Đề tài QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÁ THỂ Ở CẦU GAI

Đề tài QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÁ THỂ Ở CẦU GAI Lớp Cầu gai (Echinoidea) thuộc phân ngành Eleutherozoa, thuộc ngành Da gai (Echinodermata). Có...

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CEMINARHỌC PHẦN:

Trần Đức Hải

Lê Thị Ngọc Hoa

2 Sinh thái, phân bố

Cầu gai sống trên thềm biển và vùi trong cát biển Thức ăn chính là rong, tảo, mùn bã và động vật nhỏ

Ở biển Việt Nam có khoảng 70 loài, gặp nhiều ở các vùng đáy đá, vùng biển san hô Các giống có nhiều loài là

Salmacis, Temnopleurus, Diadema, Clypeaster Các loài thường gặp là Diadema setosum, Tripneustes gratilla… Ở

vịnh Bắc Bộ gặp khoảng 20 loài, thường gặp là Astropyga

radiata có thân lớn (khoảng 20cm) và dẹp, Temnopteurus toreumaticus, Laganum decagonale…

Diadema setosum

Một số loài cầu gai phổ biến ở Việt Nam

Astropyga radiata

3 Sơ lược đặc điểm hình thái, cấu tạo của cầu gai

Ấu trùng có đối xứng 2 bên Cơ thể trưởng thành hình cầu, hình đĩa hay hình trứng, toả ra rất nhiều gai nhỏ ra xung quanh nên có tên gọi là cà ghim hay nhím biển, có đối xứng toả tròn bậc 5 (hình 1)

Thành cơ thể gồm 3 lớp:

- Lớp tế bào biểu mô ngoài cấu tạo một tầng

- Lớp mô liên kết tạo thành 3 tầng khác nhau là tầng cơ trong cùng, tầng mô liên kết ở giữa và tầng biểu mô có bộ xương giáp với biểu mô ngoài

- Lớp biểu mô thành thể xoang

Xoang cơ thể thứ sinh có sự phân hoá về cấu tạo, đảm nhận các chức phận khác nhau, gồm hệ ống dẫn nước - hệ chân ống,

hệ tuần hoàn (hệ xoang máu giả) và phức hệ cơ quan trụ

Hệ tiêu hoá hình ống, kéo dài và cuộn 2 vòng trước khi đổ ra

Hệ thần kinh có 3 bộ phận khác nhau, đối xứng toả tròn:

1) Mạng thần kinh miệng (ectoneural system) nằm ở mặt miệng Gồm có vòng thần kinh trung tâm bao quanh hầu, thực quản và các dây thần kinh phóng xạ nằm ở lớp biểu mô Từ đây có 2 dây thần kinh đi tới nội quan, chức năng chủ yếu là thụ cảm

2) Mạng thần kinh dưới da (hyponeural system) nằm phía dưới mạng thần kinh miệng, kém phát triển, điều khiển vận động của nội quan

3) Mạng thần kinh đối miệng(entoneural system) có mối liên với biểu mô thể xoang

Cơ quan thị giác và thăng bằng chuyên hoá ở dạng đơn giản, các tế bào cảm giác như xúc giác, khứu giác và vị giác nằm rải rác ở chân ống, tua miệng

Nhìn chung hệ thần kinh của động vật da gai còn giữ nhiều nét cổ, mạng thần kinh miệng và mạng thần kinh dưới da còn nằm trong biểu mô hay nằm ngay dưới biểu mô Xu hướng tập

4 Sinh sản và phát triển của cầu gai

4.1 Quá trình tạo giao tử

4.1.1 Quá trình sinh tinh

Tinh trùng được tạo ra từ tuyến sinh dục đực

Vào một thời điểm nào đó, tế bào sinh dục nguyên thủy bắt đầu tăng lên về kích thước, gia tăng hoạt tính, và phân chia nguyên nhiễm cho ra các tinh nguyên bào(2n), tinh nguyên bào lại phân chia để cho các tinh bào bậc I(2n) Mỗi tinh bào I phân bào giảm nhiễm gồm 2 lần phân chia liên tiếp, lần 1 hai tinh bào II và lần 2, mỗi tinh bào II cho hai tinh tử (n) Các tinh

tử sẽ biệt hóa để cho ra bốn tinh trùng

Quá trình sinh tinh

Hình 4 Cấu tạo tinh trùng của thú

Tinh trùng cấu tạo gồm có bốn phần: đầu, cổ , phần giữa và

đuôi tương tự tinh trùng của thú

a Phần đầu:

Là bộ phận tinh trùng tiếp xúc với trứng trong thụ tinh, có chứa một nhân đơn bội và một thể đỉnh (acrosome)

Nhân bị nén lại do ADN bị xoắn chặt, giúp cho tinh trùng 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 enzyme tiêu hoá protein và các đường phức tạp giúp cho tinh trùng tiêu huỷ lớp màng trứng để xâm nhập vào bên trong

Ở cầu gai, 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 của tinh trùng trong giai đoạn sớm của sự thụ tinh

b Phần giữa:

Nằm ngay phía sau đầu là một cổ ngắn nối đầu và đuôi tinh

trùng Phần giữa có các ty thể xếp xoắn ốc, bao quanh sợi trục bên trong

c 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 α và β-tubulin Gắn vào các vi ống bên ngoài là protein dynein Dynein có khả năng thuỷ phân ATP và biến đổi năng lượng hoá học thành công năng giúp cho tinh trùng chuyển động

4.1.2 Quá trình sinh trứng

Từ các tế bào sinh dục nguyên thủy hay các noãn bào

nguyên thủy phân chia nguyên nhiễm nhiều lần cho ra các

noãn nguyên bào Các noãn nguyên bào sau một quá trình phân chia và tăng trưởng cho ra các noãn bào Các noãn bào bắt đầu phân chia giảm nhiễm cho ra hai tế bào: tế bào to có thể tích bằng tế bào trứng nên gọi là tế bào trứng; tế bào nhỏ

do cực động vật sinh ra nên gọi là cực cầu (thể cực) Tế bào trứng lại phân chia lần thứ hai thành tế bào trứng chín và thể cực thứ hai, cùng lúc đó thể cực thứ nhất cũng phân chia

thành hai thể cực Kết quả tạo ra bốn tế bào trong đó chỉ có một tế bào trứng có thể thụ tinh còn ba tế bào còn lại (ba thể cực) không có khả năng nói trên Đây là sự khác biệt với quá trình sinh tinh

Một cầu gai mẹ có thể cung cấp hơn 20 triệu trứng

Tất cả các nguyên liệu cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển phải được dự trữ trong trứng chín Trong khi tinh trùng bị loại bỏ hầu hết tế bào chất thì tế bào trứng đang phát triển không chỉ giữ lại mà còn tích tụ thêm tế bào chất Trứng cầu gai có thể tích khoảng 200 picoliter (2.10-4 mm3), gấp 10.000

lần thể tích của tinh trùng

Tế bào chất của trứng bao gồm:

- Các yếu tố phát sinh hình thái: 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

- Các chất hóa học bảo vệ trứng

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 (hình 6)

Hình 6 Các giai đoạn trứng chín của

thời điểm tinh trùng xâm nhập

Màng nguyên sinh bao quanh tế bào chất, có khả năng điều

hòa sự trao đổi ion trong quá trình thụ tinh và hợp nhất với

màng tế bào tinh trùng

Bên ngoài màng nguyên sinh là màng noãn hoàng 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 là 1 lớp vỏ mỏng khoảng 5µm Tê 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 polyme hóa tạo thành các vi sợi Các vi sợi này cần cho sự phân cắt tế bào

Nhiều tế bào trứng còn có một lớp mỏng bên ngoài màng noãn hoàng gọi là lớp keo cấu tạo từ glycoprotein, có nhiều chức năng nhưng phổ biến nhất là để hấp dẫn hoặc hoạt hóa tinh trùng

Hình 7 Bề mặt trứng chưa thụ tinh của cầu gai

4 2 Quá trình thụ tinh

Sự thụ tinh xảy ra trong nước biển Sự thụ tinh bao gồm các hoạt động cơ bản:

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

- 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

- 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

Hình 8: Tóm tắt các sự kiện chính dẫn đến sự hợp nhất

4.2.1 Sự nhận biết của tinh trùng và trứng

a Sự hấp dẫn tinh trùng

Ở cầu gai, tinh trùng được thu hút về phía trứng cùng loài nhờ tính hướng hóa, tức là theo gradian của chất hóa học tiết ra từ trứng Người ta đã ly trích được một peptit gồm 14

acid amin là resact 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 hoạt động của ti thể và chuyển động của tinh trùng

b Sự hoạt hóa của tinh trùng: phản ứng của thể đỉnh (acrosomal reaction)

Ở cầu gai và hầu hết các động vật không xương sống ở biển, phản ứng thể đỉnh gồm hai bước:

- Sự hợp nhất giữa túi thể đỉnh và màng tế bào tinh trùng, dẫn đến sự phóng thích các enzim trong túi thể đỉnh

- Sự kéo dài mấu thể đỉnh

Hình 9 Trình tự các bước phản ứng thể đỉnh

của tinh trùng cầu gai

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

4.2.2 Sự tiếp xúc của giao tử

Một khi tinh trùng của 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 của loài nhờ một protein thể đỉnh là bindin Protein này có khối lượng 350kDa Hơn nữa, sự tương tác giữa bidin với trứng

có tính đặc hiệu: bidin được trích từ thể đỉnh của loài nào chỉ gắn vào màng trứng của loài ấy

Bằng kĩ thuật miễn dịch học, Vacquier cũng đã chứng

minh rằng bidin nằm ở một vị trí xác định trên mấu thể đỉnh.

Các nghiên cứu về hóa sinh học đã cho thấy bidin 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 bidin đặc trưng

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

Sau khi gắn vào màng noãn hoàng (hoặc vùng trong suốt), mấu thể đỉnh của tinh trùng tiết ra các enzym 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 do

Hình 11: Sự xâm nhập của tinh trùng vào trứng của cầu gai

(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

Ở cầu gai, tất cả các vùng trên màng nguyên sinh trứng đều

có khả năng hợp nhất với màng tinh trùng, trong khi ở nhiều loài khác chỉ những vùng xác định trên màng trứng mới được tinh trùng nhận biết và dung hợp Protein có vai trò trong sự hợp nhất

4.2.4 Sự ngăn cản nhiều tinh trùng xâm nhập vào trứng (the prevention of polyspermy)

Thông thường, khi thụ tinh chỉ có một tinh trùng đi vào

trứng Nhân đơn bội của tinh trùng kết hợp với nhân đơn bội của trứng để tạo thành nhân lưỡng bội của hợp tử và số

lượng nhiễm sắc thể đặc trưng cho loài được khôi phục trở lại Trung tử của tinh trùng cũng đi vào trứng, sẽ phân chia tạo

thành hai cực của thoi phân bào trong qua trình phân cắt

Trong trường hợp có nhiều tinh trùng cùng đi vào trứng sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng cho sinh vật

Ở cầu gai, sự thụ tinh bởi hai tinh trùng sẽ tạo thành nhân tam bội Hơn nữa do trung tử của mỗi tinh trùng phân chia để thành lập một thoi phân bào nên có hai thoi phân bào được

thành lập và kết quả là tạo ra bốn tế bào con Do các NST

tương đồng phân ly không đều về các tế bào con nên các tế

bào này hoặc bị chết hoặc phát triển bất thường (Hình 12)

Hình 12 Hậu quả của việc nhiều tinh trùng xâm nhập vào trứng

Trong quá trình tiến hoá, các loài đã hình thành các cơ chế để ngăn cản sự xâm nhập đồng thời của nhiều tinh trùng khi thụ

tinh Có hai cơ chế là cơ chế tức thì và cơ chế lâu dài

a Cơ chế tức thì

Bình thường, màng tế bào có sự chênh lệch về điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng: bên ngoài màng tích điện âm còn bên trong tích điện dương Hiệu điện thế đo được khoảng -

70mmV và được gọi là điện thế màng (membrane potiental)

Trong vòng từ 1-3 giây sau khi tinh trùng đầu tiên gắn vào, điện thế màng đột ngột thay đổi: bên ngoài tích điện dương,

bên trong tích điện âm, với hiệu điện thế khoảng +20 mV Vì

màng tinh trùng không thể hợp nhất với màng trứng khi bên

ngoài màng này tích điện dương nên không có thêm tinh trùng

nào đi vào trứng

b Cơ chế lâu dài

Cơ chế này có liên quan đến phản ứng hạt vỏ xảy ra khoảng 1

phút sau khi tinh trùng đầu tiên gắn vào màng trứng

Ngay bên dưới màng nguyên sinh trứng có khoảng 15000 hạt

vỏ, mỗi hạt có đường kính khoảng 1 μm Khi một tinh trùng đi vào m Khi một tinh trùng đi vào trứng, nồng độ ion calcium trong tế bào tăng lên rất nhiều làm cho màng hạt vỏ hợp nhất với màng nguyên sinh trứng và phóng thích các chất bên trong hạt vào khoảng trống giữa màng nguyên sinh

và màng noãn hoàng Các chất do hạt vỏ xuất bào bao gồm

protease, mucopolysaccharide, peroxydase và hyalin

- Protease tiêu huỷ cầu nối protein giữa màng nguyên sinh và màng noãn hoàng, làm cho chúng tách nhau ra

- Mucopolysaccharide tạo ra một gradient thẩm thấu lôi kéo

nước vào, làm cho màng noãn hoàng phình ra và trở thành màng thụ tinh (fertilization envelope) Màng này bắt đầu được hình

thành từ vị trí tinh trùng đi vào và lan rộng ra toàn bộ trứng

- Peroxidase làm cho màng thụ tinh trở nên cứng nhờ cầu nối giữa các gốc tyrosine của các protein lân cận

- Hyalin thành lập một lớp màng mới bao quanh trứng Các vi nhung mao của trứng được kéo dài ra và đỉnh của chúng gắn vào

Hình 13 Sự xuất bào của hạt vỏ

A.Mô hình trình bày sự thành lập màng thụ

tinh và lớp hyalin B, C) Ảnh hiển vi điện tử (SEM, TEM) cho thấy

vỏ của một trứng cầu gai chưa thụ tinh

Phản ứng hạt vỏ

4.2.5 Sự hoạt hoá quá trình trao đổi chất của trứng

Sự hoạt hoá trứng phụ thuộc vào sự tăng nồng độ của ion

Calci tự do trong trứng Calci được phóng thích vào trong trứng

sẽ kích hoạt hàng loạt phản ứng trao đổi chất

- Sự kích hoạt enzyme NAD+ kinase sẽ biến đổi NAD+ thành

vậy sự biến đổi NAD+ thành NADP+ có vai trò quan trọng trong việc cấu trúc các màng tế bào mới trong quá trình phân cắt phôi

- Sự tiêu thụ oxygen Oxygen bị khử sẽ tạo thành peroxide là

cơ chất của enzyme ovoperoxidase Enzyme này xúc tác sự nối các gốc tyrosine của các protein tạo thành cầu nối trong sự

thành lập màng thụ tinh

- Sự tăng pH trong tế bào do sự trao đổi giữa ion Na+ bên

ngoài và ion H+ bên trong trứng Sự giảm H+ làm cho pH trong tế

Hình 14 Sơ đồ các con đường hoạt hoá trứng ở cầu gai

4.2.6 Sự kết hợp vật liệu di truyền

Nhân trứng (n) gọi là tiền nhân cái Sau khi màng tinh trùng

và màng trứng hợp nhất, nhân tinh trùng và trung tử tách khỏi ti thể và đuôi đi vào trong trứng Màng tinh trùng bị phá vỡ làm

bộc lộ các chromatin trong tế bào chất của trứng Các

chromatin của tinh trùng không còn bị nén chặt do sự trao đổi giữa protein gắn ADN với protein trứng Một màng mới được thành lập bao lấy các chromatin tạo thành tiền nhân đực

đực và tiền nhân cái Các trung tử của tinh trùng hoạt động như một hệ vi ống ở trung tâm, kéo dài ra và hợp nhất với các vi

ống của trứng tạo thành thể sao Các vi ống này gắn vào tiền nhân cái và kéo hai tiền nhân di chuyển lại gần nhau Cuối cùng hai tiền nhân sẽ hợp nhất tạo thành nhân hợp tử lưỡng bội

Sự tổng hợp ADN có thể bắt đầu ngay khi chúng đang di

chuyển hoặc sau khi nhân hợp tử được hình thành Quá trình di

4.3 Quá trình phân cắt trứng

Trứng cầu gai phân cắt đối xứng tỏa tròn

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