Nghiên cứu mới đã tạo ra mô hình tính toán ba chiều (3D) đầu tiên của thể thoi phân bào lớn đang cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách tế bào thực vật phân chia gen khi phân chia thành hai. 

Trục phân bào là một cỗ máy phân tử giúp tách nhiễm sắc thể trong quá trình phân chia tế bào. Sự tương tác giữa các thành phần, chủ yếu là các vi ống của bộ khung tế bào và các protein điều hòa bổ sung, tạo thành một cấu trúc động bên trong tế bào chất của tất cả các tế bào nhân chuẩn (thực vật, động vật và nấm). Mặc dù có vai trò quan trọng trong quá trình phân chia tế bào, nhưng các cơ chế chính xác mà trục phân bào tổ chức và hoạt động trong quá trình phân chia tế bào vẫn chưa được hiểu đầy đủ. 

Các nhà khoa học đã có bước tiến lớn trong việc hiểu rõ hơn về cỗ máy phân tử này bằng cách tạo ra mô phỏng 3D chi tiết về thể thoi phân tử của Arabidopsis thaliana – cây mô hình chính được sử dụng trong nghiên cứu khoa học thực vật trên toàn thế giới. Kết hợp giữa mô phỏng thực nghiệm và mô phỏng máy tính, họ đang tiết lộ những yếu tố phân tử chính điều chỉnh hình dạng và chức năng của nó trong quá trình phân chia tế bào.

Được công bố trên tạp chí Developmental Cell, đây có thể là mô phỏng trục chính giống thực tế nhất cho đến nay, vì trước đây chỉ có những trục chính nhỏ hơn nhiều như trục chính được tìm thấy trong nấm men mới được mô hình hóa 3D. 

“Mô hình toàn diện này về hành vi của thể thoi phân bào mở ra cánh cửa cho những khám phá trong tương lai về vai trò của quá trình phosphoryl hóa phụ thuộc vào chu kỳ tế bào trong tế bào thực vật. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của mô hình tính toán trong việc thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về sinh học tế bào” - Tiến sĩ François Nédélec.

Không giống như tế bào động vật, sử dụng một bộ tổ chức vi ống chuyên dụng gọi là trung thể, thực vật dựa vào các phương tiện khác để tổ chức hai cực thoi phân bào của mỗi tế bào con. Các yếu tố khác như phức hợp Augmin được bảo tồn trong thực vật và động vật và nghiên cứu hiện tại chỉ ra rằng augmin là một chất điều hòa chính của chức năng thoi phân bào.

Mô hình mới do nhóm nghiên cứu liên ngành do Khoa Sinh học tại Đại học Hamburg và Phòng thí nghiệm Sainsbury tại Đại học Cambridge đứng đầu, hợp tác với các nhà nghiên cứu khác từ Đức, Anh, Pháp và Bỉ, phát triển không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các quá trình này mà còn cung cấp một khuôn khổ mạnh mẽ để khám phá cách thực vật kiểm soát sự phân chia tế bào. 

Thoái phân bào ở thực vật

Để một tế bào phân chia thành công sau khi phát triển, nó cần di chuyển các nhiễm sắc thể đã nhân đôi của mình vào đúng vị trí để một bộ nhiễm sắc thể bằng nhau kết thúc ở mỗi tế bào con. Ở hầu hết các tế bào động vật và nấm, các vi ống của thoi phân bào được tạo thành từ trung thể hoặc thể cực của thoi phân bào. Tế bào thực vật không có các trung tâm tổ chức vi ống có cấu trúc như vậy và người ta biết rất ít về sự hình thành thoi phân bào ở thực vật hoặc cách chúng phân tách nhiễm sắc thể thành các tế bào con kết quả. 

Nhiều nghiên cứu về phân chia tế bào đã sử dụng ếch Xenopus laevis hoặc nấm men bánh mì Saccharomyces cerevisiae làm hệ thống mô hình. Tuy nhiên, thoi phân bào ở ếch rất lớn (40µm) và chứa khoảng 300.000 vi ống. Kích thước này khiến cho việc mô phỏng bằng máy tính trở nên cực kỳ khó khăn. Ngược lại, thoi phân bào ở nấm men tương đối nhỏ (1,4µm) và chỉ được hình thành bởi khoảng 40 vi ống. Thoái phân bào của Arabidopsis thaliana, một mô hình được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu thực vật phân tử, nằm giữa hai cực này với chiều dài khoảng 8µm và 2.000 vi ống. 

Mô hình mới này làm nổi bật vai trò của KINASE B1 PHỤ THUỘC CYCLIN (CDKB1) và đối tác CYCB3;1 của nó, kiểm soát hình thái thoi phân bào thông qua tương tác của chúng với phức hợp augmin. 

Phức hợp augmin, cụ thể là thành phần ENDOSPERM DEFECTIVE1 (EDE1) của nó, được xác định là mục tiêu của phức hợp CDKB1-CYCB3;1. Tương tác này rất quan trọng để duy trì cấu trúc thoi phân bào thích hợp, vì đột biến ở EDE1 dẫn đến thoi phân bào dài, tương tự như những gì được quan sát thấy ở các đột biến CDKB1 và ​​CYCB3;1. 

Những phát hiện này đã được xác nhận thêm thông qua việc phát triển một mô hình 3D động sử dụng Cytosim, một công cụ mô phỏng bộ khung tế bào nguồn mở được phát triển trong nhóm của tiến sỹ François Nédélec. Tiến sỹ Nédélec giải thích: “Tơ nhân bám vào nhiễm sắc thể thông qua các phức hợp protein gọi là kinetochore, đảm bảo sự sắp xếp và phân ly nhiễm sắc thể chính xác. Quá trình này rất cần thiết để duy trì sự phân bố chính xác của vật liệu di truyền trong quá trình nguyên phân. Sử dụng mô phỏng trong Cytosim, chúng tôi đã có thể giảm mức độ augmin, dẫn đến bất thường về tơ nhân, phản ánh những bất thường thấy ở thực vật đột biến”. 

Mô phỏng cung cấp cái nhìn chi tiết về cách các protein khác nhau tương tác trong quá trình nguyên phân, bao gồm kinesin di chuyển vi ống và katanin, một protein điều chỉnh độ dài trục phân bào bằng cách cắt đứt vi ống. 

Tiến sỹ Helen Saville và Claire Jacquerie đã nghiên cứu mở rộng Cytosim để tạo ra mô hình động lực thoi phân bào chính xác về mặt định lượng ở dạng 3D trong rễ cây Arabidopsis. Tiến sỹ Saville giải thích về những thay đổi mà họ đã thực hiện: “Ngoài chuyển động Brown và độ đàn hồi uốn cong sợi, chúng tôi đã thêm quá trình hình thành vi ống thông qua ba con đường, kinetochore, pole-induced và augmin-mediated, mỗi con đường có các đặc tính và hành vi động lực cụ thể để phù hợp với thoi phân bào rễ cây”.

Một mô hình thoi phân bào được tìm thấy trong rễ cây. Nhiễm sắc thể, được biểu diễn ở đây bằng thể động (hai hình cầu cho mỗi nhiễm sắc thể), nằm ở giữa hình ảnh. Xung quanh chúng, các vi ống (các đường màu vàng, trắng và xanh lam) sắp xếp thành một khung cơ học chắc chắn. Các vi ống, là các thành phần cấu trúc chính của khung, được kết nối thêm bằng nhiều động cơ phân tử khác nhau thuộc họ kinesin (màu xanh lam, vàng, hồng). Ở mỗi bên của thoi phân bào là một cực nơi có nhiều đầu vi ống. Ở giai đoạn trung gian được thể hiện, các nhiễm sắc tử chị em được gắn vào nhau (các hạt từ một cặp được kết nối), nhưng khi kỳ sau bắt đầu sau đó vài phút, các liên kết này sẽ bị phá vỡ và các nhiễm sắc tử sẽ tách ra dọc theo trục thoi phân bào, tạo ra hai nhóm gen bằng nhau gần các cực, cuối cùng sẽ được các tế bào con thừa hưởng.

Giáo sư, tiến sỹ Arp Schnittger từ Khoa Sinh học tại Đại học Hamburg cho biết thêm: "Chúng tôi cũng ngạc nhiên về khả năng mô phỏng dữ liệu thực nghiệm của mình. 

Trong tương lai, giáo sư Schnittger và nhóm của ông muốn nghiên cứu cách các vi ống bám vào nhiễm sắc thể. "Mô phỏng này sẽ là một công cụ quan trọng đối với chúng tôi và hy vọng cũng là công cụ quan trọng đối với nhiều đồng nghiệp trong lĩnh vực thực vật và hơn thế nữa để hiểu rõ hơn về quy định phân ly nhiễm sắc thể", Schnittger kết luận. 

Tiến sỹ Nédélec cho biết: "Mô hình toàn diện về hành vi của thoi phân bào này mở ra cánh cửa cho những khám phá trong tương lai về vai trò của quá trình phosphoryl hóa phụ thuộc vào chu kỳ tế bào trong tế bào thực vật. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của mô hình tính toán trong việc thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về sinh học tế bào". 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.