Chu kỳ tế bào là gì? Tìm hiểu các giai đoạn, cơ chế và ứng dụng

Mỗi giây trôi qua, cơ thể người tạo ra hàng triệu tế bào mới để thay thế những tế bào già, bị tổn thương hoặc chết đi. Quá trình tăng trưởng và phân chia đó không diễn ra ngẫu nhiên mà tuân theo một chu trình sinh học được lập trình cực kỳ chặt chẽ, gọi là chu kỳ tế bào (cell cycle). Đây là một trong những quá trình sinh học cơ bản nhất, xuất hiện ở hầu hết mọi sinh vật, từ nấm men đơn bào cho tới tế bào người.

Vậy chu kỳ tế bào là gì? Các giai đoạn phát triển, cơ chế điều hòa và ứng dụng nghiên cứu của chúng ra sao? Hãy cùng Mescells giải đáp thông qua bài viết dưới đây.

1. Chu kỳ tế bào là gì?

Chu kỳ tế bào là một chuỗi có trật tự gồm bốn giai đoạn chính (G1, S, G2, M). Đây là các giai đoạn mà tế bào nhân chuẩn trải qua để phát triển và phân chia thành hai tế bào con giống hệt nhau.

Ở hầu hết các tế bào người, một chu kỳ tế bào hoàn chỉnh kéo dài khoảng 24 giờ. Tuy nhiên, con số này biến thiên rất lớn tùy theo loại tế bào:

• Tế bào biểu mô ruột non hoàn thành chu kỳ chỉ trong 9-10 giờ do nhu cầu tái tạo liên tục.
• Tế bào gan có thể nghỉ, không phân chia hàng năm trời cho đến khi có tín hiệu kích thích (như sau phẫu thuật cắt gan).
• Một số tế bào biệt hóa cao như tế bào thần kinh trưởng thành hầu như không phân chia trong suốt cuộc đời.

Chu kỳ tế bào là các giai đoạn tế bào trải qua để phân chia

2. Các giai đoạn của chu kỳ tế bào

Trước khi bước vào chu kỳ phân chia, nhiều tế bào tồn tại ở trạng thái không phân chia gọi là pha G0 (quiescence). Đây không phải là giai đoạn chết, mà là trạng thái tế bào tạm dừng phân chia. Chu kỳ tế bào có 4 giai đoạn chính gồm:

2.1. Giai đoạn G1 – Pha tăng trưởng đầu tiên

G1 (Gap 1) là giai đoạn tế bào lớn lên và chuẩn bị cho quá trình sao chép ADN. Trong giai đoạn này, tế bào tổng hợp nhiều loại protein và mRNA cần thiết, đồng thời tăng kích thước và tạo thêm bào quan.

Tại cuối pha G1 có điểm kiểm soát G1/S, hay còn được gọi là “điểm giới hạn” (restriction point). Đây được coi như bước quyết định xem tế bào có tiếp tục đi vào phân chia hay không. Nếu vượt qua điểm này, tế bào sẽ bước sang giai đoạn nhân đôi ADN; nếu không, nó có thể quay về trạng thái nghỉ G0.

Để vượt qua điểm giới hạn này, tế bào cần đáp ứng nhiều điều kiện như: (1)

• Đủ kích thước tế bào.
• Đủ nguồn dinh dưỡng và năng lượng.
• Sự hiện diện của yếu tố tăng trưởng.
• Tình trạng toàn vẹn của ADN.

Cấu trúc ADN của tế bào

2.2. Giai đoạn S – Pha tổng hợp ADN

Pha S là giai đoạn sao chép toàn bộ bộ gene (genome replication), thuộc kỳ trung gian (interphase) diễn ra trước khi tế bào bước vào phân bào (mitosis). Đây là một trong những giai đoạn dài nhất và phức tạp nhất trong chu kỳ tế bào.

Quá trình sao chép ADN bắt đầu đồng thời tại hàng nghìn điểm khởi đầu sao chép trải đều trên các nhiễm sắc thể để đảm bảo toàn bộ genome được sao chép trong thời gian hợp lý (khoảng 6-8 giờ ở tế bào người). Protein kiểm tra sao chép (PCNA – proliferating cell nuclear antigen) đóng vai trò giúp DNA polymerase bám vào sợi khuôn, hỗ trợ quá trình sao chép ADN diễn ra liên tục và hiệu quả.

2.3. Giai đoạn G2 – Pha tăng trưởng thứ hai

G2 (Gap 2) là giai đoạn tế bào tiếp tục phát triển và chuẩn bị cho quá trình phân chia. Lúc này, tế bào sẽ kiểm tra lại ADN vừa được nhân đôi, đồng thời tổng hợp các protein cần thiết cho nguyên phân, chẳng hạn như tubulin, để hình thành thoi phân bào. Tế bào cũng tích lũy thêm năng lượng và hoàn tất việc nhân đôi các bào quan.

Cuối pha G2 là điểm kiểm soát G2/M. Đây là bước kiểm tra cuối cùng trước khi tế bào chính thức bước vào quá trình phân bào.

2.4. Giai đoạn M – Kỳ phân chia nhân (Mitosis)

Kỳ phân chia M là giai đoạn ngắn nhất, chỉ chiếm khoảng 10% tổng thời gian chu kỳ. Mitosis được chia thành 4 kỳ chính:

• Kỳ đầu: Nhiễm sắc thể ngưng tụ và có thể quan sát được dưới kính hiển vi quang học. Đồng thời, màng nhân tan rã và thoi phân bào bắt đầu hình thành từ hai trung thể (centrosome).
• Kỳ giữa: Các nhiễm sắc thể kép xếp thành một hàng tại mặt phẳng xích đạo (metaphase plate) của tế bào. Mỗi nhiễm sắc tử chị em (sister chromatid) trong nhiễm sắc thể kép được nối với thoi phân bào từ hai cực đối diện.
• Kỳ sau: Sợi thoi phân bào kéo các nhiễm sắc thể chị em về hai cực đối diện của tế bào. Đây là thời điểm mỗi cực nhận được một bộ nhiễm sắc thể đầy đủ.
• Kỳ cuối: Màng nhân tái hình thành quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể. Các nhiễm sắc thể giãn nở trở lại dạng chromatin.

Song song với quá trình phân chia nhiễm sắc thể, tế bào chất cũng tiến hành phân đôi, hoàn thành quá trình tạo ra hai tế bào con có bộ gene giống hệt nhau.

Các bước trong chu kỳ nguyên phân (Mitosis)

3. Cơ chế điều hòa chu kỳ tế bào

Chu kỳ tế bào được kiểm soát bởi nhiều cơ chế đảm bảo sự phân chia tế bào chính xác. Các cơ chế này liên quan đến các kinase và protein chuyên biệt đảm bảo quá trình diễn tiến có trật tự qua các pha G1, S, G2 và M. Cụ thể như sau:

3.1. Các kinase phụ thuộc cyclin (CDK)

Sự chuyển tiếp từ pha này sang pha khác của chu kỳ tế bào diễn ra một cách có trật tự và được điều hòa bởi các protein tế bào khác nhau. Các protein điều hòa quan trọng là các kinase phụ thuộc cyclin (CDK), một họ protein kinase serine/threonine được hoạt hóa tại các thời điểm cụ thể của chu kỳ tế bào.

3.2. Điều hòa chu kỳ qua các chất ức chế CDK (CKIs – CDK Inhibitors)

Để đảm bảo chu kỳ không tiến quá nhanh hoặc tiến qua các bước có lỗi, cơ thể có hệ thống “phanh” là các CKI (CDK Inhibitors) bao gồm 2 họ:

• Họ INK4 (p15, p16, p18, p19): Đặc hiệu ức chế CDK4 và CDK6.
• Họ CIP/KIP (p21, p27, p57): Ức chế rộng rãi nhiều phức hợp Cyclin-CDK.

3.3. Điều hòa chu kỳ thông qua con đường tín hiệu p53 – p21 – RB

Khi phát hiện tổn thương ADN do các tác nhân như tia UV, hóa chất hoặc phóng xạ, protein kinase ATM/ATR sẽ được kích hoạt và dẫn đến tích lũy protein p53 trong tế bào. Sau đó, p53 kích hoạt phiên mã gene CDKN1A để tạo ra protein p21.

Protein p21 sau đó ức chế hai phức hợp quan trọng là Cyclin E-CDK2 và Cyclin D-CDK4/6, từ đó ngăn chặn quá trình phosphoryl hóa protein RB. Khi RB không bị phosphoryl hóa, nó tiếp tục gắn kết và ức chế yếu tố phiên mã E2F, khiến các gene cần thiết cho pha S không được phiên mã và chu kỳ tế bào bị dừng lại ở pha G1.

Nhờ cơ chế này, tế bào có đủ thời gian để tiến hành sửa chữa ADN. Nếu sửa chữa thành công, chu kỳ tiếp tục. Nếu tổn thương quá nặng, p53 kích hoạt chương trình apoptosis (chết tế bào theo lập trình) hoặc senescence (lão hóa vĩnh viễn).

Các yếu tố điều hòa chu kỳ tế bào

3.4. Kiểm soát chất lượng chu kỳ tế bào

Điểm hạn chế (R) được định nghĩa là điểm không thể quay lại trong pha G1, một khi tế bào vượt qua điểm này, nó cam kết hoàn thành chu kỳ phân chia mà không cần tín hiệu tăng trưởng tiếp tục từ bên ngoài. Trong các thí nghiệm, khi tế bào không nhận đủ tín hiệu tăng trưởng trước điểm giới hạn R, chúng sẽ chuyển sang trạng thái nghỉ (G0). Ngược lại, nếu tế bào đã vượt qua điểm R, chúng tiếp tục phân chia dù không còn tín hiệu kích thích từ bên ngoài.

Các cơ chế kiểm soát hoặc điểm kiểm tra bổ sung tồn tại ở các giai đoạn tiếp theo của chu kỳ tế bào, đảm bảo trình tự các sự kiện trong chu kỳ tế bào diễn ra một cách có trật tự.

4. Ứng dụng nghiên cứu chu kỳ tế bào

Điều trị và chẩn đoán ung thư: Phân chia tế bào không kiểm soát là đặc điểm nổi bật của ung thư. Nghiên cứu trong lĩnh vực này cho phép phát triển các loại thuốc nhắm trúng vào các giai đoạn của chu kỳ tế bào (ví dụ: thuốc ức chế G2/M), giúp tăng hiệu quả điều trị. Thuốc ức chế CDK4/6 hiện là liệu pháp tiêu chuẩn trong nhiều phác đồ điều trị ung thư.

Y học tái tạo và tế bào gốc: Hiểu cách kiểm soát sự tăng sinh và biệt hóa của tế bào gốc là rất quan trọng đối với kỹ thuật mô và y học tái tạo. Kiểm soát chu kỳ tế bào cho phép tái tạo các mô và cơ quan bị tổn thương.

Công nghệ sinh học và sản xuất vắc-xin: Thao tác chu kỳ tế bào được sử dụng trong các lò phản ứng sinh học để tối ưu hóa sự phát triển và sinh sản của tế bào, đặc biệt trong việc sản xuất vắc-xin và protein điều trị trên quy mô lớn.

Y học sinh sản và hỗ trợ sinh sản: Nghiên cứu về giảm phân (một loại chu kỳ tế bào cụ thể) cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sự hình thành giao tử. Điều này rất có ý nghĩa đối với việc phát triển các phương pháp điều trị vô sinh và hiểu biết về các rối loạn di truyền trong quá trình phát triển.

Kiểm tra độc tính và phát triển thuốc: Các công cụ phân tích chu kỳ tế bào, chẳng hạn như máy đo lưu lượng tế bào (flow cytometry), được sử dụng để đánh giá tác động của thuốc mới hoặc độc tố môi trường lên khả năng sống sót và sự phát triển của tế bào, giúp xác định tính an toàn và hiệu quả.

Tìm hiểu về từng giai đoạn của chu kỳ tế bào cung cấp thông tin hữu ích về sự hình thành giao tử và phát triển lĩnh vực y học sinh sản

Dự đoán mức độ ác tính của khối u: Đánh giá tốc độ tăng sinh của tế bào ung thư  bằng việc sử dụng các công cụ như EdU hoặc propidium iodide, các bác sĩ lâm sàng có thể xác định mức độ ác tính của khối u và điều chỉnh chiến lược điều trị phù hợp.

Nghiên cứu và trị liệu di truyền: Giảm phân và vai trò của nó trong tái tổ hợp gene là nền tảng để hiểu về sự di truyền và các rối loạn di truyền. Các kỹ thuật như CRISPR-Cas9, dựa trên việc sửa đổi DNA chính xác, được hưởng lợi từ những hiểu biết về cơ chế sao chép và sửa chữa DNA thu được từ các nghiên cứu về chu kỳ tế bào (2).

Chu kỳ tế bào là nền tảng của sự sống, tăng trưởng và tái tạo mô trong cơ thể. Chúng bao gồm các pha trung gian và nguyên phân, là nền tảng của sinh học tế bào, thúc đẩy sự tăng trưởng, phát triển và sinh sản. Các giai đoạn của chúng được điều chỉnh một cách tỉ mỉ để đảm bảo sao chép và phân phối ADN chính xác. Những hiểu biết về cơ chế phân tử của chu kỳ tế bào đang mang tới nhiều đột phá trong điều trị ung thư, y học tái tạo, nghiên cứu di truyền và điều trị vô sinh, mở ra tiềm năng phát triển các phương pháp điều trị tối ưu hơn trong những thập kỷ tới.

NGUỒN THAM KHẢO

• (1): “Basic Methods of Cell Cycle Analysis – PMC.” n.d. PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9963451/.
• (2): “Applications of Cell Cycle: Phases of Interphase, Mitosis, and Meiosis.” n.d. Longdom Publishing. https://www.longdom.org/open-access/applications-of-cell-cycle-phases-of-interphase-mitosis-and-meiosis-107871.html.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells