Buzz
Chu trình tế bào, hay chu trình phân bào, là chu kỳ của các sự kiện trong một tế bào từ lần phân bào này đến lần tiếp theo, bao gồm việc nhân đôi bộ máy di truyền và các thành phần của tế bào, sau đó phân chia thành hai tế bào con. Ở các sinh vật đơn bào (như nấm men, vi khuẩn), chu trình phân bào tạo ra hai cá thể mới; trong khi đó, ở các sinh vật đa bào, chu trình tế bào là quá trình thiết yếu để phát triển từ hợp tử thành cơ thể hoàn chỉnh và để thay thế các tế bào đã chết.
Ở tế bào nhân sơ, chu trình tế bào diễn ra qua quá trình phân trực. Trong tế bào nhân chuẩn, chu trình tế bào có hai giai đoạn: giai đoạn trung gian khi tế bào phát triển, tích lũy vật chất và nhân đôi DNA; và giai đoạn nguyên phân (mitosis - M), khi tế bào phân chia thành hai tế bào con. Mặc dù chi tiết chu trình tế bào có thể khác nhau giữa các loại tế bào và sinh vật, tất cả đều có điểm chung và mục tiêu là truyền đạt chính xác thông tin di truyền cho các tế bào con. Do đó, bộ DNA của tế bào mẹ phải được nhân đôi chính xác và phân chia đồng đều cho các tế bào con để đảm bảo mỗi tế bào con nhận được bộ DNA giống hệt như tế bào mẹ.
Các giai đoạn của chu trình tế bào
Chu trình tế bào được chia thành các pha như sau: G1, S, G2 (gồm các pha G1, S, G2 gọi chung là kỳ trung gian) và pha nguyên phân, hay pha M. Pha M bao gồm hai quá trình liên quan chặt chẽ: nguyên phân, trong đó nhiễm sắc thể của tế bào mẹ được chia thành hai phần bằng nhau, và phân chia tế bào chất (cytokinesis), trong đó tế bào chất của tế bào mẹ được chia thành hai phần bằng nhau để tạo thành hai tế bào con. Sự chuyển tiếp giữa các pha phụ thuộc vào sự hoàn thành đúng cách của pha trước đó. Nếu chu trình bị tạm ngừng hoặc đảo ngược, tế bào sẽ rơi vào trạng thái tĩnh lặng gọi là pha G0.
| Trạng thái | Pha | Pha (viết tắt) | Mô tả |
|---|---|---|---|
| tĩnh lặng/ lão hóa |
Gap 0 (khoảng cách 0) |
G0 | Trong pha này tế bào không tham gia vào chu kỳ và ngưng phân chia. |
| Kỳ trung gian | Gap 1 (khoảng cách 1) |
G1 | Trong pha này tế bào tăng kích thước. Điểm kiểm soát G1 điều khiển các cơ chế giúp cho tế bào chuẩn bị đầy đủ mọi thứ trong G1 rồi mới tiến tới pha S. |
| Tổng hợp (synthesis) |
S | Sự nhân đôi DNA và nhiễm sắc thể (NST) xảy ra trong pha này. | |
| Gap 2 (khoảng cách 2) |
G2 | Trong pha G2 tế bào tiếp tục sinh trưởng. Điểm kiểm soát G2 điều khiển các cơ chế giúp cho tế bào chuẩn bị đầy đủ mọi thứ trong G2 rồi mới tiến tới phân chia trong nguyên phân. | |
| Phân bào | Nguyên phân (mitosis) |
M | Tế bào ngừng sinh trưởng và toàn bộ năng lượng được tập trung vào việc phân chia tế bào thành hai tế bào con một cách có quy củ. Ở giữa giai đoạn nguyên phân có một điểm kiểm soát ở kỳ giữa nhằm đảm bảo tế bào đã sẵn sàng hoàn tất quá trình phân bào. |
Sau khi quá trình phân bào hoàn tất, các tế bào con bước vào kỳ trung gian của một chu trình tế bào mới. Mặc dù các giai đoạn của kỳ trung gian thường không rõ ràng về mặt hình thái, mỗi pha trong chu trình tế bào đều có các quá trình hóa sinh đặc trưng chuẩn bị cho phân chia tế bào.
Thời gian hoàn tất một chu trình tế bào khác nhau tùy loại tế bào và sinh vật. Ví dụ, ở người, tế bào phân chia nhanh có thể hoàn tất chu trình trong khoảng 24 giờ, trong khi tế bào nấm men sinh sản nhanh chỉ mất khoảng 90 phút. Thời gian cho sự phát triển và tăng trưởng của các bào quan thường dài hơn nhiều so với thời gian để sao chép DNA và phân chia tế bào chất - chẳng hạn, pha nguyên phân ở người chỉ mất từ 30 phút đến 1 giờ, so với tổng thời gian chu trình là 24 giờ.
Pha G0
Thuật ngữ 'hậu nguyên phân' hoặc 'giai đoạn sau nguyên phân' (post-mitotic) thường dùng để chỉ pha G0 và trạng thái lão hóa của tế bào. Các tế bào trong sinh vật đa bào nhân chuẩn không còn phân chia thường chuyển từ pha G1 sang trạng thái tĩnh lặng G0 và có thể duy trì trạng thái này trong thời gian dài, thậm chí vĩnh viễn (như tế bào cơ, tế bào thần kinh, hoặc tế bào trong mô thủy tinh thể). Điều này thường xảy ra với các tế bào đã biệt hóa hoàn toàn. Tế bào ở trạng thái tĩnh lặng xuất hiện khi DNA bị hư hỏng hoặc thoái hóa, dẫn đến việc tế bào không còn khả năng phân chia, hoặc khi điều kiện ngoại bào không thuận lợi cho phân bào hoặc thiếu tín hiệu kích thích tiếp tục chu trình tế bào. Tế bào ở pha G0 cũng có thể phục hồi khả năng phân bào và quay trở lại chu trình tế bào; quá trình này được điều chỉnh để đảm bảo sự sinh sản tế bào luôn được kiểm soát.
Kỳ trung gian
Trước khi tế bào bắt đầu phân chia, nó cần tích lũy các dưỡng chất cần thiết cho quá trình phân bào. Tất cả các hoạt động này diễn ra trong kỳ trung gian, bao gồm ba pha: G1, S và G2.
Pha G1
Pha G1, còn gọi là pha sinh trưởng, là giai đoạn đầu của kỳ trung gian, bắt đầu từ khi phân bào kết thúc cho đến khi bắt đầu tổng hợp DNA. Trong khi quá trình tổng hợp DNA ở giai đoạn phân bào khá chậm, pha G1 diễn ra rất nhanh. Trong pha này, nhiều enzyme được sản xuất để chuẩn bị cho pha S tiếp theo, chủ yếu là enzyme xúc tác cho việc tự nhân đôi DNA. Thời gian kéo dài của pha G1 thay đổi tùy theo loài và loại tế bào. Trong giai đoạn này, tế bào tăng kích thước, cung cấp protein và gia tăng số lượng các bào quan khác (như ti thể, ribosome). Ở người, pha này kéo dài khoảng 5-6 giờ.
Pha S
Sau pha G1, tế bào bước vào pha S, bắt đầu khi quá trình tổng hợp DNA diễn ra và kết thúc khi tất cả các nhiễm sắc thể đã được sao chép hoàn toàn, mỗi nhiễm sắc thể lúc này có hai nhiễm sắc tử chị em. Trong pha này, lượng DNA trong tế bào được nhân đôi, nhưng số lượng nhiễm sắc thể không thay đổi. Tốc độ phiên mã RNA và tổng hợp protein rất chậm trong pha này, trong khi việc tổng hợp histone lại diễn ra nhanh chóng, chủ yếu xảy ra trong pha S.
Pha G2
Khi pha S kết thúc, tế bào chuyển sang pha G2
Pha nguyên phân
Pha nguyên phân, còn gọi là pha M, là một giai đoạn ngắn trong quá trình phân chia tế bào bao gồm việc phân tách nhiễm sắc thể. Pha nguyên phân được chia thành nhiều kỳ, xếp theo trình tự thời gian như sau:
- Kỳ đầu hay tiền kỳ
- Kỳ giữa hay trung kỳ
- Kỳ sau hay hậu kỳ
- Kỳ cuối hay mạt kỳ
- Kỳ phân chia tế bào chất (cytokinesis)
Nguyên phân là quá trình trong đó tế bào nhân chuẩn chia tách các nhiễm sắc thể thành hai phần giống hệt nhau, hình thành hai nhân cho hai tế bào con. Sau nguyên phân, tế bào trải qua quá trình phân chia tế bào chất (cytokinesis), trong đó các thành phần của tế bào như nhân, tế bào chất, bào quan và màng tế bào được phân chia thành hai phần tương tự, tạo thành hai tế bào con gần như giống hệt nhau. Quá trình này, gọi là pha nguyên phân hay pha M (mitotic phase), chiếm khoảng 10% của chu kỳ tế bào, với pha nguyên phân ở người kéo dài từ 30 phút đến 1 giờ trong tổng thời gian chu kỳ là 24 giờ.
Nguyên phân chỉ xảy ra ở các sinh vật nhân chuẩn, và cách thức thực hiện có thể khác nhau giữa các loài. Ví dụ, động vật thực hiện nguyên phân 'mở' với sự phân giải màng nhân trước khi phân tách nhiễm sắc thể, trong khi một số nấm như Aspergillus nidulans và nấm men Saccharomyces cerevisiae thực hiện nguyên phân 'đóng', tức là phân chia xảy ra trong nhân tế bào nguyên vẹn. Các sinh vật nhân sơ sử dụng phương pháp trực phân do không có nhân thực sự.
Quá trình nguyên phân là một chuỗi sự kiện phức tạp và được điều chỉnh chặt chẽ. Nó bao gồm nhiều kỳ, mỗi kỳ kết thúc một nhóm hoạt động và bắt đầu một nhóm hoạt động tiếp theo. Trong quá trình này, các cặp nhiễm sắc thể cuộn chặt và co đặc, gắn vào các sợi thoi để kéo các nhiễm sắc tử chị em về hai phía đối diện trong tế bào. Cuối cùng, tế bào mẹ chia thành hai tế bào con trong kỳ phân chia tế bào chất.
Do phân chia tế bào chất thường xảy ra đồng thời với nguyên phân, thuật ngữ 'nguyên phân' thường bị dùng lẫn lộn với 'pha nguyên phân' hoặc 'pha M'. Tuy nhiên, có nhiều loại tế bào thực hiện nguyên phân và phân chia tế bào chất độc lập, dẫn đến việc hình thành các tế bào có nhiều nhân. Hiện tượng này phổ biến trong một số loại nấm và nấm nhầy, cũng như một số nhóm sinh vật khác. Trong động vật, phân chia tế bào chất và nguyên phân cũng có thể diễn ra riêng biệt, chẳng hạn trong một số giai đoạn phát triển phôi của ruồi dấm Drosophila melanogaster. Những sai sót trong nguyên phân có thể dẫn đến cái chết của tế bào qua quá trình chết tế bào lập trình (như chết rụng tế bào) hoặc chuyển đổi tế bào thành tế bào ung thư.
Điều tiết chu kỳ tế bào ở sinh vật nhân chuẩn
Điều tiết chu kỳ tế bào bao gồm các quá trình quan trọng đối với sự sống còn của tế bào, như nhận diện và sửa chữa các lỗi trong bộ máy di truyền cũng như ngăn chặn phân bào không kiểm soát. Các sự kiện ở cấp phân tử điều khiển chu kỳ tế bào được sắp xếp một cách có hệ thống, tuần tự và không thể đảo ngược; điều này có nghĩa là mỗi giai đoạn phải được hoàn thành liên tục và theo đúng trình tự.
Vai trò của cyclin và CDK
Cyclin và kinase phụ thuộc vào cyclin (cyclin-dependent kinase - CDK) là hai yếu tố chính trong việc điều tiết chu kỳ tế bào, điều phối quá trình của tế bào xuyên suốt chu kỳ. Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt, và Paul M. Nurse đã nhận Giải Nobel Y học năm 2001 vì phát hiện các yếu tố này. Các gien mã hóa cyclin và CDK được bảo tồn ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn, nhưng sinh vật phức tạp hơn có cơ chế điều tiết chu kỳ tế bào tinh vi hơn và nhiều thành phần hơn. Nhiều gien liên quan đến cơ chế này đã được phát hiện ở nấm men, đặc biệt là loài Saccharomyces cerevisiae; các gien này thường mang tên cdc (viết tắt của 'cell division cycle') và được gán mã số như cdc25 hoặc cdc20.
CDK là một enzyme kinase có chức năng phosphorylat hóa các protein mục tiêu để kích hoạt hoặc ức chế chúng, từ đó điều phối các sự kiện quan trọng trong chu kỳ tế bào và chuẩn bị các yếu tố cần thiết cho sự chuyển tiếp sang pha tiếp theo. Tuy nhiên, như tên gọi, CDK chỉ hoạt động khi liên kết với cyclin để tạo thành một phức hợp dị nhị tụ. Những tổ hợp cyclin-CDK này điều chỉnh các protein mục tiêu trong chuỗi phản ứng. CDK chủ yếu xuất hiện trong các tế bào nơi cyclin được tổng hợp ở những giai đoạn nhất định của chu kỳ tế bào để đáp ứng nhiều tín hiệu phân tử khác nhau. Hàm lượng CDK không thay đổi trong suốt chu kỳ tế bào, nhưng cyclin thì thay đổi liên tục - được tổng hợp và phân giải theo chu kỳ, điều này làm cho hoạt tính của CDK tăng và giảm trong suốt chu kỳ tế bào, dẫn đến sự thay đổi chu kỳ của các phản ứng phosphoryl hóa do enzyme này gây ra.
Phân loại
Có bốn loại cyclin chính, mỗi loại sẽ kích hoạt CDK ở giai đoạn khác nhau trong chu kỳ tế bào. Mỗi loại cyclin đi kèm với CDK phù hợp để thực hiện chức năng của nó.
- Cyclin G1/S kích hoạt CDK ở cuối pha G1 và giúp tế bào vượt qua điểm kiểm soát để tiến vào chu kỳ tế bào. Hàm lượng Cyclin này giảm xuống trong pha S.
- Cyclin G1 điều chỉnh hoạt tính của G1/S.
- Cyclin S kích hoạt CDK ngay sau khi tế bào vượt qua điểm kiểm soát, thúc đẩy quá trình tự sao chép DNA. Cyclin S giảm dần trong pha nguyên phân nhưng vẫn điều chỉnh một số hoạt động ở đầu pha này.
- Cyclin M kích hoạt các CDK giúp tế bào bước vào quá trình nguyên phân tại điểm kiểm soát G2/M và bị phân giải trong giai đoạn giữa của nguyên phân.
Một cách phân loại khác nhóm các lớp G1/S và G1 thành nhóm G1, và hai lớp còn lại thành nhóm B. Các cyclin thuộc nhóm B có một chuỗi amino acid gọi là 'hộp phá hủy' (destruction box), được nhận diện bởi enzyme APC ubiquitin ligase, nên chúng được điều chỉnh bởi enzyme này; trong khi đó, cyclin thuộc nhóm G1 không có đặc điểm này.
Ở tế bào nấm men như Saccharomyces pombe và Saccharomyces cerevisiae, chỉ có một loại CDK duy nhất được sản xuất. Ngược lại, tế bào động vật có xương sống chứa bốn loại CDK khác nhau (CDK 1, 2, 4, 6). Mỗi phức hợp cyclin-CDK sẽ phosphorylat hóa các protein mục tiêu khác nhau, từ đó kích thích những hoạt động cụ thể trong tế bào, và hiệu quả hoạt động của mỗi loại phức hợp sẽ khác nhau tùy thuộc vào thời điểm trong chu kỳ tế bào.
| Phức hợp Cyclin-CDK | Động vật có xương sống | Nấm men | ||
|---|---|---|---|---|
| Cyclin | CDK | Cyclin | CDK | |
| G1-CDK | Cyclin D1,D2,D3 | CDK4, CDK6 | Cln3 | CDK1 |
| G1/S-CDK | Cyclin E | CDK2 | Cln1, 2 | CDK1 |
| S-CDK | Cyclin A | CDK2, CDK1 | Clb5, 6 | CDK1 |
| M-CDK | Cyclin B | CDK1 | Clb1, 2, 3, 4 | CDK1 |
Nguồn:
Các hoạt động đặc trưng của phức hợp cyclin-CDK
Cyclin D là cyclin đầu tiên xuất hiện trong chu kỳ tế bào để đáp ứng các tín hiệu ngoại bào như các yếu tố tăng trưởng. Cyclin D liên kết với CDK4 để tạo thành phức hợp cyclin D-CDK4. Phức hợp này phosphorylat hóa protein Rb (Retinoblastoma protein), làm cho Rb tách khỏi protein E2F và không còn ức chế E2F. Khi E2F được kích hoạt, nó thúc đẩy phiên mã của nhiều gen để sản xuất cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidin kinase, và cả E2F. Cyclin E sau đó gắn với CDK2, tạo thành phức hợp cyclin E-CDK2, giúp tế bào chuyển từ pha G1 sang pha S (giai đoạn G1/S). Cyclin B cùng cdc2 (hoặc CDK1 ở động vật có vú) tạo thành phức hợp cyclin B-cdc2, kích hoạt quá trình chuyển tiếp G2/M, phá vỡ cấu trúc màng nhân và kết thúc quá trình nguyên phân khi phức hợp này bị bất hoạt.
Điều tiết hoạt tính của CDK
- Mức độ cyclin
Cyclin là yếu tố quyết định chính trong việc kích hoạt CDK, vì vậy mức cyclin trong tế bào đóng vai trò chủ yếu trong hoạt tính của CDK. Trong khi hàm lượng CDK được duy trì ổn định trong suốt chu kỳ tế bào, hàm lượng cyclin lại thay đổi, và ngoài cyclin, tế bào còn sử dụng các cơ chế khác để điều chỉnh hoạt tính của CDK tại các giai đoạn khác nhau.
- Phosphorylat hóa CDK
Phosphorylat hóa CDK, được thực hiện bởi enzyme kinase Wee1, xảy ra tại một cặp amino acid trên vị trí hoạt động của CDK, dẫn đến ức chế hoạt tính của phức hợp cyclin-CDK. Phosphorylat hóa chủ yếu ảnh hưởng đến CDK1 và diễn ra trước pha nguyên phân. Sau đó, các gốc phosphat gắn vào CDK sẽ được enzyme phosphatase Cdc25 loại bỏ để khôi phục hoạt tính cho phức hợp cyclin-CDK, chủ yếu là CDK1 khi pha nguyên phân bắt đầu. Cơ chế điều chỉnh của Wee1 và Cdc25 vì vậy rất quan trọng trong việc kiểm soát hoạt tính của cyclin M-CDK trong giai đoạn nguyên phân.
- Kết hợp với phức hợp cyclin-CDK hoặc CDK
Một số protein được gọi là protein ức chế CDK (CDK inhibitor protein - CKI) tham gia vào việc điều chỉnh hoạt động của CDK bằng cách liên kết với CDK và có thể cả cyclin. Chúng thay đổi cấu trúc không gian ba chiều tại vùng hoạt tính của CDK, từ đó ức chế hoạt động của phức hợp cyclin-CDK.
Ở động vật có vú, có hai họ CKI chính: cip/kip (protein tương tác CDK/protein ức chế kinase - CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein) và INK4a/ARF (Inhibitor of Kinase 4/Alternative Reading Frame).
- Họ cip/kip gồm các protein p21, p27 và p57, chúng cản trở chu kỳ tế bào ở pha G1 bằng cách liên kết với và bất hoạt phức hợp cyclin D-CDK1. Do đó, chúng cần phải bị phân giải trước khi quá trình tự nhân đôi DNA bắt đầu. Họ này cũng có thể tương tác với các phức hợp cyclin-CDK khác trong chu kỳ tế bào của động vật có vú.
- Họ INK4a/ARF bao gồm các protein nhỏ có liên quan gần gũi, chúng tương tác với các CDK 4 và 6 để ngăn cản việc kết hợp của các CDK này với cyclin, từ đó ức chế hoạt động của CDK.
| cip/kip | |
|---|---|
| p21 | Có khả năng bám vào tất cả các phức hợp cyclin/CDK trong động vật có vú. Phản ứng lại các sai hỏng, tổn thương về DNA bằng cách bất hoạt các phức hợp G1-CDK và S-CDK. Gien mã hóa chúng được kích hoạt bởi p53. |
| p27 | Có vai trò mờ nhạt trong việc điều tiết sự phân bào. Được hoạt hóa bởi nhân tố sinh trưởng biến đổi β (Transforming Growth Factor β -TGF β), một chất ức chế sinh trưởng. |
| p57 | Bất hoạt các phức hợp G1/S-CDK và S-CDK trong pha G1 và nhờ đó giúp tế bào thoát khỏi chu kỳ và tiến tới biệt hóa. CDK 2 có thể phosphoryl hóa p57 và khiến chúng bị "đánh dấu" ubiquitin hóa bởi enzyme SCF. |
| INKa/ARF | |
| p16 | Một chất ức chế khối u, chúng thường bị đột biến và bất hoạt trong các tế bào ung thư. Bất hoạt phức hợp G1-CDK trong pha G1. |
| p14 | Bất hoạt protein MDM2, nhờ đó ngăn chặn sự phân giải của p53. |
Các chất ức chế cdc25 có thể được sử dụng để chặn chu kỳ tế bào và do đó, chúng có thể đóng vai trò trong việc chống ung thư.
Điều chỉnh thông qua quá trình phân giải protein
Khác với các giai đoạn khác, quá trình chuyển tiếp từ kỳ giữa sang kỳ cuối của nguyên phân được điều chỉnh bởi việc phân giải protein. Các protein này sẽ được 'đánh dấu' bằng cách gắn ubiquitin, từ đó tiêu thể nhận diện và phân giải chúng. Cách điều tiết này có ưu điểm là quá trình phân giải chỉ diễn ra theo một chiều, giúp chu kỳ tế bào tiếp tục mà không bị đảo ngược tại các thời điểm quan trọng.
Trong quá trình này, hai tác nhân quan trọng là
- Phức hợp xúc tiến kỳ sau hay thể chu kỳ (Anaphase-promoting complex/cyclosome - APC/C) là một enzyme thuộc họ ligase ubiquitin. Enzyme này chủ yếu thực hiện ubiquitin hóa các tác nhân điều tiết liên quan đến việc kết thúc pha nguyên phân. Một mục tiêu quan trọng của APC/C là securin, một protein bảo vệ các liên kết giữa hai nhiễm sắc tử chị em. Mục tiêu khác là các cyclin lớp S và lớp M; việc tiêu diệt chúng sẽ giúp bất hoạt phần lớn số CDK trong chu kỳ, dẫn đến việc các chất bị CDK phosphoryl hóa sẽ bị khử phosphat trong kỳ sau - điều này cần thiết cho việc hoàn tất nguyên phân và phân chia tế bào chất (như tháo xoắn nhiễm sắc thể, tái hình thành màng nhân,...). APC/C được kích hoạt vào giai đoạn giữa của nguyên phân và hoạt động cho đến cuối pha G1 của chu kỳ sau, khi cyclin G1-S được hoạt hóa. APC/C hoạt động khi gắn các tiểu đơn vị thích hợp, như Cdc20 kích hoạt APC/C trong chuyển tiếp kỳ giữa-kỳ sau và tiểu đơn vị Cdh1 duy trì hoạt tính của APC/C từ cuối nguyên phân đến cuối pha G1.
- Phức hợp bao hàm Skp, Cullin, hộp F hay phức hợp SCF cũng là một ligase ubiquitin. Nó ubiquitin hóa các tác nhân điều tiết ở cuối pha G1, chẳng hạn như các kinase ức chế cyclin CIK (như p27 ở động vật có vú và Sic1 ở nấm men), giúp kích hoạt cyclin S-CDK và quá trình sao chép DNA. Khác với APC/C, SCF chỉ thực hiện ubiquitin hóa khi protein mục tiêu bị phosphoryl hóa bởi cyclin G1-CDK, để hộp F của SCF nhận diện. Sự khác biệt này có thể do APC/C cần phosphoryl hóa nhiều tác nhân hơn so với SCF. Hoạt tính của SCF được duy trì suốt chu kỳ và điều tiết gián tiếp bởi việc phosphoryl hóa của protein mục tiêu.
Mạng lưới điều chỉnh phiên mã
Có bằng chứng cho thấy một mạng lưới phiên mã tự động hoạt động phối hợp với bộ máy CDK-cyclin để điều chỉnh chu kỳ tế bào. Các nghiên cứu trên nấm men Saccharomyces cerevisiae đã nhận diện khoảng 800 - 1200 gien có biểu hiện thay đổi trong chu kỳ tế bào; chúng được phiên mã mạnh mẽ trong một số giai đoạn và yếu hơn trong các giai đoạn khác. Mặc dù bộ gien được nhận diện thay đổi theo các phương pháp và tiêu chuẩn khác nhau, các nghiên cứu cho thấy phần lớn các gien của nấm men được điều chỉnh theo thời gian.
Nhiều gien có biểu hiện theo giai đoạn được kích hoạt và điều hướng bởi các yếu tố phiên mã, những yếu tố này cũng biểu hiện theo chu kỳ. Một nghiên cứu gỡ bỏ đơn gien đã phát hiện 48 yếu tố phiên mã (chiếm 20% tổng số yếu tố không thiết yếu) có ảnh hưởng đến chu kỳ tế bào. Các công nghệ cao đã giúp nhận diện các yếu tố phiên mã gắn vào vùng khởi động của gien nấm men, cho phép xây dựng mối liên hệ giữa các phát hiện này và biểu hiện theo thời gian của chúng. Yếu tố phiên mã của giai đoạn sau được kích hoạt bởi các yếu tố của giai đoạn trước, và mô hình tính toán cho thấy mạng lưới CDK độc lập với các yếu tố phiên mã đủ để tạo ra dao động ổn định trong biểu hiện gien.
Các thí nghiệm cho thấy biểu hiện gien có thể dao động theo giai đoạn phân bào ở tế bào tự nhiên mà không phụ thuộc vào hệ thống CDK-cyclin. Orlando và cộng sự đã sử dụng microarray để đo sự biểu hiện của 1.271 gien trong tế bào bình thường và tế bào đột biến thiếu cyclin trong pha S và pha nguyên phân (clb1,2,3,4,5,6). Trong số này, 882 gien vẫn biểu hiện ở tế bào thiếu cyclin và tế bào bình thường mặc dù chu kỳ của tế bào thiếu cyclin bị ngừng ở cuối pha G1 đầu pha S. 833 gien còn lại có sự khác biệt biểu hiện giữa tế bào bình thường và tế bào đột biến, cho thấy chúng được điều chỉnh trực tiếp hoặc gián tiếp bởi CDK-cyclin. Một số gien biểu hiện trong cả hai loại tế bào nhưng ở mức độ khác nhau, gợi ý rằng mạng lưới phiên mã có thể dao động độc lập với CDK-cyclin, nhưng chúng phối hợp để đảm bảo tính chính xác của các sự kiện trong chu kỳ tế bào. Các hoạt động điều chỉnh khác như phosphoryl hóa của Cdk1 có thể thay đổi vị trí hoặc hoạt tính của các yếu tố phiên mã, nhằm kiểm soát chính xác sự biểu hiện của các gien đích (Ubersax 2003; Sidorova 1995; White 2009).
Mặc dù phiên mã dao động đóng vai trò quan trọng trong chu kỳ tế bào của nấm men, hệ thống CDK-cyclin hoạt động độc lập trong các chu kỳ tế bào ở giai đoạn sớm của phôi. Trước khi chuyển tiếp phôi nang, phiên mã không xảy ra ở hợp tử và tất cả các protein cần thiết, như cyclin kiểu B, được dịch mã từ RNA thông tin của mẹ.
Điểm kiểm soát chu kỳ tế bào
Điểm kiểm soát chu kỳ tế bào giúp tế bào giám sát và điều chỉnh diễn biến của chu kỳ tế bào. Nó có vai trò ngăn chặn chu kỳ tế bào tại các điểm quan trọng, cho phép tế bào kiểm tra và sửa chữa các sự cố hoặc lỗi trong DNA trước khi tiếp tục giai đoạn kế tiếp của chu kỳ.
Một số điểm kiểm soát được thiết lập để đảm bảo rằng các DNA bị hư hỏng hoặc thiếu sót không được truyền cho các tế bào con. Hai điểm kiểm soát quan trọng là điểm kiểm soát G1/S và điểm kiểm soát G2/M. Điểm kiểm soát G1/S, còn được gọi là điểm giới hạn trong tế bào động vật hoặc điểm bắt đầu trong nấm men, là bước quyết định trong chu kỳ tế bào. Một mô hình về phản ứng của chu kỳ tế bào đối với lỗi DNA được gọi là điểm kiểm soát sau nhân đôi DNA.
Protein p53 đóng vai trò thiết yếu trong việc khởi động các cơ chế kiểm soát chu kỳ tế bào tại cả điểm kiểm soát G1/S và G2/M.
Vai trò trong việc hình thành khối u
Những rối loạn trong điều hòa chu kỳ tế bào có thể dẫn đến sự hình thành khối u. Các gien ức chế chu kỳ tế bào như RB và p53, khi bị đột biến, có thể làm cho tế bào phân chia vô tội vạ và tạo thành khối u. Mặc dù chu kỳ tế bào của khối u có thể tương đương hoặc dài hơn so với tế bào bình thường, tỷ lệ tế bào ở giai đoạn phân bào so với tế bào ở pha G0 trong khối u cao hơn nhiều. Tuy nhiên, số lượng tế bào chết hoặc già cỗi không thay đổi, dẫn đến sự gia tăng tổng số tế bào khối u theo thời gian.
Các tế bào đang tích cực trải qua chu kỳ là mục tiêu chính trong điều trị ung thư, vì DNA của chúng dễ bị tổn thương trong quá trình phân bào. Điều này được khai thác qua phương pháp debulking, nơi một lượng lớn tế bào khối u được loại bỏ, khiến các tế bào khối u còn lại chuyển sang pha G1 nhờ nguồn dinh dưỡng, ôxy và yếu tố sinh trưởng dồi dào hơn. Các tế bào này nhanh chóng bị tiêu diệt bởi tia bức xạ hoặc thuốc khi mới bắt đầu chu kỳ tế bào. Nói chung, tế bào dễ bị tổn thương nhất vào cuối pha M và pha G2, trong khi sức chống chịu với bức xạ cao nhất vào cuối pha S. Tế bào có chu kỳ dài và pha G1 dài có sức kháng tốt vào cuối pha G1, liên quan đến mức độ sulfhydryl trong tế bào. Sulfhydryl có tác dụng chống bức xạ, cao nhất ở pha S và thấp nhất gần pha nguyên phân.
Trong môi trường nuôi cấy, tế bào ung thư biểu mô ruột có chu kỳ ngắn nhất, chỉ từ 9 đến 10 giờ, trong khi tế bào gốc da chuột có thể có chu kỳ kéo dài đến 200 giờ. Sự khác biệt này chủ yếu do thời gian kéo dài ở pha G1, còn pha M và S thì ít thay đổi.
Đồng bộ hóa mẻ cấy tế bào
Có nhiều phương pháp để đồng bộ hóa các tế bào trong cùng một mẻ cấy bằng cách tạm thời ngăn chặn chu kỳ tế bào ở một pha cụ thể. Ví dụ, serum starvation và xử lý với thymidine hoặc aphidicolin sẽ ngăn chu kỳ ở pha G1, mitotic shake-off, colchicine và nocodazole sẽ chặn pha nguyên phân, trong khi 5-fluorodeoxyuridine chặn pha S.
