Mục lục bài họcĐang ở d05-b2
Mitosis, Stem Cells and Cancer
The four stages, and the one thing that identifies each
Prophase: chromosomes condense and become visible as two chromatids joined at a centromere; the nuclear envelope and nucleolus break down; the spindle begins to form from microtubules. Metaphase: chromosomes line up on the equator and spindle fibres attach to the centromeres. Anaphase: centromeres split and the two chromatids of each chromosome are pulled to opposite poles by shortening spindle fibres, an ATP-requiring process. Telophase: chromosomes decondense, nuclear envelopes and nucleoli re-form. Cytokinesis follows — by a constricting ring of protein in animal cells, and by the formation of a cell plate from the centre outwards in plant cells, because a cell wall cannot be pinched.
Why mitosis matters
Mitosis produces two nuclei that are genetically identical to each other and to the parent nucleus. It is therefore the basis of growth, of tissue repair and replacement, of asexual reproduction, and of the production of immune cells that all recognise the same antigen. Genetic identity comes from two things working together: semi-conservative replication in $S$ phase, and the precise separation of one chromatid of each pair to each pole in anaphase.
When the control fails
The cycle is controlled at checkpoints. Mutations in genes controlling the cycle produce uncontrolled division. A proto-oncogene normally stimulates division; a mutation turning it into an oncogene makes it stimulate division permanently. A tumour suppressor gene normally halts the cycle for repair; a mutation that inactivates it removes the brake. Because several such mutations must accumulate in one cell line, cancer risk rises steeply with age. Telomeres, repeated non-coding sequences at chromosome ends, shorten at each division and limit the number of divisions a normal cell can undergo. Stem cells escape this limit: they can divide repeatedly and can differentiate into other cell types.
Bốn kỳ, và dấu hiệu riêng nhận ra từng kỳ
Prophase (kỳ đầu): nhiễm sắc thể co ngắn và hiện ra dưới dạng hai chromatid dính nhau ở tâm động; màng nhân và hạch nhân tiêu biến; thoi phân bào bắt đầu hình thành từ vi ống. Metaphase (kỳ giữa): nhiễm sắc thể xếp thành hàng trên mặt phẳng xích đạo và sợi thoi gắn vào tâm động. Anaphase (kỳ sau): tâm động tách, hai chromatid của mỗi nhiễm sắc thể bị sợi thoi co ngắn kéo về hai cực — quá trình này tốn ATP. Telophase (kỳ cuối): nhiễm sắc thể duỗi ra, màng nhân và hạch nhân tái lập. Sau đó là cytokinesis — ở tế bào động vật bằng một vòng protein thắt lại, còn ở tế bào thực vật bằng cell plate hình thành từ giữa lan ra, vì thành tế bào không thắt được.
Nguyên phân để làm gì
Nguyên phân tạo ra hai nhân giống hệt nhau về di truyền và giống hệt nhân mẹ. Vì vậy nó là nền của sinh trưởng, của sửa chữa và thay thế mô, của sinh sản vô tính, và của việc nhân dòng tế bào miễn dịch để tất cả cùng nhận diện một kháng nguyên. Tính đồng nhất di truyền đến từ hai việc phối hợp: nhân đôi bán bảo toàn ở pha $S$, và việc tách chính xác một chromatid của mỗi cặp về mỗi cực ở kỳ sau.
Khi khâu kiểm soát hỏng
Chu kỳ được kiểm soát tại các chốt kiểm. Đột biến ở gene điều khiển chu kỳ dẫn tới phân chia mất kiểm soát. Proto-oncogene bình thường kích thích phân chia; đột biến biến nó thành oncogene khiến nó kích thích liên tục không tắt. Tumour suppressor gene bình thường dừng chu kỳ lại để sửa chữa; đột biến làm hỏng nó là gỡ mất phanh. Vì phải tích luỹ nhiều đột biến như vậy trên cùng một dòng tế bào, nguy cơ ung thư tăng vọt theo tuổi. Telomere — các đoạn lặp không mã hoá ở đầu mút nhiễm sắc thể — ngắn dần sau mỗi lần chia và giới hạn số lần một tế bào bình thường chia được. Stem cell thoát khỏi giới hạn đó: chúng chia được nhiều lần và biệt hoá được thành các loại tế bào khác.
Giải thích, bằng hai sự kiện cụ thể ở hai giai đoạn khác nhau, vì sao hai nhân con tạo ra bởi nguyên phân giống hệt nhau và giống nhân mẹ về mặt di truyền.
Sự kiện thứ nhất — nhân đôi bán bảo toàn ở pha $S$. Hai mạch của phân tử DNA tách ra, và mỗi mạch làm khuôn để tổng hợp mạch bổ sung mới theo nguyên tắc ghép cặp $A$ với $T$, $G$ với $C$. Vì trình tự mạch mới bị mạch khuôn quy định hoàn toàn, hai phân tử DNA tạo ra giống hệt nhau. Chúng ở lại cạnh nhau dưới dạng hai sister chromatid dính chung một tâm động.
Sự kiện thứ hai — tách chromatid ở kỳ sau. Sợi thoi gắn vào tâm động từ hai phía đối diện. Khi tâm động tách, mỗi cực nhận đúng một chromatid của mỗi cặp — không phải hai, cũng không phải không cái nào.
Hai việc đó phối hợp thế nào. Việc thứ nhất bảo đảm hai bản sao giống nhau; việc thứ hai bảo đảm chúng được chia đều. Thiếu một trong hai thì tính đồng nhất mất: nếu nhân đôi sai thì hai bản đã khác nhau từ đầu; nếu tách sai thì một cực thừa còn cực kia thiếu, tạo thể lệch bội.
Điểm phân biệt với giảm phân. Trong nguyên phân không có trao đổi chéo và không có phân li độc lập của cặp tương đồng, vì các nhiễm sắc thể tương đồng không hề bắt cặp với nhau. Đó chính là lý do nguyên phân cho ra sản phẩm đồng nhất còn giảm phân thì không.
Giải thích vì sao ung thư thường cần nhiều đột biến tích luỹ trên cùng một dòng tế bào, và phân biệt vai trò của proto-oncogene với tumour suppressor gene.
Proto-oncogene là gene bình thường mã hoá protein kích thích tế bào bước vào chu kỳ chia — ví dụ thụ thể yếu tố tăng trưởng. Đột biến biến nó thành oncogene, khiến protein hoạt động liên tục ngay cả khi không có tín hiệu. Đây là kiểu đột biến 'kẹt chân ga': chỉ cần một trong hai allele hỏng đã đủ gây tác dụng.
Tumour suppressor gene làm việc ngược lại: nó dừng chu kỳ ở chốt kiểm để tế bào sửa DNA, hoặc đẩy tế bào hỏng vào chết theo chương trình. Đột biến làm mất chức năng gene này là 'mất phanh', và thường phải hỏng cả hai allele mới mất hẳn tác dụng.
Vì sao cần nhiều đột biến. Tế bào có nhiều lớp bảo vệ chồng lên nhau: chốt kiểm ở $G_1$, ở $G_2$ và ở kỳ giữa, cộng với cơ chế sửa sai DNA và chết theo chương trình. Hỏng một lớp thì các lớp còn lại vẫn chặn được. Chỉ khi cả chân ga bị kẹt và phanh bị mất và cơ chế chết theo chương trình bị vô hiệu thì dòng tế bào mới chia mất kiểm soát.
Hệ quả quan sát được. Vì các đột biến phải tích luỹ trên cùng một dòng tế bào và mỗi đột biến là hiếm, xác suất gộp lại rất nhỏ ở người trẻ và tăng rất nhanh theo tuổi. Đó là lý do đường cong tỉ lệ mắc ung thư theo tuổi đi lên dốc đứng chứ không tuyến tính. Các tác nhân gây đột biến như khói thuốc hay tia cực tím làm tăng tần số từng bước, nên rút ngắn thời gian gộp đủ.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương The Mitotic Cell Cycle gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.