Tiểu luận Sự phát triển phôi ở Cầu Gai

Sự gặp gỡ giữa giao tử đực và giao tử cái để tạo thành hợp tử, sau các quá trình phân chia nguyên phân để tạo ra các tế bào của cơ thể.. Bề mặt tế bào trứng của Cầu gai chưa thụ tinh Bên

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Phát triển là một loạt những biến đổi kế tiếp của cơ thể, phát triển đi kèm với sinh

sản cĩ ở đa số các cơ thể đa bào Ở động vật đa bào, quá trình sinh sản khơng chỉ là quá trình di truyền mà nĩ liên quan đến sự điều chỉnh nội tiết sinh trưởng, sự rụng trứng và sinh tinh Sự gặp gỡ giữa giao tử đực và giao tử cái để tạo thành hợp tử, sau các quá trình phân chia nguyên phân để tạo ra các tế bào của cơ thể

Ngày nay, sự phát triển của sinh vật được mở rộng lên tất cả các sinh vật từ đơn bào đến đa bào ở mọi mức độ tổ chức Do vậy, sinh học phát triển cá thể là một ngành khoa học nghiên cứu hàng đầu trong mọi các vấn đề sinh học Nĩ là cơ sở khơng thể thiếu trong lĩnh vực sinh học khác Vì vậy những năm gần đây sinh học phát triển (developmenttal biology) được xem là ngành khoa học nghiên cứu về sự phát triển phơi

và cả những quá trình phát triển khác

Cầu gai thuộc ngành động vật Da gai (Echinodermata), lớp Cầu gai (Echinoidea), cĩ mặt ở hầu hết các vùng biển trên tồn thế giới Cầu gai là đối tượng

nghiên cứu phổ biến hiện nay của sinh học phát triển Sử dụng một sinh vật đơn giản như phơi Cầu gai để phát hiện cơ sở phân tử của sự phát triển mang đến nhiều thuận lợi trong thí nghiệm Nuơi mầm phơi Cầu gai vừa dễ mà giá thành lại khơng cao Một Cầu gai mẹ cĩ thể cung cấp hơn 20 triệu trứng Phơi phát triển chỉ trong 3 ngày và trong suốt Vì vậy cĩ thể quan sát từng tế bào một cách dễ dàng bên trong phơi

Đề tài “Sự phát triển phơi ở Cầu gai” giúp người đọc hiểu biết sâu sắc về

những cơ chế điều khiển quá trình phát triển của lồi này - lồi sinh vật nhỏ bé cĩ lịch

sử tiến hĩa gần với lồi người và động vật cĩ xương sống và đã được các nhà khoa học giải mã hồn tất trình tự bộ gen

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các lồi thuộc lớp Cầu gai (Echinoidea), ngành

Da gai (Echinodermata)

Phạm vi nghiên cứu: Chỉ đề cập đến sự phát triển phơi trong quá trình phát triển cá thể

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu đề tài là phương pháp tổng hợp các tài liệu được lấy từ các nguồn thông tin như sách, báo đài, internet Dựa vào sự phân tích, tổng hợp, so sánh, đối chiếu các tài liệu để thực hiện đề tài

PHẦN II: NỘI DUNG 2.1 Cấu trúc của giao tử

2.1.1 Các tế bào mầm

Quá trình tạo giao tử được bắt đầu từ các tế bào mầm (germ cell) Các tế bào mầm bắt nguồn từ vùng tế bào chất có các protein đặc trưng và mARM nằm trong những tế bào xác định của phôi Vùng tế bào chất này được gọi là tế bào chất mầm (germ plasm)

2.1.2 Cấu tạo tinh trùng

Hình dạng tinh trùng ở Cầu gai

- Phần đầu: là bộ phận của tinh trùng tiếp xúc với trứng trong quá trình thụ tinh.

Đầu tinh trùng có chứa một nhân đơn bội và một thể đỉnh (acrosome)

- Phần giữa: nằm ngay phía sau đầu là một cổ ngắn nối đầu và đuôi tinh trùng.

Phần giữa được đặc trưng bởi sự hiện diện của các ty thể xếp xoắn ốc, bao quanh sợi trục bên trong Ty thể có các enzim có khả năng chuyển hóa yếm khí đường, glycerol, sorbitol, lactate, các loại acid béo và nhiều loại acid amin Ty thể của tinh trùng có chứa enzim lactate dehydrogenase (LDH) có thể oxy hóa lactate thành pyruvat, là chất tham gia vào chu trình Kreb để sản sinh năng lượng

- Phần đuôi: Cơ quan vận động chính của đuôi là sợi trục (axoneme), được tạo

thành bởi các vi ống xuất phát từ trung tử ở phần dưới của nhân Sợi trục bao gồm hai vi ống trung tâm được bao chung quanh bởi chín cặp vi ống Các vi ống này được cấu tạo bởi các protein là  và -tubulin Gắn vào các vi ống bên ngoài là protein dynein Dynein có khả năng thủy phân ATP và biến đổi năng lượng hóa học thành công năng

giúp cho tinh trùng chuyển động

2.1.3 Cấu tạo trứng

Ở Cầu gai, con cái tạo ra cùng lúc hàng trăm hoặc hàng ngàn trứng; các noãn nguyên bào (oogonia) là những tế bào gốc (stem cell) có khả năng tự tạo mới trong suốt cuộc đời sinh vật

Tất cả các nguyên liệu cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển phải được dự trữ trong trứng chín (ovum) Trong khi tinh trùng bị loại bỏ hầu hết tế bào chất thì tế bào trứng đang phát trển (oocyte) không chỉ giữ lại mà còn tích tụ thêm tế bào chất Trứng Cầu gai có thể tích khoảng 200 picoliter (2 x 104 mm3), gấp 10.000 lần thể tích của tinh trùng

Cấu trúc của trứng cầu gai trong quá trình thụ tinh

Tế bào chất của trứng bao gồm:

* Protein

* Ribosome và Tarn

* mARN

* Các yếu tố phát sinh hình thái (morphogenetic factors)

Bên trong khối tế bào chất là một nhân lớn Ở Cầu gai, nhân đã ở trạng thái đơn bội vào thời điểm trứng thụ tinh

Bao quanh tế bào chất là màng nguyên sinh (plasma membrane) Màng này có khả năng điều hòa sự trao đổi ion trong quá trình thụ tinh và có khả năng hợp nhất với màng

tế bào tinh trùng Bên ngoài màng nguyên sinh là màng noãn hoàng (vitelline envelope)

Bề mặt tế bào trứng của Cầu gai chưa thụ tinh

Bên ngoài màng noãn hoàng còn có một lớp mỏng gọi là lớp keo (jelly layer) cấu tạo từ glycoprotein, có nhiều chức năng nhưng phổ biến nhất là để hấp dẫn và hoạt hóa tinh trùng

2.2 Sự thụ tinh: bao gồm các hoạt động cơ bản sau:

- Sự nhận biết và tiếp xúc giữa tinh trùng với trứng

- Sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng

- Sự hợp nhất nguyên liệu di truyền của tinh trùng và trứng

- Sự hoạt hóa trao đổi chất của trứng để bắt đầu phát triển

Sự thụ tinh ngoài ở Cầu gai (Sự hợp nhất giữa màng tinh trùng và màng trứng)

2.2.1 Sự nhận biết của tinh trùng và trứng (Recognition of egg and sperm)

2.2.1.1 Sự hấp dẫn tinh trùng (sperm attraction)

Sự hấp dẩn tinh trùng đặc trưng cho loài Tinh trùng được thu hút về phía trứng cùng loài nhờ tính hướng hoá (chemotaxis), tức là theo gradient của chất hóa học do trứng tiết ra Ở Cầu gai Arbacia punctulata, người ta đã ly trích được resact, một peptide gồm 14 acid amin, có khả năng hấp dẫn tinh trùng bơi ngược chiều gradient nồng độ đến khi chúng tiếp xúc với trứng Resact còn có vai trò hoạt hóa tinh trùng do chúng làm tăng họat động của ti thể và chuyển động của tinh trùng

2.2.1.2 Sự hoạt hóa tinh trùng: phản ứng thể đỉnh (acrosomai reaction)

Một tương tác thứ hai giữa tinh trùng và trứng là phản ứng thể đỉnh Phản ứng thể đỉnh gồm hai bước: (1) sự hợp nhất giữa túi thể đỉnh và màng tế bào của tinh trùng, dẫn đến sự phóng thích các enzim trong túi thể đỉnh và (2) sự kéo dài mấu thể đỉnh Ở Cầu gai, phản ứng thể đỉnh xảy ra do sự tiếp xúc giữa tinh trùng với lớp keo của trứng Trình

tự của các sự kiện trong phản ứng này được trình bày trong hình sau:

Phản ứng thể đỉnh ở tinh trùng Cầu gai

Phản ứng thể đỉnh được khởi động do một polysaccharide có chứa fucose trong lớp keo của trứng gắn vào tinh trùng Ion này làm cho màng thể đỉnh hợp nhất với màng tế

bào tinh trùng, dẫn đến sự xuất bào của túi thể đỉnh Sự kéo dài của mấu thể đỉnh là do các phân tử actin hình cầu bị polymer hóa thành các actin hình sợi

2.2.2 Sự tiếp xúc của giao tử (Contact of gametes)

Một khi tinh trùng Cầu gai đã xuyên qua lớp keo của trứng, mấu thể đỉnh của nó

sẽ gắn với các vi nhung mao trên bề mặt của trứng Sự gắn này mang tính đặc hiệu nhờ một loại protein thể đỉnh là bindin Protein này có khối lượng 350kDa, sự tương tác giữa bindin với trứng có tính đặc hiệu: bindin được ly trích từ thể đỉnh của S Purpuratus chỉ gắn vào màng trứng của loài này, không gắn vào màng trứng của loài Arbacia punctulata và ngược lại

Các nghiên cứu về hóa sinh học đã cho thấy bindin hoàn toàn khác nhau ở những loài Cầu gai có quan hệ gần Đó là do trên màng noãn hoàng hoặc màng nguyên sinh của trứng có các thụ thể bindin đặc trưng

2.2.3 Sự hợp nhất giữa màng tế bào trứng và tinh trùng

Sau khi gắn vào màng noãn hoàng, mấu thể đỉnh của tinh trùng tiết ra các enzim tiêu hủy một phần của bao này giúp cho đầu tinh trùng xuyên qua và tiếp xúc với màng trứng Tiếp theo đó là sự gắn của tinh trùng vào trứng tạo thành nón thụ tinh (fertilization cone) trên bề mặt trứng do sự polymer hóa cá phân tử actin hình cầu của các vi nhung mao

Ảnh hiển vi điện tử cho thấy sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng

(A) Sự tiếp xúc giữa đầu tinh trùng với các vi nhung mao của trứng qua mấu thể đỉnh (B) Sự thành lập nón thụ tinh.(C) Sự xâm nhập của tinh trùng vào bên trong trứng (D) Đầu tinh trùng bên trong nón thụ tinh.

Sau khi màng tinh trùng và màng trứng hợp nhất thì nhân, các ti thể, trung tử và

cả đuôi tinh trùng có thể đi vào trứng nhờ cầu nối tế bào chất Ở Cầu gai, tất cả các vùng trên màng nguyên sinh trứng đều có khả năng hợp nhất với màng tinh trùng Protein có vai trò trong sự hợp nhất màng giao tử ở Cầu gai là bindin

2.3 Sự phân cắt

Hợp tử được hình thành bắt đầu sản sinh ra một cơ thể đa bào bằng một quá trình gọi là phân cắt (cleavage) Trải qua một loạt nguyên phân liên tiếp, hợp tử được phân chia tạo thành một khối tế bào nhỏ gọi là phôi dâu (morula) Ngay sau đó một xoang

chứa đầy chất dịch gọi là xoang phôi (blastocoel) được thành lập Xoang phôi được bao quanh bởi các phôi bào (blastomere) Lớp phôi bào này được gọi là phôi bì (blastoderm)

và phôi ở giai đoạn này được gọi là phôi nang (blastula)

Sự phân cắt có các đặc điểm sau đây:

- Tốc độ phân bào và vị trí tương ứng giữa các phôi bào được điều hòa bởi các protein và mARN dự trữ trong tế bào chất của trứng

- Trong quá trình phân cắt không có sự gia tăng thể tích của phôi nhưng số lượng tế bào tăng lên không ngừng (một tế bào hợp tử được phân chia thành 2, 4, 8, 16

tế bào ) nên kích thước các phôi bào ngày càng nhỏ dần

- Sự phân bào xảy ra rất nhanh, chu kì tế bào ngắn hơn bình thường Chúng chỉ còn các giai đoạn S (tổng hợp) và M (phân chia) mà không có các giai đoạn tăng trưởng (G1 và G2) trong kì trung gian giữa các lần phân chia Nguyên phân là do các thành phần cần thiết cho sự phân bào đã được dự trữ từ trước khi thụ tinh

- Tương quan tỉ lệ giữa thể tích của tế bào chất và của nhân ngày càng nhỏ đi qua các lần phân bào Sự giảm nhiều lần tỉ lệ này có ý nghĩa quyết định đến thời điểm hoạt hóa của các gen trong nhân hợp tử

2.3.1 Kiểu phân cắt

Trứng của Cầu gai là trứng đồng noãn hoàng (isolecithal), lượng noãn hoàng rất

ít, phân bố đều trong tế bào chất và không ảnh hưởng đến sự phân cắt

Sự phân cắt phôi ở Cầu gai là phân cắt hoàn toàn (holoblastic), nghĩa là rãnh phân cắt (cleavage furrow) đi ngang qua toàn bộ trứng

Phân cắt đối xứng tỏa tròn ở Da gai

Phân cắt đối xứng tỏa tròn (radial cleavage) ở Cầu gai Paracentrolus lividus, hai lần phân cắt đầu tiên theo chiều kinh tuyến, thẳng góc nhau, rãnh phân cắt đi ngang qua hai cực, chia trứng thành bốn phôi bào bằng nhau Lần phân cắt thứ ba theo mặt phẳng xích đạo, trực giao với mặt phẳng của hai lần phân cắt trước, tạo thành 8 phôi bào Lần phân cắt thứ tư xảy ra không giống nhau trên các phôi bào ở hai cực

* Ở cực động vật, bốn phôi bào phân chia theo những mặt phẳng kinh tuyến thẳng góc với nhau, cách mặt phẳng phân cách trước 450, tạo ra 8 trung phôi bào (mesomere) có thể tích bằng nhau

* Ở cực thực vật, mặt phân cắt là một mặt phẳng vĩ tuyến nằm gần đáy cực, tạo ra

8 phôi bào kích thước khác nhau: 4 phôi bào lớn là đại phôi bào (macromere) và 4 phôi bào nhỏ là tiểu phôi bào (micromere)

(A) Vị trí và hướng

của các thoi phân

bào.

(B) Sự tạo thành

4 tiểu phôi bào

và 4 đại phôi bào

Sự thành lập các tiểu phôi bào ở lần phân cắt thứ tư của phôi Cầu gai.

Ở lần phân cắt thứ năm, 8 trung phôi bào phân chia theo mặt phẳng xích đạo tạo

thành hai lớp 4 và 5 ở cực động vật Các đại phôi bào phân chia theo mặt phẳng kinh tuyến, tạo ra một lớp gồm 8 phôi bào nằm bên dưới lớp 5 Các tiểu phôi bào cũng phân

chia, mặc dù muộn hơn

Phôi nang (blastula) bắt đầu được thành lập ở giai đoạn 128 tế bào Các tế bào tạo thành một khối cầu rỗng bao quanh một xoang ở trung tâm gọi là xoang phôi (blastocoel) Lúc này các tế bào có kích thước bằng nhau, các tiểu phôi bào giảm tốc độ phân chia Mỗi tế bào tiếp xúc với dịch protein bên trong và màng hyaline bên ngoài Trong thời gian này, các tế bào tiếp xúc với nhau chặt hơn Khi các tế bào tiếp tục phân chia, lớp tế bào rộng ra và mỏng dần, phôi nang vẫn duy trì một lớp tế bào do các phôi bào dính vào màng hyaline và nước đi từ ngoài vào làm xoang phôi ngày càng lớn

Sự phân cắt đối xứng tỏa tròn ở Cầu gai

Sự phân cắt kết thúc sau mười lần phân chia, các gen mới được biểu hiện và một

số tế bào phát triển các tiêm mao (cilia) trên bề mặt ngoài làm cho phôi nang xoay bên trong màng thụ tinh Các tế bào ở cực thực vật dày lên tạo thành đĩa thực vật (vegetal plate), các tế bào ở cực động vật tổng hợp và tiết ra các enzim tiêu hủy màng thụ tinh

Sự thành lập phôi nang ở Cầu gai 2.3.2 Cơ chế phân cắt

Sự phân cắt tế bào bao gồm hàng loạt quá trình nguyên phân Mỗi chu kì tế bào gồm 2 bước : M (phân chia) và S (tổng hợp ADN) Sự chuyển tiếp từ thụ tinh sang phân cắt được tạo ra nhờ sự hoạt hóa của MPF (mitosis promoting factor) MPF có hai bán đơn

vị Bán đơn vị lớn là cyclin B và bán đơn vị nhỏ là cdk (cyclin-dependent kinase) Cyclin

B thường được mã hóa bởi các mARN dự trữ trong tế bào chất của trứng, chúng được tích tụ trong giai đoạn S và bị tiêu hủy sau khi tế bào bắt đầu phân chia Cdk hoạt hóa sự phân chia bằng cách phosphoryl hóa nhiều loại protein, làm cho nhiễm sắc thể đóng xoắn, màng nhân tiêu biến và thoi phân bào được thành lập Chúng chỉ hoạt động khi có mặt cyclin

Chu kỳ tế bào (A) của một phôi bào; (B) của một tế bào soma bình thường

Mặt phẳng phân cắt của trứng được xác định bởi sự định hướng của thoi phân bào thoi này lại liên quan đến hoạt động của thể sao Thể sao là những vi ống tỏa ra từ trung thể Trước khi tế bào phân chia, trung thể tự nhân đôi, phân ly về hai cực đối diện của tế bào và thành lập thể sao Sự định hướng của thể sao xác định mặt phẳng phân cắt

Sự phân cắt gồm hai quá trình có tính chu kỳ là sự phân chia nhân và sự phân chia

tế bào chất Sự phân chia nhân đạt được nhờ sự thành lập các vi ống và kết thúc khi có sự thành lập rãnh phân cắt thẳng góc với mặt phẳng của thoi phân bào Ở vùng rãnh, vỏ trứng dày lên tạo thành một vòng co thắt lại tách đôi tế bào hợp tử Vòng co thắt này bao quanh các vi sợi có chiều dài từ 30 đến 70 Ao Các vi sợi được tạo thành từ hai loại protein là actin và myosine Trong lúc tế bào phân chia, thoi phân bào xuất hiện ở trung tâm của tế bào chất còn các vòng co thắt được thành lập ở phần ngoài Các vòng này chỉ tồn tại trong thời gian tế bào phân chia

Cơ chế thành lập rãnh phân cắt

2.4 Sự hình thành phôi vị

Trong sự phát triển phôi, sự biệt hóa tế bào là sự kiện trung tâm Sự phát sinh hình thái (morphogenesis), quá trình tổ chức lại các tế bào và mô là yếu tố đầu tiên cần cho sự biệt hóa tế bào Vì vậy sự tái sắp xếp của các tế bào là yếu tố tiên quyết cần thiết trước khi phát sinh cơ quan Các sự kiện dẫn đến sự tái tổ chức của tế bào được gọi là sự hình thành phôi vị hay nói ngắn gọn là sự phôi vị hóa (gastrulation) Về lý thuyết, sự phôi vị hóa có nghĩa là sự thành lập một ống ruột nguyên thủy (primitive archenteron) Tuy nhiên

sự kiện trung tâm của phôi vị hóa là sự sắp xếp lại các phôi bào để tạo thành ba lá phôi : (1) ngoại bì (ectoderm) ở ngoài cùng; (2) trung bì (mesoderm) ở giữa; và (3) nội bì (endoderm) ở trong

2.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành phôi vị

Sự di chuyển của các tế bào trong quá trình hình thành phôi vị phụ thuộc vào số l ượng tế bào được hình thành trong quá trình tạo phôi nang Số luợng noãn hoàng có trong trứng cũng ảnh hưởng đến sự di chuyển của tế bào trong quá trình phôi vị hóa.Những tế bào nằm ở cực thực vật của trứng (nơi tập trung nhiều noãn hoàng) thường di chuyển chậm hơn các tế bào ở cực động vật

2.4.2 Cơ chế phân tử và tế bào của sự di chuyển trong quá trình tạo phôi vị

Các cơ chế dẫn đến sự tái sắp xếp của tế bào trong quá trình tạo phôi vị là những thay đổi trong tính kết dính, tính linh động và hình dạng của tế bào

Tính kết dính giữa các tế bào và giữa tế bào với dịch ngoại bào là do sự tương tác giữa các protein trên bề mặt tế bào Nbững thay đổi của các protein này sẽ xác định cả sức kết dính và tính đặc thù của chúng Đáng chú ý nhất là các protein thuộc lớp cadherin Cadherin có thể gắn với cadherin tương đồng trên màng các tế bào khác cũng như có thể tương tác với bộ xương tế bào thông qua cầu nối tế bào chất với B-catenin trong tế bào Sự kết dính tế bào với dịch ngoại bào do tác động của một protein khác là integrin Chất này tương tác với các protein của dịch ngoại bào như collagen, fibronectin, laminin, tenascin và proteoglycan

Các protein của bộ xương tế bào như các vi sợi (actin) và các vi ống (tubulin) giữ vai trò chính trong sự thay đổi tính linh động và hình dạng tế bào Các vi sợi actin đuợc

tổ chức thành các bó và mạng lưới ba chiều nằm bên dưới màng nguyên sinh Chúng tương tác với myosin và hoạt động giống như cơ Nồng độ cục bộ của mạng lưới actin trong lớp vỏ gây ra sự thay đổi hình dạng tế bào Tương tự, các chuyển động của tế bào là