1. Mở đầu

Sự khởi đầu của hợp tử là một quá trình sinh học tinh vi, bên cạnh sự hợp nhất của bộ máy di truyền (DNA) từ tinh trùng và noãn, còn có sự tham gia của các cấu trúc tế bào thiết yếu. Noãn cung cấp phần lớn tế bào chất, ty thể, các bào quan và nguồn cung cấp mRNA dự trữ. Trong khi đó, tinh trùng ở hầu hết các loài động vật có vú (ngoại trừ bộ gặm nhấm) lại là nguồn cung cấp duy nhất cấu trúc trung tử (centriole) cho hợp tử[1]. Ở người và một số loài động vật có vú lớn như bò, noãn đã thoái hóa hoàn toàn trung thể (centrosome) trong quá trình giảm phân, vì vậy ở những lần phân bào đầu tiên phụ thuộc gần như hoàn toàn vào chất lượng của trung tử được đưa vào từ tinh trùng[2].

Sau khi quá trình thụ tinh diễn ra thành công, trung tử có nguồn gốc từ người cha sẽ hoạt động như một trung tâm tổ chức vi ống (Microtubule-organizing center - MTOC) sơ cấp, thu hút các protein cấu trúc để tái cấu trúc thành trung thể hoàn chỉnh của hợp tử[1]. Trung thể này ngay lập tức chỉ đạo sự hình thành mạng lưới vi ống lan tỏa gọi là thể sao (sperm aster). Thể sao có nhiệm vụ bám vào và kéo các tiền nhân (pronuclei) đực và cái di chuyển lại gần nhau để chuẩn bị cho quá trình dung hợp vật chất di truyền[1].

Bên cạnh đó, trung thể còn tham gia trực tiếp vào việc tổ chức thôi vô sắc (mitotic spindle) ở lần phân bào nguyên phân đầu tiên của hợp tử. Sự định hướng không gian của thoi vô sắc tiếp tục đóng vai trò là yếu tố quyết định trực tiếp đến mặt phẳng phân chia phôi (cleavage plane), từ đó kiểm soát tính chính xác của quá trình phân ly nhiễm sắc thể, sự phân bố tế bào chất và động học hình thái của phôi trong những ngày đầu tiên[2,3].

  1. Sự tái cấu trúc trung tử ở tinh trùng

Trong sinh học tế bào cổ điển, trung thể của một tế bào sinh dưỡng (somatic cell) được cấu tạo bởi hai trung tử hình trụ đứng vuông góc với nhau, mỗi trung tử được hình thành bởi 9 bộ ba vi ống sắp xếp theo cấu trúc đối xứng[1]. Tuy nhiên, trong quá trình sinh tinh ở động vật có vú, tế bào mầm trải qua một quá trình biệt hóa mạnh mẽ đi kèm với hiện tượng tái cấu trúc trung thể phức tạp.

Các nghiên cứu siêu cấu trúc và phân tích phân tử hiện đại trên kính hiển vi điện tử cắt lát siêu mỏng (ultrathin sections) đã chứng minh rằng tinh trùng người và nhiều loài phi gặm nhấm thực chất mang theo hai trung tử để đóng góp cho hợp tử[2]. Trong khi trung tử gần (proximal centriole - PC) nằm sát gốc nhân và vẫn giữ được cấu trúc hình trụ điển hình, trung tử xa (distal centriole - DC) lại trải qua một quá trình biến đổi sâu sắc. Trung tử xa không bị tiêu biến như những quan điểm cũ lầm tưởng, mà biến đổi hình thái để trở thành một “trung tử không điển hình” (atypical centriole)[2]. Trung tử xa mất đi cấu trúc vi ống bộ ba truyền thống, thay vào đó mở rộng thành một cấu trúc hình phễu với 9 bộ đôi vi ống, kết nối trực tiếp với cấu trúc sợi trục của đuôi tinh trùng[2].

Tổ hợp cơ sinh học mới này cùng với PC tạo thành một phức hợp cho phép vùng cổ tinh trùng uốn cong linh hoạt để truyền lực từ đuôi lên đầu tinh trùng, trong khi vẫn duy trì đủ tính toàn vẹn cấu trúc và thành phần protein để ngay lập tức khôi phục vai trò MTOC sau khi thâm nhập vào bào tương của noãn[1].

  1. Tuổi trung tử và hệ đống đánh dấu

Sự nhân đôi của trung thể tuân theo nguyên tắc bán bảo tồn (semiconservative). Hệ quả của quá trình này là trong bất kỳ tế bào nào, hai trung tử luôn có “tuổi” khác biệt: một trung tử mẹ (mother centriole) đã được tạo ra từ ít nhất một chu kỳ tế bào trước đó, và một trung tử con (daughter centriole) mới được tổng hợp[4]. Khái niệm “tuổi” mang ý nghĩa quyết định đối với số phận của trung tử từ tinh trùng khi đi vào hợp tử. Trong tinh trùng, PC đóng vai trò là trung tử mẹ, có thể rất “già” (đã trải qua nhiều chu kỳ tế bào trước đó), trong khi DC là trung tử con[5].

Một học thuyết siêu cấu trúc tiên tiến được đề xuất gần đây chỉ ra rằng sự tích tụ các yếu tố đánh dấu sự đào thải (elimination markers) theo thời gian trên PC có thể khiến hệ thống tế bào chất của noãn nhận diện và phân hủy nó ngay sau khi thụ tinh[5]. Học thuyết đưa ra rằng hệ thống loại bỏ trung tử vốn hoạt động mạnh mẽ trong quá trình sinh noãn vẫn còn tồn dư trong bào tương của noãn, những trung tử mang dấu ấn già cỗi từ tinh trùng sẽ trở thành mục tiêu bị tiêu biến[5].

Điều này giải thích tại sao ở một số hợp tử của động vật có vú, hệ gen của hợp tử sẽ phản ứng lại bằng cách tự tổ chức sản xuất các trung tử không điển hình mới dưới dạng các thể cực (polar corpuscles)[2]. Quá trình này diễn ra rất đặc trưng ở phôi bò, nơi PC của tinh trùng biến mất hoàn toàn ngay khi kết thúc chu kỳ phân bào đầu tiên[2]. Các thể cực này sau đó sẽ dần dần được phôi chuyển đổi thành trung tử có cấu trúc hình trụ trong các chu kỳ phân bào tiếp theo, đảm bảo mạng lưới MTOC tiếp tục hoạt động cho các thế hệ tế bào con tiếp theo[2].

Bất kỳ sự bất thường nào trong quá trình tái cấu trúc trung tử ở tinh trùng đều có thể là nguyên nhân cốt lõi gây ra tình trạng vô sinh nam vô căn hoặc sự thất bại trong phát triển phôi sớm[6]. Để định lượng những khiếm khuyết vi cấu trúc này, kỹ thuật FRAC (Fluorescence-Based Ratiometric Analysis of Sperm Centrioles) đã được phát triển như một công cụ đánh giá huỳnh quang tiên tiến. Bằng cách phân tích định lượng dựa trên tỷ lệ phát quang của các dấu ấn sinh học vi ống như POC1B, tubulin acetyl hóa và tubulin tổng số, FRAC có khả năng lập bản đồ mức độ khiếm khuyết cấu trúc của trung tử tinh trùng[6].

Trong một nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng, các kết quả từ FRAC cho thấy những tinh trùng có chỉ số FRAC bất thường (với acetylated tubulin là dấu ấn có sự sai lệch biểu hiện phổ biến nhất ở cả PC, DC và sợi trục) có mối tương quan mạnh mẽ với sự thất bại trong việc phân cực các thể tiền hạch nhân (Nucleolus Precursor Body - NPB) bên trong tiền nhân của hợp tử[6]. Các NPB có nhiệm vụ đánh dấu vị trí của nhiễm sắc thể. Trong một hợp tử khỏe mạnh, trung thể do tinh trùng cung cấp sẽ tổ chức mạng lưới vi ống tương tác với lỗ màng nhân để kéo các NPB tập trung tại vùng tiếp giáp (junction zone) giữa hai tiền nhân đực và cái[6].

Tuy nhiên, nếu trung tử tinh trùng kém chất lượng và có chỉ số FRAC bất thường, hệ thống vi ống của thể sao không được vươn dài đúng cách, dẫn đến sự phân cực các thể NPB thất bại (NPB nằm rải rác ở các vùng cách xa vùng tiếp giáp)[6]. Sự thất bại cơ học này là tiền đề dẫn đến sự gián đoạn trong việc tổ chức DNA, làm sai lệch quá trình hình thành thoi vô sắc và trực tiếp ảnh hưởng đến sức sống và tiềm năng phát triển của phôi[6].

  1. Sự thiết lập thoi vô sắc và mặt phẳng phân chia phôi

Ở lần phân bào đầu tiên, hợp tử phải phân ly song song hai bộ gen đơn bội riêng biệt được chứa trong hai màng tiền nhân khác nhau trước khi hoà màng. Ở hợp tử của người và gia súc (những loài không thuộc bộ gặm nhấm), bất chấp sự hiện diện của trung thể có nguồn gốc từ cha, quá trình tổ chức cấu trúc không gian của thoi vô sắc vẫn mang những đặc điểm phức tạp[1].

Hợp tử sẽ tổ chức một hệ thống phân bào kép, trong đó hai thoi phân bào lưỡng cực độc lập hình thành để sắp xếp bộ nhiễm sắc thể của bố và mẹ tại hai mặt phẳng xích đạo riêng biệt. Chỉ đến kỳ giữa (metaphase), hai thoi này mới bắt đầu quá trình trượt và xoay để liên kết trục từ cực đến cực của chúng lại với nhau[3]. Việc đồng bộ hóa trục phân bào là rất quan trọng nhằm đảm bảo hai bộ gen được phân ly chính xác[3]. Nếu có sự bất ổn định về chức năng trung tử, sự liên kết lỏng lẻo giữa các cực của thoi sẽ dẫn đến việc mất định hướng, dẫn đến hiện tượng đánh mất toàn bộ một bộ gen (của bố hoặc của mẹ) bên trong các phôi bào[3].

Ở phôi người, quá trình phân bào đầu tiên diễn ra rất dễ bị lỗi và chịu ảnh hưởng từ tuổi tác của người mẹ[3]. Phân tích động học time-lapse (TLI) trên một tập dữ liệu gồm 300 phôi thụ tinh trong ống nghiệm (TTTON) phát triển thành trẻ sinh sống khỏe mạnh đã phát hiện ra một quy luật: thoi vô sắc bắt buộc phải định hướng theo một góc vuông (trực giao) so với trục nối liền hai tiền nhân đang đặt cạnh nhau[3]. Sự phân chia này được dẫn dắt bởi một hệ thống vi ống phụ thuộc trung thể, giúp bảo vệ tính toàn vẹn của sự phân ly nhiễm sắc thể[3].

Khi chức năng tổ chức trung thể bị khiếm khuyết, thoi vô sắc sẽ bị mất định hướng và thiết lập mặt phẳng phân chia phôi lệch trục. Cấu hình phân chia không trực giao này liên quan đến sự suy giảm khả năng tập trung của cụm hạch nhân và khiến tỷ lệ xuất hiện tình trạng đa nhân (multinucleation) ở giai đoạn phôi 2 tế bào tăng vọt[3]. Hiện tượng đa nhân là một dấu ấn của sự bất ổn định di truyền, thường dẫn đến các thể lệch bội (aneuploidy) nghiêm trọng[3]. Những phát hiện này chỉ ra rằng sự mất định hướng mặt phẳng phân chia phôi không chỉ đóng góp vào sự thất bại của quy trình TTTON mà còn là nguyên nhân liên quan đến tuổi tác[3].

  1. Động học bất đối xứng trung tử và sự phân chia phôi ngày 3

Một khía cạnh khác là khả năng điều khiển thoi vô sắc của trung thể còn bị chi phối bởi các phân tử động lực học. Việc ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa (như thuật toán Metropolis-Hastings) để phân tích động lực học của phôi tuyến trùng Caenorhabditis elegans in vivo đã cho phép giới khoa học lập mô hình toán học dự đoán chính xác động năng của protein kinase AIR-1 (Aurora Kinase A)[7].

Protein AIR-1 đóng vai trò thiết yếu trong việc tạo mầm vi ống. Mô hình toán học không giả định trước sự đối xứng đã chứng minh rằng có một “sự bất đối xứng nội tại” (intrinsic asymmetry) trong động năng nạp và phục hồi (recruitment and recovery dynamics) của protein này trên hai trung thể[7]. Đáng ngạc nhiên là, mặc dù các trung thể có sự đa dạng lớn về mặt vật lý và thiếu tính đối xứng hoàn hảo trong quá trình trưởng thành, tính bất đối xứng động lực học của AIR-1 lại mang đến sự linh hoạt giúp tế bào tạo ra các mạng lưới vi ống mang lực cơ học vô cùng ổn định[7]. Lực kéo từ vi ống này là điều kiện tiên quyết để điều hướng và xoay phức hợp tiền nhân, thiết lập tọa độ chính xác cho thoi vô sắc trước khi phân chia tế bào[7].

Mặc dù có tuổi trung tử khác nhau và có sự bất đối xứng về động năng phân tử tạo vi ống, việc di truyền các trung tử từ cha vào các phôi bào con (blastomeres) lại tuân theo một cơ chế hoàn toàn ngẫu nhiên. Trong lịch sử sinh học tế bào gốc, người ta từng tin rằng tế bào có xu hướng giữ lại trung tử mẹ già cỗi để duy trì bản sắc tế bào (cell fate)[4]. Khái niệm này dấy lên giả thuyết rằng phôi sớm cũng có thể sử dụng trung tử mẹ từ tinh trùng như một công cụ định vị tế bào chất.

Tuy nhiên, bằng kỹ thuật lai tạo huỳnh quang tiên tiến (sử dụng protein đánh dấu SAS-4::GFP) trên phôi C. elegans cho đến giai đoạn 4 tế bào, quan điểm này đã bị bác bỏ[4]. Để phân tích chính xác, các nhà nghiên cứu còn sử dụng tinh trùng từ con đực đột biến zyg-1 (vốn chỉ đóng góp 1 trung tử già duy nhất vào hợp tử)[4]. Kết quả cho thấy, bất kể là trung tử mẹ (già) hay trung tử con (trẻ), các trung tử có nguồn gốc từ tinh trùng đều phân ly ngẫu nhiên hoàn toàn vào các tế bào con (như ABa, ABp, EMS, hay P2)[4]. Điều này cho thấy rằng ở giai đoạn phân chia đầu tiên của phôi, sự khác biệt về tuổi cấu trúc của trung tử không đóng vai trò định đoạt số phận phát triển của phôi bào[4].

  1. Sự linh hoạt tiến hoá trong thiết lập mặt phẳng phân chia phôi

Sự linh hoạt tiến hóa trong việc thiết lập mặt phẳng phân chia phôi được thể hiện rõ ràng nhất ở các loài sinh sản vô tính (parthenogenesis). Trong hệ thống sinh sản hữu tính thông thường, việc noãn tiêu hủy hoàn toàn trung thể trong quá trình sinh noãn là quy luật để tránh tình trạng phôi bị dư thừa trung tâm tổ chức vi ống khi tinh trùng xâm nhập[1]. Sự dư thừa này có thể gây ra thoi vô sắc đa cực và dẫn tới phôi lệch bội.

Tuy nhiên, đối với các loài tuyến trùng sinh sản đơn tính như Rhabditophanes diutinus và Diploscapter pachys, sự vắng mặt hoàn toàn của tinh trùng đặt ra một nghịch lý: “Tế bào sẽ lấy cơ sở cấu trúc nào để hình thành thoi vô sắc phân bào?”. Giới khoa học mới đây đã phát hiện ra một cơ chế tiến hóa đáng kinh ngạc: các loài này đã phát triển cơ chế kế thừa trung tử từ mẹ (maternally inherited centrioles)[8]. Ở loài R. diutinus, trung tử mẹ hoạt động để tổ chức các cực của thoi giảm phân và được phân phối cho cả thể cực lẫn phôi[8]. Ở loài D. pachys, hai cặp trung tử của mẹ liên kết chặt chẽ với nhau và được giữ lại hoàn toàn bên trong phôi[8].

Các trung tử được kế thừa từ mẹ này hoạt động thay thế hoàn hảo cho các trung tử từ tinh trùng, tạo ra các tín hiệu phá vỡ đối xứng (symmetry-breaking cue) để định hình sự phân cực và điều hướng mặt phẳng phân chia của hợp tử[8]. Điều này chứng minh rằng, để bảo vệ hệ gen, tự nhiên có thể tái lập trình hoàn toàn quy luật di truyền tế bào chất, biến các trung tử từ mẹ trở thành MTOC chính trong trường hợp vắng bóng tinh trùng[8].

  1. Kết luận

Trung tử từ tinh trùng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển phôi sớm thông qua việc tổ chức thoi vô sắc, thiết lập mặt phẳng phân chia phôi chính xác để ngăn ngừa tình trạng đa nhân và lệch bội. Bên cạnh đó, các nghiên cứu gần đây còn cho thấy cơ chế bù trừ đáng kinh ngạc của tự nhiên, cho phép tái lập trình trung tử từ mẹ trong trường hợp thiếu hụt từ tinh trùng để duy trì sự phân chia phôi. Những khám phá toàn diện này không chỉ thay đổi hiểu biết về động năng phân tử mà còn mở ra tiềm năng cho các hướng đi mới trong tương lai, góp phần cải thiện tỷ lệ làm tổ và thành công của phôi trong y học hỗ trợ sinh sản.

Từ khoá: trung tử, mặt phẳng phân chia phôi, thoi vô sắc, phôi sớm, trung tử gần, trung tử xa

Tài liệu tham khảo:

[1] Aljiboury A, Hehnly H. The centrosome - diverse functions in fertilization and development across species. J Cell Sci. 2023;136(23):jcs261387.

[2] Uzbekov R, Singina GN, Shedova EN, Banliat C, Avidor-Reiss T, Uzbekova S. Centrosome Formation in the Bovine Early Embryo. Cells. 2023;12(9):1335.

[3] Porokh V, Kyjovská D, Martonová M, Klenková T, Otevřel P, Kloudová S, et al. Zygotic spindle orientation defines cleavage pattern and nuclear status of human embryos. Nat Commun. 2024;15(1):6369.

[4] Gönczy P, Balestra FR. Sperm-contributed centrioles segregate stochastically into blastomeres of 4-cell stage Caenorhabditis elegans embryos. Genetics. 2023;224(1):iyad048.

[5] Uzbekov R, Avidor-Reiss T. Comment on: 'The proximal centriole age in spermatozoa is a potential reason for its different fate in the zygote after fertilization' Uzbekov and Avidor-Reiss 2024. Open Biol. 2024;14(3):230458.

[6] Kluczynski DF, Jaiswal A, Xu M, Nadiminty N, Saltzman B, Schon S, et al. Spermatozoa centriole quality determined by FRAC may correlate with zygote nucleoli polarization-a pilot study. J Assist Reprod Genet. 2025;42(4):1121-1132.

[7] Plourde SM, Kravtsova N, Dawes AT. Asymmetry in centrosome maturation revealed through AIR-1 dynamics in the early Caenorhabditis elegans embryo. Sci Rep. 2025;15(1):8667.

[8] Perrier A, Guiglielmoni N, Naquin D, Gorrichon K, Thermes C, Lameiras S, et al. Maternal inheritance of functional centrioles in two parthenogenetic nematodes. Nat Commun. 2024;15(1):6042.