Tế bào và kỹ thuật gen

hệ cdk2- cyclin A có vai trò phát động tái bản ADN. Hoạt tính của cdk- cyclin A bị ức chế bởi loại protein tương tự như protein Sic1 ở S.Cerevisiae.
Ở động vật có vú, cdk1 tác động trong G2 tương tự cdc2 của S.Pomble và kích thích sự chín của noãn bào.
Hoạt tính MPF của phức hệ cdk1- cyclin B có vai trò chuyển chu kỳ từ G2 vào M được điều chỉnh bởi các protein tương tự như Wee1, CAK, Cdc25 ở S.Pomble và theo cùng một cơ chế tương tự. Nghĩa là các CAK có tác động ức chế hoạt tính của cdk bằng cách photphoryl hoá và chúng được hoạt hoá bởi các photphataza (tương tự cdc25) bằng cách giải phóng nhóm photphat ức chế.
Đối với các tế bào có chu kỳ đổi mới thường xuyên như tế bào phôi sớm thì cyclin B bắt đầu được tổng hợp ở S và tăng cao hàm lượng qua G2, đạt đỉnh cao ở M sớm và giảm mạnh sau hậu kỳ phân bào (hình).
 Cyclin B đầu tiên được tích luỹ trong tế bào chất và sau đó được chuyển vào nhân ở tiền kỳ sớm, ngay khi màng nhân bắt đầu phân rã. Như vậy, hoạt tính của MPF không chỉ được điều chỉnh bởi sự photphoryl hoá và photphat mà còn do sự vận chuyển cyclin B vào nhân.
 Cyclin A và B sẽ được phân huỷ trong protrasome bằng con đường ubiquetion hoá nhờ phức hệ APC (Anaphase Promoting Complex) dẫn tới sự giảm hoạt tính MPF, cho phép tế bào hoàn thành mitos để đi vào chu kỳ mới.
5.4.4- Vai trò của các nhân tố ức chế:
Các nhân tố ức chế hoạt tính phức hệ cyclin- kinaza được gọi là CKI (Cyclin- Kinaza Inhibitor) và chúng cũng tham gia vào điều chỉnh chu kỳ tế bào sống. CKI có 2 lớp:
- CIP (Cdk inhibitor protein): liên kết và ức chế tất cả các phức hệ Cdk1/2/4/6- cyclin. CIP có p21, p27 và p57.
- INK4 (Kenase 4 inhibitor): liên kết và ức chế phức hệ Cdk4- cyclin D và cdk6- cyclin D. INK4 có protein p16 có tác động như một chất ức chế ung thư.
Các protein ức chế như INK4 và các CIP như p21, p27, p57 đóng vai trò ức chế hệ MPF, từ đó ức chế chu kỳ tế bào. Vai trò của CIP p21 là đáp ứng lại sự hư hỏng của ADN và ức chế sự tăng sinh tế bào trong phát triển phôi sinh. P21 ức chế Cdk2- cyclin E làm tế bào phôi bị ách lại ở G1 của chu kỳ tiếp theo. CIP p27 ức chế chu kỳ tế bào và điều chỉnh sự tăng sinh tế bào trong cơ thể ở giai đoạn phôi và thai. Protein CIP p57 điều chỉnh sự tăng sinh tế bào biệt hoá của cơ thể trưởng thành.
5.5- Các điểm chốt của chu kỳ và cơ chế tác động của MPF:
Sự điều chỉnh chu kỳ tế bào theo thời gian xảy ra ở các điểm chốt (check point) theo cơ chế kiểm tra theo mối liên hệ ngược (hình 6.8). 
Tác động lên điểm chốt có các tín hiệu nô bào và tín hiệu đến từ các tế bào và mô khác trong cơ thể, cũng như tín hiệu đến từ môi trường. Ba điểm chốt quan trọng: 
- Điểm chốt từ G1 đến S.
- Điểm chốt G2 để kiểm tra cửa vào M.
- Điểm chốt M. 
5.5.1- Điểm chốt G1:
Điểm chốt ở G1 rất quan trọng. Đối với các tế bào có chu kỳ chuẩn và liên tục thì điểm chốt G1 là điểm kiểm tra các quá trình diễn ra ở G1, mà khi hoàn tất sẽ phát động sự tái bản ADN và tiếp tục chu kỳ. Đối với các tế bào biệt hoá là do các tế bào bị ách lại ở G1.
Các nhân tố sinh trưởng GF (Growth Factor) cũng như các chất kích thích phân bào (mitogen) thường tác động lên điểm chốt G1. Chúng kích thích sự biểu hiện của các gen mã hoá protein, nhiều enzim đáp ứng sớm của tế bào, trong đó có các gen mã hoá, các nhân tố phiên mã như c- Fos, c- Jun. Các protein và enzim của đáp ứng sớm sẽ kích thích hoạt hoá các gen của giai đoạn đáp ứng chậm, trong đó quan trọng nhất là các gen mã hoá cho các nhân tố phiên mã E2F. Một số gen khác trong đáp ứng là các gen mã hoá cho các dạng cyclin của G1 và một phần của S- cyclin D, E và A; các gen mã hoá cho các dạng cdk tác động trong G1 và S như cdk2, 4, 6.
Nhân tố phiên mã E2F có tác động kích thích sự phiên mã của các gen mã hoá cho các protein và enzim cần thiết cho sự tái bản ADN. Khi tế bào chưa vượt qua điểm chốt G1 thì E2F bị ức chế do liên kết với protein ức chế Rb. Khi Rb bị photphoryl hoá nhờ phức hệ kinaza (tức MPF) thì E2F được giải phóng. Chúng sẽ tác động cùng với cdk2- cyclin A lên hệ tái bản ADN và như vậy, G1 được chuyển vào trong S.
Nhiều nguyên nhân gây tác động làm tế bào bị ách lại ở G1 (ví dụ khi phân tử ADN bị hư hỏng). Sự ách lại ở G1 là để phòng ngừa sự tái bản của các bản ADN bị đột biến. protein p53 ức chế cho tế bào người dừng lại ở G1 khi có sự hư hỏng ADN. Khi protein p53 không hoạt động, các tế bào với hư hỏng ADN sẽ tái bản ADN, hoàn thành chu kỳ, sẽ cho ra các tế bào con có thể chuyển thành tế bào dạng ung thư. Vì vậy, người ta gọi gen mã hoá cho protein p53 là gen ức chế ung thư. ADN bị hư hỏng kích thích sự phiên mã p53 làm cho nồng độ p53 tăng, sẽ kích thích tổng hợp protein ức chế CIP p21. CIP p21 liên kết và ức chế tất cả các cdk- cyclin và kết quả là tế bào bị ách lại ở G1 (hoặc G0) cho tới khi ADN bị hư hỏng đã được sửa chữa, và nồng độ p53, CIP p21 giảm xuống. Nếu ADN bị hư hại quá nặng thì protein p53 sẽ hoạt hoá các gen dẫn đến quá trình “tự chết của tế bào” (apoptosic).
5.5.2- Điểm chốt G2:
 Điểm chốt G2 báo hiệu các quá trình cần thiết cho sự phân bào phải được hoàn tất như sự tái bản ADN, sự đông đặc và tăng xoắn của NST, sự tạo thành các vi ống chuẩn bị cho sự tạo thành các thoi phân bào, thì tế bào mới vượt qua chốt để đi vào tiền kỳ của phân bào. Nếu các quá trình đó chưa được hoàn tất hoặc có xảy ra hư hỏng ADN thì tế bào cũng bị ách lại ở G2 và không vào được M. Phức hệ cdk1- cyclin G2 (A và chủ yếu là B) khi được hoạt hoá sẽ photphoryl hoá các protein đóng vai trò chủ yếu trong sự cô đặc và tăng xoắn NST (như conhensin); các protein có vai trò tạo nên các vi ống của thoi phân bào (như các tubulin); các protein có vai trò trong sự phân giải và tái tạo màng nhân.
5.5.3- Điểm chốt M:
Điểm chốt của giai đoạn M ở vào trung kỳ chuyển sang hậu kỳ. Nếu các quá trình như tan rã màng nhân, tạo thoi phân bào và các trung tiết bám gắn NST vào sợi của thoichưa hoàn tất thì tế bào bị ách lại ở trung kỳ.
Phức hệ Cdk- cyclin có tác động hoạt hoá phức hệ APC bằng con đường photphoryl hoá. Khi APC có hoạt tính sẽ tác động theo con đường ubiquitin hoá để các protein ức chế hậu kỳ ( ví dụ protein cohesin có vai trò gắn 2 nhiễm sắc tử với nhau ở tâm động) bị phân giải bởi proteasome, do đó, NST tách khỏi nhau và vận động về cực nhờ sự trùng hợp các vi ống của sợi thoi. Khi các cyclin chưa bị phân huỷ thì phức hệ cdk- cyclin sẽ tác động để tái tạo màng nhân và gây co thắt eo bào (do tác động photphoryl hoá protein miozin- actin) làm cho tế bào bị phân thành hai. Vào hậu kỳ, APC bằng con đường ubiquitin hoá sẽ tác động lên cyclin nhờ proteasome. Nồng độ cyclin giảm, cdk mất hoạt tính và tế bào ra khỏi mitos.
Như vậy, chúng ta sẽ có bảng tóm tắt các protein chính điều chỉnh chu kỳ tế bào:
Tên protein
Chức năng
- CAK
- Cdc2
- Cdc25
- Wee1 kinase
- Sic1 (nấm men)
- Photphoryl hoá 1 yếu tố hoạt động trong cdk; photphoryl hoá Cdc2, tiến tới ức chế hoạt tính của MPF.
- Cdc2 là protein kinaza, điều chỉnh chủ chốt trong chu kỳ tế bào từ G2 sang M.
- Cdc25 là protein photphotaza có tác động giải phóng photpho cho hợp phần cdc2, do đó kích hoạt MPF.
- Wee1 kinase có tác động photphoryl hoá CAK để ức chế hoạt tính của MPF.
- Sic1 ức chế giai đoạn S, đặc biệt là phức hệ Cdc28- cyclin B. Sic1 bị phân giải bởi proteasome bằng con đường ubiquitin hoá bởi các enzim cdc34 và SCF.
- CIP
- P21
- P27
- P53
- P57
- INK4
- E2F
- CIP ức chế tất cả các phức hệ MPF (Cdk- cyclin).
- P21 đáp ứng lại sự hư hỏng của ADN ở động vật có vú; ức chế cdc2- cyclin E làm tế bào dừng lại ở G1.
- P27 ức chế chu kỳ tế bào, điều chỉnh sự tăng sinh tế bào trong cơ thể ở giai đoạn phôi và thai.
- P53 ức chế tế bào dừng lại ở G1 khi có sự hư hỏng ADN, các yếu tố stress, thúc đẩy mã hoá các gen nghỉ. P53 bị phân huỷ bởi Mdm2.
- P57 ức chế sự tăng sinh tế bào trong quá trình biệt hoá.
- INK4: p16 ức chế phức hệ Cdk4- cyclin D và Cdk6- cyclin D.
- E2F là nhân tố phiên mã các gen mã hoá cho quá trình G1/S bao gồm các protein tham gia tổng hợp ADN, các S- cyclin, G1- cyclin. E2F bị ức chế bởi Rb và p107, p130.
- Rb
- APC
- Rb ức chế E2F, tế bào bị giữ lại ở G1. Rb bị ức chế bởi Cdk4- cyclin D và Cdk6- cyclin D ở giữa G1 và Cdc2- cyclin E ở G2, S và M.
- APC xúc tiến quá trình ubiquitin hoá các protein. Protein ức chế kỳ sau bị phân giải bởi proteasome bao gồm: Securin và M- cyclin
III- ỨNG DỤNG:
- Nghiên cứu cơ chế phân bào và các nhân tố điều chỉnh phân bào có vai trò quan trọng đặc biệt trong công nghệ sinh học tế bào: tạo giống mới, lai soma vi nhân giống, công nghệ tế bào gốc.
- Nắm vững cơ chế điều chỉnh tế bào giúp chúng ta có biện pháp và tìm ra cách phòng chống cũng như chữa các bệnh có liên quan đến chu kỳ tế bào như: đột biến, bệnh ung thư
KẾT LUẬN
Sự hoạt động của cyclin- cdk có vai trò điều chỉnh hầu hết các yếu tố cần thiết của chu kỳ tế bào. Trong suốt pha G1, hoạt tính của cyclin- cdk bị giảm ở mức tối thiểu bởi các tác nhân ức chế (CKIs); sự phân huỷ cyclin và sự ức chế các gen mã hoá cho cyclin. Khi điều kiện môi trường nội bào thuận lợi, hàm lượng các protein G1- và G1/S- cdk tăng nhanh, vượt qua rào chắn ức chế ở cuối pha G1 và thúc đẩy sự hoạt hoá của S- cdk. S- cdk kích hoạt các protein cần thiết cho sự tổng hợp ADN, và khởi đầu cho sự tái bản ADN trong tế bào. Khi các yếu tố của pha S được hoàn tất. Sự hoạt động của M- cdk sẽ điều chỉnh tổng hợp các yếu tố cần thiết chuẩn bị cho các nhiễm sắc tử chị em cùng tách khỏi nhau ở tâm động, trở thành NST con và phân ly về các cực tế bào ở cuối kỳ sau. M- cdk bị phân huỷ dẫn tới sự phân chia tế bào chất và kết thúc pha M.
Chu kỳ tế bào được điều chỉnh một cách chính xác bởi các cơ chế ức chế hoá học khác nhau. Các cơ chế đó sẽ giúp tế bào dừng lại ở các điểm kiểm soát đặc biệt (check point), khi các điều kiện cần thiết cho quá trình tiếp theo chưa được hoàn tất, hoặc khi ADN bị hư hại, hay điều kiện nội bào không thích hợp.
Nghiên cứu cơ chế điều chỉnh chu kỳ tế bào không chỉ có tầm quan trọng trong nghiên cứu sinh học sinh sản mà còn có vị trí quan trọng trong nghiên cứu bệnh học, đặc biệt là bệnh ung thư.