Tiểu luận Sinh học phát triển

Trong hầu hết các trường hợp, sự phát triển của một sinh vật đa bào bằt đầu từ một hợp tử zygote, phân chia nguyên phân để tạo ra các tế bào của cơ thể.. Giữa nhân và bao thể đỉnh còn có

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ

*******************

Tiểu luận

SINH HỌC PHÁT TRIỂN

Đề tài:

“SỰ PHÁT TRIỂN PHÔI Ở CẦU GAI”

Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

Lớp:CAO HỌC KHĨA VX

Chuyên ngành: ĐỘNG VẬT HỌC

Tiền Giang, tháng 12 - 2007

1/ Đặt vấn đề :

Sinh vật đa bào được hình thành bởi một quá trình biến đổi từ từ, liên tục được gọi

là sự phát triển (development) Trong hầu hết các trường hợp, sự phát triển của một sinh vật đa bào bằt đầu từ một hợp tử (zygote), phân chia nguyên phân để tạo ra các tế bào của

cơ thể Trước đây khoa học về sự phát triển của động vật được gọi là phơi sinh học (embryology), nghiên cứu các sự kiện từ lúc trứng thụ tinh đến khi con vật được sinh ra Tuy nhiên, sự phát triển của sinh vật khơng chỉ dừng lại ở đĩ mà phần lớn các sinh vật đều khơng ngừng phát triển 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 mắc 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 viết 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

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

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 thư viện, báo đài, internet Dựa vào sự phân tích, tổng hợp, so sánh, đối chiếu các tài liệu để thực hiện đề tài

Mặc dù đề tài được chuẩn bị khá công phu, nhưng chắc chắn vẫn còn sơ suất, rất mong được sự góp ý của thầy hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp Tác giả chân thành biết ơn

4/ Cấu trúc tiểu luận:

PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN NỘI DUNG

- Cấu trúc của giao tử

- Sự thụ tinh

- Sự phân cắt

- Sự hình thành phơi vị

- Sự biệt hĩa của các lớp phơi bì

PHẦN KẾT LUẬN

PHẦN MỞ ĐẦU

DUNG

MỤC LỤC

Tra

ng

Mở đầu ……… … ……… 1

Chương I: Cấu trúc của giao tử 3

I Các tế bào mầm 3

II Cấu tạo tinh trùng 3

III Cấu tạo trứng 3

Chương II: Sự thụ tinh 6

I Sự nhận biết của tinh trùng và trứng 6

II Sự tiếp xúc của giao tử 7

III Sự hợp nhất giữa màng tế bào trứng và tinh trùng 7

Chương III: Sự phân cắt 8

I Kiểu phân cắt 8

II Cơ chế phân cắt 10

Chương IV: Sự hình thành phôi vị 12

I Đại cương 12

II Sự hình thành phôi vị ở Cầu gai 13

Chương V: Sự biệt hóa của các lớp phôi bì 15

Kết luận ……… ……… 16

Tài liệu tham khảo……… ……… 17

CHƯƠNG I CẤU TRÚC CỦA GIAO TỬ

I 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)

II Cấu tạo tinh trùng.

Hình dạng tinh trùng ở Cầu gai

1 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)

Nhân: Trong quá trình trưởng thành của tinh trùng, nhân bị nén lại do ADN của

nó bị xoắn chặt Sự đóng xoắn của ADN giúp cho tinh trùing ít bị các tổn thương vật lý hoặc đột biến trong quá trình dự trữ và di chuyển đến nơi thụ tinh Sự nén của nhân là do tương tác giữa ADN và protein của nhiễm sắc thể là protamin

Thể đỉnh: nằm ngay phía trước nhân, là một bao kín, dẫn xuất từ thể Golgi, có

chứa các enzim tiêu hóa protein như acrosin, hyaluronidase, acid phosphatase, aryl sulphatase, các loại esterase và phospholipase giúp cho tinh trùng tiêu hủy lớp mành trứng để xâm nhập vào bên trong

Giữa nhân và bao thể đỉnh còn có một vùng gồm các phân tử actin hình cầu, có vai trò tạo thành mấu thể đỉnh (acrosomal process) của tinh trùng trong giai đoạn sớm của sự thụ tinh

2 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

3 Phần đuôi: là một cấu trúc phức tạp 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

III 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

PHẦN NỘI DUNG

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: Phôi cần một thời gian rất lâu mới có thể tự dinh dưỡng hoặc nhận thức

ăn từ mẹ Các tế bào phôi trong giai đoạn sớm cần được cung cấp năng lượng và các amino acid Việc này được thực hiện nhờ sự tích tụ protein noãn hoàng trong trứng Các protein này được sản sinh trong các cơ quan khác như gan, thể mỡ và di chuyển theo dòng máu của mẹ đến trứng

* Ribosome và tARN: Cần cho phôi tổng hợp protein của riêng chúng ngay sau

khi thụ tinh

* mARN: Trứng Cầu gai có khoảng 25.000 đến 50.000 loại mARN khác nhau,

được duy trì ở trạng thái không hoạt động cho đến khi trứng được thụ tinh

* Các yếu tố phát sinh hình thái (morphogenetic factors): là những phân tử có

vai trò trong sự biệt hóa tế bào Chúng nằm trong những vùng khác nhau của trứng và được phân bố về các tế bào con trong suốt quá trình phân cắt của hợp tử

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

Màng noãn hoàng có ít nhất là tám loại glycoprotein cần thiết cho sự nhận dạng đặc hiệu của tinh trùng Nằm ngay bên dưới màng nguyên sinh trứng là một lớp vỏ (cortex) mỏng khoảng 5 m Tế bào chất của vùng này cứng hơn phía trong và có nhiều phân tử actin hình cầu Trong quá trình thụ tinh, các phân tử actin bị polymer hóa tạo thành các vi sợi (microfilament) Các vi sợi này cần cho sự phân cắt tế bào, đồng thời tạo

ra lớp vi nhung mao (microvilli) trên bề mặt tế bào Ngoài ra trong lớp vỏ còn có các hạt

vỏ (cortical granules) là dẫn xuất của thể Golgi, có chứa các enzim thủy phân protein, mucopolysaccharide, glycoprotein và protein hyalin Các enzim và mucopolysaccharide

có vai trò ngăn chặn các tinh trùng khác đi vào trứng sau khi trứng đã thụ tinh, còn hyalin

và glycoprotein bao chung quanh phôi có vai trò nâng đỡ các phôi bào trong giai đoạn phân cắt

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

CHƯƠNG II

SỰ THỤ TINH

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

- Sự nhận biết và tiếp xúc giữa tinh trùng với trứng Điều này bảo đảm là tinh

trùng và trứng thuộc cùng một loài

- Sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng Trứng có cơ chế cản trở sự xâm nhập của

nhiều tinh trùng, chỉ cho phép một tinh trùng đi 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

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

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 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

(Phía trên là hình minh hoạ; phía dưới là ảnh chụp)

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

II 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, lần đầu tiên được Vacquier và các cộng sự ly trích từ thể đỉnh của Strongylocentrotus purpuratus năm

1977 Hơn nữa, 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 Bằng kỹ thuật miễn dịch học, Vacquier cũng đã chứng minh rằng bindin nằm ở một vị trí xác định trên mấu thể đỉnh

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

III 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

Sự xâm nhập của một tinh trùng vào một trứng Cầu gai được minh họa ở hình sau:

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

CHƯƠNG III

SỰ PHÂN CẮT

Sự thụ tinh là bước khởi đầu trong quá trình phát triển của sinh vật 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

I Kiểu phân cắt.

Trứng của Cầu gai là trứng đẳng 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 bán cầu

* Ở bán cầu 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 bán cầu thực vật, mặt phân cắt là một mặt phẳng vĩ tuyến nằm gần đáy bán cầu, 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)

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

Cực thực vật của phôi được nhìn từ bên dưới

(A) Vị trí và hướng của các thoi phân bào (B) Sự tạo thành 4 tiểu phôi bào và 4 đại phôi bào

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 bồm 8 phôi bào nằm bên dưới lớp 5 Các tiểu phôi bào cũng phân

chia, mặc dù muộn hơn Tất cả các rãnh phân cắt của lần thứ sáu đều theo mặt phẳng xích đạo và của lần thứ bảy theo mặt phẳng kinh tuyến 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