Tính bất tử của tế bào sinh dục

Cho đến cuối thế kỷ thứ 19 cái chết vẫn là một chủ đề thường trực của các triết gia và các nhà lý luận. Phải đến năm 1892, với đề xuất của August Weismann, một trong những nhà di truyền học vĩ đại đầu tiên, cái chết mới trở thành vấn đề nghiên cứu khoa học. Theo lý thuyết nổi tiếng của ông, phần lớn cơ thể động vật đa bào có hai nhóm tế bào khác nhau về chức năng sống. Các tế bào thể (soma) bảo đảm nuôi dưỡng, vận chuyển, tự vệ và phối hợp hoạt động trong khi cách tế bào sinh lo việc sinh sản. Các tế bào thể có tuổi thọ giới hạn còn các tế bào sinh, hiểu theo một nghĩa nào đó, là bất tử bởi chúng tồn tại mãi từ thế hệ này sang thế hệ khác. Giải thích sự sai khác này như thế nào?

Những bước đi đầu tiên

Các nghiên cứu về tử vong khởi sắc vào đầu thế kỷ này sau khi có kỹ thuật cho phép cấy các tế bào của người trong ống nghiệm. Sau một thời gian dài được đánh dấu bằng các kết quả trái ngược nhau, người ta đã tin rằng các tế bào thể chỉ có một số lần phân chia hạn chế khi nuôi cấy chúng.

Khả năng sinh sản của tế bào thể khác nhau tuỳ loài. Ở người, ước tính dòng tế bào thể bắt nguồn từ trứng có thể phân chia tối đa 100 lần. Đây là con số đáng kể bởi vì số tế bào bắt nguồn từ một trứng của người sau 100 lần phân chia liên tiếp với tế bào có kích thước không đổi và không bị mất đi sẽ lấp đầy một khối cầu có đường kính 100km và nặng khoảng 10 ¹⁵tấn! Phép tính đơn giản này đủ để thấy rằng phần lớn các tế bào của chúng ta không bao giờ khai thác hết khả năng sinh sản của chúng. Chỉ có các tế bào nguồn như tế bào máu, tế bào thành ruột non là có thể sinh sản suốt đời sống của mỗi cá thể. Khi đã hoàn thành hết số lần phân chia dành cho nó, các tế bào này bắt đầu hoạt động rối loạn, gọi là lão hoá. Chúng ta biết hệ thống miễn dịch kém dần cùng với tuổi tác bởi vì hoạt động của chúng dựa trên sự tăng bội tế bào limphô.

Một sự suy giảm không bình thường khả năng nhân bội tế bào gặp ở một vài bệnh nhân chóng già và chết yểu. Các bệnh này do các đột biến gây rối loạn các quá trình sinh học cơ sở kéo theo sự rối loạn trong phân chia tế bào. Đặc trưng nhất là hội chứng đều do mất chức năng tác động đến 1 gen và gây lão hoá rất nhanh của tế bào. Trong hội chứng Werner, các tế bào của mô liên kết lấy từ người bệnh sau khoảng 20 lần phân chia thì dừng, so với 60 lần phân chia ở tế bào tương ứng của người bình thường.

Sự lão hoá

Nhưng tế bào thể không chỉ chịu lão hoá lặp lại (sénescence réplicative). Nhiều tế bào thể ngừng phân chia khi đạt kích thước nhất định. Từ đấy hoạt động của chúng bị rối loạn dần do chúng bị mọi loại thương tổn. Oxy và các sản phẩm phụ của chúng là nguyên nhân chủ yếu gây tình trạng ngừng sinh sản. AND và các lipid màng là các mục tiêu chính của các chất gây hại này.

Vậy thì các tế bào sinh tránh sự lão hoá lặp lại và tránh tác hại oxy hoá có thể xẩy ra làm xáo trộn hoạt động của chúng bằng cách nào? Các nhà sinh học bắt đầu hiểu được các tề bào đã tránh các tai hoạ có tính định mệnh đó như thế nào? Lão hoá là do các nhiễm sắc thể của nhân chuẩn (với cấu trúc thẳng chứ không phải vòng như nhiễm sắc thể của vi khuẩn) thu ngắn lại sau mỗi lần nhân bản. Phần nằm ở hai đầu của nhiễm sắc thể gọi là telome (đoạn cuối, thể kèm), một trong 2 đoạn cấu trúc nên AND không có khả năng sao bản đến cùng. Kết quả là vật chất di truyền bị mất dần. Ở người ước tính cứ mỗi lần phân chia mỗi nhiễm sắc thể rút ngắn khoảng 100 cặp bazơ (cb) tức là khoảng 6000 cb cho một thế hệ đực và 2500 cb cho một thế hệ cái vì tương ứng chúng có trung bình 62 và 25 lần phân chia để cho một tinh trùng hoặc một noãn tính từ trứng. Sự xói mòn telome phải được bổ sung bằng cách này hay cách khác, thiếu cái đó nhiễm sắc thể không thể hoạt động chính xác. Một cơ chế bổ sung được sử dụng một cách rất rộng rãi ở nhân chuẩn nhờ đến một enzim riêng gọi là telômeraza, kéo dài AND của nhiễm sắc thể.

Enzim hoá

Ở động vật có vú telomeraza hoạt động trong trứng và trong phôi cho đến một giai đoạn khó xác định chính xác. Tiếp theo là sự phân nhánh: tế bào thể ngừng tổng hợp enzim còn tế bào sinh thì vẫn tiếp tục. Kết quả là các nhiễm sắc thể của tế bào thể ngắn lại sau mỗi lần phân chia còn nhiễm sắc thể của các tế bào sinh vẫn giữ chiều dài ổn định.

Một vài quan sát cho phép nghĩ rằng có quan hệ nhân quả giữa telomeraza với khả năng bất tử của tế bào. Nghiên cứu các tế bào nguồn của phôi chuột nhắt lấy từ phôi non đã cho các dẫn liệu quý. Các tế bào này có 2 đặc trưng cơ bản của trứng và của tinh trùng: bất tử và có một telomeraza hoạt động. Nhưng nếu bằng một loạt các thao tác chúng ta loại bỏ tất cả các khả năng tổng hợp telomeraza, các tế bào này sẽ bắt đầu lão hoá sau một vài lần phân chia. Người ta cũng đã thành công trong tạo các chuột nhắt mất telomeraza. Chúng phát triển bình thường nhưng hậu duệ của chúng bị chết sau 6 thế hệ giao phối cận huyết. Quá trình sinh tinh không xảy ra được bởi vì các nhiễm sắc thể cứ mất dần đi sau mỗi thế hệ đến nỗi telome của các tế bào sinh dục đực hoàn toàn bị xói mòn. Lý lẽ thứ ba chứng minh vai trò của telomeraza trong các hiện tượng tử vong của tế bào bắt nguồn từ các nghiên cứu tế bào ung thư. Nhiều khối u được hình thành từ các tế bào có khả năng sinh sản không ngừng trong ống nghiệm. Các tế bào lưu giữ các telome chưa sử dụng bởi vì chúng lại tổng hợp được telomeraza.

Tử vong của các tế bào có thể ứng với hoạt động của các gen thiếu trong các tế bào bất tử.

Trên quan điểm tiến hoá – đáng ngạc nhiên là điều này có thể xảy ra - tử vong của tế bào có thể gắn với các gen bổ sung mà các gen này không có trong các tế bào bất tử. Ý tưởng này dựa trên phân tích các hiện tượng mà tế bào thể trở thành bất tử. Để chuyển một tế bào bình thường thành tế bào bất tử lấy từ người, ít nhất cần có một đột biến có hiệu quả bất hoạt một hay nhiều gen có chức năng ngăn cản tổng hợp telomeraza. Lúc bấy giờ enzim lại xuất hiện đã làm cho tế bào sinh sản không ngừng. Để làm cho các tế bào khác trở thành bất tử chỉ cần buộc chúng sản sinh ra telomeraza, điều không xẩy ra trong điều kiện bình thường.

Một đặc điểm trội.

Chức năng đạt được có tính chất giả định do ưu thế của tử vong tế bào so với bất tử được phát hiện từ nhiều thí nghiệm về di truyền kiểu thể (génétique somatique) trên tế bào của người. Khi ép một tế bào tử vong phối hợp với một tế bào bất tử, hầu như tế bào lai bao giờ cũng tử vong. Thí nghiệm này được giải thích bằng giả định rằng tế bào thứ nhất đã cung cấp cho tế bào thứ hai các chức năng gây khuyết tật dưới dạng các sản phẩm đủ sức ngăn cản việc tổng hợp telomeraza. Các thí nghiệm khác về phối hợp tế bào đã cho phép xác định 4 nhiễm sắc thể khác nhau mà việc chuyển chúng từ một tế bào tử vong sang một tế bào bất từ là đủ để tái thiết tính tử vong.

Để hiểu tính bất tử, có thể tìm hiểu thêm nguồn gốc của nó. Rõ ràng là tất cả đa bào đều có phần thể (soma) tử vong, ngay cả đối với các nhóm có sinh sản vô tính thứ sinh, và trong trường hợp này phần sinh rất khó phân biệt với phần thể. Chính vì chúng phổ biến, tính tử vong có thể được coi là đặc điểm nguyên thuỷ mà tổ tiên chung của động vật đã đạt được và giữ lại cho con cháu. Thật ra tính tử vong không phải là sản phẩm riêng của đa bào. Hiện tượng tương tự đã gặp ở 3 nhóm nhân chuẩn đơn bào xa nhau, xuất hiện trước đa bào hàng trăm triệu năm: Trùng lỗ, Trùng cỏ và Trùng roi thực vật. Trong 2 nhóm đầu, tính bất tử là hiện tượng nhân, đến bất chợt trong các tế bào có nhiều nhân. Trường hợp thứ ba là hiện tượng tế bào, xẩy ra trong tập đoàn. Tất cả các cơ thể này đều có 2 loại nhân hoặc 2 loại tế bào, loại này kiểm tra hoặc thực hiện các chức năng thể như dinh dưỡng và chuyển vận, loại khác bảo đảm sinh sản.

Tìm về nguồn cội.

Trùng lỗ là các sinh vật sống ở biển có vỏ nhiều lỗ bọc ngoài. Chúng có vòng đời phức tạp. Hợp tử phát triển thành một tế bào độc nhất có nhân phân chia nhiều lần rồi lớn dần lên. Ở một số loài biệt hoá nhân là bước tiếp của phân chia nhân. Điển hình mỗi tế bào đạt được 4 nhân, một nhân lớn hơn các nhân kia, nhân này có bản chất thể còn 3 nhân kia có bản chất sinh. Khi tế bào bắt đầu phân chia, nhân thể tan biến dần. Mỗi nhân sinh phân chia 2 lần liên tiếp để cuối cùng cho 12 nhân, rồi tiếp theo là 12 tế bào mà mỗi tế bào chứa một bộ nhiễm sắc thể bị giảm đi một nửa. Mỗi tế bào này bắt đầu cuộc sống độc lập.

Đặc điểm đặc trưng của trùng cỏ là có 2 kiểu nhân: 1 hoặc nhiều nhân lớn có chức năng thể và một hoặc nhiều nhân bé có chức năng sinh. Đúng như tên gọi nhân lớn lớn hơn nhiều so với nhân bé và chứa nhiều AND hơn. Khi sinh sản hữu tính (dưới một dạng riêng gọi là tiếp hợp), nhân lớn tiêu biến dần trong khi một hay nhiều nhân bé phân chia giảm nhiễm. Sau khi tiếp hợp một hay nhiều nhân lớn lại được tái thiết. Vậy là tuổi thọ của nhân lớn bị giới hạn giữa hai lần phân chia.

Trùng roi thực vật là các tảo đơn bào, tuy trong nhóm này có nhiều loài hình thành tập đoàn với 2 loại tế bào. Khi một tập đoàn được hình thành từ một hợp tử, một số tế bào của tập đoàn này bé hơn các tế bào khác và nhanh chóng ngừng phân chia. Các tế bào này có bản chất thể. Các tế bào cỡ lớn nhất có bản chất sinh tiếp tục phân chia. Sau một thời gian tập đoàn tan rã. Các tế bào thể chết trong khi các tế bào sinh hình thành các tập đoàn mới. Ở một loài trùng roi thực vật (Volvox), quá trình chuyển thể/sinh giống như quá trình này ở người, hầu như chỉ có một gen (regA) giám sát việc khởi động biệt hoá các tế bào theo con đường thể hoặc sinh. Chỉ cần các gen này bất hoạt vì đột biến cũng đủ cho tế bào thể trở thành bất tử.

Do chỗ tính tử vong đã có ở nhân chuẩn đơn bào, nên chăng tìm hiểu nguồn gốc của tính bất tử ở nhân chuẩn đơn bào? Điều này hình như ít có khả năng bởi vì ở trùng lỗ, trùng cỏ và trùng roi thực vật cái chết của phần thể có những nét giống với tự sát, cái chết của một tế bào theo chương trình di truyền có sẵn) hơn là cái chết “bị động” do lão hoá. Vậy hình như sự tử vong đã xuất hiện độc lập trong nhiều dòng của nhân chuẩn.

Một ưu thế có tính tiến hoá.

Ta tự hỏi về ưu tế mà đa bào nguyên thuỷ đã có khi chúng đạt được một phần thể tử vong. Cho đến nay vẫn chưa có câu trả lời nào có tính thuyết phục. Một vài tác giả hình dung rằng tử vong phần thể là một hình thức che chở chống lại phát triển ung thư. Nhưng phải chăng kiểu bệnh này đã là vấn đề sống còn của các động vật đa bào đầu tiên, nhóm có tổ chức tương đối đơn giản? Hơn thế cần lưu ý rằng ở người một vài khối u hình thành từ các tế bào chết, chúng giết người bệnh trước khi các tế bào của chúng dùng hết khả năng sinh sản. Sau 40 năm kể từ khi phát hiện, người ta hiểu được rằng hiện tượng lão hoá lặp lại vẫn còn bao phủ bằng tầm màn huyền bí. Nhiều tiến bộ đã có để hiểu cơ chế của hiện tượng này chưa đủ để vén bức màn đó.

Nhiều vấn đề thực tế hơn được đặt ra cho các nhà nghiên cứu từ khi phát hiện thấy mối liên quan giữa telomeraza với tính bất tử của tế bào, tức là với tuổi thọ tiềm năng. Ví dụ có chăng ở loài người mối quan hệ giữa chiều dài của telome và kỳ vọng sống? Nói cách khác các cụ già trăm tuổi tương lai khi sinh ra liệu có telome đặc biệt dài không? Lại vẫn chưa có câu trả lời vì chưa có một nghiên cứu có hệ thống nào về vấn đề này. Có điều thu ngắn nhiễm sắc thể không phải là nguyên nhân độc nhất của tử vong tế bào. Hơn thế không có tương quan đơn giản giữa chiều dài của telome với tuổi thọ của các cơ thể khác nhau. Chuột nhắt có tuổi thọ thấp hơn chúng ta khoảng 40-50 lần lại có các telome dài hơn của chúng ta.

Nguồn: Sinh học ngày nay, số 4/2000, tr 56