Phân bào là gì? Các hình thức, quá trình và vai trò của phân bào

Mỗi ngày, hàng trăm tỷ tế bào trong cơ thể chúng ta âm thầm được sinh ra để thay thế những tế bào đã già cỗi hoặc hư hại. Đứng sau quá trình đổi mới không ngừng ấy chính là phân bào, một cơ chế nền tảng giúp cơ thể sinh trưởng, tự sửa chữa và duy trì sự sống. Vậy chính xác phân bào là gì và vì sao quá trình tưởng chừng đơn giản này lại đóng vai trò quan trọng đến vậy? Để giải đáp những câu hỏi này, hãy cùng Mescells tìm hiểu thông qua bài viết sau đây.

1. Phân bào là gì?

Phân bào (cell division) là quá trình một tế bào mẹ phân chia thành hai hoặc nhiều tế bào con, là cơ chế nền tảng cho sự sinh trưởng, sinh sản và sửa chữa của mọi sinh vật sống. Ở sinh vật nhân thực, phân bào được chia thành hai hình thức chính với mục đích hoàn toàn khác nhau: nguyên phân (mitosis) diễn ra ở tế bào sinh dưỡng và tế bào sinh dục sơ khai, tạo ra tế bào con giống hệt tế bào mẹ, và giảm phân (meiosis) chỉ diễn ra ở tế bào sinh dục (ở người và động vật) nhằm tạo giao tử mang một nửa bộ nhiễm sắc thể, phục vụ sinh sản hữu tính.

Quá trình phân bào chính là nền tảng của sự sống

2. Các hình thức phân bào

2.1. Nguyên phân ở sinh vật nhân thực

Trước khi bước vào nguyên phân, tế bào trải qua giai đoạn trung gian (interphase) gồm ba pha G1, S và G2, chiếm đến khoảng 90% tổng thời gian của chu kỳ tế bào, trong đó pha S đảm nhiệm việc nhân đôi toàn bộ ADN. Bản thân giai đoạn phân chia nhân (M phase) sau đó gồm bốn kỳ nối tiếp nhau:

• Kỳ đầu: Nhiễm sắc thể kép co xoắn dần và hiện rõ, màng nhân và nhân con tiêu biến dần, thoi phân bào bắt đầu hình thành.
• Kỳ giữa: Các nhiễm sắc thể xếp thành hàng ngay tại mặt phẳng xích đạo của tế bào, tâm động của mỗi nhiễm sắc thể gắn với các sợi thoi phân bào từ cả hai cực.
• Kỳ sau: Các nhiễm sắc tử chị em tách rời nhau, di chuyển về hai cực đối diện của tế bào.
• Kỳ cuối: Các nhiễm sắc thể đã về hai cực và dần giãn xoắn. Màng nhân và nhân con tái lập quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể, còn thoi phân bào tiêu biến.

Bên cạnh đó là quá trình phân chia tế bào chất. Ở tế bào động vật, vòng co thắt actin-myosin tạo rãnh phân cắt và chia tế bào thành hai. Ở tế bào thực vật, một vách ngăn (cell plate) hình thành ở mặt phẳng xích đạo. Kết quả là hai tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giống tế bào mẹ về số lượng và giống nhau về thông tin di truyền.

Quá trình nguyên phân là nền tảng cho mọi quá trình tăng trưởng, phát triển phôi và tái tạo mô [1].

Nguyên phân là hình thức phân bào chính ở tế bào sinh dưỡng 

2.2. Giảm phân ở sinh vật nhân thực

Giảm phân chỉ xảy ra ở các tế bào sinh dục chín ở người và động vật (trong tinh hoàn và buồng trứng) để tạo ra giao tử (tinh trùng hoặc trứng). Giảm phân trải qua hai lần phân chia liên tiếp (giảm phân I và giảm phân II) nhưng ADN chỉ nhân đôi một lần. Từ một tế bào mẹ (2n) ban đầu tạo ra bốn tế bào con có bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n), tức là số lượng nhiễm sắc thể (NST) giảm đi một nửa.

Điểm đặc biệt quan trọng của giảm phân là hiện tượng trao đổi chéo (crossing over), xảy ra ở kỳ đầu của giảm phân I, khi các nhiễm sắc thể tương đồng trao đổi đoạn ADN cho nhau. Cùng với sự phân ly độc lập của các nhiễm sắc thể tương đồng và sự kết hợp ngẫu nhiên giữa các giao tử khi thụ tinh, trao đổi chéo là một nguồn quan trọng tạo ra đa dạng di truyền. Đó là lý do anh chị em ruột (trừ trường hợp sinh đôi cùng trứng) có bộ gen khác nhau.

Ở phụ nữ, một tế bào sinh trứng sau giảm phân tạo ra 1 trứng (n) và 3 thể cực, trong khi ở nam giới, một tế bào sinh tinh tạo ra 4 tinh trùng (n). Khi tinh trùng (n) kết hợp với trứng (n) trong thụ tinh, chúng tạo thành hợp tử đạt bộ NST đầy đủ (2n), mở đầu cho sự phát triển của một cá thể mới.

2.3. Phân bào ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn và vi khuẩn cổ)

Sinh vật nhân sơ như vi khuẩn và vi khuẩn cổ vốn không có nhân tế bào tách biệt hay bộ máy thoi phân bào phức tạp nên quá trình phân chia của chúng diễn ra đơn giản hơn nhiều, gọi là phân đôi (binary fission). Nhiễm sắc thể, thường là một phân tử ADN vòng được nhân đôi, sau đó tế bào kéo dài ra và màng tế bào lõm vào ở giữa, tách thành hai tế bào con có bộ gen giống hệt nhau.

Phân bào ở sinh vật nhân sơ là một quá trình đơn giản hơn nguyên phân

3. Vai trò của phân bào đối với cơ thể

• Sinh trưởng và phát triển: Vai trò rõ ràng nhất của phân bào là thúc đẩy sự sinh trưởng. Từ một hợp tử duy nhất sau thụ tinh, hàng loạt chu kỳ nguyên phân liên tiếp đã tạo nên một cơ thể trưởng thành với hàng chục nghìn tỷ tế bào.
• Sửa chữa và tái tạo: Khi các mô bị tổn thương, chẳng hạn như vết cắt trên da, gãy xương hoặc hao mòn hàng ngày, quá trình phân chia tế bào sẽ thay thế các tế bào bị hư hại hoặc chết bằng các tế bào mới khỏe mạnh. Tuy nhiên, không phải tế bào nào trong cơ thể cũng liên tục phân chia. Một số loại tế bào đã biệt hóa cao, như nơ-ron và tế bào cơ tim trưởng thành, gần như không phân chia nữa nên khả năng tự thay thế khi tổn thương rất hạn chế. Ngược lại, các mô như biểu bì da, niêm mạc ruột và máu có tốc độ đổi mới cao nhờ phân bào diễn ra liên tục.
• Duy trì và cân bằng nội môi: Cơ thể chúng ta liên tục loại bỏ các tế bào cũ ở những nơi như lớp biểu bì, máu và ruột; quá trình phân chia tế bào liên tục bổ sung các tế bào này để duy trì chức năng bình thường.
• Sinh sản hữu tính: Một hình thức phân chia tế bào chuyên biệt gọi là giảm phân tạo ra giao tử (tinh trùng và trứng) cần thiết cho sự sinh sản và đa dạng di truyền.

Vai trò quan trọng của phân bào là thúc đẩy quá trình sinh trưởng và phát triển của cơ thể 

4. Mối quan hệ của phân bào đối với các bệnh lý

Sự phân chia tế bào trực tiếp liên quan đến bệnh lý vì các lỗi, rối loạn điều hòa hoặc thất bại trong chu kỳ tế bào góp phần gây ra hoặc liên quan đến nhiều bệnh lý như ung thư, rối loạn di truyền và thoái hóa mô. Chi tiết như sau:

• Tăng trưởng không kiểm soát và ung thư: Khi sự tăng trưởng và phân chia tế bào mất kiểm soát tại các điểm kiểm soát quan trọng, tế bào sẽ phân chia liên tục và hình thành khối u hoặc gây ra các bệnh ác tính.
• Lỗi phân ly nhiễm sắc thể và lệch bội: Các lỗi trong quá trình phân chia có thể khiến tế bào nhận được số lượng nhiễm sắc thể bất thường, dẫn đến các khuyết tật phát triển, chết tế bào hoặc tiến triển ung thư.
• Mất cân bằng tế bào gốc: Sự phân chia tế bào không đối xứng bất thường ở tế bào gốc trưởng thành có thể làm cạn kiệt quần thể tế bào gốc của mô hoặc kích hoạt sự phát triển khối u không kiểm soát.
• Lão hóa tế bào và sự lão hóa nói chung: Tổn thương ADN, stress oxy hóa và sự rút ngắn telomere kích hoạt các con đường như p53/p21, p16, khiến tế bào ngừng phân chia vĩnh viễn (lão hóa tế bào). Sự tích tụ các tế bào này góp phần gây ra sự lão hóa mô và các bệnh lý liên quan đến tuổi tác.

Chính vì mức độ quan trọng và rủi ro tiềm ẩn của việc sao chép sai bộ gen, tế bào sở hữu một hệ thống điểm kiểm soát (checkpoint) rất nghiêm ngặt trong suốt chu kỳ tế bào, đảm bảo tế bào chỉ được phép chuyển sang giai đoạn tiếp theo khi giai đoạn trước đã hoàn tất chính xác. Hệ thống này bao gồm điểm kiểm soát G1/S (đánh giá kích thước tế bào, điều kiện môi trường và tổn thương ADN trước khi cho phép nhân đôi), điểm kiểm soát G2/M (đảm bảo ADN đã được sao chép đầy đủ trước khi bước vào phân chia và không bị tổn thương) và điểm kiểm soát thoi phân bào (đảm bảo mọi nhiễm sắc thể đã gắn đúng vào thoi trước khi tách rời), nhằm đảm bảo quá trình phát triển của sinh vật diễn ra an toàn, hạn chế các quá trình hình thành bệnh lý [2].

Sự phân bào mất kiểm soát có thể hình thành khối u hoặc các bệnh lý nghiêm trọng

5. Phân bào trong nghiên cứu sinh học tế bào và y học tái tạo

5.1. Phân bào trong nghiên cứu sinh học

Trong nghiên cứu và chẩn đoán bệnh học, tốc độ phân bào của một khối u là thông tin tiên lượng quan trọng. Trong đó, một trong những dấu ấn phổ biến nhất là Ki-67, một protein nhân chỉ hiện diện ở tế bào đang trong chu kỳ phân bào (G1, S, G2, M) mà vắng mặt hoàn toàn ở tế bào nghỉ (G0).

Chỉ số Ki-67 càng cao thường phản ánh khối u tăng sinh nhanh và có liên quan đến tiên lượng xấu hơn, được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều loại ung thư như ung thư vú, tuyến tiền liệt hay bàng quang. Bên cạnh Ki-67, kỹ thuật đánh dấu BrdU, một chất tương tự thymidine được tế bào hấp thu trong pha tổng hợp ADN, cũng thường được dùng song song để đánh dấu các tế bào đang trong pha S (tổng hợp ADN) trong nghiên cứu [3].

5.2. Phân bào trong y học tái tạo

• Tế bào gốc và kiểm soát sự phân chia: Trong lĩnh vực y học tái tạo và kỹ thuật mô, khả năng kiểm soát chính xác tốc độ phân bào của tế bào gốc hoặc tế bào đã biệt hóa  (như tế bào beta đảo tụy) là một trong những yếu tố quan trọng góp phần nhân rộng đủ số lượng tế bào cần thiết trước khi cấy ghép cho bệnh nhân, nhằm phục hồi các cơ quan bị tổn thương [4]. Tương tự, việc sản xuất liệu pháp tế bào CAR-T hiện đại cũng đòi hỏi phải kích thích tế bào lympho T của bệnh nhân phân chia và tăng sinh mạnh mẽ ở quy mô lớn trong phòng thí nghiệm trước khi truyền trở lại cơ thể để tấn công tế bào ung thư.

Kiểm soát tốc độ phân bào của tế bào gốc là yếu tố quan trọng trong nuôi cấy tăng sinh và ứng dụng khi cấy ghép 

• Tế bào gốc vạn năng (iPSCs): Một trong những bước tiến quan trọng nhất là công nghệ tế bào gốc vạn năng cảm ứng (Induced Pluripotent Stem Cells – iPSCs), cho phép tái lập trình tế bào trưởng thành về trạng thái tương tự tế bào gốc phôi, rồi được điều hướng phân chia và biệt hóa thành loại tế bào cần thiết. Quá trình này được ứng dụng để nghiên cứu bệnh lý và thử nghiệm thuốc cá thể hóa.
• Kỹ thuật mô (Tissue engineering): Mô hình này kết hợp công nghệ sinh học và vật liệu sinh học để tạo ra các mô hoặc cấu trúc mô chức năng ngoài cơ thể, nhằm thay thế hoặc phục hồi mô tổn thương. Cơ chế thực hiện bằng cách nuôi cấy tế bào trong phòng thí nghiệm thông qua quá trình phân chia lặp đi lặp lại để tạo ra các mô như da, sụn hoặc mạch máu mới, thường được hỗ trợ bởi khung đỡ hoặc công nghệ in sinh học 3D. Các mô hình này đang mở ra hướng tiếp cận mới đối với nghiên cứu dược phẩm, cho phép thử nghiệm thuốc trên mô người nuôi cấy mà không cần thử nghiệm trực tiếp trên người hoặc phụ thuộc vào mô hình động vật.

Quá trình phân bào có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật mô 

Có thể thấy, phân bào là một quá trình vận hành không ngừng nghỉ, quyết định sự sống còn của mọi sinh vật. Khi hệ thống kiểm soát chặt chẽ của phân bào hoạt động trơn tru, cơ thể sinh trưởng, tự sửa chữa và duy trì sự sống một cách hài hòa, nhưng chỉ cần một mắt xích kiểm soát bị phá vỡ, hậu quả có thể dẫn đến bệnh lý nghiêm trọng như ung thư. Càng hiểu sâu về cơ chế vận hành và kiểm soát của phân bào, y học càng có thêm công cụ để hỗ trợ chẩn đoán, tiên lượng ung thư bằng dấu ấn tăng sinh hoặc nhân rộng tế bào gốc phục vụ nghiên cứu và phát triển các liệu pháp tái tạo mô đầy hứa hẹn trong tương lai.

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:

• Gangcai Xie, 2024, “Applications of Cell Cycle: Phases of Interphase, Mitosis, and Meiosis”, Longdom, https://www.longdom.org/open-access/applications-of-cell-cycle-phases-of-interphase-mitosis-and-meiosis-107871.html
• Erlinda M Gordon, 2018, “Cell cycle checkpoint control: The cyclin G1/Mdm2/p53 axis emerges as a strategic target for broad-spectrum cancer gene therapy”, PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30101008/
• “Proliferating cells: BrdU and Ki-67 cellular markers”, Proteintech,  https://www.ptglab.com/products/featured-products/proliferating-cells-brdu-and-ki-67-cellular-markers/
• Ahmed El-Badawy, 2016, “The cell cycle as a brake for β-cell regeneration from embryonic stem cells”, Springer Nature Link, https://link.springer.com/article/10.1186/s13287-015-0274-z