Phân bào bất đối xứng (Asymmetric cell division)

Cơ chế

Sự bất đối xứng trong phân bào được tạo ra bởi một số yếu tố chính:

• Phân bố bất đối xứng của các determinant tế bào: Các determinant tế bào là các phân tử như mRNA, protein, và organelle, được phân bố không đều trong tế bào mẹ trước khi phân chia. Khi phân chia, một tế bào con sẽ thừa hưởng nhiều determinant hơn tế bào con kia, dẫn đến sự khác biệt về số phận. Ví dụ, ở Drosophila, các determinant như Numb và Prospero được định vị bất đối xứng và phân chia cho các tế bào con cụ thể, điều chỉnh quá trình biệt hóa của chúng.
• Vị trí của thoi phân bào: Vị trí của thoi phân bào, cấu trúc chịu trách nhiệm phân chia nhiễm sắc thể, có vai trò quan trọng. Nếu thoi phân bào nằm lệch tâm, một tế bào con sẽ nhận được nhiều tế bào chất hơn tế bào con kia, cùng với các determinant tế bào tập trung ở vùng tế bào chất đó. Sự định vị này thường được điều chỉnh bởi các protein liên kết với vỏ tế bào và các protein vận động.
• Tín hiệu từ môi trường bên ngoài: Tín hiệu từ các tế bào lân cận hoặc môi trường ngoại bào có thể ảnh hưởng đến sự phân bố của các determinant tế bào và vị trí của thoi phân bào, từ đó gây ra phân bào bất đối xứng. Ví dụ, các tín hiệu Notch có thể điều chỉnh số phận của tế bào bằng cách ảnh hưởng đến sự phân bố bất đối xứng của Numb.
• Sự phân cực tế bào: Một số tế bào thể hiện tính phân cực, với các miền khác nhau về thành phần và chức năng. Sự phân cực này có thể ảnh hưởng đến vị trí của thoi phân bào và sự phân bố của các determinant tế bào. Ví dụ, ở tế bào biểu mô, sự phân cực đỉnh-đáy đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng phân bào bất đối xứng.

Ý nghĩa

Phân bào bất đối xứng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học, bao gồm:

• Phát triển phôi: Phân bào bất đối xứng là cần thiết cho sự biệt hóa tế bào và hình thành các loại mô khác nhau trong quá trình phát triển phôi. Sự phân chia bất đối xứng cho phép tạo ra các dòng tế bào khác biệt từ một hợp tử duy nhất, tạo nên sự đa dạng về tế bào cần thiết cho sự phát triển của sinh vật.
• Duy trì mô: Trong các mô trưởng thành, phân bào bất đối xứng cho phép duy trì quần thể tế bào gốc bằng cách tạo ra một tế bào con vẫn là tế bào gốc (tự làm mới) và một tế bào con biệt hóa thành tế bào chuyên biệt. Cơ chế này đảm bảo nguồn cung cấp tế bào mới liên tục cho mô.
• Tạo giao tử: Trong quá trình hình thành giao tử, phân bào bất đối xứng tạo ra một tế bào trứng lớn và các thể cực nhỏ. Sự bất đối xứng này đảm bảo rằng tế bào trứng nhận được phần lớn tế bào chất và các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển phôi sau này.

Ví dụ

• Ở Drosophila, protein Par tham gia vào việc thiết lập tính phân cực tế bào và phân bố bất đối xứng các determinant tế bào trong quá trình phát triển phôi. Các protein Par định vị ở các vùng vỏ tế bào khác nhau và điều chỉnh sự định hướng của thoi phân bào cũng như sự phân bố của các determinant tế bào.
• Trong tế bào gốc thần kinh, phân bào bất đối xứng tạo ra một tế bào gốc thần kinh và một tế bào tiền thân thần kinh, từ đó biệt hóa thành các loại tế bào thần kinh khác nhau. Quá trình này rất quan trọng cho sự phát triển và duy trì hệ thần kinh.

Phân bào bất đối xứng là một cơ chế quan trọng cho sự đa dạng tế bào và phát triển sinh vật. Nó cho phép tạo ra các tế bào con có số phận khác nhau từ một tế bào mẹ duy nhất, đóng góp vào sự phức tạp của các sinh vật đa bào. Việc nghiên cứu phân bào bất đối xứng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các quá trình phát triển, duy trì mô và bệnh tật, đặc biệt là trong lĩnh vực ung thư và các bệnh liên quan đến tế bào gốc.

Các yếu tố điều khiển phân bào bất đối xứng

Sự điều khiển chính xác của phân bào bất đối xứng là rất quan trọng cho sự phát triển và cân bằng nội môi của mô. Một số yếu tố then chốt tham gia vào quá trình này bao gồm:

• Protein phân cực tế bào: Các protein như Par, Scribble, và Crumbs đóng vai trò thiết lập và duy trì tính phân cực tế bào, ảnh hưởng đến vị trí của thoi phân bào và sự phân bố determinant. Chúng thường tương tác với nhau và với các thành phần khác của tế bào để tạo ra và duy trì sự phân cực.
• Protein vận chuyển nội bào: Các protein motor như kinesin và dynein vận chuyển các determinant tế bào dọc theo các vi ống đến các vị trí cụ thể trong tế bào mẹ. Sự vận chuyển này đảm bảo rằng các determinant được phân phối chính xác cho các tế bào con.
• Tương tác tế bào-tế bào và tế bào-ngoại bào: Tín hiệu từ các tế bào lân cận và ma trận ngoại bào có thể ảnh hưởng đến sự phân cực tế bào và sự định hướng của thoi phân bào. Các tín hiệu này có thể điều chỉnh hoạt động của các protein phân cực và protein vận chuyển.
• Điều hòa biểu hiện gen: Sự biểu hiện khác biệt của các gen trong tế bào mẹ có thể dẫn đến sự phân bố bất đối xứng của các protein và RNA. Sự điều hòa này có thể được kiểm soát bởi các yếu tố phiên mã và các cơ chế biểu sinh.

Phân bào bất đối xứng và bệnh tật

Sự rối loạn trong phân bào bất đối xứng có thể góp phần vào sự phát triển của các bệnh khác nhau, bao gồm:

• Ung thư: Sự mất kiểm soát phân bào bất đối xứng trong tế bào gốc có thể dẫn đến sự tăng sinh không kiểm soát và hình thành khối u. Nếu tế bào gốc không thể phân chia bất đối xứng đúng cách, nó có thể tạo ra quá nhiều tế bào gốc con, dẫn đến tăng sinh tế bào và hình thành khối u. Ngược lại, nếu tế bào gốc biệt hóa quá nhanh, nó có thể dẫn đến cạn kiệt tế bào gốc và suy giảm chức năng mô.
• Bệnh thoái hóa thần kinh: Rối loạn chức năng của phân bào bất đối xứng trong tế bào gốc thần kinh có thể góp phần vào sự mất tế bào thần kinh và suy giảm chức năng nhận thức. Việc không duy trì được sự cân bằng giữa tự làm mới và biệt hóa trong tế bào gốc thần kinh có thể dẫn đến sự mất cân bằng trong việc sản xuất tế bào thần kinh mới, góp phần vào các bệnh thoái hóa thần kinh.
• Các dị tật bẩm sinh: Lỗi trong phân bào bất đối xứng trong quá trình phát triển phôi có thể dẫn đến các dị tật bẩm sinh. Sự phân chia bất đối xứng chính xác là rất quan trọng cho sự phát triển bình thường của phôi, và bất kỳ sai lệch nào trong quá trình này đều có thể gây ra dị tật bẩm sinh.

Phương pháp nghiên cứu phân bào bất đối xứng

Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp để nghiên cứu phân bào bất đối xứng, bao gồm:

• Hình ảnh tế bào sống: Kỹ thuật hiển vi huỳnh quang thời gian thực cho phép quan sát sự phân bố động của các determinant tế bào và sự định hướng của thoi phân bào trong tế bào sống. Kỹ thuật này cung cấp cái nhìn trực quan về quá trình phân bào bất đối xứng diễn ra như thế nào.
• Phân tích di truyền: Nghiên cứu các đột biến gen ảnh hưởng đến phân bào bất đối xứng giúp xác định các gen và protein quan trọng trong quá trình này. Bằng cách phân tích kiểu hình của các đột biến này, các nhà khoa học có thể hiểu được chức năng của các gen liên quan đến phân bào bất đối xứng.
• Mô hình in vitro: Nuôi cấy tế bào và mô hình 3D cung cấp một hệ thống để nghiên cứu phân bào bất đối xứng trong môi trường được kiểm soát. Các mô hình này cho phép các nhà khoa học thao tác và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phân bào bất đối xứng một cách chi tiết hơn. Ví dụ, các nhà khoa học có thể sử dụng RNA interference (RNAi) để ức chế biểu hiện của các gen cụ thể và quan sát ảnh hưởng của chúng đến phân bào bất đối xứng.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Horvitz HR, Herskowitz I. Mechanisms of asymmetric cell division: two Bs or not two Bs, that is the question. Cell. 1992;68(2):237-255.
• Knoblich JA. Asymmetric cell division during animal development. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001;2(1):11-20.
• Morin X, Bellaïche Y. Mitotic spindle orientation in asymmetric and symmetric cell divisions during animal development. Dev Cell. 2011;21(1):102-119.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào mà tế bào “biết” phân chia đối xứng hay bất đối xứng?

Trả lời: Quyết định phân chia đối xứng hay bất đối xứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả yếu tố nội tại và ngoại tại. Yếu tố nội tại bao gồm sự phân bố của các determinant tế bào, sự định hướng của thoi phân bào, và sự phân cực tế bào. Yếu tố ngoại tại bao gồm các tín hiệu từ các tế bào lân cận và môi trường ngoại bào. Các yếu tố này tương tác phức tạp với nhau để điều khiển loại phân bào.

Vai trò của các protein Par trong việc thiết lập phân cực tế bào và phân bào bất đối xứng là gì?

Trả lời: Protein Par (Par polarity proteins) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập và duy trì sự phân cực tế bào. Chúng thường tập trung ở các vùng cụ thể của màng tế bào và tương tác với các protein khác để điều khiển sự phân bố của các determinant tế bào và định hướng thoi phân bào, từ đó dẫn đến phân bào bất đối xứng.

Sự rối loạn phân bào bất đối xứng góp phần vào sự phát triển ung thư như thế nào?

Trả lời: Trong tế bào gốc, phân bào bất đối xứng được điều khiển chặt chẽ để cân bằng giữa tự làm mới và biệt hóa. Sự rối loạn trong quá trình này có thể dẫn đến sự tự làm mới quá mức của tế bào gốc, tạo điều kiện cho sự tăng sinh không kiểm soát và hình thành khối u.

Có những kỹ thuật hình ảnh nào được sử dụng để nghiên cứu phân bào bất đối xứng trong tế bào sống?

Trả lời: Một số kỹ thuật hình ảnh tế bào sống được sử dụng để nghiên cứu phân bào bất đối xứng bao gồm: hiển vi huỳnh quang thời gian thực, hiển vi cộng hưởng từ, và hiển vi điện tử quét. Những kỹ thuật này cho phép quan sát sự phân bố động của các determinant tế bào, sự định hướng của thoi phân bào, và các quá trình khác liên quan đến phân bào bất đối xứng trong thời gian thực.

Làm thế nào chúng ta có thể khai thác hiểu biết về phân bào bất đối xứng cho các ứng dụng y học tái tạo?

Trả lời: Bằng cách hiểu rõ hơn về các cơ chế điều khiển phân bào bất đối xứng, chúng ta có thể phát triển các chiến lược để điều khiển số phận của tế bào gốc in vitro. Điều này có thể cho phép tạo ra các loại tế bào chuyên biệt theo yêu cầu để cấy ghép và điều trị các bệnh khác nhau, mở ra tiềm năng to lớn cho y học tái tạo.