Chu kì tế bào và quá trình nguyên phân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ
KHOA SINH HỌC


HỌC PHẦN
SINH HỌC PHÂN TỬ - TẾ BÀO

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Văn Giang
Học viên cao học: Từ Thị Lý
Chuyên ngành: LL&PPDHBM SINH HỌC
Khoá: 29 (2020-2022)

1


CHỦ ĐỀ: CHU KỲ TẾ BÀO
1. Khái niệm
Chu kỳ tế bào, (cell cyle) là thời gian diễn ra kể từ khi tế bào được hình thành nhờ sự
phân bào của tế bào mẹ và kết thúc bởi sự phân bào để hình thành tế bào mới. Ở
các sinh vật đơn bào (nấm men, vi khuẩn,...) một cá thể sau khi trải qua chu kỳ phân
bào tạo ra hai cá thể mới; cịn ở các sinh vật đa bào thì chu kỳ tế bào là một quá trình
rất quan trọng để một hợp tử phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh và để cơ thể bổ
sung số lượng tế bào thay cho số đã chết.
Trong các tế bào nhân sơ, chu kỳ tế bào trải qua một quá trình gọi là là trực phân.
Trong các tế bào nhân chuẩn chu kỳ tế bào bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất kỳ
trung gian lúc tế bào phát triển, tích lũy vật chất và nhân đôi ADN; giai đoạn thứ hai
là nguyên phân (mitosis - M), lúc này tế bào thực thi quá trình phân chia thành hai tế
bào con.
Nhìn chung, chi tiết của chu trình tế bào thay đổi tùy loại tế bào và tùy sinh vật, tuy
nhiên chúng có cùng những điểm chung nhất định và có cùng mục tiêu là truyền đạt lại
tồn bộ và chính xác thông tin di truyền của chúng cho các tế bào con. Chính vì vậy

bộ ADN của tế bào mẹ phải được nhân đơi một cách chính xác và phải được chia đồng
đều cho các tế bào con để mỗi tế bào con đều nhận được bộ ADN y hệt tế bào mẹ.
2. Các giai đoạn trong chu kỳ tế bào
Chu trình tế bào có thể được chia thành hai pha:
- Pha sinh trưởng gồm pha G1, S và G2, là thời gian tế bào thực hiện các chức
năng trao đổi chất, tổng hợp các AND, ARN, các protein, các enzime, ... sinh trưởng và
chuẩn bị cho phân bào.
- Pha phân chia là thời gian tế bào mẹ phân đôi cho 2 tế bào con gồm hai quá
trình phân chia nhân và quá trình phân chia tế bào chất (cytokinesis). Việc kích hoạt
mỗi pha phụ thuộc vào sự tiến triển đúng cách của pha trước. Tế bào nếu có chu kỳ bị
tạm thời ngưng trệ hay bị đảo ngược thì được xem như lâm vào một trạng thái tĩnh lặng
gọi là pha G0.
2


Bảng tóm tắt các hoạt động trong chu kỳ tế bào
Trạng

Pha

Mô Tả

Thái
Tĩnh lặng

G0

Trong pha này tế bào không tham gia vào chu kỳ và ngưng phân
chia. Đi vào con đường biệt hóa
Trong pha này tế bào tăng kích thước. Điểm kiểm soát G1 điều

G1
Sinh
trưởng

khiển các cơ chế giúp cho tế bào chuẩn bị đầy đủ mọi thứ trong
G1 rồi mới tiến tới pha S.

S

Sự nhân đôi ADN.
Trong pha G2 tế bào tiếp tục sinh trưởng. Điểm kiểm soát

G2

G2 điều khiển các cơ chế giúp cho tế bào chuẩn bị đầy đủ mọi
thứ trong G2 rồi mới tiến tới phân chia trong phân chia.

Phân chia

Tế bào ngừng sinh trưởng và toàn bộ năng lượng được tập trung
vào việc phân chia tế bào thành hai tế bào con một cách có quy
M

củ. Ở giữa giai đoạn nguyên phân có một điểm kiểm soát ở kỳ
giữa nhằm đảm bảo tế bào đã sẵn sàng hồn tất q trình phân
bào.

2.1. Pha G0
Thuật ngữ "hậu nguyên phân" hay "thời kỳ sau nguyên phân" (post-mitotic) thỉnh

thoảng được dùng để ám chỉ pha G0 cũng như trạng thái lão hóa của tế bào. Các tế bào
khơng phân chia trong các sinh vật đa bào nhân chuẩn thường chuyển từ trạng thái của
pha G1 sang trạng thái tĩnh lặng của pha G0 và có thể duy trì trạng thái tĩnh lặng này
suốt một thời gian dài, thậm chí là vĩnh viễn (ví dụ tế bào cơ, tế bào thần kinh hay tế
bào của mô thủy tinh thể).
Đây là điều phổ biến xảy ra trong các tế bào đã hồn tồn biệt hóa. Trạng thái tĩnh
lặng của tế bào xuất hiện khi ADN của chúng bị hư hỏng hay thối hóa, điều này khiến
tế bào khơng sinh sản được, hoặc giả khi các điều kiện ngoại bào tỏ ra khơng ủng hộ sự
phân bào hay khơng có tín hiệu kích thích sự tiếp tục của chu kỳ tế bào. Các tế bào ở
3


trạng thái G0 cũng có thể phục hồi khả năng phân bào và quay trở về chu kỳ tế bào; quá
trình này được cơ thể điều thiết nhằm đảm bảo sự sinh sản của tế bào nằm trong tầm
kiểm soát.
2.2. Pha G1
Đây là pha sinh trưởng chủ yếu của tế bào. Trong pha này hoạt động chủ yếu của tế
bào là tổng hợp các ARN, protein, gia tăng tế bào chất, hình thành thêm các bào quan
làm tăng kích thước và khối lượng tế bào.
Thời gian của G1 tùy thuộc và chức năng sinh lý của tế bào. Ví dụ đối với tế bào
phơi thì thời gian của G1 là 1 giờ; đối với tế bào gan thì G1 là 1 năm, tế bào thần kinh
có G1 kéo dài suốt đời sống của cơ thể; đối với tế bào ung thư thời gia của G1 bị rút
ngắn rất nhiều.
Vào cuối pha G1 có một điểm kiểm sốt (điểm R). Nếu vượt qua điểm R tế bào đi
vào pha S và diễn ra nguyên phân, nếu không vượt qua điểm R tế bào đi vào q trình
biệt hóa, khơng phân chia (gọi là G0).
Đối với nhiều loại tế bào của động vật có vú, điểm kiểm sốt G 1 có lẽ quan trọng
nhất. Nếu tế bào nhận được tín hiệu đi tiếp thường thì nó sẽ hồn thành G 1, S, G2, M và
phân chia. Nếu tế bào không nhận được tín hiệu đi tiếp, tế bào ra khỏi chu kỳ và bước
sang trạng thái không phân chia. Tại chốt này sẽ thực hiện việc kiểm tra các chức năng

tổng hợp protein hay ARN đã hoàn tất chưa, nếu đã hoàn tất sẽ bước vào pha S.
Để có thể vượt qua được các điểm kiểm sốt, tế bào cần có sự kích hoạt của hàng
loạt các protein khác nhau. Một trong số các loại prtoein này là protein kinaza. Đây là
nhóm protein có khả năng hoạt hóa hoặc ức chế các protein khác bằng cách gắn thêm
nhóm photphat. Hoạt động của họ protein này sẽ giúp tế bào vượt qua điểm kiểm sốt
và tiến hành phân chia.
Bình thường, các protein kinaza ln sẵn có trong tế bào với nồng độ ổn định nhưng
ở trạng thái không hoạt động. Chúng chỉ được chuyển sang trạng thái hoạt động khi gắn
đặc hiệu với một loại protein khác có nồng độ thay đổi theo chu kỳ tế bào gọi là Cyclin.
Các protein kinaza này được gọi là kinaza phụ thuộc Cyclin (viết tắt là Cdk)
4


Các Cdk khi kết hợp với cylcin sẽ trở thành trạng thái hoạt động, ký hiệu là MPF.
Các MPF sẽ kích hoạt hàng loạt các protein khác dẫn đến kích thích tế bào vượt qua các
điểm kiểm sốt. Mỗi điểm kiểm sốt cần có một hoặc một số loại Cdk và Cyclin riêng
để kích hoạt. Ở động vật có xương sống Cyclin D kết hợp với Cdk4, Cdk6.
Ở động vật có vú, việc kiểm sốt chốt G1 cũng được thực hiện bởi hoạt động của
một loại protein gọi là P53 (vốn được cảm ứng khi có ADN bị sai hỏng). Nếu ADN bị
hư hỏng nhẹ, P53 làm cho chu kỳ tế bào tạm dừng lại ở pha G1 để sửa chữa ADN. Nếu
ADN hư hỏng nặng thì protein P53 hoạt hóa gen dẫn đến q trình tự chết của tế bào
theo chương trình. Những tế bào chứa gen đột biến P53 ở trạng thái đồng hợp, tế bào sẽ
vượt qua G1 kể cả khi tế bào có sai hỏng nhẹ và khơng tự chết khi có sai hỏng nặng tạo
đột biến và tái sắp xếp lại các ADN dẫn dến phát triển thành tế bào ung thư.
Đối với các tế bào phôi sớm, chu kỳ tế bào kéo dài khoảng 30 phút đến 1 giờ và
chúng khơng có pha G1. Các yếu tố cần thiết của pha G1 đã được chuẩn bị trước và có
sẵn trong tế bào chất của trứng.
Trong q trình phát triển phơi thai, ở pha G1 các gen trong hệ gen hoạt hóa khác
nhau và sẽ tổng hợp nên các protein đặc thù và từ đó tạo nên các dịng tế bào xoma biệt
hóa trong các môn và cơ quan khác nhau của cơ thể.

Trong cơ thể trưởng thành, trong các mô vẫn tồn tại tế bào gốc (những tế bào vẫn
giữ khả năng sinh trưởng, phân bào và sản sinh ra các tế bào biệt hóa của mơ). Ví dụ
như trong tủy xương có dịng tế bào gốc máu có tiềm năng phân bào và cho ra các tế
bào máu như hồng cầu, các loại bạch cầu.

2. 3. Pha S
Diễn ra ngay sau khi tế bào vượt qua điểm kiểm soát R. Trong pha này, hoạt động
chủ yếu của tế bào là nhân đôi ADN từ đó nhân đơi NST, làm cho các NST chuyển từ
trạng thái đơn sang trạng thái kép; Ở tế bào động vật có sự nhân đơi trung tử. Ở pha
này, tế bào vẫn tiếp tục tổng hợp các chất cần thiết và gia tăng kích thước.

5


Khi nhiễm sắc thể được nhân đôi trong pha S, hai bản sao của mỗi nhiễm sắc
thể giữ nguyên ở trạng thái đính với nhau, hay cịn được gọi là các nhiễm sắc tử chị em.
Các nhiễm sắc tử chị em được giữ với nhau bởi phức hệ protein cohesin, được lắp ráp
theo chiều dài của mỗi nhiễm sắc tử chị em. Protein cohesins giữa các nhiễm sắc tử chị
em quan trọng trong quá trình phân chia nhiễm sắc thể, được bảo vệ bởi protein
shugoshin khỏi sự phân giải sớm của protein kết dính nhiễm sắc tử. Ở trạng thái bình
thường, cohesin chỉ bị phá huỷ muộn trong quá trình phân bào, cho phép các nhiễm sắc
tử chị em được tách ra.
Ở phần lớn tế bào của các loài động vật trong kỳ trung gian có q trình hình thành
thoi phân bào, cấu tạo bởi các vi ống với các tiểu phần là protein tubulin được toả ra từ
các trung thể. Chính sự trùng hợp và giải trùng hợp các tiểu phần tubulin đã tạo nên sự
tổng hợp thoi phân bào hay q trình co rút tơ vơ sắc dẫn đến sự di chuyển của các
nhiễm sắc thể trong kỳ sau của q trình phân bào.
Kết quả thí nghiệm của Paul Nurse là một trong những bằng chứng xác thực đầu
tiên khi cho rằng chu kỳ tế bào được điều khiển bằng các phân tử tín hiệu nằm trong tế
bào chất. Thí nghiệm được tiến hành trên các tế bào động vật có vú ni cấy. Trong thí

nghiệm này, hai tế bào thuộc các kỳ khác nhau cho dung hợp thành tế bào hai nhân.
Nếu một trong hai tế bào khởi đầu ở pha S và tế bào kia ở pha G1, nhân G1 ngay lập
tức bước vào pha S - tổng hợp ADN, điều này có thể thấy tín hiệu kích hoạt là một loại
chất hóa học trong tế bào chất của tế bào S. Tương tự như vậy, nếu tế bào đang ở pha M
đem dung hợp một tế bào ở pha khác, thậm chí pha G1, nhân của pha G1 ngay lập tức
bắt đầu pha M (hình thành thoi phân bào, nhiễm sắc chất cô đặc cho dù lúc đó NST
chưa nhân đơi).

2. 4. Pha G2
Diễn ra trong khoảng thời gian ngắn. Tế bào tiếp tục tổng hợp các protein có vai trị
đối với sự hình thành thoi phân bào như Cylcin, vi ống tubulin… Cuối pha G2 có điểm
kiểm sốt G2, nếu tế bào vượt qua điểm kiểm sốt này thì sẽ bước vào ngun phân.

6


Điểm kiểm soát G2 là một trong những điểm kiểm soát được nghiên cứu kỹ nhất.
Cylclin bắt đầu được tổng hợp ở pha S và tích lũy dần đến hết pha G2. Tại đây, Cyclin
kết hợp với Cdk tạo ra phức hợp MPF, phức hợp này kích thích tế bào nguyên phân.
Vào cuối pha M (kỳ sau), chính MPF lại kích thích sự phân hủy Cyclin, cịn lại phần
Cdk khơng hoạt động, tế bào bước vào pha G1.

3. PHÂN CHIA NHÂN
3.1. Nguyên phân

7


Nguyên phân là kiểu phân bào mà từ một tế bào mẹ tạo ra hai tế bào con có bộ NST
hoàn toàn giống nhau và giống tế bào mẹ ban đầu. Nguyên phân xảy ra ở các tế bào

sinh dưỡng và sinh dục sơ khai, có những đặc trưng cơ bản: chỉ xảy ra một lần nhân đôi
và một lần phân chia NST; các tế bào con tạo ra có thể tiếp tục một chu kỳ nguyên phân
tiếp theo.
3.1.1. Kỳ đầu
- Các sợi nhiễm sắc trở nên xoắn chặt
hơn, co đặc lại thành các NST riêng rẽ có
thể nhìn thấy dưới kính hiển vi quang
học.
- Các hạch nhân biến mất
- Mỗi NST đã nhân đơi gồm hai nhiễm
sắc tử đính với nhau tại tâm động và dọc
theo NST nhờ các protein cohensin (sự
bám dính của các nhiễm sắc tử).

Hình 3. Giai đoạn đầu của kỳ đầu của
phân bào nguyên phân

- Thoi phân bào hình thành. Thoi gồm các
trung thể và các vi ống phát dài ra từ
chúng. Các tia phóng xạ cấu tạo từ các vi
ống ngắn phát ra từ trung thể gọi là sao
phân bào.
- Cuối kỳ đầu: Màng nhân vỡ thành các
mảnh, các NST cô đặc hơn. Một số vi
ống bám vào thể động thành các vi ống
thể động, chúng có vai trị trong sự di
chuyển của nhiễm sắc thể. Các vi ống
không bám vào thể động (gọi là vi ống
không thể động) tương tác với nhau từ
các cực đối lập của thoi phân bào.

8

Hình 4. Giai đoạn cuối của kỳ đầucủa
phân bào nguyên phân


Trong kỳ đầu của q trình phân bào, một nhóm các phức hệ protein có tên là
condensin giúp chất nhiễm sắc đóng xoắn, co ngắn và thể hiện hình thái đặc trưng.
Các nhiễm sắc thể đính vào thoi phân bào ở đầu kỳ giữa. Đầu dương của các tơ phân
bào đính với nhiễm sắc thể qua một phức hệ protein đặc biệt là kinetochores – phức
hệ được lắp ráp vào cuối kỳ đầu.
3.1.2. Kỳ giữa
- Thường là kỳ kéo dài nhất của nguyên
phân. Các trung thể ở hai phía đối lập của
tế bào.
- Các NST tập trung trên phiến giữa, tâm
động của các NST nằm trên phiến giữa.
Với mỗi NST, thể động của các nhiễm
sắc tử bám với các vi ống thể động từ hai
cực đối lập.

Hình 5. Kỳ giữa của phân bào nguyên
phân

Sự chuyển tiếp từ kỳ giữa sang kỳ sau của nguyên phân được thực hiện bởi điểm
chốt M. Khi tất cả các nhiễm sắc thể đã được bám chắc chắn với các vi ống ở thoi trên
phiến giữa thì các protein điều chỉnh mới được kích hoạt. Nhiều nghiên cứu cho thấy,
các protein điều chỉnh trong trường hợp này không phải là Cdk. Khi các protein điều
chỉnh được kích hoạt, protein này sẽ thiết lập một chuỗi các sự kiện phân tử và kết quả
cuối cùng là sự phân cắt các cohensin làm cho các nhiễm sắc thể phân ly. Cơ chế này

đảm bảo cho các tế bào con không thể đi tiếp khi mất hoặc thừa nhiễm sắc thể.
3.1.3. Kỳ sau

9


- Kỳ sau có thời gian ngắn nhất trong
nguyên phân.
- Kỳ sau bắt đầu khi các cohensin bị phân
hủy bởi enzim. Sự kiện đó cho phép các
nhiễm sắc tử chị em của mỗi cặp đột ngột
tách ra. Mỗi nhiễm sắc tử trở thành một
nhiễm sắc thể đầy đủ.
- Các vi ống hoạt động trong chuyển

Hình 6. Kỳ sau của phân bào nguyên

động hướng cực của nhiễm sắc thể, có lẽ

phân

có hai cơ chế, cả hai cơ chế này cần thiết
có sự tham gia của protein động cơ.
Cơ chế thứ nhất giả định rằng các
protein động cơ đã "cõng" các nhiễm sắc
thể bước dọc theo các vi ống và đầu thể

Hình 7. Vai trò của cohensin trong phân

động của các vi ống giải trùng hợp khi

bào nguyên phân

các protein đi qua. Tuy nhiên, giả thuyết
khác tiến hành trên các đối tượng khác lại
cho rằng các nhiễm sắc thể bị "guồng"
bởi các protein động cơ tại các cực của
thoi và các vi ống phân giã khi sau khi đi
qua các protein động cơ. Kết luận chung
hiện nay là tỷ lệ đóng góp của hai cơ chế

Hình 8. Sự ngắn đi của vi ống thể động
và sự di chuyển hướng cực của NST

có thể thay đổi tùy từng loài.
Trong tế bào động vật đang phân chia, vi ống không thể động chịu trách nhiệm về
sự dài ra của tế bào ở kỳ sau. Các vi ống không thể động phát sinh từ các cực đối lập
lồng vào nhau ở kỳ giữa. Trong kỳ sau đoạn lồng vào nhau ngắn đi khi các protein động
cơ bám vi ống đẩy chúng xa nhau nhờ năng lượng ATP. Khi các vi ống đẩy nhau, các
cực của thoi cũng bị đẩy xa nhau làm tế bào dài ra. Khi các vi ống dài ra do các đơn vị
tubulin được thêm vào các đầu chồng nhau của chúng.
10


Vào cuối kỳ sau, hai cực của tế bào có hai bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh và tương
đương nhau.
3.1.4. Kỳ cuối
Trong tế bào hình thành hai nhân. Màng nhân hình thành từ các mảnh của màng
nhân cũ và các bộ phận khác của hệ thống nội màng. Nhân con xuất hiện trở lại. Các
NST trở nên ít cơ đặc. Sự phân chia nhân từ một thành hai nhân giống hệ nhau về di

truyền đã kết thúc.
3.2. Giảm phân
3.2.1. Kỳ đầu I : Gồm 5 giai đoạn
- Leptotene (sợi mảnh): ở giai đoạn này, trong nhân xuất hiện nhiều sợi nhiễm sắc dài,
có hạt nhiễm sắc và có vân ngang.
- Zygotene (sợi kết hợp): Các NST tương đồng liên kết với nhau từng đôi một. Sự tiếp
hợp của các NST tương đồng xảy ra một cách chính xác.
- Pachytene (sợi dày): Các NST tương đồng vẫn nằm tiếp cận nhau, chúng dày lên và
co ngắn lại. Trong giai đoạn này xảy ra hiện tượng trao đổi chéo giữa các cặp NST
tương đồng.
- Diplotene (sợi kép): ở giai đoạn này, các NST tiếp tục co ngắn lại.
- Diakinesis (chuyển đi xa): Giai đoạn cuối, NST tiếp tục tách rời và duỗi xoắn.

3.2.2. Kỳ giữa I

11


- Từng cặp NST kép tương đồng tập
trung và xếp song song ở mặt phẳng
xích đạo của thoi phân bào
Đây là cơ sở cho sự phân chia giảm
nhiễm và phân li ngẫu nhiên của các
NST ở kì sau I.

Hình 9. Kỳ giữa của giảm phân I

3.2.3. Kỳ sau I
Các cặp NST kép tương đồng phân li độc
lập về hai cực tế bào. Các hình chéo hồn

tồn chấm dứt.

Hình 10. Kỳ sau của giảm phân I

3.2.4. Kỳ cuối I

12


Hai nhân mới được tạo thành đều chứa bộ
đơn bội kép (n NST), TBC phân chia
hình thành 2 TB con đều chứa bộ n NST
kép khác nhau về nguồn gốc, cấu trúc
(nếu sự trao đổi chéo xảy ra).

Hình 11. Kỳ cuối của giảm phân I
3.2.5. Kỳ đầu II
-Các hoạt động của TB xảy ra rất
nhanh và không rõ nét, tuy nhiên
vẫn thấy rõ số lượng NST kép đơn
bội.

Hình 12. Kỳ đầu của giảm phân II
3.2.6. Kỳ giữa II

13


NST kép xếp thành một hàng trên
mặt phẳng xích đạo của thoi phân

bào. Mỗi NST kép gắn với 1 sợi
tách biệt của thoi phân bào.

Hình 13. Kỳ giữa của giảm phân II
3.2.7. Kỳ sau II
Các NST tách nhau ở tâm động và
phân li về hai cực TB.

Hình 14. Kỳ sau của giảm phân II
3.2.8. Kỳ cuối II

14


Các nhân mới tạo thành chứa bộ n
NST đơn và sự phân chia TBC
được hoàn thành, tạo ra các TB con.

Hình 15. Kỳ cuối của giảm phân II
4. Phân chia tế bào chất
Trong tế bào động vật, sự phân chia tế bào chất xảy ra theo một quá trình gọi là sự
phân cắt. Dấu hiệu bắt đầu của sự phân cắt là xuất hiện rãnh phân cắt. Ở phía tế bào
chất của rãnh có một vịng các vi sợi actin liên kết với các phân tử miosin, chúng tương
tác với nhau làm cho vòng co lại. Rãnh phân cắt ăn sâu đến khi tách tế bào thành hai,
mỗi tế bào có nhân riêng và chia nhau dịch bào, các bào quan và các cấu trúc dưới tế
bào.
Sự phân chia tế bào chất ở tế bào thực vật có thành xenlulo có sự khác biệt tương
đối nhiều. Ở kỳ cuối, các túi vận tải xuất xứ từ thể gonghi di chuyển dọc theo vi ống
đên trung tâm tế bào, ở đây chúng liên kết lại và tạo thành vách ngăn tế bào. Tấm ngăn
lan rộng từ trung tâm, phát triển về hai phía về ngoại vi của tế bào sẽ tạo nên hai tế bào

con, mỗi tế bào đều có màng riêng rẽ. Thành tế bào mới cũng được hình thành giữa các
tế bào con từ chất chứa của tấm ngăn.

15


Hình 16. Sự phân chia cắt tế bào động

Hình 17. Sự hình thành tấm ngăn tế

vật

bào trong tế bào thực vật

16