Vào thế kỷ 19, Walther Flemming, một nhà sinh vật học người Đức, đã phát hiện ra chu kỳ tế bào. Chu kỳ tế bào là quá trình quan trọng đối với sự phát triển và duy trì sự sống của mọi sinh vật sống. Việc hiểu rõ các pha của chu kỳ tế bào, các checkpoint, và cơ chế kiểm soát giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự phát triển của cơ thể và các cơ chế ngăn ngừa sự phát triển không kiểm soát của các tế bào bất thường – nguyên nhân chính dẫn đến ung thư.
Nội dung:
Chu kỳ tế bào là gì?
Chu kỳ tế bào là một chuỗi các sự kiện có trật tự mà một tế bào trải qua để phát triển và phân chia tạo ra hai tế bào con mới. Quá trình này rất quan trọng để duy trì số lượng tế bào trong cơ thể và thay thế các tế bào già cỗi hoặc tổn thương. Các sự kiện này bao gồm nhân đôi bộ gen, tổng hợp các bào quan trong tế bào và phân chia tế bào chất.
Tế bào người mất khoảng 24 giờ để hoàn thành một chu kỳ tăng trưởng và phân chia. Tuy nhiên, thời gian của chu kỳ cũng thay đổi theo từng loại tế bào.
Các giai đoạn của chu kỳ tế bào
Một chu kỳ tế bào điển hình chia thành hai giai đoạn chính:
Kỳ trung gian (Interphase)
Ở kỳ trung gian, tế bào không phân chia, chiếm khoảng 90% thời gian của toàn bộ chu kỳ tế bào. Đây là giai đoạn mà tế bào chuẩn bị cho sự phân chia thông qua phát triển tế bào và sao chép ADN. Kỳ trung gian được chia thành 3 pha:
Pha G1 (Gap 1 – Khoảng trống 1)
Đây là pha đầu tiên của chu kỳ tế bào, nơi tế bào phát triển, tăng trưởng và thực hiện các chức năng, hoạt động trao đổi chất bình thường mà không sao chép ADN của nó. Tổng hợp các protein liên quan và tích lũy năng lượng.
Một số tế bào không nhận được tín hiệu hay không phân chia thường xuyên sẽ ở pha này lâu hơn, hoặc có thể đi vào pha G0 (pha nghỉ). Một số tế bào khác có thể chỉ mất khoảng vài giờ để đi qua pha này.
Pha S (Synthesis – Tổng hợp)
Ở người trưởng thành có thể cần khoảng 10 – 12 giờ để hoàn thành pha S. Quá trình sao chép ADN diễn ra trong pha này. Số lượng ADN ban đầu trong tế bào là 2n, sau khi sao chép trở thành 4n. Tuy nhiên, số lượng nhiễm sắc thể không thay đổi, tức là, nếu số lượng nhiễm sắc thể trong pha G1 là 2n, thì nó sẽ vẫn là 2n vào cuối pha S. Kết quả, hình thành hai bản sao giống hệt nhau của mỗi nhiễm sắc thể – chromatid chị em được gắn chặt ở tâm động.
Trung thể cũng được nhân đôi. Hai trung thể sẽ tạo ra thoi phân bào, bộ máy điều phối chuyển động của nhiễm sắc thể trong quá trình nguyên phân.
Pha G2 (Gap 1 – Khoảng trống 2)
Cần khoảng 4 – 6 giờ. Tế bào bổ sung năng lượng dự trữ và tổng hợp các protein cần thiết cho sự nhân lên của các bào quan trong tế bào. Hình thành thoi phân bào, chuẩn bị bước vào giai đoạn nguyên phân.
Giai đoạn nguyên phân (Mitosis)
Đây là giai đoạn tế bào mẹ phân chia chia thành hai tế bào con với bộ gen giống hệt nhau, cần khoảng 1 giờ. Nguyên phân được chia thành 5 kỳ:
- Kỳ đầu (Prophase)
- Kỳ trước giữa (Prometaphase)
- Kỳ giữa (Metaphase)
- Kỳ sau (Anaphase)
- Kỳ cuối (Telophase)
Gối lên kỳ cuối cùng của nguyên phân là kỳ phân chia tế bào chất (Cytokinesis) và kết thúc pha M hoàn tất quá trình nguyên phân.
Hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào
Chu kỳ tế bào được kiểm soát như thế nào? Làm sao một tế bào biết được khi nào cần đi qua pha tiếp theo? Một vài tế bào trên cơ thể người như tế bào da, tần suất phân chia rất thường xuyên. Trong khi đó, tế bào gan không phân chia nhiều như vậy và tế bào thần kinh sẽ không phân chia nữa.
Các điểm kiểm soát (Checkpoint)
Trong chu kỳ tế bào, có 3 điểm kiểm soát (checkpoint) quan trọng giúp đảm bảo tế bào phân chia một cách chính xác và an toàn:
- Điểm kiểm soát G1: Xảy ra ở cuối pha G1, còn được gọi là điểm kiểm soát giới hạn. Kiểm tra kích thước tế bào, nguồn năng lượng, và tính toàn vẹn của ADN. Nếu điều kiện chưa phù hợp, tế bào sẽ ngừng phân chia và có thể tiến vào trạng thái nghỉ (Pha G0).
- Điểm kiểm soát G2: Nằm ở cuối pha G2, checkpoint này kiểm tra sự nhân đôi nhiễm sắc thể, đánh giá kích thước tế bào và các protein dự trữ. Đảm bảo tất cả các nhiễm sắc thể đã được sao chép và ADN được sao chép không bị hư hại.
- Điểm kiểm soát M: Xảy ra gần cuối kỳ giữa của nguyên phân, còn được gọi là điểm kiểm tra thoi vô sắc. Xác định xem tất cả các chromatid chị em có được gắn chính xác vào các vi ống thoi phân bào hay không. Nếu có sai sót, tế bào sẽ tạm dừng để tránh phân chia không chính xác.
Các checkpoint này đóng vai trò rất quan trọng trong việc ngăn chặn sự tích tụ của các lỗi di truyền và giúp duy trì tính ổn định của gen qua các thế hệ tế bào.
Cyclin và các kinase phụ thuộc cyclin
Hoạt động của các điểm kiểm soát được quyết định phần nhiều nhờ hoạt động của các kinase phụ thuộc cyclin (CDKs), được điều hòa bởi các tiểu phần protein là các cyclin. Mỗi dạng cyclin khác nhau được tạo ra ở mỗi giai đoạn khác nhau của chu kỳ tế bào và kiểm soát các sự kiện trong giai đoạn đó.
Khi nồng độ của cyclin tăng lên, các CDKs sẽ được kích hoạt, điều khiển tế bào qua các checkpoint và tiến đến pha tiếp theo.
Bên cạnh đó, các tín hiệu ngoại bào bao gồm các yếu tố phát triển và hormone từ môi trường ngoại bào cũng có thể kích thích hoặc ngăn chặn chu kỳ tế bào. Cho phép tế bào điều chỉnh sự phân chia dựa trên nhu cầu của mô hoặc cơ quan.
Mất kiểm soát chu kỳ tế bào trong các tế bào ung thư
Ung thư là kết quả của sự phân chia tế bào không được kiểm soát, khi các tế bào phát triển và tăng sinh mà không có sự điều chỉnh. Khi các checkpoint không hoạt động đúng, những tế bào bất thường có thể vượt qua được các bước kiểm soát và tiếp tục phân chia. Sự tăng trưởng không kiểm soát này dẫn đến hình thành các khối u. Trong trường hợp nghiêm trọng, các tế bào bất thường này có thể xâm lấn và cản trở hoạt động của một hay vài cơ quan hay thậm chí di căn đến các bộ phận khác của cơ thể.
Các đột biến gen ở các gen kiểm soát chu kỳ tế bào, có thể làm suy yếu chức năng của checkpoint, tạo ra các tế bào ung thư. Điều này cho thấy sự liên kết chặt chẽ giữa chu kỳ tế bào và ung thư, nhấn mạnh tầm quan trọng của các cơ chế kiểm soát trong việc ngăn ngừa bệnh.
