Chu kỳ tế bào

Chu kỳ tế bào, hay chu kỳ phân bào, là một vòng tuần hoàn các sự kiện xảy ra trong một tế bào từ lần phân bào này cho đến lần kế tiếp, trong đó bộ máy di truyền và các thành phần của tế bào được nhân đôi và sau đó tế bào phân chia làm hai tế bào con. Ở các sinh vật đơn bào (nấm men, vi khuẩn,...) một cá thể sau khi trải qua chu kỳ phân bào tạo ra hai cá thể mới; còn ở các sinh vật đa bào thì chu kỳ tế bào là một quá trình tối quan trọng để một hợp tử phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh và để cơ thể bổ sung số lượng tế bào thay cho số đã chết.
Trong các tế bào nhân sơ, chu kỳ tế bào trải qua một quá trình mang tên là trực phân. Trong các tế bào nhân chuẩn chu kỳ tế bào bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất kỳ trung gian lúc tế bào phát triển, tích lũy vật chất và nhân đôi ADN; giai đoạn thứ hai là nguyên phân (mitosis - M), lúc này tế bào thực thi quá trình phân chia thành hai tế bào con. Nhìn chung, chi tiết của chu trình tế bào thay đổi tùy loại tế bào và tùy sinh vật, tuy nhiên chúng có cùng những điểm chung nhất định và có cùng mục tiêu là truyền đạt lại toàn bộ và chính xác thông tin di truyền của chúng cho các tế bào con. Chính vì vậy bộ ADN của tế bào mẹ phải được nhân đôi một cách chính xác và phải được chia đồng đều cho các tế bào con để mỗi tế bào con đều nhận được bộ ADN y hệt tế bào mẹ.

Pha G0

Thuật ngữ "hậu nguyên phân" hay "thời kỳ sau nguyên phân" (post-mitotic) thỉnh thoảng được dùng để ám chỉ pha G₀ cũng như trạng thái suy lão của tế bào. Các tế bào không phân chia trong các sinh vật đa bào nhân chuẩn thường chuyển từ trạng thái của pha G₁ sang trạng thái tĩnh lặng của pha G₀ và có thể duy trì trạng thái tĩnh lặng này suốt một thời gian dài, thậm chí là vĩnh viễn (ví dụ tế bào cơ, tế bào thần kinh hay tế bào của mô thủy tinh thể). Đây là điều phổ biến xảy ra trong các tế bào đã hoàn toàn biệt hóa. Trạng thái tĩnh lặng của tế bào xuất hiện khi ADN của chúng bị hư hỏng hay thoái hóa, điều này khiến tế bào không sinh sản được, hoặc giả khi các điều kiện ngoại bào tỏ ra không ủng hộ sự phân bào hay không có tín hiệu kích thích sự tiếp tục của chu kỳ tế bào. Các tế bào ở trạng thái G₀ cũng có thể phục hồi khả năng phân bào và quay trở về chu kỳ tế bào; quá trình này được cơ thể điều thiết nhằm đảm bảo sự sinh sản của tế bào nằm trong tầm kiểm soát.

Kỳ trung gian

Trước khi sự phân bào diễn ra, tế bào cần tích lũy các chất dinh dưỡng để chuẩn bị cho sự phân bào. Tất cả việc này diễn ra trong kỳ trung gian. Kỳ trung gian gồm có 3 pha: G1, S, và G2.

Pha G1

Pha G₁ - hay còn được gọi là pha sinh trưởng - là giai đoạn đầu tiên của kỳ trung gian, nó bắt đầu khi sự phân bào kết thúc cho đến khi sự sinh tổng hợp ADN bắt đầu xảy ra. Trong khi hoạt động sinh tổng hợp ở quá trình phân bào diễn ra khá chậm, trong pha G₁ chúng tăng tốc rất nhanh chóng. Trong pha này nhiều enzyme đã được sản sinh nhằm phục vụ cho các hoạt động diễn ra trong pha S kế tiếp - phần lớn chúng là enzyme xúc tác quá trình tự nhân đôi ADN. Thời gian tiến hành pha G₁ thay đổi nhiều tùy theo loài và tùy theo các loại tế bào trong cùng loài. Trong giai đoạn này, kích thước tế bào tăng lên và tế bào tăng cường cung cấp protein cũng như tăng số lượng các bào quan khác (ti thể, ribosome). Ở người, pha này kéo dài chừng 9 tiếng đồng hồ.

Pha S

Tiếp theo pha G₁ là pha S, bắt đầu khi sự sinh tổng hợp ADN xảy ra và kết thúc khi tất cả các nhiễm sắc thể đều được sao chép - lúc này mỗi nhiễm sắc thể bao hàm hai nhiễm sắc tử chị em. Vì vậy trong pha này, hàm lượng ADN trong tế bào được nhân đôi mặc dù số bội thể của tế bào không thay đổi. Tốc độ phiên mã ARN và sinh tổng hợp protein phải nói là cực kì chậm trong pha này. Tuy nhiên sự sinh tổng hợp histone thì vẫn mau lẹ - thực chất quá trình sinh tổng hợp histone chủ yếu diễn ra trong pha này.

Pha G2

Sau khi pha S kết thúc, tế bào sẽ chuyển sang pha G₂ - pha này kéo dài cho đến khi quá trình nguyên phân bắt đầu. Sự sinh tổng hợp lại diễn ra mạnh ở pha này, trong đó chủ yếu là sự hình thành các sợi thoi hay vi quản vốn cần thiết cho quá trình nguyên phân. Việc ức chế sinh tổng hợp protein trong pha này sẽ khiến tế bào không thể nào bước vào quá trình nguyên phân được.

Điều tiết chu kỳ tế bào sinh vật nhân chuẩn

Việc điều tiết chu kỳ tế bào bao hàm các quá trình có vai trò tối quan trọng trong sự tồn vong của tế bào, bao gồm các quá trình nhận diện và sửa chữa những sai hổng trong bộ máy di truyền cũng như ngăn chặn sự phân bào vô tội vạ. Các sự kiện ở cấp độ phân tử điều kiển chu kỳ tế bào được sắp xếp có quy củ, theo thứ tự và có định hướng; điều này có nghĩa là mỗi quá trình tiến hành một cách liên tục, kế tiếp nhau và một chiều - bản thân chu kỳ tế bào nói chung không thể đảo ngược được.

Các hoạt động đặc trưng của phức hợp cyclin-CDK

Cyclin D là cyclin đầu tiên được sinh tổng hợp trong chu kỳ tế bào, nhằm phản ứng lại các tín hiệu ngoại bào tỉ như các nhân tố sinh trưởng. Cyclin D bám vào các CDK4 sẵn có, hình thành nên các phức hợp cyclin D-CDK4. Phức hợp cyclin D-CDK4 sẽ phosphorylat hóa các protein nhạy cảm với khối u ác tính ở mắt (Rb - Retinoblastoma protein). Các Rb bị phosphorylat hóa sẽ tách khỏi protein E2F và không thể ức chế E2F được nữa. E2F được hoạt hóa sẽ kích thích sự phiên mã của nhiều gien khác nhau nhằm sản sinh ra cyclin E, cyclin A, ADN polymeraza, thymidin kinaza,... và cả bản thân E2F. Cyclin E mới sản sinh ra sẽ bám vào các CDK2, hình thành phức hợp cyclin E-CDK2, phức này sẽ thúc đẩy tế bào tiến từ pha G₁ vào pha S (chuyển tiếp G₁/S). Cyclin B cùng với cdc2 (ở động vật có vú là CDK1) hình thành nên phức hợp cyclin B-cdc2 có chức năng khơi mào quá trình chuyển tiếp G₂/M. Việc hoạt hóa phức hợp Cyclin B-cdc2 dẫn tới sự đổ vỡ của cấu trúc màng nhân sự mở đầu của kỳ trước trong nguyên phân; và cuối cùng phức này bị bất hoạt sẽ khiến tế bào kết thúc quá trình nguyên phân.

Mạng lưới điều tiết phiên mã

Có những bằng chứng cho thấy một mạng lưới phiên mã bán tự động đã hoạt động phối hợp với bộ máy CDK-cyclin nhằm điều tiết chu kỳ tế bào. Một số nghiên cứu về biểu hiện gien trong nấm men Saccharomyces cerevisiae đã nhận dạng khoảng 800 - 1200 gien có biểu hiện thay đổi xuyên suốt trong chu kỳ tế bào; chúng được phiên mã ở mức độ cao trong một số giai đoạn của chu kỳ tế bào và ở mức độ thấp trong các giai đoạn còn lại. Trong khi bộ của các gien được nhận diện thay đổi theo các phương pháp điện toán và các tiêu chuẩn dùng để nhận dạng chúng, các nghiên cứu đều chỉ ra rằng phần lớn các gien của nấm men được điều tiết theo thời gian.
Nhiều gien biểu hiện theo giai đoạn được thúc đẩy, dẫn hướng bởi các nhân tố phiên mã, các nhân tố này cũng được biểu hiện một cách định kì. Một bảng về các thí nghiệm gỡ bỏ đơn gien nhận diện được 48 nhân tố phiên mã (chiếm 20 phần trăm số nhân tố phiên mã không thiết yếu) cho thấy chu kỳ tế bào bị sai kém. Các nghiên cứu về bộ gien sử dụng các công nghệ năng suất cao đã nhận dạng được các nhân tố phiên mã bám vào các vùng gien khởi động của bộ gien nấm men, và lập nên một sự tương quan giữa các phát hiện trên với các kiểu biểu hiện theo thời gian đã cho phép nhận diện các nhân tố phiên mã thúc đẩy các biểu hiện gien đặc trưng của từng pha chu kỳ. Sự biểu hiện của các nhân tố phiên mã của pha sau đã được xúc tiến bởi các nhân tố phiên mã đặc trưng của pha trước, và các mô hình điện toán đã cho thấy một mạng lưới CDK độc lập của các nhân tố phiên mã đó là đủ để tạo nên một dao động ổn định trong biểu hiện gien.
Các bằng chứng có từ các thí nghiệm cũng cho rằng biểu hiện gien có thể dao động theo các giai đoạn trong quá trình phân bào của các tế bào kiểu tự nhiên độc lập với bộ máy CDK-cyclin. Orlando và các đồng sự sử dụng các microarray để đo đạc sự biểu hiện của một bộ 1.271 gien đã được nhận diện định kỳ trong các tế bào bình thường cũng như các tế bào đột biến không có cyclin trong pha S và pha nguyên phân (clb1,2,3,4,5,6). Trong 1.271 gien đó, 882 tiếp tục biểu hiện trong các tế bào thiếu cyclin và cả tế bào bình thường mặc dù chu kỳ của các tế bào thiếu cyclin bị ngừng lại ở giai đoạn cuối pha G1 đầu pha S. 833 gien khác trong số đó biểu hiện khác nhau giữa các tế bào bình thường và các tế bào đột biến, cho thấy rằng các gien này được điều tiết trực tiếp hay gián tiếp bởi bộ máy CDK-cyclin. Một số gien biểu hiện trong cả hai loại tế bào thì cũng biểu hiện ở mức độ khác ở các tế bào đột biến so với tế bào bình thường. Điều này gợi ý rằng trong khi mạng lưới phiên mã có thể dao động độc lập với dao động của CDK-cyclin, chúng bắt cặp với CDK-cyclin theo phương cách để cả hai cùng tham gia vào việc đảm bảo sự chính xác về thời gian của các sự kiện xảy ra trong chu kỳ tế bào. Một số hoạt động điều tiết khác bao gồm phosphoryl hóa, một phương pháp điều chỉnh hậu dịch mã, của các nhân tố phiên mã của chu kỳ tế bào bởi Cdk1 có thể thay đổi vị trí hay hoạt tính của các nhân tố phiên mã nhằm kiểm soát chặt chẽ sự chính xác về thời gian của các gien đích (Ubersax et al. 2003; Sidorova et al. 1995; White et al. 2009).
Trong khi phiên mã dao động đóng một vai trò quan trọng trong chu kỳ tế bào của nấm men, bộ máy CDK-cyclin hoạt động độc lập trong các chu kỳ của các tế bào trong thời kỳ sớm của phôi. Trước sự chuyển tiếp phôi nang giữa sự phiên mã ở hợp tử không xảy ra và tất cả các protein cần thiết, ví dụ như cyclin kiểu B, được dịch mã từ các ARN thông tin cung cấp từ người mẹ.

Vai trò trong việc hình thành khối u

Những bất thường trong việc điều hòa chu kỳ tế bào có thể dẫn tới việc hình thành các khối u. Như đã nói, một số gien như các gien ức chế chu kỳ tế bào (RB, p53...) khi bị đột biến có thể khiến tế bào sinh sản vô tội vạ và hình thành khối u. Mặc dù chu kỳ tế bào khối u bằng hay dài hơn tế bào bình thường, trong các khối u tỉ lệ tế bào trong trạng thái sẵn sàng phân bào so với các tế bào ở trạng thái pha G₀ cao hơn nhiều so với các tế bào bình thường; trong khi đó các tế bào bị chết rụng hay già lão vẫn không thay đổi. Chính vì thế mà tính tổng cộng thì số tế bào khối u sẽ từ từ tăng dần lên.
Những tế bào đang trải qua chu kỳ một cách tích cực là mục tiêu trong các liệu pháp chữa bệnh ung thư vì các ADN của chúng bộc lộ tương đối rõ rệt trong quá trình phân bào và vì vậy chúng dễ bị tổn thương bởi các loại thuốc hay tia bức xạ. Việc này được tận dụng tối đa trong việc điều trị ung thư bởi một phương pháp mang tên là debulking, lúc này một số lớn các tế bào khối u bị loại bỏ và điều này khiến một số lớn tế bào khối u còn trong pha G₀ bị chuyển sang pha G₁ (do dinh dưỡng, ôxi, nhân tố sinh trưởng,... dồi dào hơn vì các tế bào giảm đi). Các tế bào này nhanh chóng bị tiêu diệt bởi tia bức xạ hay thuốc ngay khi mới chớm thực thi chu kỳ tế bào. Nhìn chung, các tế bào dễ bị tổn thương nhất vào cuối pha M và vào pha G₂, còn sức chống chịu đối với bức xạ cao nhất ở cuối pha S. Đối với những tế bào có chu kỳ dài và pha G₁ dài, chúng cũng có sức kháng cự tốt ở cuối pha G₁. Kiểu đề kháng này liên quan đến mức độ các hợp chất sulfhydryl trong tế bào. Sulfhydryl có tác dụng kháng bức xạ và có mức độ cao nhất ở pha S và thấp nhất ở gần pha nguyên phân.
Tế bào động vật có vú có chu kỳ ngắn nhất trong môi trường nuôi cấy là tế bào ung thư biểu mô ruột - với chu kỳ kéo dài từ 9 đến 10 giờ. Còn tế bào gốc trong da chuột có thể có chu kỳ kéo dài đến 200 giờ. Những sự khác biệt này chủ yếu do khác biệt về thời gian ở pha G₁, còn các pha M và S thì ít thay đổi.

Đồng bộ hóa mẻ cấy tế bào

Một số phương pháp có thể dùng để đồng bộ hóa các tế bào trong cùng mẻ cấy bằng cách tạm thời chặn chu kỳ tế bào ở một pha nào đó. Ví dụ như serum starvation và cho tế bào tiếp xúc với thymidine hay aphidicolin sẽ chặn chu kỳ tế bào ở pha G₁, mitotic shake-off, xử lý với colchicine và nocodazole chặn chu kỳ tế bào ở pha nguyên phân; và xử lý với 5-fluorodeoxyuridine chặn ở pha S.