49
SỰ BIỂU HIỆN GEN VÀ CẤU TRÚC NHIỄM SẮC CHẤT
TRONG QUÁ TRÌNH KÍCH HOẠT BỘ GEN HỢP TỬ
Hoàng Thành Chí1
1. Khoa Y Dược, Trường Đại học Thủ Dầu Một, liên hệ email: chiht@tdmu.edu.vn
TÓM TẮT
Sự kích hoạt bộ gen hợp tử là một quá trình phức tạp và được kim soát nghiêm ngặt.
Cho đến nay cơ chế hoạt hoá bộ gen hợp tử vẫn còn nhiều khía cạnh mà các nhà khoa học vẫn
còn phải tiến hành tìm hiu. Nhìn chung trong giai đoạn phát trin sớm, phôi trải qua hai lần
điều hoà vật chất di truyền chính gồm điều hoà các yếu tố phân tử từ trứng của mẹ, và giai
đoạn kích hoạt bộ gen hợp tử mới hình thành. Các đặc đim đin hình của giai đoạn này bao
gồm sự tái cấu trúc chu kì tế bào, sự mất cân bằng tỷ lệ nhân và tế bào chất, các chỉ dấu biu
sinh đặc hiệu. Sự hiu biết về quá trình này có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực y học tái tạo
và các vấn đề nghiên cứu liên quan. Bài tổng hợp cung cấp những thông tin chung về quá trình
điều hoà di truyền giai đoạn phôi sớm.
Từ khóa: Kích hoạt bộ gen hợp tử, hợp tử, phôi, điều hoà biu hiện gen
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ở động vật có vú, sự kết hợp giữa giao tử đực và giao tử cái là bắt nguồn cho sự hình thành
một cá thể mới với dạng sống đầu tiên là hợp tử (Messinis và nnk, 2016). Hợp tử sẽ bắt cầu phân
cắt mạnh và phân chia thành các nhóm tế bào đa chức năng, cấu trúc này gọi là phôi (Buzollo và
nnk, 2010). Quan sát trên các loài động vật khác nhau, các nhà khoa học nhận thấy sự giống nhau
giữa các cá thể trong quá trình hình thành và phát triển phôi, sự khác biệt giữa các loài được bắt
đầu ghi nhận trong giai đoạn hình thành các cơ quan và sự phát triển con non (Minelli, 2011;
Suwińska và nnk, 2019). Quá trình này có thể chia thành các giai đoạn chính: giai đoạn phân cắt
hợp tử, giai đoạn phôi vị hoá và giai đoạn hình thành các cơ quan (Suwińska và Ajduk, 2019).
Trong đó quá trình phân cắt hợp tử đóng vai trò bắt nguồn cho mọi hoạt động sống của phôi khi
cho phép thống nhất bộ gen và tổng hợp lần đầu cho các sản phẩm nội bào (Schulz và nnk, 2019).
Những bất thường trong việc phân cắt hợp tử dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng thường là gây
chết phôi (Burruel và nnk, 2014). Quá trình kiểm soát phân tử trong giai đoạn này là rất phức tạp
và phụ thuộc chính vào các yếu tố điều hoà biểu hiện có sẵn trong phôi khi bộ gen của phôi chưa
được kích hoạt (Burruel và nnk, 2014). Việc nắm bắt được cụ thể con đường tín hiệu trong phôi
tiền làm tổ thì có ý nghĩa quan trọng trong khoa học và y học tái tạo. Tuy vậy, sự phức tạp và
chính xác trong lập trình của phôi đã tạo ra nhiều rào cản, thách thức các nhà khoa học trong quá
trình tìm hiểu chúng. Bài tổng hợp này sẽ cung cấp các thông tin tổng hợp nhất về sự phát triển
giai đoạn phôi sớm với sự phân cắt và kích hoạt hoạt động của bộ gen hợp tử.
2. HỆ THỐNG PROTEIN VÀ MRNA TRONG TẾ BÀO CHẤT PHÔI
Trong quá trình phân cắt phôi bào ban đầu, bên cạnh việc cung cấp vật liệu di truyền là
giao tử đơn bội, tế bào trứng còn cung cấp nhiều thành phần then chốt khác trong quá trình hình
thành và phát triển của hợp tử thành phôi, các thành phần này bao gồm các mRNA và các
50
protein có chức năng liên quan (K. Chen và nnk, 2024). Quá trình chuyển đổi vật liệu di truyền
từ mẹ sang hợp tử (maternal-to-zygotic transition – MZT) đặc trưng bởi nhiều yếu tố nhưng có
thể chia thành hai vai trò chính: vai trò thứ nhất là điều hòa, dịch mã hệ mRNA từ tế bào trứng
và biến đổi các sản phẩm sau dịch mã; vai trò thứ hai được xem xét là quá trình kích hoạt bộ
gen của hợp tử (Tadros và nnk, 2009).
Hình 1. Trong giai đoạn phân cắt hợp tử sớm, th tích phôi hầu như không thay đổi, chỉ tăng
số lượng tế bào
Trên thực tế các mRNA mã hóa cho hầu hết các loại protein trong tế bào đều xuất hiện
trong trứng, số lượng các RNA này còn dao động tùy loài, tuy nhiên hầu hết chúng sẽ được bất
hoạt và chỉ để lại một số mRNA hoạt động cụ thể (Vastenhouw và nnk, 2019). Có nhiều phương
thức tham gia vào quá trình điều hòa này bao gồm sử dụng RNA Binding Protein (RBPs),
miRNA, các dấu ấn di truyền biểu sinh và sự tối ưu hóa codon dịch mã (Vastenhouw và nnk,
2019). Các RBPs tham gia điều hòa bằng cách bám ức chế hoặc hoạt hóa sự hoạt động của
mRNA. Điển hình là sự bám của protein YBX1 lên nhiều loại mRNA khác nhau (bao gồm cả
mRNA của p53 và PCNA – tiểu phần peptide giúp giữ DNA polymerase δ lên trên mạch DNA)
gây ức chế dịch mã từ đó điều hòa lượng protein được tạo ra để đảm bảo biệt hóa hợp tử được
diễn ra bình thường (Homer và nnk, 2005). Bên cạnh chức năng gây ức chế thì một số RBPs
cũng tham gia vào quá trình hoạt hóa tổng hợp protein như MSY2 giúp ổn định sự tồn tại của
mRNA trong quá trình phân cắt của hợp tử ở chuột (Vastenhouw và nnk, 2019). Các miRNA
tham gia như một chỉ dấu nhận biết cho tế bào nhằm phân cắt các mRNA không cần thiết trong
giai đoạn đầu của hợp tử (Liang và nnk, 2017). mRNA trong tế bào Eukaryote được đặc trưng
bởi đuôi PolyA đầu 3’OH và mũ chụp 5’P nhằm bảo vệ mRNA khỏi các tác nhân phân hủy
(Niedzwiecka và nnk, 2004). Trong điều kiện bình thường, đa số các mRNA tồn tại ở dạng
mạch đơn và đôi khi có các cấu trúc thứ cấp, tuy nhiên sự liên kết với miRNA tạo thành cấu
trúc mạch đôi là một chỉ dấu đặc hiệu cho tế bào nhận biết và phân cắt các mRNA này (Ying
và nnk, 2008). Trong giai đoạn phát triển sớm của hợp tử ếch, hàng loại các nhân tố miR-427
được phát hiện và đóng vai trò điều hoà quan trọng trong giai đoạn này (Lund và nnk, 2009).
Một số nghiên cứu gần đây cũng cho thấy tRNA cũng là thành phần có vai trò điều hoà trong
suốt quá trình phân cắt hợp tử (X. Chen và nnk, 2020). Nhiệm vụ nổi bật của tRNA thường
được biết đến là vận chuyển các amino acid trong quá trình dịch mã, tuy nhiên các nhà khoa
học cũng phát hiện các đoạn RNA nhỏ có nguồn gốc từ tRNA (gọi là tsRNA) tham gia tích cực
trong quá trình điều hoà biểu hiện gen và retrotransposon trong gia đọan phôi sớm ở lợn (X.
Chen và nnk, 2020). Ngoài ra các yếu tố tham gia vào việc thiết lập các dấu ấn di truyền biểu
sinh như methyl hoá, acetyl hoá cũng đóng vai trò tích cực trong quá trình phân cắt hợp tử
(Vastenhouw và nnk, 2019). Nhìn chung đây là giai đoạn được kiểm soát nghiêm ngặt với các
yếu tố cần thiết được chuẩn bị đầy đủ trong tế bào chất trứng mẹ, các thành phần này sẽ được
điều hoà về số lượng và chức năng sau khi sự thụ tinh được diễn ra nhằm đảm bảo quá trình
kích hoạt bộ gen mới hình thành diễn ra thuận lợi (Vastenhouw và nnk, 2019).
51
Hình 2. miRNA tham gia điều hoà biu hiện protein bằng cách liên kết hoàn toàn hoặc
một phần lên mRNA đích
Khi nghiên cứu sự mã hóa protein của hợp tử trong quá trình phát triển thành phôi người ta
thấy có sự chia đợt mã hóa rõ rệt (Vastenhouw và nnk, 2019). Giai đoạn 1 là sự giảm biểu hiện
của hàng loạt các mRNA không cần thiết đã được đề cập bên trên trong khi các mRNA cần thiết
từ tế bào trứng vẫn được giữ lại, các mRNA này liên quan nhiều đến sự ổn định cấu trúc gen, biểu
hiện protein và kéo dài chu trình tế bào, tuy nhiên các nhóm gen này cũng nhanh chóng giảm biểu
hiện và bị phân hủy trong giai đoạn thứ 2 (Fu và nnk, 2019; Gao và nnk, 2017). Giai đoạn 3 ghi
nhận sự tăng mạnh của hoạt động mã hóa từ genome của phôi (Fu và nnk, 2019).
3. SỰ KÍCH HOẠT BỘ GEN CỦA HỢP TỬ
Quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử (Zygotic genome activation – ZGA hay Embryo
genome activation - EGA) là sự kết hợp chặt chẽ nhiều yếu tố nhằm kích thích quá trình phiên
mã bộ gen vừa kết hợp của hợp tử (Schulz và Harrison, 2019). Quá trình này bao gồm các sự
kiện chính: sự thay đổi chu kỳ tế bào, tỉ lệ nhân – tế bào chất và sự thay đổi trong cấu trúc nhiễm
sắc thể (Yuan và nnk, 2023). Một đặc điểm dễ nhận thấy trong giai đoạn này là sự phiên mã
diễn ra ồ ạt cho các thành phần của tế bào ngay sau giai đoạn suy thoái phiên mã mRNA cung
cấp từ trứng mẹ đã đề cập bên trên (Schulz và Harrison, 2019).
Độ dài chu trình tế bào được các nhà khoa học tin rằng là một trong những nguyên nhân
chính ảnh hưởng lên quá trình phiên mã mRNA trong các giai đoạn đầu tiên của hợp tử (M.
Zhang và nnk, 2017). Các nghiên cứu thực tế cho thấy các đoạn mRNA được tổng hợp trong
quá trình này phổ biến là các đoạn gen không chứa intron hoặc các đoạn gen có kích thước rất
ngắn (Vastenhouw và nnk, 2019). Ở các loài cá, côn trùng, lưỡng cư thì quá trình phân cắt hợp
tử diễn ra nhanh chóng gây cản trở sự phiên mã diễn ra, chiều dài và số lượng của các mRNA
cũng bị quy định phụ thuộc vào chu kì tế bào (Vastenhouw và nnk, 2019). Song vẫn có nhiều
dẫn chứng cho thấy rằng độ dài của chu trình tế bào cũng phụ thuộc và việc mã hóa genome
của hợp tử do đó sự quy định lẫn nhau giữa hai yếu tố này vẫn còn cần phải được nghiên cứu
thêm (Vastenhouw và nnk, 2019). Trong giai đoạn đầu này sự chuẩn bị của tế bào chất từ trứng
đóng vai trò quan trọng trong đó bao gồm một lượng lớn protein histone (Ibarra-Morales và
nnk, 2021a; Vastenhouw và nnk, 2019). Histone có ái lực cao và đặc hiệu lên DNA trong việc
cuộn xoắn tạo cấu trúc nucleosome, nên nồng độ histone quá cao là rào cản lớn cho quá trình
phiên mã được diễn ra (Sokolova và nnk, 2023). Trong giai đoạn này việc phân cắt phôi diễn
ra mạnh mẽ, cùng với sự tăng lên của số lần phân bào nồng độ histone trong tế bào chất càng
giảm (Vastenhouw và nnk, 2019). Đến một giai đoạn nào đó nồng độ histone không còn đủ lớn
để gây cản trở, sự phiên mã được diễn ra (Vastenhouw và nnk, 2019). Để phiên mã được diễn
ra thì các thành phần tham gia cần phải tiếp xúc được với DNA, nhờ vào sự khử toàn bộ gốc
methyl trên bộ gen kết hợp với sự giảm nồng độ histone cùng nhiều yếu tố khác là tiền đề cho
quá trình mã hóa bộ gen phôi diễn ra (Tadros và Lipshitz, 2009).
52
4. QUÁ TRÌNH KÉO DÀI VÀ THIẾT LẬP CÁC GIAI ĐOẠN CỦA CHU KÌ TẾ BÀO
Động vật có xương sống có thể chia thành hai nhóm chính gồm nhóm đẻ trứng và các
động vật đẻ con. Phôi của động vật đẻ trứng cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho
sự phát triển của con non đến khi con non có khả năng tự nhận thức ăn từ bên ngoài, các phôi
này có chu kỳ phân chia hợp tử ngắn và phát triển nhanh chóng, trong khi phôi của động vật đẻ
con thì ngược lại (Jukam và nnk, 2017). Ở các phôi phát triển nhanh, chu kì tế bào thường diễn
ra ngắn nhằm mục tiêu nhân nhanh số lượng tế bào trước khi hình thành phôi vị, và điều này
gây cản trở lớn cho quá trình phiên mã diễn ra (Farrell và nnk, 2014). Sự phân bào hoàn toàn
được thúc đẩy và diễn ra nhờ các thành phần đã được có sẵn trong tế bào chất trứng mẹ
(Vastenhouw và nnk, 2019). Chu kì tế bào trong giai đoạn này thiếu hụt hai pha G1 và G2, chỉ
tồn tại pha M và S, sự tổng hợp các thành phần tế bào không được diễn ra (Kermi và nnk, 2019).
Sự xuất hiện của pha G1, G2 được ghi nhận sau một số lần phân bào nhất định (Kermi và nnk,
2019). Sự kéo dài pha S và xuất hiện hai pha G1, G2 được ghi nhận từ chu kì phân bào lần thứ
10 ở cá ngựa vằn, chu kì thứ 12 ở lưỡng cư (Ikegami và nnk, 1999; Iwao và nnk, 2005). Theo
các nghiên cứu thì sự biểu hiện gen trong phôi đã diễn ra trước khi có sự kéo dài pha S, tuy
nhiên khi pha S được kéo dài thì mới có sự bùng nổ phiên mã của bộ gen (Jukam và nnk, 2017).
Các gen biểu hiện sớm thường là các miRNA tham gia vào quá trình ức chế RNA tồn đọng của
trứng mẹ, các gen mã hoá thành phần dịch mã, các gen mã hoá cho yếu tố liên kết và điều hoà
phiên mã khác (Jukam và nnk, 2017).
Hình 3. Chu kì tế bào thay đổi trong quá trình phát trin phôi sớm tạo điều kiện cho
quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử diễn ra
Ở các phôi phát triển chậm (đặc trưng ở động vật có vú) thì sự phát triển phôi chia thành
hai giai đoạn trước và sau phôi vị (Kermi và nnk, 2019). Tương tự các phôi phát triển nhanh thì
trong giai đoạn ban đầu sự tăng sinh, sự tăng lên về số lượng tế bào không đi kèm với sự tăng
lên về thể tích hay kích thước của phôi (Jukam và nnk, 2017). Ở các phôi phát triển chậm thì
chu kì phân bào diễn ra chậm hơn nhiều so với các phôi phát triển nhanh, chu kì phân bào đầu
tiên của phôi ở động vật có vú là 18 – 36 giờ và sau đó phân chia sau mỗi 12 – 24 giờ đến khi
hình thành phôi nang (Vastenhouw và nnk, 2019). Các nghiên cứu trên chuột cho thấy các gen
được biểu hiện cụ thể ở từng giai đoạn phôi thai, sau khi thụ tinh thì giao tử của chuột đực và
chuột cái vẫn ghi nhận tồn tại độc lập ở các khoang riêng biệt gọi là pronuclei và hợp nhất 20
giờ sau đó (Jukam và nnk, 2017). Các gen mã hóa đầu tiên được ghi nhận là ở pha G2 trong
pronuclei của giao tử đực và tận đến chu kì phân bào thứ 3 thì quá trình dịch mã mới diễn ra
một lần nữa (Vastenhouw và nnk, 2019). Ở người quan sát thấy không có quá nhiều sự biểu
hiện gen ở hai giai đoạn phân bào đầu tiên (giai đoạn hợp tử và giai đoạn 2 tế bào) mà chỉ là
các điều chỉnh, điều hòa các sản phẩm từ trứng của mẹ (Jukam và nnk, 2017). Quá trình ZGA
diễn ra mạnh mẽ sau lần phân chia thứ 3 với khoảng 2500 gen được mã hóa và sau đó là khoảng
2500 gen tiếp theo sau chu kỳ phân chia thứ 4 (Jukam và nnk, 2017).
53
5. MẤT CÂN BẰNG TỶ LỆ NHÂN SO VỚI TẾ BÀO CHẤT
Như các đề cập bên trên, trong các giai đoạn phôi sớm, hầu như sự phân cắt diễn ra không
đồng thời với sự tăng trưởng về kích thước (Jukam và nnk, 2017). Điều này đồng nghĩa với việc
sẽ có càng nhiều tế bào cùng chia sẻ lượng tế bào chất ban đầu trong khi tỉ lệ DNA được tổng
hợp ra là tăng theo hàm mũ hai. Nhiều mô hình đã chứng minh tỷ lệ nhân: tế bào chất
(Nuclear/Cytoplasmic Ratio – N:C) là một động lực quan trọng kích thích việc hoạt hóa bộ gen
phôi trông qua việc điều chỉnh hệ checkpoint của chu kì tế bào, quá trình này kích thích thông
qua con đường truyền tín hiệu của ATR/CHK1 (Olivetta và nnk, 2023; Syed và nnk, 2021).
Hầu như tất cả các thành phần cần thiết cho việc kiểm soát chu trình tế bào đều có sẵn trong
phôi, tuy nhiên do nhiều lý do như bị chất ức chế, thiếu động lực kích thích mà vẫn không hoạt
động trong các giai đoạn phôi sớm (Yuan và nnk, 2023). Các nghiên cứu trên phôi ếch bằng sự bổ
sung lượng lớn các oligo, plasmid với nhiều mức độ khác nhau gây ra các đáp ứng trong sự kích
hoạt hoạt động của ATR (Pogoriler và nnk, 2004). Từ đó cho thấy rằng sự tăng lên của tỷ lệ N:C
tạo áp lực phù hợp cho việc kích hoạt các yếu tố kiểm soát chu trình tế bào (Pogoriler và Du, 2004;
Yuan và nnk, 2023). Tín hiệu tăng quá mức tỉ lệ DNA tác động tương tự như xuất hiện các sai
hỏng DNA trong tế bào, từ đó kích thích ATR kinase kích hoạt hoạt động của CHK1 (Checkpoint
kinase 1) bằng cách phosphoryl hóa chúng (Pogoriler và Du, 2004). CHK1 hoạt hóa sẽ tiến hành
thực hiện nhiều chức năng hoạt hóa khác nhau trong đó có sự phosphoryl hóa p53 (Ou và nnk,
2005). p53 được hoạt hoá hóa sẽ mất đi cấu trúc tương tác với mdm2 (nhân tố ức chế p53) và tiến
hành khởi động phiên mã cho p21 (Sengupta và nnk, 2022). p21 hoạt động như nhân tố ức chế
phức hợp Cdk2/E làm cho tế bào bị dừng lại ở trước hoặc trong pha S2 (Brugarolas và nnk, 1998).
Trong quá trình tạo hợp tử, một lượng lớn histone đã được chuẩn bị nhằm phục vụ cho
sự phát triển phôi sớm. Sự đậm đặc của nồng độ histone có trong tế bào làm cấu trúc DNA được
xoắn chặt ngăn cho quá trình phiên mã diễn ra (Vastenhouw và nnk, 2019). Sự phân cắt hợp tử
diễn ra kèm theo sự giữ nguyên về thể tích, nồng độ histone được phân bố vào các tế bào con
trở nên ít dần, từ đó tạo điều kiện cho các yếu tố phiên mã tiếp xúc và thực hiện chức năng
(Vastenhouw và nnk, 2019).
6. DẤU ẤN DI TRUYỀN BIỂU SINH TRONG QUÁ TRÌNH ZGA
Những chuyển biến đáng ghi nhận của cấu trúc nhiễm sắc thể hầu như xảy ra trước khi
sự phiên mã ồ ạt diễn ra trong ZGA (Vastenhouw và nnk, 2019). Hợp tử hình thành từ sự kết
hợp không đồng đều giữa giao tử đực và giao tử cái, giao tử cái có nhiệm vụ cung cấp luôn cả
môi trường tế bào chất với đầy đủ các thành phần chức năng (Siu và nnk, 2021). Khả năng
phiên mã ban đầu của giao tử đực là cao hơn nhiều so với giao tử cái trong giai đoạn phôi sớm
(Breton-Larrivée và nnk, 2019). Sự kết hợp giữa hai giao tử đòi hỏi sự tái cấu trúc nhiễm sắc
thể một cách toàn diện để hình thành cấu trúc nhiễm sắc thể mới kế thừa từ cá thể bố, mẹ
(Breton-Larrivée và nnk, 2019). Giai đoạn có sự tái cấu trúc nhiễm sắc thể mạnh mẽ nhất diễn
ra khi phôi 1 đến 2 tế bào (Vastenhouw và nnk, 2019). Quan sát thấy cấu trúc nhiễm sắc thể
phân tán và cực kì linh động ở giai đoạn 1 tế bào sau đó thì bắt đầu cô đặc sau khi bước sang
giai đoạn 2 tế bào, trong đó nhiễm sắc thể có nguồn gốc từ bố có tính linh động cao hơn so với
nhiễm sắc thể từ mẹ điều này làm cho chúng dễ dàng tiếp cận với DNA polymerase nhóm I,
đây là lý do một số gen biểu hiện giai đoạn này có nguồn gốc từ nhiễm sắc thể từ bố (Mu và
nnk, 2022; Yuan và nnk, 2023). Với mức độ giãn xoắn cao, cấu trúc thượng nguồn các gen lỏng
lẻo vì thế một số gen được mã hóa trong giai đoạn này không cần các nhân tố xúc tác (thông
thường là các nhóm protein hỗ trợ giãn xoắn), tuy nhiên sang giai đoạn 2 tế bào thì việc tiếp
cận phiên mã trở nên khó khăn hơn do nhiễm sắc thể đóng xoắn và cô đặc lại khi này cần có
các yếu tố hỗ trợ phiên mã (Schulz và Harrison, 2019; Yuan và nnk, 2023).