16. SINH SẢN Ở ĐỘNG VẬT - amibosi (done)

Mục tiêu:

- Liệt kê được các hình thức sinh sản vô tính ở động vật.

- Trình bày được cơ sở di truyền của xác định giới tính ở động vật.

- Trình bày được ảnh hương của hoocmon lên sự xác định giới tính.

- Trình bày được các nhân tố môi trường gây ảnh hưởng lên xác định giới tính ở động vật.

- Vẽ được sơ đồ sinh tinh và sinh trứng.

- Trình bày được quá trình thụ tinh và tạo hợp tử.

- Nắm được các ứng dụng trong sinh sản động vật nuôi và kế hoạch hóa gia đình ở con người.

8.1. SỰ SINH SẢN VÔ TÍNH Ở ĐỘNG VẬT

8.1.1. Các hình thức sinh sản vô tính ở động vật

Đối với động vật, sinh sản vô tính thường chỉ có ở động vật bậc thấp như thủy tức (do sự nảy chồi), giun dẹt (do sự tái sinh của một phần cơ thể thành cơ thể toàn vẹn). Đối vời động vật bậc cao thì rất hiếm quan sát thấy sinh sản vô tính, còn sự tái sinh chỉ là để khôi phục lại phần cơ thể bị tổn thương hoặc bị mất (ví dụ: Tái sinh da khi da bị tổn thương, thằn lằn tái sinh đuôi khi bị mất đuôi, v.v...). Sự sinh đôi cùng trứng ở người có thể xem là một hình thức sinh sản vô tính vì một trứng được thụ tinh có bộ nhiễm sắc thể 2n qua phân bào nguyên nhiễm cho ra tế bào con (2 phôi bào) giống nhau và từ mỗi tế bào con này phát triển thành cơ thể riêng biệt giông hệt nhau về mặt di truyền.

Sinh sản vô tính tuy không tạo ra đa dạng di truyền, nhưng trong nhiều trương hợp cũng tạo nên ưu thế cho động vật. Ví dụ, tạo nên số lượng con rất nhiều trong thời gian ngắn để xâm chiếm vùng phân bố rộng, vẫn tạo ra thế hệ con trong trường hợp sống cô lập không có bạn đời. Sinh sản vô tính tạo ra các dạng di truyển ổn định là có lợi trong điều kiện môi trường giữ nguyên không thay đổi.

8.1.2. Nhân bản vô tính động vật

Nhân bản vô tính là thuật ngữ để chỉ quá trình hình thành cơ thể đa bào không bằng con đường sinh sản hữu tính (có sự kết hợp giữa tinh trùng và trứng để tạo ra hợp tử, từ hợp tử sẽ phát triển thành cơ thể) mà thông qua sự phát triển của tế bào soma (tế bào sinh dưỡng tạo nên các cơ quan) bằng cách phân bào nguyên nhiễm và biệt hóa tế bào thành cơ thể trong điều kiện nuôi cấy invitro. Đối với thực vật là cơ thể có khả năng sinh sản bằng phương thức sinh sản sinh dưỡng (sinh sản vô tính) từ các mô soma của rễ thân lá thì kỹ thuật nhân bản vô tính invitro không có gì khó khăn phức tạp. Nhưng đối với đa số động vât sinh sản bằng phương thức hữu tính thì kỹ thuật nhân bản có nhiều thủ thuật đặc biệt: đó là kỹ thuật chuyển nhân (nuclear transfert).

a) Kỹ thuật chuyển nhân

Trong nhân của tế bào soma có chứa 2n nhiễm sắc thể chứa hệ gen quy định nên tất cả tính trạng của cơ thể giống như bộ nhiễm sắc thể của hợp tử. Qua quá trình phát triển, hợp tử sẽ phân bào và biệt hóa cho ra các tế bào của các mô khác nhau. Quá trình biệt hóa là thể hiện sự biệt hóa trong hệ gen theo thời gian và không gian của phôi đang phát triển dưới sự kiểm soát của các nhân tố nội và ngoại bào. Các tế bào chưa được biệt hóa được gọi là tế bào gốc (stem cells) (tế bào gốc phôi, tế bào gốc cơ thể), chúng có tiềm năng phân bào và biệt hóa, vì vậy sử dụng tế bào gốc để nhân bản vô tính là dễ thực hiện hơn so với tế bào đã biệt hóa. Những thí nghiệm đầu tiên về kỹ thuật cấy chuyển nhân để nhân bản vô tính phải thực hiện với tê bào phôi (phôi nang, phôi vị). Tại sao phải chuyển nhân? Bình thường người ta tách nhân từ tế bào cho (tế bào soma) và đem cấy chuyển vào tế bào trứng chưa thụ tinh đã bị lấy hoặc hủy nhân để tạo nên một tế bào 2n (giống như hợp tử) chứa nhân của tế bào cho và tế bào chất của tấ bào nhận (trứng đã mất nhân). Vì lẽ rằng nhân 2n của tế bào cho là tế bào soma đã biệt hóa ở mức độ nào đó do tế bào chất của nó quy định phù hợp với thời gian và không gian phát triển của phôi. Khi nhân này được cấy chuyển vào tế bào chất của trứng là môi trường giống như của hợp tử, thì nhân sẽ tái biệt hóa trở lại trạng thái như nhân của hợp tử, và hệ gen của nó sẽ hoạt hóa theo đúng chương trình phát triển do các nhân tố của trứng điều khiển.

Những thành công của nhân bản vô tính bằng cấy nhân được thực hiện ở ếch bằng cách sử dụng nhân của các tế bào soma lấy ở giai đoạn phôi. Năm 1952, lần đầu tiên 2 nhà khoa học tại Philadelphi, R. Briggs và T. King đã nhân bản vô tính con nòng nọc bằng kỹ thuật chụyển cấy nhân từ tế bào phôi nang ếch. Từ những năm 1960, J. Gordon đã nhân bản vô tính thành công con ếch trưởng thành từ nhân của tế bào ruột nòng nọc và về sau từ nhân của tế bào ruột ếch. về sau nhiều công trình nhân bản vô tính được thực hiện trên nhiầu động vật như cá và cả động vật có vú.

b) Nhân bản vô tính động vật có vú

Đối với động vật có vú là động vật thụ tinh trong và phôi phát triển trong dạ con của mẹ dưới sự nuôi dưỡng qua rau thai, vì vậy kỹ thuật nhân bản vô tính khó khăn hơn và phức tạp hơn nhiều. Từ những năm 1960 - 1980, các nhà khoa học đã thành công trong kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm để tạo nên phôi người và cấy phôi vào dạ con người mẹ và sinh ra em bé, được gọi là em bé sinh ra từ ống nghiệm (em bé đầu tiên được sinh ra bằng kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm là em Brown, một công dân người Anh từ năm 1978).

Kết hợp kỹ thuật chuyển nhân với kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm, từ năm 1983, các nhà công nghệ tế bào đã nhân bản thành công đối với chuột từ nhân lấy ở giai đoạn phôi nang, và từ năm 1984 đến 1986 thực hiện nhân bản vô tính cừu, bò, v.v... từ nhân lấy ở giai đoạn phôi. Trước năm 1992, các nhà khoa học cho rằng, đối với động vật có vú chỉ có thể nhân bản vô tính thành công với nhân lấy từ giai đoạn phôi, còn đối với nhân của tế bào soma trưởng thành thì không thể thực hiện được vì tính biệt hóa của chúng là không thể đảo ngược.

Sự kiện tháng 2 - 1997, khi báo chí công bố con cừu Dolly ra đời bằng kỹ thuật nhân bản vô tính với nhân lấy từ tế bào tuyến vú của cừu mẹ trưởng thành 6 nàm tuổi do ông I. Wilmut thực hiện tại Học viện Roslin ở Anh đã gây tiếng vang lớn trong giới khoa học và cả xã hội về nhiều phương diện. Sự thành công của Wilmut không chỉ nhờ có kỹ thuật thao tác phức tạp mà chủ yếu là do có hiểu biết sâu sắc không chỉ về sinh học phân tử mà chủ yếu về sinh học tế bào, về cơ chế điều khiển chu kỳ tế bào trong quá trình phát triển.

Tiếp theo cừu là hàng loạt động vật có vú được nhân bản vô tính như chuột, mèo, bò, lợn, dê, chó, v.v... và các nhà nhân bản vô tính tuyên bố sẽ nhân bản vô tính cả con người.

Công nghệ nhân bản vô tính được ứng dụng trong chăn nuôi tạo giống vật nuôi có năng suất cao, chất lượng tốt về sản phẩm (thịt, trứng, sữa, len, v.v...) đồng đều về tốc độ sinh trưởng, về thu hoạch sản phẩm, v.v... phục vụ cho chăn nuôi công nghiệp quy mô lớn, kết hợp với công nghệ gen tạo giống vật nuôi chống chịu bệnh tật, thích nghi với điều kiện chăn nuôi, cũng như sản xuất các sản phẩm đặc thù (thịt, trứng, sữa có chứa vacxin, chất sinh trưởng, chất dinh dưỡng quý hiếm, v.v...).

Công nghệ nhân bản vô tính được ứng dụng trong y học để tạo các mô, các cơ quan phục vụ cho liệu pháp cấy ghép mô cơ quan.

Công nghệ nhân bản vô tính người với mục tiêu sinh sản, tức là để sinh ra một con người đã được nhiều nước và Liên hiệp quốc ngăn cấm vì có thể gây ra nhiều hậu quả vi phạm đạo đức.

8.1.3. Công nghệ tế bào gốc

a) Tế bào gốc

Tế bào gốc (stem cells) là những tế bào có khả năng sinh sản và biệt hóa cho ra các tế bào biệt hóa. Người ta phân biệt các tế bào gốc phôi và tế bào gốc trưởng thành. Tế bào gốc phôi là những tế bào gốc khi biệt hóa sẽ cho ra các tế bào gốc trưởng thành và các tế bào biệt hóa của giai đoạn phát triển phôi thai. Tế bào gốc trưởng thành là những tế bào gốc của cơ thể trưởng thành, có khả năng sinh sản và biệt hóa cho ra các tế bào biệt hóa của mô cần thay thế, tái sinh. Người ta phân biệt tế bào gốc soma (sản sinh và biệt hóa cho ra các tế bào của các mô, như tế bào gốc da, tủy xương, v.v...) và tế bào gốc sinh dục (sản sinh và biệt hóa cho ra các giao tử).

Tùy theo mức độ về tiềm năng biệt hóa, người ta còn phân biệt: tế bào gốc toàn năng (là tế bào gốc có khả năng sinh sản và biệt hóa cho ra tất cả các loại tế bào biệt hóa của bất kỳ mô nào, ví dụ tế bào gốc phôi sớm), tế bào gốc đa năng (là tế bào gốc có khả năng sinh sản và biệt hóa cho ra chỉ vài loại tế bào biệt hóa, ví dụ tế bào gốc tủy xương có khả năng cho ra các dòng hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu, v.v...), tế bào gốc đơn năng (là tế bào gốc chỉ có khả năng sản sinh và biệt hóa cho ra một dòng tế bào biệt hóa, ví dụ: tế bào gốc da chỉ cho ra các tế bào biểu mô da, tế bào gốc ruột chỉ cho ra dòng tế bào biểu mô ruột, v.v...).

b) Ứng dụng công nghệ tế bào gốc

Công nghệ tế bào gốc được ứng dụng trong tạo giống vật nuôi bằng cách kết hợp với công nghệ gen, công nghệ nhân bản vô tính. Ngoài ra, nghề chăn nuôi của thế giới đang đứng trước một thử thách lớn: qua chăn nuôi trong điều kiện tự nhiên, nhân loại sẽ bị hứng chịu những dịch bệnh lớn như kiểu dịch cúm gia cầm do virut H5N1, các nhà chăn nuôi sẽ bị phá sản khi phải giết bỏ hàng triệu vật nuôi. Công nghệ tế bào gốc mở ra một hứa hẹn lớn: Sản xuất theo quy mô công nghiệp các sản phẩm chăn nuôi (thịt, trứng, sữa, len, v.v...) bằng kỹ thuật nuôi cấy tế bào gốc invitro tạo ra các mô, cơ quan cần thiết trong nhà máy không thông qua chăn nuôi, như vậy vừa tiết kiệm, vừa dễ dàng kiểm soát được dịch bệnh.

Công nghệ tế bào gốc được ứng dụng trong Y học làm liệu pháp tế bào, tức là sử dụng kỹ thuật phân lập, cất giữ và nuôi cấy các tế bào gốc và điểu khiển cho chúng biệt hóa thành bất kỳ dòng tế bào nào, mô nào để làm nguyên liệu thay thế tế bào, mô bị tổn thương cần thay thế. Sử dụng liệu pháp gen (thay thế gen hỏng bằng gen lành cho người bệnh) có thể gây nhiều nguy hiểm vì người ta không thể kiểm soát được hoạt động của gen trong hệ gen. Sử dụng liệu pháp cấy ghép cơ quan không đem lại kết quả lâu dài, hơn nữa nguồn cơ quan càng ngày càng khan hiếm. Vì vậy, liệu pháp thay thế tế bào mô bằng công nghệ tế bào gốc sẽ đem lại hiệu quả mong muốn vì có nhiều ưu thế. Tế bào gốc toàn năng của bản thân mỗi con người được phân lập, cất giữ, và khi cần được nuôi cấy cung cấp kịp thời nguồn nguyên liệu thay thế cho bất kỳ tế bào nào, mô nào bị hư hỏng tổn thương. Trường hợp xảy ra bị bỏng nặng tổn thương da, tế bào gốc được nuôi cấy và cho biệt hóa ra mô da kịp thời gắn vá vùng da bi hỏng. Trường hợp bị suy tủy xương, ung thư tủy xương thì mô tủy xương hỏng được trích bỏ và được thay thế từ nguồn tế bào gốc tủy xương được nuôi cấy từ tế bào gốc. Liệu pháp tế bào gốc mở ra triển vọng chữa trị nhiều bệnh như ung thư, bỏng, Parkinson, Alzheimer, chấn thương tủy sống, đột quỵ tim mạch, tiểu đường tip I, viêm gan, teo cơ, mù, rụng tóc, v.v...

8.2. SỰ SINH SẢN HỮU TÍNH Ở ĐỘNG VẬT

8.2.1. Sự phân hóa giới tính

Như trên ta đã biết giới tính là cần thiết cho sự sinh sản hữu tính. Nhờ có khác biệt giới tính mà con đực và con cái có thể nhận biết nhau một cách dễ dàng nhanh chóng tạo điều kiện thuận lợi cho sự giao phối và thụ tinh tạo hợp tử. Những nhân tố nào quy định nên giới tính. Gen, hoocmon hay nhân tố môi trường chịu trách nhiệm xác định giới tính? Sinh học hiện đại đã cho chúng ta câu trả lời: cả ba nhân tố nêu trên đây đều tham gia vào quá trình hình thành giới tính.

Thứ nhất ta hãy xem xét gen chứa trong nhiễm sắc thể xác định tính trạng giới tính như thế nào?

a) Cơ sở nhiễm sắc thể xác định giới tính

- Nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính:

Tế bào sinh dục của người như tinh nguyên bào trong tinh hoàn hay noãn nguyên bào trong buồng trứng cũng là những tế bào con cháu của hợp tử, chúng cũng chứa bộ nhiễm sắc thể 2n = 46 và chứa hàm lượng ADN gồm 6 tỷ cặp nucleotit như hợp tử và như bất kỳ tế bào soma nào khác. Chúng đều được hình thành do sự phân bào nguyên nhiễm của các tế bào tiền thân đều chứa 2n NST và qua phân bào nguyên nhiễm, bộ nhiễm sắc thể vẫn giữ nguyên 2n = 46 ở tất cả các tế bào con cháu, về mặt đi truyền, các tế bào soma và tế bào sinh dục không khác nhau, chúng chỉ khác nhau về chức năng mà thôi: Các tế bào sinh dục được phân hóa phân công làm chức năng duy trì nòi giống qua các thế hệ nên chúng có nhiều đặc điểm thích nghi với chức năng sinh sản như có khả năng giảm phân cho ra các giao tử n = 23 NST và có khả năng kết hợp với nhau tạo hợp tử. Trong thực tế thế giới sống, các tế bào soma vẫn có thể đảm nhiệm chức năng sinh sản. Đó là sự sinh sản vô tính hay sinh sản sinh dưỡng rất phổ biến ở thực vật và động vật bậc thấp, trong đó từ một tế bào soma có thể phát triển thành cơ thể. Đối với nhiều loài, ở cơ thể trưởng thành chưa phân hóa rõ rệt các tế bào sinh dục và khi sinh sản, một số tế bào soma biến đổi thành các tế bào sinh dục làm nhiệm vụ sinh sản. Nhiều thí nghiệm đã chứng minh là ở một số’loài, khi bị cắt bỏ tuyến sinh dục thì tuyến lại được tái sinh từ các tế bào soma. Công nghệ nhân bản vô tính đã thành công trong việc sử dụng tế bào soma để nhân bản vô tính (không thông qua sinh sản hữu tính) đối với nhiều loài thực vật và nhiều loài động vật, kể cả động vật có vú như cừu, dê, mèo chuột, bê, v.v...

Trong bộ lưỡng bội, các nhiễm sắc thể tồn tại thành cặp tương đồng, ví dụ ở người có 23 cặp tương đồng, trong cặp 2 thành viên (1 nhiễm sắc thể từ bố, 1 từ mẹ) giống nhau về hình dạng, kích thước. Những cặp như thế được gọi là nhiễm sắc thể thường (autosome). Ngoài ra còn có 1 cặp trong đó 2 thành viên khác nhau về hình dạng, kích thước, hoặc trạng thái hoạt động được gọi là nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome). Ví dụ: Ở người có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp (cặp thứ 23) là nhiễm sắc thể giỏi tính, ở nam giới, cặp nhiễm sắc thể giới tính là XY, còn ở nữ giói là XX (hình 8.1).


Hình 8.1. Kiểu nhân (Caryotip) của người

Cặp nhiễm sắc thể giới tính là cơ sở di truyền để xác định giới tính và xác định tính di truyền liên kết giới tính ở đa số cơ thế sinh sản hữu tính. Chúng ta cần lưu ý rằng, cặp nhiễm sắc thể giới tính có mặt trong tất cả các tế bào của cơ thể, tế bào soma cũng như tế bào sinh dục. Thế thì cặp nhiễm sắc thể giới tính có vai trò gì trong việc xác định giới tính, tức là sự phân hóa đực cái và các tính trạng giới tính có liên quan đến nhiễm sắc thể thường không? Đây là vấn đề vô cùng phức tạp. Sinh học hiện đại đã làm sáng tỏ được một số cơ số gen và NST của hiện tượng phân hóa giới tính.

- Cơ sở gen và nhiễm sắc thể xác định giới tính:

Đa số cơ thể đa bào sinh sản bằng phương thức hữu tính và được phân hóa giới tính đực và giới tính cái. Giới tính được biểu hiện ở các tính trạng sinh dục nguyên phát (có tuyến sinh dục tinh hoàn, buồng trứng) và tính trạng sinh dục thứ phát (các phần phụ sinh dục và tính trạng khác của cơ thể phân biệt đực cái). Những tính trạng này được quy định bởi nhân tố di truyền và nhân tố môi trường trong cơ thể và môi trường ngoài.

Đốì với đa số cơ thể, giới tính được xác định bởi nhiễm sắc thể giới tính (sex - chromosome). Từ đầu thế kỷ XX, các nhà di truyền học đã phát hiện ra các NST giới tính ở ruồi quả: Con đực có cặp NST XY, còn con cái có cặp NST XX. Vế sau nghiên cứu bộ NST của người, các nhà di truyền đã phát hiện hiện tượng đáng kinh ngạc là ơ con người cũng giống như ruồi quả, nam giới được đặc trưng bởi cặp NST XY còn nữ giới được đặc trưng bởi cặp XX.

Nghiên cứu trên nhiều loài động vật và thực vật khác nhau, người ta thấy cơ chế xác định giới tính không chỉ được NST giới tính quy định, mà còn được quy định bởi các NST thường.

Cơ chế xác định giới tính bằng NST thể hiện ở 3 kiểu sau đây:

+ Kiểu đồng giao tử (XX) ở con cái và dị giao tử (XY) ở con đực:

Kiểu xác định giới tính này phổ biến ở động vật cũng như thực vật (ví dụ đa số sâu bọ như châu chấu, ruồi quả, v.v..., động vật có vú, người, một số thực vật có hoa), trong đó con cái có cặp nhiễm sắc thể tương đồng giống nhau XX, còn con đực có cặp tương đồng khác nhau: một chiếc là X và một chiếc là Y. Nhiễm sắc thể X có kích thước dài hơn chứa nhiều gen hơn nhiễm sắc thể Y (ví dụ ở người, nhiễm sắc thể X chứa 163 triệu cặp nucleotit với 1218 gen, trong lúc đó nhiễm sắc thể Y chỉ chứa có 53 triệu cặp nucleotit với 128 gen). Như vậy, trong nhiễm sắc thể X có rất nhiều gen không có alen tương ứng so với Y, và giới tính cái được xác định bởi sự có mặt của 2 nhiễm sắc thể X, còn giới tính đực được xác định bởi sự có mặt của nhiễm sắc thể Y.

Nghiên cứu nhiều trường hợp sai lệch giới tính ở người cho thấy: giới tính được xác định bởi sự có mặt hay không có nhiễm sắc thể Y. Ví dụ: Trường hợp hội chứng Turner có kiểu gen XO (một nhiễm sắc thể X và không có Y) vẫn là nữ giới, còn trong trường hợp hội chững Klinefelter có kiểu gen XXY tuy có hai XX nhưng có Y nên vẫn là giới tính nam. Rõ ràng là nhiễm sắc thể Y có tác động trội và quyết định giới tính, thể hiện ở chỗ: trong quá trình phát triển sớm của phôi, nhiễm sắc thể Y đã điều khiển sự phát triển của mầm tuyến sinh dục nguyên thủy thành tinh hoàn (tính trạng sinh dục nguyên phát) và tinh hoàn chế tiết testosteron kích thích hình thành các tính trạng nam giới thứ phát. Năm 1990, người ta đã chứng minh là nhân tố xác định tinh hoàn được mã hóa bởi gen SRY (sex - determining region Y) định vị trong vế ngắn của nhiễm sắc thể Y của người. Có rất nhiều trường hợp sai lệch giới tính thể hiện ở chỗ nam giới có kiểu gen XX và ngược lại nữ giới có kiểu gen XY. Trong trường hợp nam XX là do gen SRY đã được chuyển đoạn sang X do đó chúng điều khiển phát triển tinh hoàn, còn trong trường hợp nữ XY là do trong NST Y không có gen SRY do đó thiếu nhân tố phát triển tinh hoàn và mầm tuyến sinh dục phát triển thành buồng trứng. Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng gen SRY có cả trong nhiễm sắc thể Y của chuột và đã phát hiện cơ chế phân tử điều khiển phát triển giới tính từ gen SRY thông qua hệ hoocmon testosteron và thụ quan của testosteron. Đối với con đực XY bình thường, gen SRY sản sinh ra nhân tố xác định tinh hoàn (TDF - testis determining factor) kích thích vùng tủy mầm tuyến sinh dục phát triển thành tinh hoàn, tinh hoàn chế tiết testosteron kích thích phát triển tính trạng sinh dục thứ phát ở con đực. Đối với con cái XX bình thưòng, vì không có Y (không có gen SRY) nên không có nhân tố TDF, vùng tủy mầm tuyến sinh dục không phát triển thành tinh hoàn mà vùng vỏ của tuyến phát triển buồng trứng, buồng trứng chế tiết hoocmon estrogen kích thích phát triển tính trạng sinh dục thứ phát ở con cái. Đối với trường hợp sai lệch giới: con cái XY (có Y nhưng là con cái) thì tuy có Y nhưng vẫn phát triển giới tính cái là do Y mất gen SRY nên không có nhân tố TDF, vùng tủy mầm tuyến sinh dục không phát triển thành tinh hoàn, trái lại vùng vỏ mầm sinh dục phát triển thành buồng trứng. Thật ra gen SRY xác định giới tính đực thông qua sự tương tác với nhiều gen khác định vị trong các nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể X. Ví dụ các gen SOX9, gen SF1, gen AMH, v.v... trong nhiễm sắc thể thường phối hợp với gen SRY xác định giới tính đực.

Năm 1994, người ta đã phát hiện được gen DAX1 định vị trong nhiễm sắc thể X có vai trò phối hợp với gen SRY xác định giới tính đực. Gen DAX1 mã hóa cho thụ quan của hoocmon testosteron do đó testosteron có thể được thu nhận và xâm nhập vào tế bào để hoạt hóa các gen có vai trò tạo nên các tính trạng sinh dục đực thứ phát. Những con đực XY có gen DAX1 bị đột biến sẽ không sản sinh thụ quan, đo đó testosteron không được thu nhận vào trong tế bào và cơ thể phát triển theo hướng cái hóa. Đối với con cái XX, thì gen DAX1 phôi hợp với gen WNT4 (định vị trong nhiễm sắc thể thường) xác định sự phát triển của buồng trứng. Ở con đực, gen WTN4 bị ức chế, do đó gen DAX1 phối hợp với gen SRY xác định sự phát triển tinh hoàn.

Đối với ruổi quả, tuy có cặp nhiễm sắc thể giới tính là XX (con cái) và XY (con đực), nhưng cơ chế xác định giới tính khác với động vật có vú, vì trong nhiễm sắc thể Y của chúng không có gen xác định giới tính SRY. Sự xác định giới tính ở ruồi quả diễn ra theo cơ chế: tỷ lệ giữa nhiễm sắc thể X với nhiễm sắc thể thường. Ruồi quả có bộ nhiễm sắc thể 2n = 8 trong đó có cặp giới tính XX (con cái) và XY (con đực) và 3 cặp thể nhiễm sắc thường được ký hiệu là AA. Tỷ lệ X/A sẽ quy định giới tính của ruồi (bảng 8).

Bảng 8. Kiểu xác định giới tính à ruồi quả

NST giới tính (X) và NST thường (A) - TỷlệX/A - Kiểu hình về giới

IX 2A - 0,5 - Con đực

2X 2A - 1,0 - Con cái

3X 2A - 1,5 - Siêu cái

4X 3A - 1,33 - Siêu cái

4X 4A - 1,0 - Con cái tứ bội

3X 3A - 1,0 - Con cái tam bội

3X 4A - 0,75 - Trung giới

2X 3A - 0,67 - Trung giới

2X 4A - 0,5 - Con đực tứ bội

1X 3A - 0,33 - Siêu đực

Qua bảng trên ta thấy rõ là đối với ruồi, kể cả con đực, nhiễm sắc thể Y không gây ảnh hưởng lên kiểu hình giới tính. Tuy nhiên Y gây ảnh hưởng lên tính hữu thụ của con đực. Ngày nay người ta đã phát hiện gen Sxl được gọi là gen gây chết giới (Sex lethal) định vị trong X đóng vai trò chủ yếu trong sự xác định giốỉ tính ở ruồi quả theo cơ chế sau:

• XY/ AA -» 0,5 gen Sxl không hoạt động -» con đực.

• XX/ AA -» 1,0 -» gen Sxl hoạt động -» con cái.

Nếu gen Sxl hoạt động ngược lại (hoạt động ở phôi đực và không hoạt động phôi cái) thì sẽ gây chết cho phôi (nên có tên gọi là gen gây chết).

Trạng thái hoạt động của gen Sxl liên kết X (định vị trong X) liên quan chặt chẽ với sự hoạt động của các gen khác định vị trong nhiễm sắc thể thường (AA). Ví dụ, người ta đã phát hiện trong nhiễm sắc thể số 3 của ruồi quả có gen lặn tra (transformer gene), nếu ở trạng thái đồng hợp sẽ biến ruồi cái lưỡng bội thành ruồi đực bất thụ: các cá thể XX/ tratra có tính trạng giống con đực bình thường nhưng bất thụ.

+ Kiểu đồng giao tử là con đực (ZZ) và dị giao tử là con cái (ZW):

Kiểu xác định giới tính này quan sát thấy ở các loài bướm, chim và một số loài bò sát, trong đó con đực có 2 nhiễm sắc thể tương đồng giống nhau, còn con đực có cặp tương đồng khác nhau, nhiễm sắc thể W bé hơn và không có đoạn tương đồng với Z. Ví dụ đối với gà thì gà mái có đôi nhiễm sắc thể giới tính là ZW, còn gà trống có đôi nhiễm sắc thể giới tính là ZZ.

+ Kiểu xác định giới tính 2n - n (con cái -> 2n, con đực -> n):

Kiểu xác định giới tính này quan sát thấy ở một số sâu bọ sống thành xã hội mà điển hình là ong mật. Ong mật có tổ chức xã hội rất phức tạp cả về tổ chức phân công lao động và tập tính sinh hoạt cũng như sinh sản. Trong một tổ ong, có khi đông đến hàng vạn con, thường có 3 loại cá thể: ong chúa, ong thợ và ong đực. Ong chúa chỉ có một con có kích thước rất lớn sống trong một ô riêng như cung điện được các ong thợ cung phụng nuôi dưỡng bằng thức ăn đặc biệt “sữa ong chúa” rất bổ béo. Ong đực có nhiều cá thể sống quanh quẩn trong tổ, không lao động, được các ong thợ nuôi dưỡng, và chỉ làm nhiệm vụ giao hợp với ong chúa, cung cấp tinh trùng trong cuộc “bay ân ái”. Ong thợ là những con ong cái, chiếm đa số nhưng không sinh sản. Chúng là đội quân lao động kiếm thức ăn, xây tổ, nuôi dưỡng ong chúa và ong đực, làm vệ sinh, bảo vệ tổ và bảo vệ toàn đàn ong tồn tại. Con đực được phát triển từ trứng đơn bội không thụ tinh, có bộ nhiễm sắc thể n, còn ong thợ và ong chúa là ong cái được phát triển từ các trứng thụ tinh, có bộ nhiễm sắc thể 2n. Ong thợ tuy là ong cái nhưng bất thụ, không sinh sản. Nhiệm vụ đẻ trứng là của ong chúa. Sự điều chỉnh tỷ lệ giới trong quần thể là do ong chúa.

Đến mùa sinh sản, trong một ngày nắng đẹp, ong chúa rời tổ bay cao kéo theo một đàn ong đực. Ong đực giao hợp với ong chúa cuồng loạn đến mức trao gửi cả cơ quan sinh dục cho ong chúa. Tinh trùng được trút vào trong một túi chứa tinh của ong chúa. Những chàng rể sau cuộc truy hoan bị mất cơ quan sinh dục đều lăn ra chết ráo. Tinh trùng được tích trữ lâu đến vài năm trong túi chứa tinh của ong chúa. Ong chúa trở về tổ mang theo trong mình cả cơ quan sinh dục của ong đực. Các nàng ong thợ vội vã rút bỏ của quý của ong đực khỏi cơ thể ong chúa. Ong chúa từ đó đẻ trứng. Khi ong chúa đẻ trứng, nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng từ túi chứa tinh sẽ phát triển thành ong cái 2n còn khi ong chúa đẻ trứng không được thụ tinh thì trứng đơn bội sẽ phát triển thành ong đực n (trường hợp trứng phát triển không cần thụ tinh được gọi là trinh sản - parthenogenesis). Ong chúa điều khiển sự sinh sản rất nhiều ong cái thợ bất thụ và sinh sản ít ong đực tuy có bộ nhiễm sắc thể đơn bội nhưng hữu thụ, nghĩa là có khả năng giao hợp cung cấp tinh trùng cho ong chúa. Qua giảm phân các noãn bào của ong chúa phân chia tạo nên trứng đơn bội. Đối với ong đực, tinh bào không giảm phân mà thông qua nguyên phân để tạo nên tinh trùng đơn bội.

Ong chúa được phát triển từ ấu trùng cái được nuôi dưỡng bằng thức ăn đặc biệt (sữa ong chúa) nên có kích thước lớn hơn và có khả năng sinh sản. Mỗi quần thể (tổ ong) thường chỉ có một ong chúa và chỉ khi san đàn thì ong chúa mới được tạo ra từ ấu trùng cái do sự nuôi dưỡng đặc biệt của ong thợ. Tìm hiểu tổ chức và sinh sản của ong mật không chỉ có tầm quan trọng đối với Sinh học mà còn có tầm quan trọng đối với nghề chăn nuôi ong vì ong cho các sản phẩm quý như mật ong, sữa ong chúa bổ dưỡng và ong còn có vai trò thụ phấn cho cây trồng.

- Sự bù liều của các gen liên kết X:

Các nhà di truyền học đã phát hiện một hiện tượng lý thú đối với cặp NST giới tính, đó là sự bù liều của NST X. Đối với cơ thể sinh sản hữu tính, con đực cũng như còn cái, mỗi gen đều có 2 bản (gen - alen) định vị trong 2 nhiễm sắc thể tương đồng. Nhưng đối với nhiễm sắc thể giới tính, ở con cái có 2X, còn ở con đực chỉ có 1X, nghĩa là ở con cái các gen trong X đều có alen tương ứng, còn ở con đực các gen trong X không có alen tương ứng. Để bù đắp cho sự thiếu hụt này có cơ chế bù liều (dosage compensation) thuộc 2 kiểu khác nhau: (1) bất hoạt của một nhiễm sắc thể X ở con cái (quan sát thấy ở động vật có vú), (2) tăng cường hoạt động của nhiễm sắc thể X ở con đực (quan sát thấy ở ruồi quả).

Như vậy giới tính tuy được quyết định bởi gen và nhiễm sắc thể, nhưng tính trạng giới tính (dù đó là tính trạng sinh dục nguyên phát hay thứ phát) cũng giống như bất kỳ tính trạng nào của cơ thể đều được hình thành trong quá trình phát triển phôi thai dưới sự kiểm soát của môi trường phát triển.

- Sự hình thành mầm tuyến sinh dục:

Trong quá trình phát triển phôi, các tế bào dòng sinh dục được phân hóa và tập trung tạo nên khối tế bào mầm ở vùng sẽ hình thành tuyến sinh dục tương lai. Khối tế bào mầm hoàn toàn giống nhau ở nam cũng như ở nữ, gồm phần tủy ở phía trong và phần vỏ bao quanh.

Trong sự phát triển về sau, tùy thuộc vào sự phân hóa giới tính mà mầm tuyến sinh dục sẽ phân hóa khác nhau. Đối với giới tính nữ (có kiểu gen XX), phần tủy sẽ bị thoái hóa, còn phần vỏ phát triển cho ra buồng trứng. Đối với giới tính nam (có kiểu gen XY), phần vỏ sẽ bị thoái hóa, còn phần tủy phát triển cho ra tinh hoàn. Nhân tố nào quyết định sự phân hóa tinh hoàn hay buồng trứng, tức là quyết định giới tính nam hay giới tính nữ (hình 8.2).

- Nhiễm sắc thể giới tính và tỷ lệ giới:

Như phần trên ta đã thấy rõ là các gen có liên quan đến xác định giới tính rất đa dạng và phức tạp và ở các loài khác nhau là không giống nhau. Đối với con người, kiểu xác định giới tính là: ở nữ giới có cặp NST giới XX và ở nam giới có cặp NST giới là XY.


Hình 8.2. Phân hóa của mầm tuyến sinh dục ở nam và ở nữ

Qua giảm phân, cặp NST giới tính cũng như các cặp NST thường đều phân ly về giao tử. Đối với nữ giới, tất cả các trứng đơn bội n sẽ có bộ NST là 22 + X. Đối với nam giới thì tinh trùng chứa NST đơn bội khác nhau: một loại tinh trùng chứa bộ NST gồm 22 + X và một loại tinh trùng khác chứa 22 + Y. Khi thụ tinh có 2 khả năng xảy ra:

(1) Nếu tinh trùng mang X kết hợp với trứng (mang X) sẽ cho ra hợp tử mang XX và tương lai sẽ cho ra nữ giới.

(2) Nếu tinh trùng mang Y kết hợp với trứng (mang X) sẽ cho ra hợp tử mang XY và tương lai sẽ cho ra nam giới.

Như vậy theo xác suất sẽ có 50% nữ và 50% nam (hình 8.3) được sinh ra.

Trong thực tế, tỷ lệ nam nữ trong các quốc gia, các dân tộc trên toàn thế giới chỉ xấp xỉ 50% bởi vì tuy hợp tử mang XX và hợp tử mang XY là theo tỷ lệ 50%, nhưng để hợp tử phát triển thành cá thể mang giới tính còn tùy thuộc vào sự phát triển phôi thai và cuộc sống sau khi sinh. Theo thống kê người ta thấy rằng, trong quá trình phát triển phôi thai trong bụng mẹ thì thai nữ chết nhiều hơn thai nam, do đó khi các em bé sinh ra tỷ lệ bé trai nhiều hơn bé gái (theo thống kê cho thấy trẻ sơ sinh có tỷ lệ nam/nữ là 1,04/1), nhưng ngược lại trong đời sống cá thể thì các cụ bà thường có tuổi thọ dài hơn các cụ ông, cho nên tỷ lệ dân số nam nữ nhiều hơn nghiêng về nữ giới. Điều đặc biệt là tỷ lệ nam nữ trong quần thể có tỷ lệ chênh lệch nhưng thường không quá mức trung bình quy định cho từng loài. Ví dụ đốì với loài người là xấp xỉ 50% thì dù có nguyên nhân nào đó gây ảnh hưởng đến tỷ lệ giới thì quần thể có cơ chế điểu chỉnh để giữ cân bằng tỷ lệ giới. Qua chiến tranh hàng mấy chục nặm, nam giới chết nhiều hơn nữ giới nhưng kết quả điểu tra dân số cho thây tỷ lệ nam nữ vẫn không thay đổi nhiều. Đó là do quần thể đã điều chỉnh bằng cách tỷ lệ sinh bé trai nhiều hơn bé gái! Đối với các quần thể động vật cũng vậy. Ví dụ với loài cá, tỷ lệ đực cái trong quần thể tự nhiên là 1 con đực cho 10 con cái (tỷ lệ đực/cái là 1/10). Nếu ta nuôi 5 con cá đực với 10 con cá cái trong một bể nuôi thì sau một thời gian, tỷ lệ đực/ cái sẽ được điều chỉnh về tỷ lệ 1/10, đó là do số cá cái được sinh ra nhiều hơn cá đực. Ngược lại, nếu ta nuôi 1 cá đực với 30 cá cái thì sau một thời gian tỷ lệ đực/cái vẫn được điều chỉnh về 1/10 bởi vì trong trường hợp này số cá đực được sinh ra lại chiếm tỷ lệ nhiều hơn để đạt được cân bằng 1/10. Điều kỳ lạ và lý thú là cá đực hình như biết được tỷ lệ sai lệch đực/cái trong quần thể nên đã tiết ra một chất đặc biệt vào môi trường nước có tác động hướng cho phôi phát triển theo hướng đực, hoặc hướng cái cần thiết để cân bằng lại tỷ lệ đực/ cái cho đúng với đặc trưng của loài. Thế thì đốì với các động vật và con người sống trong môi trường trên cạn có tuân theo cơ chế điểu chỉnh như thế không? Người phụ nữ có chửa trong thời gian chiến tranh có phải đã có ý thức ta phải sinh bé trai để điều chỉnh cân bằng lại tỷ lệ giới bù cho nam giới chết trận không? Chắc là không? Theo cơ chế nào vậy? Đó là vấn đề thách thức đối với các nhà nhân chủng học. Nhưng các nhà phôi thai học thì nhận thức được một điều khoa học là: giới tính không chỉ có NST và gen quy định mà còn được quy định bởi nhiều nhân tố có ở trong bản thân cơ thể và cả của môi trường trong đó phôi thai và cá thể trưởng thành sinh dục được hình thành.

Khí đề cập đến NST và gen xác định giới tính ta xem xét các trường hợp các bệnh có liên quan đến NST giới tính để thấy rõ vai trò của di truyền trong xác định giới tính.

- Các bệnh liên quan đến nhiễm sắc thể giới tính:

Các sai lệch về số lượng và cấu trúc NST có thể xảy ra đối với các nhiễm sắc thể giới tính X và Y và đều là nguyên nhân của nhiều bệnh như bệnh Klinefelter, bệnh Turner, bệnh siêu nam, siêu nữ, v.v...

Bệnh Klinefelter được phát hiện và mô tả từ những năm 1942 bởi bác sĩ Klinefelter (nên bệnh được gọi theo tên ông). Nam giới bị bệnh Klinefelter không có dị dạng quan trọng nên khi mới sinh rất khó phát hiện, chỉ đến tuổi dậy thì mới thể hiện các dị dạng như tinh hoàn bị teo, mềm nhũn bóp không đau, dương vật bé. Giới tính nam kém phát triển, không có râu, lông mu rất ít, khổ người cao, tay chân dài, tình dục giảm. Năm 1959, Jacobs phát hiện ra cơ sở sai lệch nhiễm sắc thể của bệnh là do sai lệch NST theo kiểu thể ba XXY. Về sau các nhà di truyền học đã phát hiện nhiều dạng sai lệch NST khác ở nam giới: nếu tăng thêm Y (XYY) sẽ bị bệnh siêu nam, đều vô sinh.

Còn đối với phái nữ thì sao? Năm 1938, Turner phát hiện ra bệnh được gọi theo tên ông: bệnh Turner ở nữ giới, thể hiện lâm sàng ở các triệu chứng rất đa dạng từ nhẹ đến nặng như người thấp chậm lớn, có nhiều dị dạng về khuôn mặt, mắt, cằm. Buồng trứng kém phát triển, không mọc lông mu lông nách, tuyến vú không phát triển. Đôi khi có dấu hiệu nam hóa. Đa số nữ bị bệnh Turner tuy có tuổi thọ bình thường nhưng vô sinh. Một số ít thể bệnh nhẹ có thể có con. Tần số bệnh gặp khoảng 4/10000.

Năm 1959, Ford và cộng sự đã phát hiện ra sai lệch nhiễm sắc thể của bệnh: kiểu thể một ở nhiễm sắc thể giới tính. Công thức sai lệch là: 2n = 45, XO. Như vậy bệnh nhân thiếu đi một nhiễm sắc thể X trong bộ nhiễm sắc thể. Xét nghiệm về thể Barr, họ không có.

Người ta cũng đã phát hiện nhiều trường hợp siêu nữ có sai lệch nhiễm sắc thể ở dạng thừa X như: thể ba X (XXX). hoăc thể bốn X (XXXX). Họ đều dị dạng và vô sinh.

Người ta đã hiểu rõ cơ chế tế bào của các hiện tượng sai lệch nhiễm sắc thể giới tính nêu trên là do trong quá trình giảm phân để tạo giao tử, xảy ra sự phân ly không đồng đều của các cặp NST giới tính. Bình thường cặp XX sẽ phân ly cân bằng, mỗi X về một trứng; cặp XY phân ly cân bằng X về một tinh trùng và Y về một tinh trùng kia. Khi do một nguyên nhân nào đó, ví dụ tuổi mang thai của mẹ quá cao, trên 35 tuổi, sự phân ly bị rốì loạn dẫn

Hình 8.4. Sơ đồ về sai lệch trong phân ly của các cặp NST qua giảm phân

đến một trứng nhận được XX còn trứng kia không có X. Khi thụ tinh, trứng XX kết hợp với tinh trùng Y sẽ cho ra hợp tử XXY dẫn đến bệnh Klinefelter, còn trứng không có X kết hợp với tinh trùng X sẽ cho ra hợp tử XO dẫn đến bệnh Turner như ta đã xem xét ở phần trên (hình 8.4).

- Sinh đôi khác trứng và sinh đôi cùng trứng:

Bình thường phụ nữ chỉ rụng một lần một trứng và trứng được thụ tinh cho ra một thai. Nhưng cũng có trường hợp có thể có 2 hoặc 3 trứng cùng chín và cùng rụng rơi vào ống dẫn trứng và đều được thụ tinh cho ra 2 (hoặc 3, v.v...) hợp tử và sẽ phát triển thành 2 (hoặc 3, v.v...) thai nhi. Đó là trường hợp sinh đôi khác trứng, cũng tương tự như anh, chị em sinh khác lần, có thể là nam hay nữ tùy cơ cấu của hợp tử khi được tạo thành (nếu XX là nữ, nếu XY là nam).

Trong trường hợp sinh đôi cùng trứng thì khác hẳn: chỉ có một trứng rụng ra được thụ tinh tạo thành một hợp tử, hợp tử phân đôi cho ra 2 tế bào, mỗi tế bào con lại phân đôi cho ra bốn tế bào, nhưng do một nguyên nhân nào đó, các tế bào này không liên kết với nhau như trường hợp bình thường (cho ra phôi đa bào -> phôi dâu -> phôi vị...) mà chúng lại tách ra thành 2 (hoặc thành 4 tế bào riêng rẽ, mỗi tế bào trở thành hợp tử và tiếp tục phát triển thành thai nhi riêng rẽ. Đó là trường hợp sinh đôi (sinh 3, sinh 4, v.v...) cùng trứng, về mặt di truyền chúng hoàn toàn giống nhau bởi vì chúng đều là hậu duệ của hợp tử đầu tiên, do đó cả 2 (hoặc 3, 4, v.v...) trẻ sinh ra đều có cùng giới tính như nhau, ví dụ hợp tử đầu tiên là XX thì tất các em bé đều là gái, nếu hợp tử đầu tiên là XY thì tất cả các em sinh ra đều là trai. Hiện tượng sinh đôi cùng trứng có cùng giới tính chứng tỏ rằng giới tính được xác định bởi NST.

- Hiện tượng lưỡng thể đực - cái (gynandromorphisme):

Là trường hợp cơ thể có cấu tạo khảm gồm một phần là giới tính đực, một phần là giới tính cái, hoặc 1/2 cơ thể là đực và 1/2 kia là cái. Hiện tượng lưõng thể đực cái quan sát thấy ở nhiểu loài sâu bọ, nhất là ruồi quả, các loài bướm, loài chim (khướu, trĩ). Nghiên cứu cho thấy phần cơ thể có giới tính đực có chứa các tế bào mang NST giới tính đực XY, còn phần cơ thể có giới tính cái chứa các tế bào mang NST giới tính cái XX. Điều đó cũng chứng tỏ rằng, giới tính được quy định bởi NST giới tính.

Cơ quan sinh dục nguyên phát gồm có tuyến sinh dục và các phần phụ như ỗng dẫn sinh dục, các tuyến phụ, v.v..., đó cũng là chỉ tiêu giải phẫu để phân biệt giới tính nam, nữ. Ở nam giới có tinh hoàn, ống dẫn tinh, dương vật, các tuyến tinh dịch, tuyến tiền liệt, tuyến cooper. Ở nữ giới có buồng trứng, ống dẫn trứng, dạ con, âm đạo, âm hộ, v.v... Cơ quan sinh dục được hình thành trong giai đoạn phát triển phôi thai.

- Cơ quan sinh dục nguyên phát do gen quy định:

Như phần trên ta đã nghiên cứu sự hình thành tinh hoàn ở nam và buồng trứng ở nữ từ khôi mầm sinh dục. Nếu kiểu gen là XX, phần vỏ mầm sinh dục sẽ phát triển thành buồng trứng còn phần tủy bị thoái hóa. Ngược lại nếu kiểu gen là XY thì phần vỏ thoái hóa, phần tủy phát triển thành tinh hoàn. Tuy cơ chế điều chỉnh này là vô cùng phức tạp, nhưng người ta đã chứng minh rằng có sự tương tác giữa gen SRY trong nhiễm sắc thể Y với các gen DAX1 trong nhiễm sắc thể X với các gen khác nhau nằm trong nhiễm sắc thể thường để định hướng cho sự phát triển XX -> buồng trứng và XY -> tinh hoàn.

Như vậy chúng ta thấy tính trạng liên kết giới tính là do gen nằm trong NST giới tính chi phôi (trong X hoặc trong Y), còn tính trạng để phân biệt nam giới khác với nữ giới (được gọi là tính trạng liên quan đến phân hóa giới tính, kể cả tính trạng sinh dục nguyên phát và thứ phát) là do các gen không chỉ nằm trong NST giới tính mà còn do các gen nằm trong NST thường chi phối.

Trong phôi khi tuyến sinh dục chưa được tạo thành, tồn tại cả 2 loại ống dẫn sinh dục sơ phát là ống Mule và ống Vonfơ. Nếu ở nam, tinh hoàn được hình thành thì ống Mule bị thoái hóa, còn ống Vonfơ sẽ phát triển thành ống dẫn tinh. Ngược lại ở nữ, khi buồng trứng được tạo thành thì ống Vonfơ bị thoái hóa, còn ống Mule sẽ phát triển thành các phần của ống dẫn trứng, dạ con, âm đạo.