Sự biệt hóa tế bào - Cellular Differentiation
Nằm trong chuyên ngành Sinh học Phát triển, sự biệt hóa tế tế bào được hiểu là quá trình mà một tế bào ít biệt hóa trở thành một loại tế bào biệt hóa nhiều hơn. Sự biệt hóa diễn ra rất nhiều lần trong suốt quá trình phát triển của sinh vật đa bào khi sinh vật đó được biến đổi từ một hợp tử đơn giản thành một hệ thống phức tạp với nhiều loại mô và tế bào. Sự biệt hóa là một quá trình phổ biến ở cơ thể trưởng thành: các tế bào gốc trưởng thành (adult stem cell) phân chia và tạo ra các tế bào con (daughter cell) biệt hóa toàn diện trong suốt quá trình sửa chữa mô và thay thế tế bào. Sự biệt hóa làm thay đổi rất nhiều ở kích thước, hình dạng, đặc tính màng, hoạt động trao đổi chất, và khả năng đáp ứng tín hiệu của tế bào. Những thay đổi này phụ thuộc chủ yếu vào các hoạt động chỉnh sửa được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình biểu hiện gen. Có một vài ngoại lệ, sự biệt hóa tế bào hầu như không hề liên quan đến một thay đổi nào trong chính trình tự DNA. Vì vậy, các tế bào khác nhau có thể có những đặc điểm lý hóa học rất khác nhau cho dù có genome giống nhau.
Một tế bào có khả năng biệt hóa thành tất cả các loại tế bào ở cơ thể trưởng thành được coi là tế bào vạn năng (pluripotent). Các tế bào này được gọi là tế bào gốc phôi ở động vật và là tế bào mô phân sinh ở thực vật bậc cao. Một tế bào có thể biệt hóa thành tất cả các loại tế bào, gồm cả mô nhau thai, được coi là toàn năng (totipotent). Ở động vật có vú, chỉ hợp tử và thế hệ phôi bào kế tiếp là toàn năng, trong khi ở thực vật các tế bào biệt hóa có thể trở thành tế bào toàn năng bằng những kỹ thuật thí nghiệm đơn giản. Trong ngành bệnh học tế bào, mức độ biệt hóa của tế bào được sử dụng để đánh giá sự tiến triển của bệnh ung thư. Và “Grade” là một marker để xác định cách thức biệt hóa một tế bào trong khối u.
Mục lục
Tế bào gốc[sửa]
Các tế bào có khả năng biệt hóa thường được biết đến như là những tế bào gốc (stem cells). Tế bào gốc là những tế bào sinh học ở tất cả các sinh vật đa bào; nó có thể phân chia thông qua quá trình giảm phân và biệt hóa thành các loại tế bào chuyên hóa và có thể tự đổi mới để sinh thêm các tế bào gốc khác. Ở động vật có vú, có hai nhóm lớn tế bào gốc là: tế bào gốc phôi (embryonic stem cells) và tế bào gốc trưởng thành (adult stem cells).
Các tế bào gốc cũng được phân loại dựa vào phạm vi khả năng biệt hóa-phổ biệt hóa (potency): i.) Tế bào gốc toàn năng (totipotent) có thể biệt hóa thành các loại tế bào phôi và ngoài phôi. Từ các tế bào này tạo lên cơ thể sống hoàn chỉnh. Các tế bào này được tạo ra từ sự dung hợp giữa trứng và tinh trùng. Các tế bào được tạo ra trong lần phân chia đầu tiên của trứng thụ tinh cũng gọi là tế bào gốc toàn năng. ii.) Tế bào gốc vạn năng (pluripotent) là thế hệ tế bào con của tế bào gốc toàn năng và có thể biệt thành hầu hết các loại tế bào trong cơ thể; ví dụ, các tế bào từ ba lá mầm (germ layer). iii.) Tế bào gốc đa năng (multipotent) có thể biệt hóa thành nhiều tế bào, nhưng chỉ là những tế bào có quan hệ họ hàng với nó. iv.) Tế bào gốc vài tiềm năng (oligopotent) có thể biệt hóa thành một số tế bào, như tế bào gốc bạch huyết hoặc tế bào gốc tủy. v.) Tế bào đơn năng (unipotent) chỉ tạo ra được một loại tế bào như bản thân chúng, nhưng có đặc tính tự đổi mới (ví dụ tế bào gốc cơ).
PHẢN PHÂN HÓA (Dedifferrentiation)[sửa]
Phản phân hóa (hay biệt hóa ngược) – dedifferentiation là một quá trình của tế bào thường thấy ở những dạng sống sơ bản hơn như giun tròn và lưỡng cư, ở chúng tế bào biệt hóa từng phần hoặc toàn bộ quay ngược về giai đoạn phát triển ban đầu, thường được xem như một dạng của quá trình tái sinh. Sự phản phân hóa cũng xảy ra ở thực vật. Các tế bào trong môi trường nuôi cấy có thể bị mất các đặc tính ban đầu, như biểu hiện protein hoặc thay đổi hình dạng. Quá trình này cũng được gọi là phản phân hóa. Một số người cho rằng phản phân hóa là một hiện tượng khác thường của chu trình phát triển bình thường và thường gây ra ung thư, trong khi một số khác tin rằng nó là một quá trình tự nhiên của sự đáp ứng miễn dịch đã bị mất đi ở con người diễn ra trong quá trình tiến hóa. Một phân tử nhỏ là reversine – một đồng đẳng của purine được phát hiện có khả năng cảm ứng gây phản phân hóa ở sợi cơ. Các tế bào biệt hóa ngược này sau đó có thể biệt hóa trở lại thành tế bào tạo xương và tạo mỡ.
"Hình":"có rất nhiều phương pháp để biến đổi các tế bào soma trưởng thành trở thành tế bào toàn năng hoặc tế bào vạn năng. Trong trường hợp tế bào toàn năng (totipotent), sự tái lập trình được thực hiện trên noãn bào metaphase II (kỳ giữa II giảm phân) khi được chuyển nhân từ tế bào soma.
Nghiên cứu gần đây đã chứng minh tính linh hoạt của hợp tử bị làm mất nhân hoặc phôi bào giai đoạn sớm bị kìm hãm hóa học trong nguyên phân, như khi sự phá bỏ màng nhân xảy ra, để kích ứng sự tái lập trình thành dạng tế bào toàn năng trong một quá trình được gọi là vận chuyển nhiễm sắc thể (chromosome transfer). Phương pháp tái lập trình để giúp tế bào trở thành dạng vạn năng thông qua “phương tiện vận chuyển” hoặc các biotype với tính hiệu quả khác nhau. Việc chuyển nạp qua trung gian virus đã hỗ trợ hiệu quả cho sự biệt hóa ngược thành dạng tế bào vạn năng thông qua retrovirus và virus-DNA đã bị bất hoạt khả năng chèn trình tự.
Bên cạnh đó, quá trình tái lập trình ngoại tố di truyền (epigenetic programming) được chứng minh là do sự biểu hiện OSKM được thúc đẩy qua hoạt động của DNA như plasmid, minicircle, transposon, episome và cấu trúc multicistron nhờ quá trình tái tổ hợp đồng dạng; tuy nhiên các phương pháp này rất có thể làm thay đổi những genome dễ bị tác động do sự chèn gen.
Khi đó việc chuyển nạp qua protein giúp các tế bào trưởng thành tái lập trình trở thành dạng vạn năng, phương pháp này rất phức tạp và đòi hỏi quá trình biểu hiện protein tái tổ hợp và sự tinh sạch cao, mặc dù sự tái lập trình thành công có tỷ lệ thấp. Rào cản chính của việc sử dụng RNA để tái lập trình là sự kém bền của nó và các dạng RNA sợi đơn này dễ kích ứng các quá trình tự vệ bẩm sinh để chống virus như INF (interferon) và con đường phụ thuộc NF-κB. RNA được sao chép in vitro, có khả năng sửa chữa ổn định như tạo “mũ” 5-methylguanine hoặc các ribonucleobase thay thế, ví dụ pseudouracil, có hiệu quả gấp 35 lần so với chuyển nạp virus và có đặc tính là không làm thay đổi genome của tế bào soma."
CƠ CHẾ BIỆT HÓA[sửa]
Mỗi loại tế bào được biệt hóa biểu hiện một số lượng gen nhất định của genome. Mỗi loại tế bào được hình thành qua một kiểu biểu hiện riêng gen được điểu hòa. Vì vậy sự biệt hóa tế bào là sự chuyển đổi từ một loại tế bào này thành một loại khác và nó liên quan đến một “công tắc” chuyển từ một kiểu biểu hiện gen thành một kiểu khác. Sự biệt hóa tế bào trong suốt quá trình phát triển có thể được hiểu là kết quả của một mạng lưới các tương tác điểu hòa gen. Một gen điều hòa và thành tố đồng điều hòa (cis-regulatory) của nó là những giao nối trong mạng lưới điều hòa. Các hệ thống sinh học sử dụng trong nghiên cứu sinh học phát triển nhấn mạnh vai trò của việc điều tra cách thức các cơ chế phát triển tương tác với nhau để tạo ra các sản phẩm có thể dự đoán được. Tuy nhiên, một quan điểm khác gần đây cho rằng, dựa trên xác suất biểu hiện gen, sự biệt hóa tế bào là kết quả của quá trình chọn lọc theo quan điểm của Darwin xảy ra giữa các tế bào. Trong khuôn khổ này, các mạng lưới protein và gen là kết quả của các quá trình trong tế bào và không phải là nguyên nhân của nhau.
Một vài dạng quá trình bảo thủ của tế bào, trong tiến hóa, thường liên quan đến cơ chế kiểm soát các “công tắc” này. Dạng chính của quá trình tế bào kiểm soát sự biệt hóa tế bào liên quan đến việc truyền tín hiệu. Nhiều phân tử tín hiệu truyền thông tin từ tế bào này đến tế bào khác trong suốt quá trình kiểm soát sự biệt hóa tế bào được gọi là các nhân tố sinh trưởng. Mặc dù chi tiết của các con đường truyền tín hiệu rất đa dạng, nhưng các con đường này thường có những bước chung. Một phối tử được tạo bởi một tế bào gắn với một chất nhận trên tế bào khác, kích ứng sự thay đổi cấu hình ở chất nhận. Cấu dạng của vùng tế bào chất ở vị trí chất nhận thay đổi, và chất nhận đòi hỏi sự tham gia hoạt động của enzyme. Chất nhận sau khi xúc tác các phản ứng phosphoryl hóa các protein khác, sẽ được hoạt hóa. Một loạt phản ứng phosphoryl hóa xảy ra cuối cùng làm hoạt hóa một nhân tố phiên mã bị bất hoạt hoặc protein cấu trúc tế bào, vì vậy dẫn đến quá trình biệt hóa tế bào mục tiêu. Các tế bào và mô rất khác nhau về năng lực đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài, do đó chúng sẽ có những định hướng biệt hóa riêng.
Hiện tượng cảm ứng gây ra hàng loạt các phản ứng truyền tín hiệu trong quá trình một tế bào hoặc mô truyền tín hiệu đến tế bào hoặc mô khác rồi ảnh hưởng đến hướng phát triển của chúng. Yamamoto và Jeffery đã điều tra thấy vai trò của thủy tinh thể trong cấu tạo của mắt cá sống trong hang động và gần mặt nước, một ví dụ nổi tiếng về sự cảm ứng. Qua việc cấy chuyển thuận nghịch, Yamamoto và Jeffery thấy rằng các túi thủy tinh thể ở cá bơi mặt nước có thể gây cảm ứng tới các phần khác ở mắt của cả cá sống trong hang và gần mặt nước, trong khi túi thủy tinh thể ở cá bơi trong hang động thì không có khả năng này.
Các cơ chế quan trọng khác thuộc kiểu phân chia tế bào bất đối xứng, và tạo ra thế hệ tế bào sau có hướng phát triển khác nhau. Phân chia bất đối xứng có thể xảy ra do sự phân tách các yếu tố quyết định ở tế bào chất hoặc do các tín hiệu truyền đến. Trong cơ chế trước đây, các tế bào con khác nhau được tạo ra trong quá trình phân bào do sự phân bố không đều các phân tử điều hòa trong tế bào mẹ; tế bào chất khác nhau ở các tế bào con dẫn đến các cách biệt hóa khác nhau ở chúng. Một ví dụ điển hình cho trường hợp phân chia bất đối xứng là phân chia theo trục cơ thể ở ruồi Giấm (Drosophila). Phân tử RNA là loại tín hiệu quan trọng kiểm soát sự biệt hóa. Cơ sở phân tử và di truyền của sự phân chia bất đối xứng được nghiên cứu ở tảo lục thuộc chi Volvox, một mô hình nghiên cứu về cách thức sinh vật đơn bào tiến hóa thành đa bào. Trong tập đoàn Volvox, 16 tế bào ở nửa trước của phôi 32 tế bào phân chia không đều, mỗi nửa tạo ra tế bào lớn và nhỏ. Kích thước của tế bào ở cuối giai đoạn phân chia cho thấy nó sẽ trở thành tế bào mầm hay tế bào soma.
CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỆT HÓA TẾ BÀO[sửa]
Dựa vào kiểu tác nhân biệt hóa, phương pháp biệt hóa tế bào được chia thành các loại sau:
- Biệt hóa bằng hóa chất: Một số hormone, cytokine, vitamin, các ion Ca2+... tác động lên tế bào làm tế bào thay đổi sự biểu hiện của gen, hoặc đóng một số gen đang hoạt động và mở một số gen chưa hoạt động. Những thay đổi này dẫn đến tế bào biến đổi theo chiều hướng phù hợp với kích thích, và sẽ tạo thành một kiểu tế bào chuyên biệt nào đó. Ngoài ra, các nhân tố tăng trưởng thu nhận từ các dịch mô cũng được xem là chất biệt hóa định hướng.
- Biệt hóa bằng các chất nền: Biệt hóa bằng các chất nền dựa vào sự tương tác giữa tế bào và chất nền trong nuôi cấy tế bào in vitro. Tế bào hoạt động nằm trong chất nền ngoại bào ECM (Extra cellular matrix). ECM có chứa các hợp chất cao phân tử như collagen, elastin, laminin, fibronectin...
Ngoài vai trò làm cấu trúc như một giá thể cho các tế bào, ECM còn có vai trò sinh lý như một vi môi trường của các tế bào. Mỗi mô khác nhau có thành phần ECM của riêng nó. Do đó, việc bổ sung ECM thích hợp vào nuôi cấy in vitro giúp các tế bào gốc có thể biệt hóa thành các tế bào mong muốn.
- Đồng nuôi cấy với các tế bào đã biệt hóa: Khi thực hiện đồng nuôi cấy, tế bào gốc và tế bào đã biệt hóa tương tác mật thiết với nhau, dẫn đến sự truyền các tín hiệu phân tử một cách hiệu quả gây ra sự biệt hóa ở tế bào gốc.
- Kích thích vật lý: Xung điện, các lực cơ học và xử lý nhiệt có thể làm tế bào gốc biệt hóa. Nếu làm giảm nhiệt độ các tế bào cơ tim phôi chuột sẽ làm tăng sự biểu hiện của beta-TGF, tác nhân gây biệt hóa ở một số tế bào.
- Các gốc tự do và dạng oxygen hoạt động: Các gốc tự do và các dạng oxygen hoạt động là những chất truyền tin nội bào quan trọng trong quá trình biệt hóa của tế bào.
- Chuyển gen: Phương pháp này thường được sử dụng để điều hòa sự biệt hóa tế bào gốc phôi. Đưa gen cần chuyển vào tế bào nhằm bổ sung một số gen hoạt động vào hệ gen của tế bào gốc phôi, khởi động sự biệt hóa tế bào gốc theo con đường tạo thành tế bào chuyên hóa mong muốn.
