình 7)
2.1.2.3. Một số kết quả nghiên cứu điều hòa hoạt tính của gen ở
Eucaryota
Các cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở Eucaryota theo 5-6 bước đã
được mô tả ở hình 7. Trong phần này chỉ nhấn mạnh thêm một số đặc điểm của
điều hòa hoạt động gen của Eucaryota
- Ở các operon của Procaryota, các gen điều hòa và các promotor thường
nằm gần nhau, nhưng ở Eucaryota các gen điều hòa ít khi nằm gần các promoter
do chúng kiểm soát.
- Các enhancer là những trình tự cùng nằm trên một phân tử với các
promoter có thể có hàng trăm cặp base ở phía trước hoặc phía sau promoter mà
chúng kích thích.
- Trình tự điều hòa 5’ ở phía trước promoter ở Eucaryota thường rất dài,
có tới hàng chục Kb.
12

12


- Có nhiều kiểu điều hòa ở dạng các nhân tố có tác dụng trans là các
protein.
- Sự phiên mã có thể được kích thích bởi các tín hiệu khác nhau. Sự điều
hòa gen ở Procaryota phần lớn đáp lại các tín hiệu bên ngoài (exogenous signal).
Phần lớn sự điều hòa ở Eucaryota là đáp lại các tín hiệu bên trong
a. Các promoter
Tương tự ở vi khuẩn, các promoter của Eucaryota cũng nằm phía trước
điểm xuất phát của mARN và có trình tự được bảo tồn trong tiến hóa. Hộp
TATA, định hướng cho ARN polymerase bắt đầu phiên mã, năm khoảng dưới 30
bp ở động vật có vú và từ 60 – 120 ở nấm men. Hộp TATA hoạt động có hiệu
quả cùng với 2 trình tự tương ứng phía trước khoảng 40 bp là CCAAT và 110 bp
là trình tự giàu GC (hình 2.8)
.......GGGCGGG- - -CCAAT- - - -TATA-- - -mARN
...........110 bp

40 bp

30 bp

1

Hình 2.8. Trình tự và số bp trong promoter
Sự thay đổi hộp TATA làm tăng tốc độ phiên mã. Hiệu quả của tốc độ
phiên mã được đo bằng sự thay đổi của từng base trong promoter. Hộp TATA và
các trình tự phía trước phải được nhận biết bởi các protein điều hòa và chính các
protein này gắn với các điểm nhất định trên chúng và hoạt hóa sự phiên mã.
b. Các enhancer
Enhancer (trình tự tăng cường) là các trình tự có tác động cis (cùng phía)
chúng có tác động tăng tốc độ phiên mã của các promoter cùng nằm trên ADN.
Xét một mặt nào đó enhancer tương tự promoter. Cụ thể, chúng được tổ chức
gồm một dãy các trình tự có tác động cis để nhận biết các nhân tố tác động trans
c. Các protein là nhân tố có tác động trans
Một vài protein, nhận biết hộp CCAAT, đã được xác định ở tế bào động
vật có vú chúng có tác động trans. Các nhân tố tác động trans có đặc điểm
chung là gồm 2 vùng cấu trúc và chức năng chính.
- Vùng gắn nhân tố trans và ADN.
13

- Vùng tác động lên sự phiên mã.
13


Như vậy, các gen của Eucaryota được hoạt hóa bởi hai trình tự ADN có
tác động cis là promoter và enhancer, chúng được nhận biết protein có tác dụng
trans. Các nhân tố trans này cho phép ARN polymerase khởi động sự phiên mã
và đạt tốc độ phiên mã tối đa.
d. Hoocmon
Các hoocmon được tổng hợp trong các cơ quan và vận chuyển đến các
vùng của cơ thể nhưng chỉ tác động đến các tế bào có thụ thể (receptor) tưng
ứng. Sự tương tác giữa hoocmon và thụ thể gây ra tín hiệu tác động đến các
vùng đặc hiệu của ADN, làm hoạt hóa gen hoặc nhóm gen tương ứng.
Các hoocmon có thể kích thích phiên mã bởi một trong các cơ chế sau:
- Hoocmon có thể làm cho ADN tách khỏi histone và tạo điều kiện cho
ARN polymerase bắt đầu phiên mã.
- Có thể làm chất cảm ứng (inducer) gây bất hoạt phân tử thụ thể
(receptor).
- Có thể gắn trực tiếp với đoạn ADN đặc hiệu tạo thuận lợi cho sự gắn
ARN polymerase hoặc protein là nhân tố phiên mã (protein transcription factor)
- Có thể hoạt hóa effector protein (protein cảm ứng) làm thành phức hợp
gắn lên ADN và kích thích sự gắn ARN polymerase.
Thí dụ: Tác động của hoomon cái estrogen là một tín hiệu hoocmon ở ống
dẫn trứng của gà có tác dụng làm tăng phiên mã protein ovalbulin. Phân tử
estrogen hoạt hóa phiên mã gen tổng hợp ovalbulin bằng cách gắn vào ADN ở
điểm enhancer và protein thụ thể để vận chuyển vào trong nhân kích thích phiên
mã.
e. Sự kiểm soát các chất thường gặp trong nhân
- Sự lặp lại của một số gen lớn trong tế bào ở Eucaryota. Thí dụ ở loài
lưỡng cư Xenopus ở vùng tổ chức hạnh nhân có 450 bản sao của ADN mã hóa
cho rARN 18 S và 28 S. Trong nhân có 20.000 bản sao các gen mã hóa cho
rARN 5 S. Các gen mã hóa histone có nhiều bản sao được lặp lại hàng trăm lần.
Sự lặp lại các gen này đảm bảo đủ số lượng cần thiết cho dịch mã khi cơ thể cần
tổng hợp phân tử protein.
14

14


- Sự khuếch đại gen: một thí dụ điểm hình về sự khuếch đại gen nhân là
chỗ phình (puff) ở nhiễm sắc thể khổng lồ ở ruồi giấm, ở chỗ phình này ADN
được khuếch đại hàng nghìn lần. Trong nhân tế bào trứng của loài ếch Xenopus,
có hàng trăm nhân con với kích thước khác nhau. Mỗi nhân con chưa các ADN
vòng (rADN) có kích thước khác nhau (đến nay chưa rõ vai trò) các rADN này
sản sinh nhiều rARN tham gia vào cấu trúc các ribosome.
2.2. Cơ sở tế bào của sự phát triển
- Cơ thể đa bào sinh trưởng và phát triển là nhờ sự phân chia tế bào theo
con đường nguyên phân, sau đó là sự phân hóa các tế bào thành mô, cơ quan
theo một trương trình đã được mã hóa trong nhân
- Đối với các loài sinh sản hữu tính, để đảm bảo sự phát triển của loài qua
các thế hệ cần phối hợp giữa các quá trình: nguyên nhiễm; giảm nhiễm hình
thành giao tử (n), thụ tinh hình thành hợp tử (2n) và sự phân hóa.
2.2.1. Chu kì tế bào
- Chu kì sống của tế bào (ontogenessis) là thời gian tồn tại của tế bào, bắt
đầu từ thời điểm nó được sinh ra từ tế bào mẹ đến lần phân chia của chính bản
thân nó, hoặc chết tự nhiên.
- Các loại tế bào khác nhau trong cơ thể và giai đoạn sinh trưởng, phát
triển khác nhau thường có chu kì khác nhau. Ở thực vật chỉ có mô phân sinh mới
có khả năng phân chia và có chu kì tế bào.
Thí dụ: Chu kì tế bào của một số sinh vật
+ Tế bào phôi của động vật có vú có chu kì 15 – 20 phút
+ Tế bào ở các mô của cơ thể trưởng thành có chu kì trung bình 10 – 12
giờ.
+ Tế bào vi khuẩn có chu kì trung bình từ 20 – 30 phút.
- Ở sinh vật nhân chuẩn chu kì tế bào được chia thành các giai đoạn là giai
đoạn chuẩn bị (gian kì). Gian kì lại được chia làm các pha G1; S; G2. Pha phân
chia tế bào (M) được chia là 4 kì (trước; giữa; sau; cuối). Giữa pha phân chia M
và gian kì có điểm kiểm soát R. Các kết quả nghiên cứu cho thấy chỉ có các tế
15

15


bào qua điểm R mới tiếp tục phân chia, nếu không chúng chuyển sang pha kéo
dài và phân hóa.
- Trong chu kì tế bào có chu kì NST (sự tái bản và phân chia NST) và chu
kì phân chia của tế bào chất. Sự biến đổi hàm lượng ADN trong chu kì tế bào
được thể hiện ở hình 2.9.
Hàm lượng

ARN và protein
ADN

G1

S

G2

M

kì tế bào

Hình 2.9. Sự biến đổi hàm lượng ADN, ARN và protein trong chu kì
tế bào
2.2.2. Đặc trưng điều tiết chu kì tế bào

Hình 2.10. Chu kì tế bào và sự điều tiết chu kì tế bào
16

16


Điểu tiết chu kì tế bào có 3 vị trí: Kiểm soát G1/S; G2/M và kì sau của pha phân bào
M.
* Điểu tiết pha G1 sang pha S:

- Khi nhận các tín hiệu phù hợp như hormon hoặc tín hiệu môi trường phức hệ
kinese phụ thuộc cyclin (CDK) được photphoril hóa và kết hợp với G1-cyclin
(CG1) để trở thành dạng có hoạt tính (kí hiệu CDK-CG1-P) dạng hoạt hóa này sẽ
hoạt hóa nhiều protein khác tham gia vào quá trình sinh tổng hợp DNA (active
CDK stimulates DNA systhesis).
- Khi kết thúc quá trình nhân đôi DNA ở pha S, nhóm P được loại bỏ, C G1 bị
phân hủy giải phóng CDK
Hình 2.11
Sự điều hòa chu kỳ tế bào bằng kinase phụ thuộc cyclin (theo Lincoln, 2006)

* Điều khiển pha G2 sang pha M:
- Đầu tiên CDK được hoạt hóa bởi 2P và kết hợp với Mitosis-cyclin (C M) để trở
thành dạng chưa có hoạt tính (kí hiệu CDK-C M-2P), khi các tín hiệu môi trường
bên trong và bên ngoài phù hợp CDK-C M-2P sẽ loại bỏ 1P để thành dạng có hoạt
tính, dạng hoạt hóa này sẽ hoạt hóa nhiều protein khác tham gia vào quá trình
phân chia tế bào (active CDK stimulates mitosis).

17

17


- Khi kết thúc quá trình phân chia, nhóm P được loại bỏ, C M bị phân hủy giải
phóng CDK
* Kiểm tra thoi (kiểm tra kì sau của M) nhờ phức APC/C (Anapha – promoting –
complex)
+ APC/C khởi động hình thành protein Securin có vai trò ức chế các protein
khác (thí dụ Separase) và có vai trò loại bỏ liên kết giữa các NST chị em giúp
các NST phân li trong phân bào…
+ APC/C còn có vai trò phân hủy proteosom bào quan chịu trách nhiệm phân
giải proten.
2.2.3. Sự phân hóa của tế bào trong quá trình phát triển
2.2.3.1. Các kết quả nghiên cứu sự biệt hóa tế bào
Biệt hóa tế bào là vấn đề phức tạp cần có sự tham gia nghiên cứu của nhiều
bộ môn sinh học như phôi sinh học (Embryology), sinh hóa hoc (Biochemistry),
sinh học phân tử, di truyền, sinh học phát triển.
a. Các tế bào biệt hóa chứa thông tin như nhau
Ở các sinh vật bậc cao cũng như ở người, cơ thể trưởng thành gồm nhiều
loại tế bào khác nhau. Các tế bào này đều bắt nguồn từ một hợp tử ban đầu,
nhưng đã qua quá trình biệt hóa đảm đương các chức năng khác nhau. Tuy nhiên
thực nghiệm đã xác định rằng số lượng nhiễm sắc thể, số lượng ADN và cả tỷ lệ
A+T/G+X của các tế bào thuộc các mô khác nhau của cùng một cơ thể là giống
nhau. Sử dụng kỹ thuật lai ADN cho thấy ADN của cùng một cơ thể ở các mô
khác nhau không bị biến đổi trong quá trình biệt hóa.
Các thí nghiệm ghép nhân tế bào ruột ếch vào tế bào trứng bị hỏng nhân
(do chiếu xạ tia tử ngoại) cho thấy 1% số tế bào ghép nhân phát triển đến ếch
trưởng thành. Điều này chứng tỏ tế bào ruột tuy đã biệt hóa nhưng vẫn giữ
nguyên vẹn thông tin di truyền tạo ếch trưởng thành.
b. Các tế bào biệt hóa tổng hợp các nhóm protein khác nhau
Để hiểu được sự khác nhau giữa các tế bào biệt hóa, cần xem xét nhiều vấn
đề sau
18

18


Thứ nhất: Nhiều quá trình là chung cho tất cả các tế bào nên có nhiều
protein giống nhau. Những protein này thường có số lượng nhiều dễ phân tích
như phần lớn protein cấu trúc của vách tế bào và nhiễm sắc thể; một số protein
căn bản của các bào quan (lưới nội chất, bộ golgi, các ribosome…). Nhiều
protein không nhiều như các enzim khác nhau, tham gia vào các phản ứng trung
tâm của quá trình trao đổi chất.
Thứ hai: một số protein có số lượng dồi dào ở một số tế bào chuyên hóa
mà sự phát hiện ra chúng cần có các thử nghiệm riêng. Ví dụ: hemoglobin chỉ có
thể phát hiện của tế bào máu.
Thứ ba: nếu như hơn 2000 loại protein có số lượng dồi dào được só sánh
giữa các kiểu tế bào biệt hóa của cùng một sinh vật với nhau bằng điện di hai
chiều trên gen polycrylamide (two – demensional polycrylamide gel
electrophoresis).
Các kết quả nghiên cứu cho thấy các tế bào của Eucaryota bậc cao có
10.000 đến 20.000 loại protein khác nhau, phần lớn chúng có số lượng rất ít và
khó phát hiện. Các protein hiếm tuy khó phát hiện nhưng chỉ một lượng nhỏ của
chúng cũng đủ tạo nên nhiều khác biệt chuyên hóa về hình thái và sinh lí của tế
bào trong các mô.
Phần lớn các tế bào chuyên hóa của sinh vật đa bào có khả năng thay đổi
phương thức biểu hiện gen để đáp ứng lại tác động bên ngoài. Ví dụ: nếu tế bào
gan bị tác động bởi glucocorticoid hoocmon, thì sự tổng hợp một số protein
chuyên hóa được tăng vọt, khi hoocmon không còn nữa sự tổng hợp một số
protein đó trở lại bình thường.
c. Sự điều hòa ở mức phiên mã là nguồn gốc căn bản của các sai khác
giữa các tế bào biệt hóa
Nếu những sự biệt hóa giữa các kiểu tế bào khác nhau phụ thuộc vào các
gen chuyên biệt mà tế bào biểu hiện, thì sự kiểm soát biểu hiện của gen được
thực hiện như thế nào?
Việc phát hiện các gen điều hòa và các gen đóng hay mở giúp chúng ta hiểu
được sự điều hòa quá trình phát triển cá thể và biệt hóa các tế bào. Bộ gen đơn
19
19


bi ca ngi cú s lng AND nhiu hn 1000 ln so vi b gen ca vi khun.
Tuy nhiờn, s lng gen cu trỳc ch gp hn 10 ln s gen cu trỳc ca vi
khun. iu ú cho thy cú rt nhiu gen ngi tham gia vo c ch iu hũa.
2.2.3.2. S phõn hoa tờ bo ng vt
+ Cơ thể động vật phát triển từ hợp tử trải qua một quá
trình phân chia, phân hóa hình thành nên các mô, cơ quan
và toàn bộ cơ thể.
+ Sự phân hóa của các tế bào theo hớng chuyên hóa xảy ra
rất sớm ngay từ giai đoạn trứng và giai đoạn phôi.
+ Sự phân hóa của trứng trớc thụ tinh: Các kết quả nghiên
cứu trứng trớc thụ tinh cho thấy, tại các vùng khác nhau của trứng
đã có sự khác nhau và gradien nồng độ các chất.
- Cực động vật có hàm lợng ARN cao
- Cực thực vật có hàm lợng ARN thấp và chất nguyên sinh
lỏng hơn.

Hỡnh 2.12. S ụ minh ha s phõn b khụng ờu ca cõu truc cỏc phụi
bo trong quỏ trỡnh phõn ct trng
20

20


- ới động vật sau này phát triển thành ngoại bì.
- Đới liền xám là nền móng của phôi vị
- Đới sinh dỡng sau này phát triển thành nội bì.
+ Sự phân hóa của trứng sau thụ tinh: nghiên cứu trứng
sau thụ tinh các nhà khoa học đã xác định ở giai đoạn phân
cắt phôi các tế bào tuy có nhân giống nhau nhng tế bào chất
(các chất tan, riboxom) có sự khác nhau. Vì vậy, có thể đợc
chia làm 2 vùng (hình 12)
+ Thí nghiệm chứng minh sự phân hóa của tế bào phôi
ếch Rana esculenta
- Nếu lấy nhân ở giai đoạn phôi nang đa vào trứng của
ếch loại bỏ nhân thì trứng phát triển thành nòng nọc bình thờng.
- Nếu lấy nhân ở giai đoạn phôi vị đa và trứng ếch loại bỏ
nhân thì trứng không phát triển thành nòng nọc bình thờng.
Với thí nghiệm này chứng tỏ tuy bộ gen trong nhân giống
nhau, nhng vào mỗi giai đoan phát triển của phôi hoạt động
của bộ gen đã có sự phân hóa khác nhau.
2.2.3.3. Sự phân hóa tế bào thực vật
* Đặc trng phân hóa của tế bào thực vật

21

21


Hình 2.13. Sự biến đổi đa dạng của vách tế bào sau khi kết thúc pha
phân hóa
+ Vách tế bào thay đổi tùy thuộc vào chức năng trong các mô khác nhau
(hình 2.13).
+ Hoạt động sinh lí của tế bào trong các mô khác nhau có sự khác nhau
Thí dụ: - Tế bào lông hút và tế bào biểu bì của rễ: tế bào lông hút có màng
mỏng, không bào lớn, áp suất thẩm thấu cao hơn so với tế bào biểu bì phù hợp
với chức năng bảo vệ.
- Tế bào nhu mô lá chứa nhiều lục lạp còn tế bào biểu bì không
chứa lục lạp v.v..
+ Cơ sở của sự phân hóa
- Do sự đa hình của protein và các enzim trong các cơ quan của thực vật là
khác nhau. Kết quả sự mở mã di truyền của các mô và các tế bào là khác nhau.
- Do sự phân bào không đồng đều của các tế bào dẫn đến sự phân hóa của
các tế bào theo các hướng khác nhau.
Thí dụ: Sự phân hóa không đồng đều của hạt phấn hình thành nhân sinh sản
và nhân sinh dưỡng, mỗi nhân có chức năng khác nhau.
Thí nghiệm của David Tevell và CS, 1993 sử dụng conxixin (C 22H35O6N)
đến sự biểu hiện của gen LAT52

22

22


Hình 2.14. Thực nghiệm chỉ ra sự phân bào không đối xứng là cần cho
sự phân hóa sinh sản trong sự phát triển của hạt phấn (theo Eady và CS,
1995)
* Tế bào hạt phân không xử lí conxixin phân chia không đồng đều tao hạt
phấn 2 nhân khác nhau. Tế bào nhỏ có nhân (n) sau này nguyên phân hình thành
2 tinh tử, tế bào lớn (n) chứa nhiều chất dinh dưỡng sau này chỉ hình thành ống
phân và tiêu biến.
* Xử lí conxixin nồng độ cao hình thành 1 tế bào lưỡng bội 2n không có
khả năng thụ tinh.
* Xử lí conxixin nồng độ thấp được 2 tế bào bằng nhau do sự biểu hiện của
gen LAT52 không có khả năng tham gia thụ tinh (hình 13)
Theo Eady và CS (1995), nguyên nhân có sự khác biệt về cấu trúc và chức
năng sinh lí của các tế bào hạt phấn là do hoạt động của gen đặc hiệu LAT 52 của
các tế bào là khác nhau, hoạt động của gen này quyết định sự hình thành tế bào
sinh dưỡng.
- Các kết quả nghiên cứu của Sheres và CS (1995) cho thấy sự phân bào
không đối xứng của cây cải soong (Arabidopsis) dẫn đến sự phân hóa lớp nội bì
và vỏ rễ
* Vai trò của auxin trong quá trình phân hóa
Vai trò của auxin (AIA) rất đa dạng tùy thuộc vào mô cụ thể đến sự phân
hóa tế bào
- Phát sinh mô: Thí nghiệm của Camus (1943-1947) sử dụng chồi rau diếp
ghép lên đoạn củ được nuôi trong ống nghiệm đã cảm ứng hình thành mạch rây
trong các mô của củ phía dưới. Kết quả cũng tương tự như xử dụng bột nhão
chứa auxin
- Phát sinh chồi: thí nghiệm xử lí auxin trong môi trường xitokin để phát
sinh chồi và rễ (hình 2.15)

23

23


Hình 2.15. Ảnh hưởng của phytohoocmon đến sự phân hóa của chồi và
rễ từ mô callus
Nếu tỷ lên auxin/kinetin (3: 0,2) hình thành mô callus; nếu tỷ lệ auxin/kinetin (3: 0,02)
phát sinh rễ; nếu tỷ lệ auxin/kinetin (0,003/1) phát sinh chồi; nếu không có auxin thì không
hình thành mô callus.

* Nồng độ thích hợp (0,05

µ M, tương đương 10-8 g/ml, làm phát sinh chồi

từ các mô không phân sinh. Tuy nhiên, AIA chỉ phát huy tác dụng khi có mắt
của xitokinin
* Nồng độ auxin 5

µ M, tương đương 10-6 g.ml ức chế phát triển chồi bên

thành chồi mới.
* Phát sinh rễ xử dụng auxin với nồng độ 0,5 – 50

µ M tương đương từ 10-7

đến 10-5 g/ml (Went, Skoog và Thimann, 1934) đã làm xuất hiện rễ của cành
giâm, cành chiết và mô callus

24

24


Chương 3. TRUYỀN TÍN HIỆU Ở SINH VẬT
Trong chương 3 cần giải quyết các nội dung sau:
- Tổng quan về tín hiêu và truyền tín hiệu
- Truyền tín hiệu và phản ứng trả lời tín hiệu ở sinh vật nhân sơ
- Truyền tín hiệu và phản ứng trả lời tín hiệu ở sinh vật nhân chuẩn
+ Các kiểu chất nhận tín hiệu ở sinh vật nhân chuẩn
+ Các kiểu truyền tín hiệu và trả lời tín hiệu cụ thể ở sinh vật nhân chuẩn
3.1. Tổng quan về tín hiêu và truyền tín hiêu
- Tín hiệu bao gồm tất cả các kích thích bên ngoài (ánh sáng, nhiệt độ v.v) và
bên trong (hormon, các chất phân tử lượng nhỏ như: NO, Ca +2 v.v) gây ra phản
ứng trả lời của tế bào gọi chung là Phối tử (Ligand).
- Chất nhận hay cơ quan nhận – thụ quan (Receptor – protein): là những
phân tử protein đặc biệt, có thể định cư trên màng (gọi là chất nhận ngoại bào)
hoặc nằm trong tế bào chất (gọi là chất nhận nội bào). Phân từ chất nhận thường
đặc trưng với phối tử.
- Truyền tín hiệu? Mối tương tác giữa phối tử + chất nhận để giúp tế bào phản
ứng trả lời (nhân đôi; phân hóa; tăng biểu hiện gen; tăng trao đổi chất v.v).
- 3 bước liên tiếp liên tiếp nhau trong truyền tín hiệu (Hình 3.1):
Bước 1
Bước 2
Bước 3
Phối tử kết hợp với chất nhân Khuếch đại và truyền tín hiệu vào nơi nhân
Tế bào biến đổi hoạt tính trong phản ứng trả lời

25

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×