1. CHU KỲ TẾ BÀO (The cell cycle)
CHƯƠNG IV
Molecular biology of the cell
CHU KỲ TẾ BÀO (The cell cycle)
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM

2. 4.1. Đại cương
4.2. Các phase trong chu kỳ tế bào
4.3. Hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào
Thời điểm kiểm soát (Checkpoint)
Thành phần cấu tạo của hệ thống kiểm soát
4.3.3.Cơ chế tác động của phức hợp cyclin- Cdks
4.4. Đặc điểm của sự kiểm soát chu kỳ tế bào hữu nhũ

3. Hình 1. So sánh sự sinh sản của tế bào: gián phân giảm nhiễm và đẳng nhiễm

4. 4.1. Đại cương
(1). Sự sinh sản hay phân chia tế bào tiến hành theo kiểu gián phân đẳng nhiễm, từ một tế bào ban đầu phát triển và phân chia tạo 2 tế bào chị em (daughter cells) và quá trình này được lập đi, lập lại (chu kỳ tế bào).
- Sinh vật đơn bào (vi khuẩn, nấm men...), mỗi tế bào sau khi phân chia, tạo ra một thực thể mới hoàn chỉnh.
- Ở sinh vật đa bào, những tế bào mới chưa phải là thực thể hoàn chỉnh, chúng còn trải qua quá trình biệt hóa để có thể đảm nhận được các chức năng sinh học chuyên biệt của tổ chức mô bào.
(2). Chu kỳ tế bào bao gồm giai đoạn nhân đôi (duplication) và giai đoạn phân chia (division).

5. Giai đoạn nhân đôi (duplication) là quá trình sao chép bộ gene trên DNA từ phân tử gốc hay nhân đôi nhiễm sắc thể, giai đoạn này còn gọi là phân chia nhân (mitosis).
Giai đoạn phân chia (division) hay phân bào (cytokinesis) là quá trình tách tế bào ban đầu tạo ra 2 tế bào chị em.
Hình 2. Chu kỳ tế bào
(3). chu kỳ tế bào có vai trò quan trọng đối với sự phát triển cơ thể và chịu sự kiểm soát, nhằm điều hòa số lượng tế bào trong mô. Nếu hệ thống bị sự cố, sự sinh sản của tế bào thái quá, dẫn đến tình trạng bệnh lý như bướu hoặc ung thư.

6. 4.2. Các phase trong chu kỳ tế bào
Chu kỳ của tế bào có nhân phân chia 2 giai đoạn hay 2 phase: phase S (DNA Synthesis- nhân đôi) và phase M (Mitosis - phân chia) hoặc phân chia thành interphase và phase mitosis
Phase S và phase M
Phase S (DNA Synthesis) kéo dài giờ, chiếm ½ thời gian của chu kỳ, mỗi chuỗi polynucletide DNA làm khuôn mẫu tổng hợp nên 2 chuỗi mới (nguyên tắc bổ sung đôi base). Phase S chấm dứt khi hoàn thành tổng hợp DNA.
Phase M (Mitosis) xảy ra < 1 giờ, phase M với tiến trình tách cặp DNA và dịch nhân và từng cặp tiến về 2 cực của thoi vô sắc (phân chia nhân-mitosis). Tiếp theo là quá trình phân chia tế bào chất (cytokinesis), tạo 2 tế bào mới, tế bào chị em.

7. Interphase và phase M
Interphase là giai đoạn xảy ra trong nhân tế bào, trong đó mỗi chuỗi polynucleotide cũ làm khuôn mẫu để tổng hợp nên một chuỗi mới, tiến trình này gồm phase G1, phase S (DNA duplication hay DNA synthesis hoặc DNA replication) và phase G2. Trong chu kỳ tế bào, phase S là phase quan trọng nhất. Phase G1 (Gap phase-1) và G2 (Gap phase-2) là thời kỳ chuyển tiếp giữa phase S và M.
Phase M là giai đoạn phân chia nhân và tế bào chất, tiến trình này gồm prophase, prometaphase, metaphase, anaphase và telophase.

8. Hình 3. Interphase và phase M trong chu kỳ tế bào
Phase G1
Phase S
Phase G2
Phase M:
Mitosis
Cytokinesis
Hình 3. Interphase và phase M trong chu kỳ tế bào

9. Hình 4. Interphase và các giai đoạn trong phase M
Prophase
Prometaphase
Metaphase
Anaphase
Telophase
Hình 4. Interphase và các giai đoạn trong phase M

10. Hình 4. Các phase phân chia nhân trong chu kỳ tế bào

11. Hình 6. chu kỳ tế bào

12. Hình 7. Sự phân nhân và phân bào

13. Hình 8. Thời điểm kiểm soát trong chu kỳ tế bào
4.3. Hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào
Điểm kiểm soát (Checkpoint)
(1).Hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào có tác động như đồng hồ kiểm soát thời gian và hoạt động như công tắc “đóng, mở”. Quá trình kiểm soát tiến hành ở 3 điểm (checkpoint):
-Điểm 1  cuối phase G1
-Điểm 2  giữa phase G2 và M
-Điểm 3  giữa meta và anaphase
Hình 8. Thời điểm kiểm soát trong chu kỳ tế bào

14. Hình 9. Kiểm soát chu kỳ tế bào

15. Hình 11. Các loại cyclin-dependent kinase tương ứng với checkpoints
Thành phần cấu tạo của hệ thống kiểm soát
(1).Thành phần chính trong hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào là các phân tử protein thuộc họ serine/threonine protein kinase và cyclin (Cyclin-dependent kinase - Cdks)
Hình 10. Cdks
Hình 11. Các loại cyclin-dependent kinase tương ứng với checkpoints

16. Hình 12. Hoạt hóa phân tử Cyclin và phức hợp Cdks
(2).Cyclin-dependent kinase (Cdks)
Cyclin-dependent kinase là heterodimer (dimer dị thể) gồm enzyme protein kinase liên kết với cyclin (mỗi Cdks liên kết với một loại cyclin), hệ thống chỉ hoạt động khi cyclin được phosphoryl hóa và liên kết với protein kinase.
Cyclin là protein, có vai trò kích hoạt protein kinase và phức hợp Cdks tác động như công tắt “ON, OFF”).
CAK. Cdk-activating kinase xúc tác phosphoryl cấu tử amino acid gần vị trí hoạt động của enzyme protein kinase
Hình 12. Hoạt hóa phân tử Cyclin và phức hợp Cdks

17. Trong tế bào có nhân, cyclin phân làm 3 lớp:
a. Lớp G1/S cyclin kích hoạt Cdks ở cuối phase G1 (thời điểm khởi động chu kỳ).
b. S-cyclin liên kết Cdks ngay sau khi khởi động, kích thích sự nhân đôi nhiễm sắc thể. Đầu giai đoạn phân nhân, nồng độ và sự hoạt động của S-cyclin protein kinase duy trì đến khi phân chia nhân hoàn tất.
c. M-cyclin kích hoạt Cdks từ thời điểm G2/M.
Bảng 1.Thành phần cyclin và Cdk
Phức hợp Cyclin-Cdk
Cyclin
Cdk
G1-Cdk
Cyclin D1, D2 và D3
Cdk4, Cdk6
G1/S -Cdk
Cyclin E
Cdk2
S-Cdk
Cyclin A
Cdk1 và Cdk2
M-Cd
Cyclin B
Cdk1

18. (3). Các phức hợp trong hệ thống kiểm soát
Thực chất các thành phần trong hệ thống không hoạt động độc lập mà liên kết tạo phức hợp:
a. Phức hợp G1 cyclin-dependent kinase (Phase G1)
b. Phức hợp S cyclin-dependent kinase (Phase S)
c. Phức hợp Mitotic cyclin-dependent kinase (Phase M)
d. Ubiquitin ligase
e. Phức hợp SCF với Skp-1, Cullin, F-box protein (E3 ubiquitin ligase complex)
f. APC (Anaphase promorting complexes)
Ngoài ra, hệ thống cần các cơ chất polyubiquitinate đặc hiệu như S-phase inhibitors ở bước 5, securin ở bước 8, và mitotic cyclins ở bước 9. Đây là các phân tử protein bị phân giải bởi proteasome. (proteasome có vai trò tương tự như lysosome)

19. Hình 13. Tác động sinh học của lysosome

20. Hình 14. Cơ chế tác động của phức hợp Cyclin-dependent kinase
 Bước 2, 3 và 4: Giữa và cuối phase G1, cyclin Cdk bất hoạt APC, G1 cyclin Cdk kích hoạt quá trình biểu hiện các thành phần của S phase-cyclin Cdk và G1 cyclin Cdk phosphoryl hóa chất ức chế phase S.
 Bước 5: Đầu phase S, phân tử SCF bị phân hủy bởi proteasome bằng cách phosphoryl hóa chất ức chế S phase cyclin Cdk.
 Bước 6: Giữa phase S, S phase cyclin Cdk hoạt hóa phức hợp pre-replication.
 Bước 1: Đầu phase G1 , tập hợp phức hợp DNA pre-replication
 Bước 7: Đầu phase M, mitotic cyclin Cdk hoạt hóa các yếu tố phân nhân.
4.3.3.Cơ chế tác động của phức hợp cyclin- Cdks
 Bước 9: Cuối phase M, proteasome phân hủy mitotic cyclin trong phức hợp APC-Cdc 1.
 Bước 8: Giữa phase M, proteasome phân hủy securin trong phức hợp APC-Cdc 20.
Hình 14. Cơ chế tác động của phức hợp Cyclin-dependent kinase

21. GIẢI THÍCH CƠ CHẾ (Slide 21, 22, 23, 24 và 25)
Khi tế bào được kích thích, phức hợp G1 cyclin-Cdk có những biểu hiện đầu tiên nhằm giúp cho tế bào chuẩn bị cho phase S bằng cách hoạt hóa các yếu tố sao chép thông qua bộ gene mã hóa các enzyme tổng hợp DNA, S-phase cyclin và Cdk.
Sự hoạt động của phức hợp S-phase cyclin-Cdk được kiểm tra bởi các yếu tố ức chế:
-Cuối phase G1, phức hợp G1 cyclin-Cdk điều dẫn phosphoryl hóa yếu tố ức chế S-phase cyclin-Cdk, đồng thời kích thích tiến trình trùng hợp ubiquitin bởi multiprotein SCF ubiquitin ligase.
-Tiếp đến, chất ức chế polyubiquitin S-phase bị phân giải bởi proteasome, phóng thích phức hợp S-phase cyclin-Cdk hoạt động.

22. Phức hợp S-phase cyclin-Cdk điều hòa vị trí phosphoryl hóa trên phân tử protein cyclin giúp cho DNA đi vào giai đoạn tiền sao chép và ngăn ngừa các yếu tố tiền sao chép mới xuất hiện. Chính sự ức chế này mà nhiễm sắc thể chỉ được phép sao chép một lần trong một chu kỳ tế bào, do vậy số lượng nhiễm sắc thể vẫn được duy trì trong tế bào chị em.
Phức hợp mitotic cyclin-Cdk được tổng hợp trong suốt phase S và phase G2 , nhưng sự hoạt động của chúng được kiểm tra bởi sự phosphoryl hóa ở vị trí ức chế cho đến khi sự tổng hợp DNA hoàn thành.
Phức hợp mitotic cyclin-Cdk khởi động cho sự tụ hội nhiễm sắc thể, sự co rút lớp màng nhân dẫn đến quá trình tách nhân cùng với nhiễm sắc thể ở metaphase.

23. Trong suốt giai đoạn phân nhân, Anaphase Promoting Complex (APC) hay multisubunit ubiquitin ligase, phân tử trùng hợp ubiquitin là chìa khóa điều hòa các phân tử protein trong tiến trình phân hủy ở proteasome.
Một thành phần cơ chất quan trọng của APC là securin, protein ức chế sự thoái hóa protein liên kết giữa các nhiễm sắc thể chị em (bước 8). Trùng hợp ubiquitin của securin khi APC bị ức chế đến khi có hiện tượng thắt eo ở vị trí trung thể, giúp cho nhiễm sắc thể tấn công vào các vi ống của thoi vô sắc.
Cuối anaphase, APC trực tiếp trùng hợp ubiquitin và phân hủy mitotic cyclin ở proteasome. Sự trùng hợp ubiquitin của mitotic cyclins bởi APC bị ức chế đến khi nhiễm sắc thể định vị ở vị trí thích ứng trong quá trình phân chia tế bào (bước 9).

24. Phân tử mitotic cyclins bị phân hủy dẫn đến sự bất hoạt protein kinase trong phức hợp mitotic Cdk. Kết quả làm giảm thiểu tác động mitotic CDK bằng cách cho phép enzyme phosphatase tách nhóm phosphate khỏi protein đặc hiệu trong phức hợp, chuẩn bị cho nhiễm sắc thể tách ra, lớp màng nhân tái cơ cấu chung quang hạt nhân của tế bào chị em, đồng thời bộ Golgi tập hợp lại trong suốt giai đoạn telophase. Cuối cùng tế bào chất phân chia thành lập 2 tế bào chị em.
Giai đoạn đầu G1 của chu kỳ kế tiếp, enzyme phosphatases khử phospho của các phân tử protein trong phức hợp tiền-sao chép. Các protein này được phosphoryl hóa bởi S-phase cyclin-Cdk complexes ở phase S trước đó và tiếp tục duy trì trong giai đoạn phân nhân do mitotic cyclin-Cdk complexes.

25. Kết quả của sự khử phospho ở phase G1 dẫn đến sự hình thành một phase G1 mới với phức hợp pre-replication mới, sửa soạn cho phase S kế tiếp (bước 1). Phosphoryl hóa APC bởi phức hợp G1 cyclin-Cdk xảy ra ở cuối phase G1 làm chúng bất hoạt, cho phép chuyển phase S và mitotic cyclin trong chu kỳ kế tiếp.

26. Tóm lại
Ở sinh vật bậc cao, Sự kiểm soát chu kỳ tế bào phụ thuộc vào phức hợp G1 cyclin-Cdk:
Sự tổng hợp và kích hoạt phức hợp G1 cyclin-Cdk được điều hòa do các yếu tố ngoại bào, như mitogen (chất phân nhân)
Sự kích hoạt các phức hợp cyclin-Cdk bị kiểm soát bởi phản ứng phosphoryl hóa chất ức chế đặc hiệu và hoạt hóa vị trí hoạt động trên subunit xúc tác.
Tác động sinh học của mitogen trong suốt chu kỳ chỉ một lần là đủ. Tế bào tiếp tục vượt qua giai đoạn phân nhân một cách thuận lợi, trơn tru đến khi tách đôi.
 Cuối phase G1, chu kỳ tế bào độc lập với mitogen, thời điểm này gọi là điểm giới hạn (restriction point).

27. 4.4. Đặc điểm của sự kiểm soát chu kỳ tế bào hữu nhũ
(1).Nhiều yếu tố tăng trưởng polypeptide (mitogens) kích thích tập đoàn tế bào hữu nhũ tăng nhanh số lượng bằng cách điều dẫn quá trình biểu hiện gene, nhất là kích ứng quá trình biểu hiện các gene đáp ứng trễ (delayed-response genes), Đây là các gene mã hóa yếu tố sao chép của G1 Cdks, G1 Cyclin và E2F.
(2).Nếu các tế bào đi qua điểm giới hạn (restriction point), chu kỳ tế bào có thể đi vào ngay phase S với đầy đủ phase S, G2, và mitosis mặc dù vắng mặt yếu tố tăng trưởng.
Hình 14. Tác động của các phức hợp Cyclin-Cdk đối với các tế bào ở phase G0 điều dẫn phân chia nhờ các yếu tố tăng trưởng

28. (3).Các tế bào hữu nhũ sử dụng nhiều loại Cdks và cyclins để điều hòa các phase trong chu kỳ như cyclin D-Cdk4/6 ở giữa và cuối phase G1; cyclin E-Cdk2 ở cuối phase G1 đầu phase S; cyclin A-Cdk2 ở phase S và cyclin A/B-Cdk1 ở phase G2 và phase M qua anaphase.
(4).Protein Rb không phosphoryl hóa trong phân tử liên kết E2Fs và chúng trở thành yếu tố kìm hãm quá trình sao chép (transcriptional repressor). Nếu Rb được phosphoryl hóa bởi cyclin D-Cdk4/6 ở giữa phase G1, phóng thích E2Fs ở dạng hoạt động và cho phép sao chép mã của cyclin E, Cdk2, và các loại protein khác cần thiết cho phase S. Ngoài ra, E2Fs còn kích thích tự động sao chép các gene thuộc chủ quyền của chúng.

29. Hình 16. Tác động của các phức hợp Cyclin-Cdk đối với protein Rb và protein E2Fs
(5).Tác động của cyclin A-Cdk2 phụ thuộc vào E2Fs và chịu sự kiểm soát của CIPs (Cdk inhibitory protein- protein ức chế Cdk, như chất ức chế phase S). Khi CIPs bị phân hủy bởi proteasome và Cdc25A phosphatase tách nhóm phosphate của phân tử ức chế Cdk2 sẽ giúp phase G1 chuyển sang phase S. Cyclin A-Cdk2 có tác động như phức hợp tiền sao chép, mở đầu cho tổng hợp DNA, tương tự như ở S. cerevisiae .

30. (6). Cyclin A/B-Cdk1 điều dẫn sự phân nhân đầu thời kỳ anaphase
(6). Cyclin A/B-Cdk1 điều dẫn sự phân nhân đầu thời kỳ anaphase. Cyclins A và B là những phân tử polyubiquitin của anaphase-promoting complex (APC), hiện hữu trong suốt giai đoạn cuối anaphase và bị thoái hóa do proteasome.
(7).Tác động của phức hợp mitotic cyclin-Cdk hữu nhũ cũng được điều hòa bởi quá trình phosphoryl và dephosphoryl hóa tương tự như ở nấm men S. pombe, với Cdc25C phosphatase, xúc tác phản ứng khử phosphate của phân tử ức chế.

31. Hình 17.Sự điều hòa tác động kinase bởi mitosis-promoting factor (MPF)
(8).Tác động của phức hợp cyclin-Cdk hữu nhũ chịu sự kiểm soát của chất ức chế Cdk (Cdk inhibitors -CIPs), mỗi phân tử CIPs liên kết và ức chế cho một phức hợp cyclin-Cdk. Protein INK4 ức chế tiến trình ở phase G1 bằng cách khóa đặc hiệu đối với Cdk-4 và Cdk-6.