Giảm phân là gì? Hành trình từ một tế bào đến sự đa dạng di truyền

Giảm phân là một quá trình phân bào đặc biệt chỉ xảy ra ở tế bào sinh dục, khiến cho mỗi đứa con sinh ra luôn mang một tổ hợp gen riêng biệt, không phải bản sao hoàn toàn của cha hay mẹ. Bất cứ sai sót nào diễn ra trong quá trình phân bào này cũng có thể ảnh hưởng đến cả một thế hệ. Vậy chính xác giảm phân là gì? Quá trình này gồm những bước nào? Và vai trò của chúng trong y học cũng như trong công nghệ tế bào ra sao? Hãy cùng Mescells giải đáp những vấn đề này thông qua bài viết sau đây.

1. Giảm phân là gì?

Giảm phân (meiosis) là hình thức phân chia tế bào đặc biệt, trong đó một tế bào mầm sinh dục lưỡng bội (2n) trải qua hai lần phân chia liên tiếp nhưng chỉ nhân đôi ADN một lần duy nhất, tạo ra bốn tế bào con đơn bội (n) chính là giao tử (trứng và tinh trùng). Nhờ vậy, khi trứng và tinh trùng kết hợp trong quá trình thụ tinh, hợp tử tạo thành mới khôi phục lại đúng bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội đặc trưng của loài. Ở người, giảm phân diễn ra tại tinh hoàn để tạo tinh trùng và tại buồng trứng để tạo trứng.

Bất cứ sai sót nào xảy ra trong quá trình giảm phân đều có thể ảnh hưởng đến cả một thế hệ

2. Các giai đoạn của giảm phân

Toàn bộ quá trình giảm phân bao gồm hai lần phân chia kế tiếp nhau là giảm phân I và giảm phân II, mỗi lần lại được chia thành bốn kỳ tương tự như nguyên phân.

2.1. Giảm phân I – Phân chia giảm nhiễm

Giảm phân I bắt đầu bằng sự sao chép ADN trong tế bào mẹ, tạo ra hai bản sao giống hệt nhau của mỗi nhiễm sắc thể, được gọi là nhiễm sắc tử chị em.

Sau khi sao chép ADN, quá trình tiến triển đến kỳ đầu I, trong đó các nhiễm sắc thể tương đồng bắt cặp và trao đổi vật chất di truyền trong một hiện tượng gọi là tái tổ hợp gen hoặc trao đổi chéo. Sự trao đổi vật chất di truyền này thúc đẩy sự đa dạng di truyền bằng cách xáo trộn các alen giữa các nhiễm sắc thể.

Trong kỳ giữa I, các cặp nhiễm sắc thể tương đồng xếp thẳng hàng dọc theo đường xích đạo của tế bào, được dẫn hướng bởi các sợi tơ phân bào. Sự xếp thẳng hàng này là ngẫu nhiên, dẫn đến sự phân bố các nhiễm sắc thể của bố và mẹ ở hai bên, làm tăng thêm sự đa dạng di truyền. Kỳ sau I diễn ra khi các cặp nhiễm sắc thể tương đồng tách ra và các nhiễm sắc thể di chuyển về phía hai cực đối diện của tế bào [1]. Lưu ý ở giai đoạn này, tâm động chưa tách nên mỗi nhiễm sắc thể vẫn gồm hai nhiễm sắc thể từ chị em gắn với nhau.

Các giai đoạn trong quá trình giảm phân I

Tiếp theo là kỳ cuối I và quá trình phân chia tế bào chất, trong đó tế bào phân chia thành hai tế bào con, mỗi tế bào chỉ chứa một bộ nhiễm sắc thể.

2.2. Giảm phân II – Phân chia nguyên nhiễm

Sau một khoảng nghỉ ngắn không có pha tổng hợp ADN mới, hai tế bào con bước ngay vào giảm phân II, về cơ bản diễn ra tương tự một lần nguyên phân thông thường:

• Kỳ đầu II: Hình thành thoi phân bào mới.
• Kỳ giữa II: Các nhiễm sắc thể đơn, mỗi nhiễm sắc thể vẫn còn hai nhiễm sắc tử, xếp hàng đơn tại mặt phẳng xích đạo.
• Kỳ sau II: Tâm động tách đôi và các nhiễm sắc tử chị em, lúc này gọi là nhiễm sắc thể đơn, bị kéo về hai cực.
• Kỳ cuối II: Phân bào khép lại quá trình, tạo ra tổng cộng bốn tế bào con đơn bội, mỗi tế bào mang tổ hợp gen riêng biệt [2].

Kết quả của quá trình giảm phân II tạo ra bốn tế bào con đơn bội

3. Ý nghĩa của giảm phân

Xét về mặt di truyền học, giảm phân giữ vai trò kép: vừa bảo tồn vừa tạo mới. Ở khía cạnh bảo tồn, nhờ cơ chế giảm một nửa số lượng nhiễm sắc thể trước khi thụ tinh, giảm phân đảm bảo bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội đặc trưng của loài được giữ nguyên qua từng thế hệ; nếu không có cơ chế này, số lượng nhiễm sắc thể sẽ tăng gấp đôi sau mỗi lần sinh sản hữu tính, dẫn đến hỗn loạn di truyền [1].

Ở khía cạnh tạo mới, hai sự kiện xảy ra trong kỳ đầu I và kỳ giữa I, trao đổi chéo và phân li độc lập chính là động lực chủ đạo tạo nên biến dị tổ hợp. Chỉ với 23 cặp nhiễm sắc thể ở người, sự phân li độc lập một mình đã có thể tạo ra hơn 8 triệu tổ hợp giao tử khác nhau về mặt lý thuyết, và con số này còn nhân lên gấp bội khi tính thêm hiệu ứng của trao đổi chéo. Đây chính là lý do vì sao ngoại trừ các cặp song sinh cùng trứng, không có hai anh chị em ruột nào giống hệt nhau về mặt di truyền.

Ngoài ra, biến dị di truyền do giảm phân tạo ra chính là nguyên liệu thô cho chọn lọc tự nhiên. Nếu không có sự đa dạng này, quần thể sinh vật sẽ thiếu khả năng thích nghi trước những thay đổi của môi trường, dịch bệnh hay áp lực sinh tồn. Nói cách khác, giảm phân không chỉ là một quá trình tế bào học đơn thuần, mà còn là cơ chế nền tảng của tiến hóa và sinh sản hữu tính.

Quá trình giảm phân giúp duy trì số lượng nhiễm sắc thể chính xác theo loài của các thế hệ sau

4. Vai trò của giảm phân trong y học và công nghệ tế bào

Hiểu đúng cơ chế giảm phân không chỉ phục vụ mục đích học thuật, mà còn mang lại giá trị ứng dụng to lớn trong y học sinh sản, chẩn đoán di truyền và cả những công nghệ tế bào tiên tiến nhất hiện nay.

4.1. Ý nghĩa y học và chẩn đoán

Trong lĩnh vực hỗ trợ sinh sản, các sai sót xảy ra trong quá trình giảm phân ở trứng, đặc biệt là hiện tượng nhiễm sắc thể không phân li đúng cách, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây lệch bội (aneuploidy) ở phôi thụ tinh trong ống nghiệm (IVF), dẫn đến thất bại làm tổ hoặc sảy thai sớm [3].

Bên cạnh đó, phân tích quá trình giảm phân giúp sàng lọc và dự đoán các bất thường nhiễm sắc thể di truyền trước hoặc trong quá trình hỗ trợ sinh sản. Ví dụ, xét nghiệm di truyền tiền làm tổ tầm soát lệch bội (PGT-A) ra đời, cho phép sàng lọc và lựa chọn phôi có bộ nhiễm sắc thể bình thường trước khi chuyển vào tử cung, qua đó cải thiện đáng kể tỷ lệ thành công của các chu kỳ IVF [4].

Phân tích quá trình giảm phân là tiền đề cho các xét nghiệm di truyền trong hỗ trợ sinh sản

4.2. Công nghệ tế bào và ứng dụng trong tương lai

Một hướng đi còn tham vọng hơn là công nghệ tạo giao tử trong ống nghiệm (in vitro gametogenesis – IVG). Đây là phương pháp sử dụng tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSC) để tái tạo toàn bộ quá trình giảm phân bên ngoài cơ thể, từ đó tạo ra trứng hoặc tinh trùng nhân tạo. Các nghiên cứu trên chuột đã chứng minh tính khả thi của hướng đi này khi tạo ra chuột con khỏe mạnh từ giao tử nuôi cấy trong phòng thí nghiệm [5], mở ra hy vọng cho những người vô sinh do không còn tế bào mầm sinh dục, bao gồm cả bệnh nhân ung thư nhi đã điều trị hóa trị ảnh hưởng đến khả năng sinh sản.

Một trong những ứng dụng đặc biệt của giảm phân là tạo giao tử trong ống nghiệm

Ở lĩnh vực giống cây trồng, kiểm soát quá trình tái tổ hợp giảm nhiễm thông qua chỉnh sửa gen cho phép các nhà khoa học đẩy nhanh quá trình chọn lọc đặc tính mong muốn và khắc phục ưu thế lai ở các loại cây trồng chính.

4.3. Thách thức còn tồn tại

Mặc dù nhiều tiềm năng ứng dụng, tần suất sai sót trong giảm phân, nhất là ở trứng người, lại tăng lên rõ rệt theo tuổi của người mẹ. Đây là lý do phụ nữ lớn tuổi mang thai có nguy cơ cao hơn đối với các hội chứng lệch bội như Down (thừa nhiễm sắc thể 21), Edwards [3]. Việc phân biệt chính xác giữa lệch bội có nguồn gốc từ giảm phân (ảnh hưởng toàn bộ phôi) và lệch bội khảm phát sinh sau thụ tinh (chỉ ảnh hưởng một phần tế bào phôi) vẫn là một bài toán kỹ thuật chưa có lời giải trọn vẹn trong thực hành lâm sàng [6].

Đối với công nghệ IVG, thách thức lớn nhất nằm ở chính bước tái tạo giảm phân trong môi trường nhân tạo: quá trình bắt cặp và trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tương đồng (synapsis và recombination) rất nhạy cảm với điều kiện nuôi cấy. Song song với đó là hàng loạt câu hỏi về an toàn di truyền, nguy cơ đột biến ngoài ý muốn và các vấn đề đạo đức, pháp lý cần được giải quyết trước khi công nghệ này có thể ứng dụng rộng rãi trên người.

Sai sót trong quá trình giảm phân tăng lên theo độ tuổi của người mẹ dẫn đến các hội chứng lệch bội như Down

Có thể nói, quá trình giảm phân là sợi dây kết nối giữa di truyền học cơ bản, sự đa dạng của muôn loài và những công nghệ y sinh tiên tiến nhất của thế kỷ 21. Càng hiểu sâu về từng giai đoạn của giảm phân, y học càng có thêm công cụ để can thiệp đúng lúc, đúng chỗ, như việc sàng lọc phôi khỏe mạnh cho các cặp vợ chồng hiếm muộn, hay việc từng bước hiện thực hóa giấc mơ tạo giao tử nhân tạo cho những người không còn khả năng sinh sản tự nhiên. Để trong tương lai không xa, sinh sản không còn là giới hạn của số phận mà trở thành lựa chọn của khoa học và của con người.

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

NGUỒN THAM KHẢO:

• Divya Karaka, 2023, “Brief Note on Stages of Cell Meiosis and its Significance”, Longdom, https://www.longdom.org/open-access/brief-note-on-stages-of-cell-meiosis-and-its-significance-103017.html
• “26.3: Meiosis I and II” Biology LibreTexts, https://bio.libretexts.org/Workbench/Bio_11A_-_Introduction_to_Biology_I/26:_Meiosis/26.03:_Meiosis_I_and_II
• Rajiv C McCoy, 2023, “Meiotic and mitotic aneuploidies drive arrest of in vitro fertilized human preimplantation embryos”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10544495/
• Zev Rosenwaks, M.D, 2018, “Is preimplantation genetic testing for aneuploidy an essential tool for embryo selection or a costly ‘add-on’ of no clinical benefit?”, fertstert, https://www.fertstert.org/article/S0015-0282(18)30436-9/fulltext
• Elizabeth Choong, 2024, “In vitro gametogenesis (IVG): reflections from a workshop”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11707097/
• Elpida Fragouli, 2020, “Preimplantation genetic testing for aneuploidy: the conundrum with aneuploid embryo transfers”, fertstert, https://www.fertstert.org/article/S0015-0282(20)30336-8/fulltext