Bài giảng sinh học phát triển SĐH phần a và b

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.

BÀI GIẢI : SINH HỌC PHÁT TRIỂN - SDH

Phần A CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

Chương 1

MỞ ĐẦU1.1 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 củaphôi 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 đượchình thành từ các vật không sống qua việc quan sát sự xuất hiện các con dòi (ấutrùng 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 làAntonivan 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 sinhtrưởng” do những cấu trúc chưa phân hoá và đồng nhất tạo thành Trong quátrình 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, thuyếtcủa Volf gọi là thuyết biểu sinh Nhà động vật học người Pháp là Etien JofruaSaintiner (1772 – 1844) đã bổ sung bằng chứng cho thuyết biểu sinh bằng cách

tạo sự phát triển không bình thường cho phôi gà đã thu được những phôi quáihình

- Người đặt nền móng cho sự nghiên cứu về mô là một thầy thuốc ngườiPháp Mari Frangxoa Xavie Bisa (1771- 1802) ông đã phát hiện ra rằng các cơquan khác nhau được cấu tạo từ các hợp phần khác nhau về hình dạng Ông gọicác 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) đãnghiên cứu và trả lời các câu hỏi “Bằng cách nào từ trứng lại biến đổi thành cơthể độc lập?” Qua 10 năm nghiên cứu, ông đã cho xuất bản tác phẩm đầu tiênbàn về vấn đề này Chính ông là người phát triển và đặt nền móng cho bộ mônphôi sinh học và sinh học phát triển Trong công trình của mình ông đã chứngminh rằng: trứng đang phát triển tạo thành các lớp mô chưa phân hoá, mỗi lớpkhởi sinh hình thành các cơ quan khác nhau của cơ thể

- Nhà sinh lí học người Đức, Robe Remac (1815 – 1865) khi nghiên cứu sựphát 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 bàobắt 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 sởquá trình phát triển của các nhóm sinh vật khác nhau, đặc biệt các nghiên cứu đisâu 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 trìnhnghiên 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

- 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, từđơn 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, tếbào 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 vànấm)

- Nghiên cứu quá trình phát triển và các yếu tố điều khiển quá trình pháttriển 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 phầncấu trúc (tế bào, mô, cơ quan) của cơ thể

1.4.4 Di truyền

Là khả năng thế hệ sau lặp lại thế hệ trước dựa trên cơ sở bố mẹ truyền chocon cái các phân tử AND Đồng thời nhờ sinh sản mà các yếu tố di truyền được

tổ hợp lại

1.4.5 Phát triển

Phát triển là những biến đổi về chất trong cấu trúc, hoạt tính chức năng củatoàn bộ cơ thể và các bộ phận cấu thành nó (tế bào, mô, cơ quan) trong tiến trìnhphát 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 biếnđổi chức năng và hình thái do di truyền gây nên trong cơ thể từ khi cơ thể hìnhthành hay mầm sinh dưỡng đến cái chết tự nhiên trong điều kiện bình thườngcủa 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 sinhtrưởng thì không có phát triển

Thí dụ: phôi cần có sự sinh trưởng về kích thước và số lượng tế bào mớichuyển sang nảy mầm hình thành cơ thể non trẻ Một số loài cây (cà chua) cơthể phải có một số lượng lá nhất định mới chuyển sang trạng thái sinh trưởngsinh sản

- Phát triển lại tạo cho sinh trưởng diễn ra với tốc độ và hình thức khácnhau 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 sinhtrưởng mạnh, sang giai đoạn ra hoa, tạo quả cơ quan sinh dưỡng ngừng sinhtrưởng Các cây sống lâu năm, ra hoa kết quả nhiều lần trong vòng đời cũng cóhiện tượng tương tự Khi hình thành hoa, quả cơ quan sinh dưỡng sinh trưởngchậm

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 tínhtrạng của cơ thể mà trong nó chỉ chứa hệ thống các gen qui định sự phát triểncủa cơ thể Tuy nhiên, mỗi loài bộ gen lại có sự khác nhau Chính vì vậy sự pháttriển 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 genvào 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

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, sựhoạt 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 nằmtrong 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

- 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 hợpcác enzim

+ Operon mở: khi môi trường có lactozo đóng vai trò là chất cảm ứng liênkết với protein điều hòa Vì vậy, vùng O được giải phóng Enzim ARN-polimeaza xác tác quá trình sao mã các gen cấu trúc 1, 2, 3 để tổng hợp cácenzim 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 táctheo tŕnh tự các phản ứng của chuỗi biến dưỡng tryptophan (hình 2.2) Sự khác

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 ḱmhăm (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 5enzim 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 operon: 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 trpkhi nguồn dinh dưỡng thiếu, đồng thời dừng quá trình này khi môi trường có đã

Lac-đủ trp Như vậy, cơ thể có thể tiết kiệm được vật chất và năng lượng, giúp sựsinh 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) Vìvậy, quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra không đồng thời

NST X bất hoạt (thể Barr)

NST X hoạt động

- ADN của sinh vật nhân chuẩn liên kết với histon để hình thành các cấutrúc lớn hơn là nucleoxom, sợi nhiễm sắc và nhiễm sắc thể (NST) Chính sựđóng gói này đã giúp quá trình điều khiển sự phát triển của cá thể Ở mỗi mô, cơquan do tương tác bộ gen với môi trường bên trong và môi trường bên ngoài màcác 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 nhauthấy hình dạng NST ở trạng thái tháo xoắn khác nhau (hình chổi rửa ốngnghiệm), 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 độngvật có vú có sự khác nhau, con cái có 2 NST X (XX) thì chỉ có 1 NST X hoạtđộng, còn 1 bị đóng gói chặt mất hoạt tính gọi là thể Barr (Barr body) như hình2.5

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

+ 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 cónhiều mức độ

+ Điều hòa đóng và tháo xoắn NST dựa vào bằng chứng về sự tháo xoắnNST 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 trênđối 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 cácenzim 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

Pre-ARN

mARN

1 Điều tiết phiên mã

2 Điều tiết sau phiên mã

3 Điều tiết vân chuyển mARN

mARN

Protein mARN bất hoạt

5 Điều tiết phân giải 4.Điều tiết tổng hợp

6.Điều tiết hoạt tinh Pr

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 đượctiền ARN (pre – ARN) còn gọi là ARN không đồng nhất (ARNhn- hetorogenousnuclear ARN) Tiếp đến pre – ARN sẽ được cắt bỏ bớt đoạn intron và nối cácđoạn exon (cắt – nối- processing) để hình thành các phân tử mARN chỉ chứa cácđoạn exon Vì vậy, pre – ARN thường dài hơn mARN từ 10 – 100 lần Chính sựcắt- nối này mà từ một gen có thể hình thành nhiều loại mARN khác nhau Nhờquá trình dịch mã mà hình thành nhiều loại protein ở các mô khác nhau Sơ đồcắt – nối pre- ARN được thể hiện ở (hình 7)

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 mũmetyl guanilat vào đầu 5’, đầu mũ này có vai trò bảo vệ mARN không bị phânhủy bởi ARN-aza Đầu 3’ được gắn thêm đuôi poli A (gồm 100 – 200 gốcAdenilic) Đuôi poli A cũng giúp cho mARN không bị phân giải và đi được quamàng nhân ra ngoài tế bào chất Cả mũ và đuôi còn tăng hiệu quả dịch mã ởriboxom (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 tếbào

Thí dụ: Peter và Silverthorne (1995) khi nghiên cứu trên cây đâu (Viciafaba) bị nhiễm nấm cho thấy mARN bị phân giải nhanh, tế bào tổng hợp nhiềuprolin ở vách tế bào

- Điều tiết sự biểu hiện của gen sau dịch mã là protein sản phẩn có thểtrực 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 đãđược mô tả ở hình 7 Trong phần này chỉ nhấn mạnh thêm một số đặc điểm củađiều hòa hoạt động gen của Eucaryota

- Ở các operon của Procaryota, các gen điều hòa và các promotor thườngnằm 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 cácpromoter có thể có hàng trăm cặp base ở phía trước hoặc phía sau promoter màchúng kích thích

- Trình tự điều hòa 5’ ở phía trước promoter ở Eucaryota thường rất dài,

- Có nhiều kiểu điều hòa ở dạng các nhân tố có tác dụng trans là các

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

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.

- Vùng tác động lên sự phiên mã

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 cácvùng của cơ thể nhưng chỉ tác động đến các tế bào có thụ thể (receptor) tưngứng Sự tương tác giữa hoocmon và thụ thể gây ra tín hiệu tác động đến cácvùng 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 choARN polymerase bắt đầu phiên mã

- Có thể làm chất cảm ứng (inducer) gây bất hoạt phân tử thụ thể

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 chorARN 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

- Sự khuếch đại gen: một thí dụ điểm hình về sự khuếch đại gen nhân làchỗ 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 ADNvòng (rADN) có kích thước khác nhau (đến nay chưa rõ vai trò) các rADN nàysản 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 theocon đường nguyên phân, sau đó là sự phân hóa các tế bào thành mô, cơ quantheo 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 quacác thế hệ cần phối hợp giữa các quá trình: nguyên nhiễm; giảm nhiễm hìnhthành 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, bắtđầu từ thời điểm nó được sinh ra từ tế bào mẹ đến lần phân chia của chính bảnthân nó, hoặc chết tự nhiên

- Các loại tế bào khác nhau trong cơ thể và giai đoạn sinh trưởng, pháttriển 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 – 12giờ

+ 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 giaiđoạn chuẩn bị (gian kì) Gian kì lại được chia làm các pha G1; S; G2 Pha phânchia 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

ARN và protein

ADN Hàm lượng

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

Hình 2.11

Sự điều hòa chu kỳ tế bào bằng kinase phụ thuộc cyclin (theo Lincoln, 2006)

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, CG1 bị

phân hủy giải phóng CDK

* Điều khiển pha G2 sang pha M:

- Đầu tiên CDK được hoạt hóa bởi 2P và kết hợp với Mitosis-cyclin (CM) để trở

thành dạng chưa có hoạt tính (kí hiệu CDK-CM-2P), khi các tín hiệu môi trường

bên trong và bên ngoài phù hợp CDK-CM-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)

- Khi kết thúc quá trình phân chia, nhóm P được loại bỏ, CM bị phân hủy giảiphóng 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 phângiải 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 nhiềuloại 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 nhiênthực nghiệm đã xác định rằng số lượng nhiễm sắc thể, số lượng ADN và cả tỷ lệA+T/G+X của các tế bào thuộc các mô khác nhau của cùng một cơ thể là giốngnhau Sử dụng kỹ thuật lai ADN cho thấy ADN của cùng một cơ thể ở các môkhác 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 ếchtrưởng thành Điều này chứng tỏ tế bào ruột tuy đã biệt hóa nhưng vẫn giữnguyên 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

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 tíchnhư phần lớn protein cấu trúc của vách tế bào và nhiễm sắc thể; một số proteincăn bản của các bào quan (lưới nội chất, bộ golgi, các ribosome…) Nhiềuprotein không nhiều như các enzim khác nhau, tham gia vào các phản ứng trungtâm 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 cóthể 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 haichiều trên gen polycrylamide (two – demensional polycrylamide gelelectrophoresis)

Các kết quả nghiên cứu cho thấy các tế bào của Eucaryota bậc cao có10.000 đến 20.000 loại protein khác nhau, phần lớn chúng có số lượng rất ít vàkhó phát hiện Các protein hiếm tuy khó phát hiện nhưng chỉ một lượng nhỏ củachúng cũng đủ tạo nên nhiều khác biệt chuyên hóa về hình thái và sinh lí của tếbào trong các mô

Phần lớn các tế bào chuyên hóa của sinh vật đa bào có khả năng thay đổiphương thức biểu hiện gen để đáp ứng lại tác động bên ngoài Ví dụ: nếu tế bàogan bị tác động bởi glucocorticoid hoocmon, thì sự tổng hợp một số proteinchuyên hóa được tăng vọt, khi hoocmon không còn nữa sự tổng hợp một sốprotein 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 cácgen chuyên biệt mà tế bào biểu hiện, thì sự kiểm soát biểu hiện của gen đượcthực hiện như thế nào?

Việc phát hiện các gen điều hòa và các gen đóng hay mở giúp chúng ta hiểuđược sự điều hòa quá trình phát triển cá thể và biệt hóa các tế bào Bộ gen đơn

bội của người cú số lượng AND nhiều hơn 1000 lần so với bộ gen của vi khuẩn.Tuy nhiờn, số lượng gen cấu trỳc chỉ gấp hơn 10 lần số gen cấu trỳc của vikhuẩn Điều đú cho thấy cú rất nhiều gen ở người tham gia vào cơ chế điều hũa.

2.2.3.2 Sự phõn hóa tờ́ bào ở động vật

+ Cơ thể động vật phát triển từ hợp tử trải qua một quátrình phân chia, phân hóa hình thành nên các mô, cơ quan

- Đới 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 trứngsau thụ tinh các nhà khoa học đã xác định ở giai đoạn phâncắt 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 đợcchia 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 củaếch loại bỏ nhân thì trứng phát triển thành nòng nọc bình th-ờng

- Nếu lấy nhân ở giai đoạn phôi vị đa và trứng ếch loại bỏnhân thì trứng không phát triển thành nòng nọc bình thờng.Với thí nghiệm này chứng tỏ tuy bộ gen trong nhân giốngnhau, nhng vào mỗi giai đoan phát triển của phôi hoạt độngcủa 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

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 nhauThí dụ: - Tế bào lông hút và tế bào biểu bì của rễ: tế bào lông hút có màngmỏng, không bào lớn, áp suất thẩm thấu cao hơn so với tế bào biểu bì phù hợpvới chức năng bảo vệ

- Tế bào nhu mô lá chứa nhiều lục lạp còn tế bào biểu bì khôngchứa 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 làkhác 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 củacác 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 (C22H35O6N)đến sự biểu hiện của gen LAT52

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,

- Các kết quả nghiên cứu của Sheres và CS (1995) cho thấy sự phân bàokhông 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 phânhóa tế bào

- Phát sinh mô: Thí nghiệm của Camus (1943-1947) sử dụng chồi rau diếpghép lên đoạn củ được nuôi trong ống nghiệm đã cảm ứng hình thành mạch râytrong các mô của củ phía dưới Kết quả cũng tương tự như xử dụng bột nhãochứa auxin

- Phát sinh chồi: thí nghiệm xử lí auxin trong môi trường xitokin để phátsinh chồi và rễ (hình 2.15)

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 µM, 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 mắtcủa xitokinin

* Nồng độ auxin 5 µM, tương đương 10-6 g.ml ức chế phát triển chồi bênthành chồi mới

* Phát sinh rễ xử dụng auxin với nồng độ 0,5 – 50 µM tương đương từ 10-7đến 10-5 g/ml (Went, Skoog và Thimann, 1934) đã làm xuất hiện rễ của cànhgiâm, cành chiết và mô callus

Bước 1

Phối tử kết hợp với chất nhân Khuếch đại và truyền tín hiệu vào nơi nhânBước 2

Bước 3

Tế bào biến đổi hoạt tính trong phản ứng trả lời

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):

Hình 3.1 Ba bước liên tiếp trong truyền tín hiệu ở sinh vật

- Khái quát các con đường truyền tín hiệu tế bào (theo Mason at et, 2010) gồm 4

con đường cơ bản (Hình 3.2)

Hình 3.2 Bốn kiểu truyền tín hiệu tế bào

Con đường 1 (Hình 3.2a): 2 tế bào gần nhau gửi trực tiếp tín hiệu cho nhau qua vùng kết nối giữa các tế bào nhờ các phân tử (glicoprotein, glicolipit) (liên quan đến phản ứng của tế bào cùng loại) Con đường 2 (Hình 3.2b): Truyền tín hiệu cận tiết: Dịch tiết của tế bào tiết chỉ ảnh hưởng đến các tế bào lân cận trong một khoảng không gian nào đó (liên quan đến phản ứng miễn dịch) Con đường 3 (Hình 3.2c): Truyền tín hiệu nội tiết (hormon) được vận chuyển trong cơ thể đến tế bào đích (động vật nhờ hệ tuần hoàn/thực vật nhờ dòng nước vận chuyển trong cơ thể).Con đường 4 (Hình 3.2d): Truyền tín hiệu qua xynap (điện – hóa – điện)

3.2 Truyền tín hiệu ở sinh vật nhân sơ

Các tế bào prokaryote có thể tồn tại hàng tỷ năm tiến hóa đã phát triểnhoàn hảo khả năng cảm nhận môi trường của chúng Như chúng ta đã thấy, vikhuẩn đáp ứng với sự hiện diện của chất dinh dưỡng bằng cách tổng hợp cácprotein liên quan đến sự hấp thu và chuyển hóa các chất dinh dưỡng đó Ngoài

ra vi khuẩn cũng có thể đáp ứng với tín hiệu không phải là dinh dưỡng, cả vềphương diện vật lý và hóa học Các vi khuẩn di động có thể dễ dang điều chỉnhchuyển động của chúng theo các gradient ánh sáng, oxy, áp suất thẩm thấu, nhiệt

độ, và các hóa chất độc hại trong môi trường

Cơ chế chung cho phép vi khuẩn cảm nhận và đáp ứng với môi trườngcủa chúng phổ biến cho tất cả là nhờ hệ thống “Đơn vị” cảm giác, và đảm nhân

3 chức năng: (i) phát hiện kích thích, (ii) khuếch đại tín hiệu, (iii) phản ứng đầu

ra thích hợp Nhiều con đường tín hiệu của vi khuẩn đã được chứng minh baogồm các đơn vị mô-đun (module) được gọi là chất truyền (transmitter) và chất

nhận (receiver) Những module này hình thành cơ sở của hệ thống điều hòa hai thành phần (two-component regulatory system)

3.2.1 Vi khuẩn sử dụng hệ thống điều hòa hai thành phần để cảm giác với các tín hiệu ngoại bào

Vi khuẩn cảm nhận các tín hiệu hóa học trong môi trường bằng các họreceptor trên bề mặt tế bào, mỗi họ receptor đó cảm nhận một nhóm hóa chất(mà sau này ta gọi là các phối tử - ligand) Một protein trong tế bào chất của vikhuẩn bám trực tiếp vào phối tử, hoặc bám vào protein hòa tan đã gắn liền vớiphối tử, trong không gian ngoại vi giữa màng sinh chất và thành tế bào Sau khibám vào, protein mang trải qua sự biến đổi về hình dáng để vượt qua màng sinhchất tới vùng tế bào chất của protein thụ thể Sự thay đổi về hình dáng này khởiđầu cho con đường tín hiệu mà dẫn đến phản ứng Phổ rộng các phản ứng ở vikhuẩn, bao gồm điều hòa thẩm thấu (osmoregulation), hướng hóa, và sự hìnhthành bào tử, được điều hòa bởi hệ thống điều hòa hai thành phần bao gồmprotein cảm thụ (sensor protein) và protein điều hòa trả lời (response regulatorprotein) (hình 3.3) Chức năng của protein cảm thụ là nhận tín hiệu và truyền tínhiệu tới protein điều hòa trả lời, mà sau đó là mang lại phản ứng của tế bào, vàthường là biểu hiện gen (gene expression)

Hình 3.3 Tín hiệu qua hệ thống hai thành phần Thành phần thứ nhất - Protein cảm thụ phát hiện các kích thích qua vùng đầu vào (input domain) và truyền tín hiệu tới vùng truyền (transmitter domain) bằng cách thay đổi về hình dáng (được chứng minh bằng mũi tên đầu tiên) Vùng truyền của thành phần thứ nhất sau đó truyền tới thành phần thứ hai – điều hòa trả lời bằng sự phosphoryl hóa protein ở vùng tiếp nhận của thành phần này Sự phosphoryl hóa vùng tiếp nhận gây bởi sự thay đổi hình dáng (mũi tên thứ hai), sau đó hoạt hóa vùng ra (output domain) và đưa ra phản ứng trả lời của tế bào (theo Parkinson, 1993).

Protein cảm thụ có hai vùng, một vùng (đi) vào, nhận tín hiệu từ môi trường, và một vùng truyền, chức năng truyền tín hiệu tới thành phần thứ hai – điều hòa trả lời Thành phần điều hòa trả lời cũng có hai vùng, vùng (chất)

nhận, tiếp nhận các tín hiệu từ vùng truyền của thành phần thứ nhất, và một vùng (đi) ra, chẳng hạn như một vùng liên kết với ADN, đưa ra phản ứng trả lời.

Tín hiệu được truyền từ vùng truyền tới vùng nhận qua sự phosphoryl hóaprotein Các vùng truyền có khả năng phosphoryl hóa chính chúng, có sử dụngATP, trên một chuỗi histidine đặc hiệu gần với đầu tận cùng của amino (hình3.4A) Vì lý do này mà các protein cảm thụ có chứa các vùng truyền được gọi là

tự phosphoryl hóa histidine sử dụng ATP (autophosphorylating histidine

kinases) Các protein có chức năng như một dimer mà ở đó vị trí xúc tác của

một tiểu phần phosphoryl hóa vị trí tiếp nhận ở vùng khác

Hình 3.4 Cơ chế phosphoryl hóa con đường tín hiệu trong hệ thống hai thànhphần ở vi khuẩn

Ngay sau khi vùng truyền tự phosphoryl hóa ở chuỗi histidine, phosphateđược chuyển tới một chuỗi aspartate đặc hiệu nằm gần giữa vùng nhận củathành phần thứ hai (hình 3.4B) Và kết quả là, một chuỗi aspartate đặc hiệu làmcho thành phần điều hòa trả lời trải qua sự thay đổi về hình dáng dẫn đến hoạthóa bản thân nó

3.2.2 Áp suất thẩm thấu được phát hiện bằng hệ thống hai thành phần ở

E.coli

Một ví dụ của hệ thống hai thành phần đơn giản ở vi khuẩn là hệ thống tín

hiệu cảm thụ áp suất thẩm thấu ở E.coli E.coli là vi khuẩn Gram âm và do đó có

hai màng tế bào, một màng trong và một màng ngoài, tách biệt nhau bởi thành tếbào Màng trong cơ bản là một màng thấm của tế bào Màng ngoài chứa các lỗrộng gồm hai loại protein lỗ, OmpF và OmpC Các lỗ được tạo với OmpF lớnhơn so với các lỗ được tạo ra từ OmpC

Khi E.coli gặp phải điều kiện có áp suất thẩm thấu cao trong môi trường,

nó tổng hợp thêm OmpC nhiều hơn so với OmpF, kết quả là các lỗ kích thướcnhỏ hơn ở màng ngoài Các lỗ nhỏ hơn này lọc ra ngoài các chất tan từ khônggian ngoại vi tế bào chất, giúp che chắn cho màng bên trong khỏi ảnh hưởng củanồng độ cao chất tan từ môi trường ngoại bào Khi vi khuẩn được đặt vào môitrường có áp suất thẩm thấu thấp, nhiều OmpF được tổng hợp, và các lỗ kíchthước trung bình được tăng lên

Như hình 3.5 đã chỉ ra, sự biểu hiện của các gen mã hóa cho hai protein lỗmàng được điều hòa bởi hệ thống hai thành phần Protein cảm thụ, EnvZ, nằmtrên màng trong Nó bao gồm một đầu kết thúc N ở vùng ngoại vi tế bào chấtphát hiện sự thay đổi áp suất thẩm thấu trong môi trường, bằng hai đoạn cầu nối,

và đầu kết thúc C trong vùng truyền của tế bào chất (cytoplasmic transmitter)

Hình 3.5 Hệ thống hai thành phần điều hòa thẩm thấu ở E.coli

Khi áp suất thẩm thấu tăng lên, vùng vào trải qua sự biến đổi về hình dáng

và nó vượt ngang qua màng tới vùng nhận Vùng nhận sau đó tự phosphoryl hóachuỗi histidine của chính nó Nhóm phosphate nhanh chóng được chuyển tớimột chuỗi aspartate của vùng nhận thuộc thành phần điều hòa trả lời, OmpR.Đầu kết thúc của OmpR chứa vùng liên kết ADN Khi được hoạt hóa bởi sựphosphoryl hóa, vùng này tương tác với ARN polymerase tại promoter của các

gen mã hóa cho protein lỗ màng, tăng cường sự biểu hiện của gen OmpC và ức chế sự biểu hiện của gen OmpF Dưới điều kiện áp suất thẩm thấu thấp trong

môi trường, dạng không phosphoryl hóa của OmpR kích thích sự biểu hiện của

gen OmpF và ức chế sự biểu hiện của gen OmpC Bằng cách này, sự kích thích

của áp suất thẩm thấu được liên hệ với các gen

2.3 Các hệ thống hai thành phần đã được xác định ở Eukaryote

Gần đây, sự liên quan của protein cảm thụ với thành phần điều hòa trả lờicủa hệ thống hai thành phần ở vi khuẩn đã được tìm thấy ở nấm men và thựcvật

Ví dụ, gen SLN1 của nấm men Saccharomyces cerevisiae mã hóa một

protein có khối lượng 134kDa đã được giải trình tự giống với các vùng truyền vàvùng nhận của vi khuẩn và xuất hiện với chức năng điều hòa thẩm thấu (Ota andVarshavsky 1993)

Ví dụ, sắc tố hấp thụ ánh sáng đỏ/đỏ xa là phytochrome, đã được tìm thấy

ở vi khuẩn lam (cyanobacteria), và nó tương đương với các protein cảm thụ ở vi

khuẩn

3.3 Truyền tín hiệu ở sinh vật nhân chuẩn

3.3.1 Phosphorin hóa là chìa khóa trong điều hòa chức năng của protein

- Protein đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu Để đảm bảochức năng đó thì protein phải thực hiện phosphorin hóa và dephosphorin hóa(gắn thêm 1 hoặc loại bỏ 1 nhóm Pi) Quá trình phosphorin hóa protein nhờ hệ

thống enzym protein kinase vào vị trí đặc hiệu Dephosphorin hóa nhờ hệ thống enzym phosphatase.

- Vị trí gắn nhóm Pi vào protein thường ở các axit amin có chứa nhóm(OH) như: serin (ser); threonin (thr) hoặc tyrosin (tyr) (Hình 3.6)

Hình 3.6 Phosphorin hóa protein

Nhiều protein được điều phối bởi trạng thái phosphorin hóa (nhờ enzym protein kinase) và Dephosphorin hóa nhờ hệ thống enzym phosphatase Các enzym này tạo nên hai lớp phụ thuộc vào

axit amin trên phân tử protein được gắn thêm hay loại nhóm Pi đó là serin/threonin kinase hoặc tysosin kinase.

3.3.2 Các kiểu chất nhân

- Bản chất của các phân tử chất nhận tín hiệu của tế bào phụ thuộc vào vị trí củachúng và phối tử mà chúng liên kết Chất nhận tín hiệu tế bào gồm hai nhómtương ứng với các tín hiệu được thể hiện ở hình 3.7

Hình 3.7 Khái quát về tín hiệu và chất nhân

+ Các chất nhận nội bào liên kết với các phối tử ghét nước hoặc các phân tửlượng bé không phân cực, không tích điện, vốn dễ dàng xuyên qua màng, vàobên trong màng

+ Ngược lại trên bề mặt tế bào hoặc màng tế bào có chưa các chất nhận (chất nhận màng) liên kết với các phối tử ưa nước, vốn không dễ xuyên qua màng.

- Mối chất nhân và phối tử tương ứng được thể hiện ở bảng 1

Bảng 1 Các chất nhận liên quan đến tín hiệu tế bào

Các chất nhận

nội bào

Không có vị trígắn tín hiệu ngoạibào

Nhận các phối tửhòa tan trong lipithoặc phân tửlượng bé khôngphân cực, khôngtích điện

Thí dụ: NO, hormon steroit (cortisol; estrogen; progesteron;

testosteron), vitamin D và hormon thyroid

Các chất nhận màng

Các kênh ion cổng

các phối tử

Protein nhiều lầnxuyên màng tạo lỗtrung tâm trênmàng

Các “cổng” phân

tử kích hoạt sựđóng hoặc mở

Các nơron

Các chất nhân Protein xuyên Liên kết tín hiệu Các protein kinase

Gắn phối tử vàochất nhận gây nên

sự liên kết GTPvào G-protein; vớiGTP được gắn vàohoặc gỡ ra có thểtruyền tín hiệu

Các hormon peptit,các nơron hình quetrong mắt

3.3.3 Các chất nhận màng có thể tạo ra tín hiệu thư hai (second messengers)

Một số chất nhận là protein và hầu hết các chất nhận liên kết với protein sử dụng các hợp chất khác để chuyển tiếp tín hiệu đến nơi nhận và trả lời

G-là nhân Về cơ bản, kết quả cuối cùng của các con đường truyền tín hiệu G-là đểđiều hòa các nhân tố phiên mã, qua đó điều hòa sự biểu hiện của gen Các conđường truyền tín hiệu này thường có các chất truyền tin thứ hai (secondmessenger), các tín hiệu thứ hai ở bên trong tế bào nhanh chóng được khuếchđại so với tín hiệu nguồn Ví dụ, phân tử hormone đơn giản có thể khởi đầu choviệc hoạt hóa một enzym mà sau đó là tạo ra hàng trăm phân tử của chất truyềntin thứ hai Trong số các chất truyền tin thứ hai, phổ biến nhất là: 3′,5′- AMPvòng (cyclic AMP - cAMP); 3′,5′- GMP vòng (cyclic GMP - cGMP); nitricoxide (NO); ADP-ribose vòng (cyclic ADP-ribose - cADPR); 1,2-diacylglycerol(DAG); inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3); và Ca2+ (hình 3.8)

Hình 3.8 Cấu trúc bảy chất truyền tin thứ hai ở sinh vật nhân chuẩn

3.3.4 Truyền tín hiệu bằng chất nhận nội bào

Nội dung

- Chất nhận nội bào liên kết với hormon

- Tính đặc hiệu và vai trò của chất đồng hoạt hóa

- Các chất nhận nội bào khác tác động như enzym

3.3.4.1 Các chất nhận nội bào liên kết với hormon steroit điều hòa sự phiên mã

Liên kết hormone thường gây ra mức độ cao của một hoặc nhiều chấttruyền tin thứ hai, kết quả là hoạt hóa hoặc bất hoạt các enzym hoặc các proteinđiều hòa biểu hiện của gen trong nhân nhờ quá trình phosphorin hóa hoặcdephosphorin hóa bởi các enzym protein kinase và phosphatease

Các hormon steroit, chẳng hạn như thyroid, retinoid, và vitamin D, tất cảđều đi qua màng sinh chất một cách tự do bởi vì tính chất tự nhiên của chúng vàchúng liên kết với các chất nhận nội bào (protein thụ thể trong tế bào) (hình 3.7)+ Bình thường các chất nhận nội bào liên kết với protein ức chế → bất hoạt.+ Khi có tín hiệu hormon steroit chúng thực hiện qua 6 bước như hình 3.9:Bước (1) steroit đi qua màng nguyên sinh; bước (2) steroit tìm đến với chấtnhận nội bào; bước (3) steroit liên kết với chất nhân nội bào; bước (4)protein ức chế được giải phóng, yếu tố kích thích phiên mã được hoạt hóa

đi qua màng nhân; bước (5) nhân tố phiên mã dạng hoạt hóa sau đó liên kết