Cơ chế để NST nằm trên thoi vô sắc

Họ và tên:
1.
2.
3.

Nguyễn Thị Túy
Hoàng Thị Thanh Tùng
Vương Thị Thanh Tâm

SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO
Sự phân chia tế bào gồm có 2 quá trình: phân chia nhân và phân chia tế bào
chất. Có 2 kiểu phân chia nhân: phân chia nguyên nhiễm và phân chia giảm nhiễm.
Tương ứng với 2 kiểu phân chia nhân, có 2 hình thức phân chia tế bào: phân bào
nguyên nhiễm (nguyên phân) và phân bào giảm nhiễm (giảm phân).
A.

-

Nguyên phân là một giai đoạn của chu kỳ tế bào. Là sự phân bào có tơ hay
là sự phân đôi nhân. Nguyên phân bao gồm 4 kỳ: kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và
kỳ cuối. Quá trình này được biểu thị bởi :
Sợi NST xoắn, sau đó phân chia thành số lượng giống nhau cho 2 tế bào con
Sự xuất hiện hệ thống vi ống làm cho NST di chuyển về 2 cực tế bào
Sự biến mất của màng nhân.
Nhân của tế bào con được hình thành ở cuối pha nguyên phân.

Hình 1. Gian kì và các giai đoạn của nguyên phân.


Kỳ trước:
- Các sợi NST trở nên xoắn chặt hơn, co đặc lại thành các NST riêng rẽ

- Các hạnh nhân biến mất, màng nhân tiêu biến


-



Mỗi NST đã nhân đôi gồm 2 nhiễm sắc tử gắn với nhau tại tâm động, và dọc
theo NST nhờ các protein cohesin
Thoi nguyên phân bắt đầu hình thành. (ở thực vật không có trung tử mà có
vùng gọi là trung tâm tổ chức vi ống, chức năng là hoạt hóa sự trùng hợp
tubulin để tạo thành thoi phân bào nên được gọi là phân bào không sao).
Cơ chế để NST nằm trên thoi vô sắc:

Mỗi trong số hai nhiễm sắc tử chị em của NST đã nhân đôi có 1 thể động
(kinetochore), một cấu trúc protein liên kết với một đoạn đặc hiệu của DNA NST ở
tâm động. Hai thể động của NST quay về hai hướng đối lập nhau. Trong kỳ trước
giữa, một số vi ống của thoi bám vào thể động đó gọi là các vi ống thể động. (Số
lượng số vi ống bám vào thể động khác nhau ở các loài khác nhau). Khi một trong
các thể động “bị tóm” bởi các vi ống, NST bắt đầu di chuyển về phía cực nơi mà
các vi ống kéo dài tới.



HÌNH 2. KÌ SAU, KÌ CUỐI VÀ SỰ PHÂN CHIA TẾ BÀO CHẤT
Kỳ giữa:
- Các NST tập trung trên phiến giữa. các tâm động của các NST nằm trên
phiến giữa
- Thể động của các nhiễm sắc tử bám với các vi ống thể động đi từ 2 cực đối
lập

 Kỳ sau:
- Bắt đầu ngay lúc tâm động phân chia
- Các protein cohesin tách nhau ra. Sự kiện đó cho phép các nhiễm sắc tử chị
em của mỗi cặp đột ngột tách ra. Mỗi nhiễm sắc tử trở thành 1 NST đầy đủ



-

-

Hai NST con đã tách nhau ra dần di chuyển về 2 cực đối lập của tế bào khi
các vi ống thể động ngắn lại.
Vào cuối kỳ sau, 2 cực của tế bào có 2 bộ NST hoàn chỉnh và tương đương
nhau
NST di chuyển trên thoi vô sắc đi về các cực của tế bào:
Có nhiều giả thuyết về việc di chuyển của NST trên thoi vô sắc:
o Thuyết cơ học: tế bào chất là động lực chủ yếu. Chúng chui vào NST, hút
nước làm trương phồng, do đó đẩy NST đi về 2 cực
o Thuyết hóa học: trong sợi tơ có thành phần protein giống myozin của cơ.
Sự co rút và làm ngắn các sợi tơ, sự kéo dài tơ với sự tham gia của ATP
làm di chuyển NST về 2 cực. Cơ sở này là sự phát hiện của enzyme
ATP-ase
o Thuyết cân bằng động: có sự cân bằng giữa một lượng lớn các chất đơn
phân và chất trùng phân định hướng. các chất trùng phân hình thành nên
sợi thoi hay vi ống. Sự thay đổi lệ thuộc vào sự thêm hay mất những đơn
phân mới.
Cơ chế NST di chuyển trên thoi vô sắc nhờ sự tham gia của các protein
động cơ, có hai cơ chế :
+ Thực nghiệm thông minh của Phòng thí nghiệm Gary Borisy của Trường

Đại học Tổng hợp Wisconsin năm 1987 giả định rằng: Các protein đã
“cõng” các NST bước đi dọc theo các vi ống và đầu thể động của các vi ống
giải trùng hợp khi các protein đi qua
+ Các NST bị “guồng” bởi các protein động cơ tại các cực của thoi và các vi
ống phân rã sau khi đi qua các protein động cơ.

Vậy các vi ống thể động ngắn đi từ đầu nào trong kì sau ?
o Thí nghiệm của Gary Borisy và cộng sự :
Trước tiên họ nhuộm các vi ống của tế bào thận lợn ở kỳ sau sớm bằng
thuốc nhuộm huỳnh quang vàng.


Sau đó họ đánh dấu 1 đoạn vi ống thể động giữa 1 cực và NST nhờ sử dụng
laze khử màu thuốc nhuộm ở vùng này. Khi kỳ sau diễn tiến, họ ghi nhận sự thay
đổi độ dài vi ống ở hai bên đoạn dấu.

Kết quả: khi NST di chuyển về cực, đoạn vi ống ở phía thể động của dấu
ngắn đi, trong khi đoạn bên phía cực giữ nguyên độ dài.
Trong kì sau của tế bào này, sự di chuyển NST liên quan đến sự ngắn đi các
vi ống thể động ở đầu thể động chứ không phải ở cực của thoi. Thực nghiệm này
ủng hộ giả thuyết cho rằng trong kì sau, NST được cõng đi dọc theo vi ống khi vi
ống giải trùng hợp ở đầu thể động và giải phóng các đơn phân tubulin.


Kỳ cuối:
Trong tế bào hình thành 2 nhân
Màng nhân hình thành từ các mảnh của màng nhân cũ và các hệ thống khác
của màng nội bào
Xuất hiện nhân con
Sự chia nhân, chia 1 nhân thành 2 nhân giống hệt nhau về mặt di truyền đã

kết thúc
 Chia tế bào chất:
Sự chia tế bào chất thường xảy ra ở cuối kỳ cuối, và 2 tế bào con xuất hiện
ngay sau khi chia nhân.
Trong tế bào động vật, sự chia tế bào chất bao gồm sự hình thành rãnh phân
cắt, rãnh lõm sâu và chia đôi tế bào
Trong tế bào thực vật, sự chia tế bào chất gồm sự hình thành tấm tế bào giữa
các tế bào con. Mỗi tế bào tạo ra một màng sinh chất và một vách tế bào
trong tấm tế bào.
Khác với nguyên phân, trong phân bào giảm nhiễm (giảm phân) có
thêm một lần phân chia NST nơi mà chúng ta gọi là các cặp nhiễm sắc thể
tương đồng - 1 NST có nguồn gốc từ mẹ và 1 NST tương tự có nguồn gốc từ
cha - tách nhau ra. Vậy diễn biến các giai đoạn của giảm phân sẽ như thế
nào?
Giảm phân cũng giống như nguyên phân, được tiến hành sau khi các NST
đã được nhân đôi. Tuy nhiên, chỉ có 1 lần nhân đôi NST duy nhất trước khi
xảy ra 2 lần phân bào liên tiếp nhau, được gọi là giảm phân I và giảm phân
II. Hai lần phân bào này tạo ra 4 tế bào con , mỗi tế bào con chỉ có một nửa
số NST như ở tế bào mẹ.


-

-

B.


Hình 3. Các giai đoạn của giảm phân I.


-

-

-

Giảm phân I: các NST tương đồng tách nhau ra
 Kỳ đầu I:
Hạch nhân và màng nhân bị phá vỡ
Các NST bắt đầu co xoắn lại, và các NST tương đồng bắt đôi với nhau suốt
chiều dài, gen nọ nằm cạnh gen kia
Trao đổi chéo được hoàn tất trong khi các NST tương đồng vẫn tiếp hợp,
được giữ chặt với nhau nhờ protein
Tiếp hợp kết thúc ở giữa kỳ đầu, và NST trong từng cặp dần tách nhau ra
nhưng không tách rời hoàn toàn vì chúng được giữ với nhau ở cặp tâm động
Cuối kỳ đầu I NST tương đồng tiếp tục tách rời và duỗi xoắn
 Kỳ giữa I:
Các cặp NST tương đồng sắp xếp ở mặt phẳng xích đạo, mỗi NST trong một
cặp hướng về 1 cực tế bào
 Kỳ sau I:
Các protein gắn kết các nhiễm sắc tử chị em bị phân hủy làm cho NST tương
đồng tách nhau ra
Mỗi NST trong cặp tương đồng di chuyển về 1 cực đối lập nhờ sự hướng
dẫn của thoi phân bào
Lực cố kết giữa các nhiễm sắc tử chị em vẫn duy trì ở tâm động, làm cho các
NST di chuyển như 1 đơn vị hướng về cùng 1 cực
 Kỳ cuối I và phân chia tế bào chất:
Đầu kỳ cuối I, mỗi nữa tế bào có 1 bộ NST đơn bội hoàn chỉnh với các NST
đã được nhân đôi. Mỗi NST gồm 2 nhiễm sắc tử chị em

Phân chia tế bào chất thường xảy ra đồng thời với kỳ cuối I hình thành nên 2
tế bào đơn bội
Trong các tế bào thực vật phiến tế bào (ở tế bào động vật thì rãnh phân cắt)
được hình thành
Ở một số loài, các NST dãn xoắn và màng nhân tái hình thành.

-


-

-

-

Hình 4. Các giai đoạn của giảm phân II
Giảm phân II: các nhiễm sắc tử chị em tách rời nhau
 Kỳ đầu II:
Bộ máy thoi phân bào hình thành
Ở cuối kỳ đầu II các NST mỗi cái vẫn còn 2 nhiễm sắc tử dính với nhau ở
tâm động, di chuyển về mặt phẳng xích đạo
 kỳ giữa II:
Các NST sắp xếp ở phiến giữa như trong nguyên phân
Vì trao đổi chéo có thể xảy ra trong giảm phân I nên 2 nhiễm sắc tử chị em
không giống hệt nhau về mặt di truyền
Cuối kỳ giữa II tâm động phân chia, kết quả mỗi NST tách thành 2 NST như
tại kỳ giữa của nguyên phân.
 Kỳ sau II:
Phân hủy các protein gắn kết nhiễm sắc tử chị em với nhau với tâm động

làm cho các nhiễm sắc tử tách nhau ra. Các nhiễm sắc tử di chuyển về các
cực đối lập như những NST riêng biệt.
 Kỳ cuối II và phân chia tế bào chất:


-

Nhân con hình thành, các NST bắt đầu dãn xoắn và bắt đầu phân chia tế bào
chất
Một tế bào mẹ giảm phân tạo ra 4 tế bào con đơn bội, mỗi tế bào chứa 1 bộ
NST (chưa nhân đôi) đơn bội
Mỗi 1 trong số 4 tế bào con khác biệt hẳn nhau về mặt di truyền và khác với
tế bào mẹ.

Trong giảm phân, sao chép DNA được theo sau bởi 2 sự kiện phân ly NST
liên tiếp, dẫn đến việc sản sinh các giao tử với một số NST đơn bội trong một tế
bào tiền thân lưỡng bội. Sự phân ly NST trong giảm phân đòi hỏi nhiễm sắc tử chị
em gắn kết bị mất từ vai nhiễm sắc thể trong giảm phân I, nhưng vẫn giữ ở vùng
tâm động cho đến khi giảm phân II. Điều này diễn ra nhờ vào cơ chế nào?


Cơ chế phân tách NST:

-Có 3 sự kiện quan trọng phải diễn ra trong giảm phân I để đảm bảo tính
chính xác của mô hình phân ly NST này:
+ Đầu tiên, các liên kết phải được thiết lập giữa các cặp nhiễm sắc thể tương
đồng - 1 NST có nguồn gốc từ mẹ và 1 NST tương tự có nguồn gốc từ cha để đảm
bảo gắn bó với các cực đối lập của thoi phân bào giảm phân I. Thông thường nhất,
tái tổ hợp phân bào giảm nhiễm cung cấp những liên kết này bằng cách tạo ra ít
nhất một điểm vắt chéo (chiasma), trong đó một nhiễm sắc tử chị em từ một tương

đồng được đồng hóa trị liên kết với một nhiễm sắc chị em từ những tương đồng
khác.
+ Thứ hai, thể động (chinetochore) chị em của mỗi tương đồng phải gắn với
các vi ống phát ra từ cùng một cực. Bằng cách này, sức ép được tạo ra khi các cặp
tương đồng liên kết bởi các điểm vắt chéo được gắn vào các cực đối lập của thoi
giảm phân I.
+ Thứ ba, các nhiễm sắc tử chị em gắn kết phải mất đi theo từng bước. Việc
loại bỏ các vai nhiễm sắc thể gắn kết gây nên sự phân chia nhiễm sắc thể tương
đồng và giải quyết các điểm vắt chéo trong kì sau I. Tuy nhiên, nhiễm sắc tử chị
em gắn kết phải được lưu giữ trong các khu vực xung quanh tâm động (được gọi là
pericentromere. Mất sự gắn kết pericentromeric này trong kì sau II gây nên sự
phân ly của nhiễm sắc tử chị em cực đối lập.


VẬY CÁI GÌ ĐÃ NGĂN CẢN SỰ PHÂN LY NHIỄM SẮC THỂ Ở KỲ
SAU I ?
* Thí nghiệm của Yoshinori Watanabe và các cộng sự: họ đã biết rằng trong
kỳ sau I, protein shugoshỉn chỉ có ở xung quanh tâm động. Họ muốn biết liệu nó có
bảo vệ cohesin khỏi bị phân hủy trong giảm phân I để đảm bảo cho các nhiễm sắc
tử vẫn gắn với nhau trong khi các nhiễm sắc thể tương đổng phân ly hay không.
Để kiểm tra giả thuyết này, họ đã sử dụng một loài nấm men, trong đó giảm
phân tạo ra các bào tử đơn bội nằm thẳng hàng theo một trình tự đặc biệt trong
nang bào tử. Để theo dõi sự di chuyền của các nhiễm sắc thể, họ đã đánh dấu
huỳnh quang vùng gắn tâm động của cả hai nhiễm sắc tử của một NST tương đồng
còn vùng này của NST tương đồng còn lại thì không đánh dấu. Sau đó họ đã làm
bất hoạt gene mã hoá shugoshin và so sánh dòng nấm men này (shugoshin -) với
các tế bào nấm men bình thường (shugoshin+). Họ đã kỳ vọng rằng hai NST đã
được đánh dấu hình thành từ hai nhiễm sắc tử trong tế bào bình thường sẽ phân ly
về các bào tử khác nhau nằm mỗi cái ở một đầu của túi bào tử.Tiếp đó họ cũng tiên
đoán rằng nếu shugoshin bảo vệ cohesin ở tâm động khỏi bị phân huỷ ở kỳ sau I

thì các NST được đánh dấu trong các tế bào shugoshin sẽ phân ly một cách ngẫu


nhiên trong giảm phân II, đôi khi chúng lại ở cùng một bào

tử.

Kết quả thí nghiệm đã kết luận rằng shugoshin bảo vệ cohesin ở tâm động
ở kì sau I, nhờ vậy duy trì sự gắn kết giữa các nhiễm sắc tử chị em và đảm bảo cho
chúng phân ly bình thường trong giảm phân II.
Như vậy, cơ chế bên trong là do sự gắn kết tâm động trong giảm phân và vai
trò của một loại protein - shugoshin, trong việc điều chỉnh quá trình này.
-Các nhiễm sắc tử được gắn với nhau dọc theo chiều dài của chúng bằng các
phức protein được gọi là cohesin.


+ Trong nguyên phân sự gắn kết này được kéo dài tới tận cuối kì giữa, khi
enzim phân hủy cohesin làm cho các nhiễm sắc tử có thể di chuyển tới các cực của
tế bào.
+ Trong giảm phân, sự gắn kết nhiễm sắc tử được giải phóng qua hai bước.
Ở kì giữa I, các NST được giữ với nhau bởi sự gắn kết bởi các vai của các nhiễm
sắc tử trong các vùng mà ở đó DNA đã được trao đổi. Trong kì sau I cohesin được
loại bỏ ở các vai cho phép các NST tương đồng tách nhau ra. Ở kì giữa II, cohesin
được loại bỏ ở tâm động cho phép các NST tách rời nhau.
Trong giảm phân, nhiễm sắc tử chị em được gắn với nhau bằng phức
cohesin chứa tiểu đơn vị giảm phân Rec8. Trong giảm phân I, cặp nhiễm sắc thể
tương đồng được liên kết bởi chiasmata và thể động chị em đính kèm để các vi ống
phát ra từ cùng một cực. Enzyme separase phân cắt các Rec8 trên vai của nhiễm
sắc thể; tuy nhiên, Rec8 ở tâm động được bảo vệ do sự hiện diện của shugoshin.
Trong giảm phân II, sự gắn kết tâm động còn tạo điều kiện cho các thể động chị

em để các vi ống phát ra từ các cực đối lập của thoi phân bào. Sức ép trên thể
động chị em có thể làm bất hoạt shugoshin, và sự phân ly nhiễm sắc tử được kích
hoạt bằng cách phân cắt của Rec8 còn lại bằng separase.

•

Shugoshin bảo vệ gắn kết tâm động trong quá trình giảm phân I


Nhiễm sắc tử chị em gắn kết được gắn bởi các phức cohesin đa protein, tạo
thành một cấu trúc hình vòng bao gồm nhiễm sắc tử chị em. Cốt lõi của khu phức
hợp cohesin gồm 4 tiểu đơn vị: Smc1, Smc3, Scc1 / Rad21 và Scc3. Phân bào gắn
kết nhiễm sắc tử chị em bị phá hủy trong kì sau do sự kích hoạt của separase, một
cystein protease, sẽ tách Scc1 / Rad21 dẫn đến mở vòng cohesin. Trong giảm phân,
các cohesin tiểu đơn vị Scc1 / Rad21 phần lớn được thay thế bởi một tiểu đơn vị
giảm phân cụ thể Rec8 . Tuy nhiên, cả hai sự cách ly các nhiễm sắc thể tương đồng
ở kì sau I và sự cách ly các nhiễm sắc tử chị em trong kì sau II cũng đòi hỏi sự
phân tách Rec8 bởi separase, Rec8 được bảo vệ đặc biệt từ hoạt động separase
xung quanh tâm động trong giảm phân I.
•

Shugoshin-PP2A-B’ ngăn chặn Cohesin phosphoryl

Làm thế nào để shugoshin ngăn chặn Rec8 tách ở tâm động trong giảm
phân I? Protein phosphatase 2A (PP2A) là một phosphatase serine / threonine.
PP2A này bảo vệ cohesin ở tâm động từ enzyme separase bằng cách loại bỏ các
nhóm phosphate trên Rec8 được sản sinh bởi nhiều enzyme kinase, điều này rất
cần thiết cho Rec8 phân cắt. PP2A-B' ưu tiên hợp tác với Sgo1 ở tâm động phân
bào giảm nhiễm. Sgo1 là cần thiết cho sự định vị tâm động của PP2A-B' trong
giảm phân và tương tự như sgo1 đột biến thì bất hoạt của PP2A-B' (bằng cách

xóa các tiểu đơn vị xúc tác hoặc tiểu đơn vị của B) gây ra sự mất sớm của Rec8
ở tâm động, gây ra sự phân ly sớm của nhiễm sắc tử chị em trong giảm phân I.
Tóm lại, việc bảo vệ Rec8 ở tâm động bởi shugoshin và PP2A có thể là một cơ
chế rất quan trọng.
•

Nhiều kinase thúc đẩy sự gắn kết phân cắt

Kinase nào phosphorylate Rec8 để thúc đẩy sự phân tách của nó và làm mất
tác dụng tại pericentromere bởi PP2A-B' ? Ba kinase, cụ thể là polo, casein kinase
1δ / ε (CK1) và Dbf4 phụ thuộc Cdc7 kinase (DDK) liên quan trong quá trình này.
Các kinase polo-như Cdc5 có thể có vai trò trong việc thúc đẩy Rec8 tách. Tuy
nhiên, một số quan sát chỉ ra rằng Rec8 phosphoryl hóa bởi polo kinase có thể
không cần thiết cho sự phân tách của nó. Đầu tiên, Rec8 tách không ngăn chặn các
tế bào Cdc5 cạn kiệt Sgo1. Thứ hai, trong điều kiện đột biến nhất định, Rec8 được
phân tách trong kì đầu, mặc dù Cdc5 vắng mặt ở giai đoạn này của giảm phân. Thứ


ba, Cdc5 cạn kiệt làm chậm sự suy thoái của securin, một chất ức chế separase, và
điều này có thể giải thích cho sự chậm trễ của Rec8 tách.

Một mô hình để bảo vệ sự gắn kết tâm động bởi shugoshin trong giảm phân
I. Trong kì đầu I, nhiều kinase phosphory hóa Rec8 dọc theo chiều dài của NST.
Shugoshin chiêu mộ PP2A đến tâm động mà tại đó Rec8 được dephosphoryl hóa,
khiến Rec8 ở tâm động kháng lại separase. Trong kì sau I, chỉ có Rec8 phosphoryl
hóa được phân tách bởi separase, dẫn tới sự phân chia nhiễm sắc thể tương đồng.
Rec8 tâm động được giữ lại để tạo điều kiện phân ly NST trong giảm phân II.

•

Chức năng bổ sung của Shugoshin

Protein Shugoshin cũng đóng một vai trò bổ sung trong phân bào giảm
nhiễm là độc lập bảo vệ Rec8. Sự định vị của shugoshin ở tâm động trong giảm
phân là điều cần thiết để bảo vệ sự gắn kết, và phụ thuộc vào phosphoryl hóa một
dư lượng duy nhất trên histone H2A bởi kinase trạm kiểm soát Bub1.
•

Bất hoạt của Shugoshin

Để cho nhiễm sắc tử chị em tách biệt trong giảm phân II và trong quá trình
nguyên phân, các chức năng bảo vệ sự gắn kết của shugoshin phải bị bất hoạt. Sức
căng giữa các nhiễm sắc tử chị em là đủ để vô hiệu hóa chức năng bảo vệ của
shugoshin. Và sức căng giữa kinetochores là cần thiết cho sự bất hoạt của
shugoshin.


C.

So sánh nguyên phân và giảm phân

Đặc điểm
Sao
chép
DNA
Số lần phân
bào
Tiếp hợp của
các
NST

tương đồng

Nguyên phân
Giảm phân
Xảy ra ở kỳ trung gian trước Xảy ra ở kỳ trung gian trước khi
khi nguyên phân
bắt đầu GP I
Một lần, bao gồm 4 kỳ
2 lần, mỗi lần đều 4 kỳ

Xảy ra trong kỳ đầu I với sự trao
đổi chéo giữa các nhiễm sắc tử
không chị em, sự bắt chéo được
duy trì nhờ lực cố kết giữa các
nhiễm sắc tử chị em
Số tế bào con 2, mỗi tế bào đều là lưỡng 4, mỗi tế bào đều là đơn bội (n),
và cấu trúc bội và giống hệt tế bào mẹ về chứa một nữa số lượng NST so với
di truyền
di truyền
tế bào mẹ, khác biệt nhau cũng như
khác với tế bào mẹ về mặt di
truyền

Tài liệu tham khảo:
Lê Thị Trễ, Giáo trình Sinh học phát triển cá thể thực vật
Campbell-Reece, Biology
The Role of Shugoshin in Meiotic Chromosome Segregation.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc /articles/PMC3077332/
Chapter 19: Cell Division. Plant Cell Biology: From Astronomy to Zoology.


1.
2.
3.
4.

Không xảy ra