Thụ tinh diễn ra khi các giao tử kết hợp thế nào?

Ở người và nhiều động vật có vú, trình tự điển hình gồm sự chuẩn bị của tinh trùng, tương tác với các lớp bao quanh noãn, hợp nhất màng, hoạt hóa noãn, hình thành hai tiền nhân và tổ chức các nhiễm sắc thể cho lần phân bào đầu tiên. Chi tiết phân tử có thể khác giữa các loài, nhưng kết quả cốt lõi vẫn là tạo ra hợp tử mang vật chất di truyền từ cả hai giao tử.

Thụ tinh biến hai giao tử đơn bội thành một hợp tử lưỡng bội

Giao tử được tạo ra qua giảm phân nên thông thường chỉ mang một bộ nhiễm sắc thể, ký hiệu là n. Khi hai giao tử kết hợp trong thụ tinh, hai bộ nhiễm sắc thể được đưa vào cùng một tế bào mới, qua đó khôi phục trạng thái lưỡng bội 2n.

Ở người, một tinh trùng bình thường mang 23 nhiễm sắc thể và noãn bình thường cũng mang 23 nhiễm sắc thể. Sau thụ tinh, hợp tử thông thường có 46 nhiễm sắc thể, gồm 23 chiếc có nguồn gốc từ bố và 23 chiếc có nguồn gốc từ mẹ. Nếu một giao tử vốn có bất thường về số lượng nhiễm sắc thể, hợp tử có thể không đạt con số 46, vì vậy phép tính 23 23 chỉ mô tả trường hợp bộ nhiễm sắc thể bình thường.

Trong cách nói hằng ngày, “trứng” thường được dùng thay cho “noãn”. Tuy nhiên, xét chính xác ở người, tế bào được phóng ra khi rụng trứng là noãn bào II đang dừng ở một giai đoạn của giảm phân. Chính tín hiệu do thụ tinh tạo ra mới thúc đẩy tế bào này hoàn tất giảm phân II.

Điểm quan trọng là sự hình thành hợp tử không chỉ dựa trên việc hai tế bào ở cạnh nhau. Giao tử phải vượt qua nhiều bước nhận biết, hợp nhất và hoạt hóa trước khi một chương trình phát triển mới có thể bắt đầu.

Hai giao tử phải gặp và nhận biết nhau trước khi kết hợp

Trước khi màng tinh trùng có thể hợp nhất với màng noãn, tinh trùng phải đạt trạng thái sinh lý thích hợp và tương tác đúng với các cấu trúc bao quanh noãn. Ở động vật có vú, một bước quan trọng là capacitation, tức những biến đổi của màng và hoạt động tế bào khiến tinh trùng có khả năng thực hiện các bước thụ tinh tiếp theo.

Noãn của động vật có vú không phải một tế bào hoàn toàn “trần”. Bên ngoài màng noãn còn có các tế bào bao quanh và lớp glycoprotein gọi là zona pellucida. Các tương tác giữa phân tử trên tinh trùng, các tế bào quanh noãn và zona pellucida góp phần vào quá trình nhận biết và tiếp cận.

Sự nhận biết này có ý nghĩa lớn vì thụ tinh cần một chuỗi tương tác tương thích chứ không đơn thuần là va chạm cơ học. Một tinh trùng chạm vào lớp ngoài của noãn chưa đồng nghĩa thụ tinh đã xảy ra. Nó vẫn phải tiếp tục vượt hàng rào bảo vệ và tiếp cận được màng tế bào của noãn.

Các cơ chế nhận biết cụ thể không giống hoàn toàn ở mọi sinh vật. Vì vậy, những bước được mô tả ở động vật có vú là một mô hình quan trọng để hiểu thụ tinh, nhưng không nên xem mọi chi tiết phân tử của mô hình này là quy luật giống hệt cho tất cả các loài.

Tinh trùng vượt lớp bảo vệ rồi hợp nhất màng với noãn

Khi đã ở trạng thái thích hợp, tinh trùng trải qua những biến đổi ở phần đầu liên quan đến phản ứng thể cực đầu. Quá trình này giải phóng và làm lộ các thành phần cần thiết để tinh trùng tiếp tục tương tác với các lớp bao quanh noãn.

Tinh trùng không vượt zona pellucida chỉ nhờ “enzyme hòa tan một lỗ” như cách mô tả đơn giản thường gặp. Sự xuyên qua lớp này là kết quả phối hợp giữa chuyển động mạnh của tinh trùng, những thay đổi của thể cực đầu và các tương tác phân tử với cấu trúc quanh noãn.

Sau khi vượt qua lớp bảo vệ, tinh trùng tiếp xúc với màng noãn. Ở động vật có vú, các protein trên hai giao tử tham gia quá trình nhận biết và kết dính; trong đó tương tác giữa IZUMO1 trên tinh trùng và JUNO trên noãn là một mắt xích quan trọng trước khi hai màng hợp nhất.

Khi màng tinh trùng và màng noãn hợp nhất, các thành phần của tinh trùng có thể đi vào bào tương noãn. Đây là một mốc quyết định, nhưng vẫn chưa phải toàn bộ quá trình kết hợp vật chất di truyền. Hai bộ nhiễm sắc thể còn phải được tổ chức lại qua giai đoạn tiền nhân trước lần phân bào đầu tiên của hợp tử.

Sự hợp nhất màng kích hoạt noãn và hạn chế đa tinh

Sự xâm nhập của tinh trùng không chỉ đưa vật chất di truyền của bố vào noãn. Nó còn tạo tín hiệu làm noãn chuyển từ trạng thái chờ sang trạng thái hoạt động. Ở động vật có vú, tín hiệu từ tinh trùng liên quan đến phospholipase C zeta, hay PLCζ, có vai trò quan trọng trong việc tạo các dao động nồng độ ion canxi trong bào tương noãn.

Các tín hiệu canxi kích hoạt hàng loạt thay đổi. Noãn tiếp tục và hoàn tất giảm phân II, đồng thời các hạt vỏ nằm gần màng tế bào phóng thích thành phần của chúng ra bên ngoài. Những thay đổi sau đó ở lớp bao quanh noãn làm giảm khả năng các tinh trùng khác tiếp tục xâm nhập.

Cơ chế này đặc biệt quan trọng vì phần lớn quá trình thụ tinh bình thường ở động vật có vú cần một tinh trùng đóng góp bộ nhiễm sắc thể của giao tử đực. Nếu nhiều tinh trùng cùng cung cấp vật chất di truyền, tế bào có thể nhận số bộ nhiễm sắc thể bất thường và quá trình phát triển thường bị rối loạn nghiêm trọng.

Sau khi noãn hoàn tất giảm phân II, vật chất di truyền phía mẹ được tổ chức thành tiền nhân cái. Trong khi đó, nhiễm sắc chất của tinh trùng giải nén và hình thành tiền nhân đực. Lúc này hai bộ gene đã ở trong cùng một tế bào nhưng vẫn nằm trong hai cấu trúc tiền nhân riêng biệt.

Hai tiền nhân chuẩn bị vật chất di truyền cho lần phân bào đầu tiên

Hình ảnh “nhân tinh trùng hòa thẳng vào nhân trứng” chỉ là cách minh họa đơn giản. Ở động vật có vú, hai tiền nhân tồn tại riêng một thời gian, di chuyển tương đối gần nhau và chuẩn bị DNA cho chu kỳ tế bào đầu tiên của hợp tử.

Khi hợp tử chuẩn bị phân chia, màng của các tiền nhân bị phá vỡ. Các nhiễm sắc thể có nguồn gốc từ bố và mẹ sau đó được tổ chức trên hệ thống thoi phân bào chung để tham gia lần nguyên phân đầu tiên. Vì thế, sự kết hợp di truyền không nhất thiết diễn ra bằng việc hai màng nhân trực tiếp nhập lại thành một nhân duy nhất.

Tế bào hình thành sau khi giao tử đực và giao tử cái hợp nhất được gọi là hợp tử. Giai đoạn có hai tiền nhân vẫn thuộc hợp tử; việc các nhiễm sắc thể của bố và mẹ cùng tham gia lần phân bào đầu tiên là bước tiếp theo giúp hoàn tất sự phối hợp của hai bộ vật chất di truyền trong tế bào mới.

Phân biệt các mốc này giúp hiểu chính xác hơn quá trình thụ tinh: tiếp xúc giữa giao tử, hợp nhất màng và tổ chức chung vật chất di truyền là những sự kiện liên tiếp chứ không phải một hiện tượng xảy ra đồng thời.

Cơ chế cụ thể có thể khác nhau nhưng kết quả cốt lõi vẫn là hình thành hợp tử

Không phải mọi loài đều có zona pellucida, capacitation hay cùng một hệ protein nhận biết giao tử. Cấu trúc bao quanh giao tử, môi trường diễn ra thụ tinh và cách ngăn nhiều tinh trùng xâm nhập có thể khác đáng kể giữa các nhóm sinh vật.

Do đó, cần tách bản chất của thụ tinh khỏi một mô hình cơ chế cụ thể. Bản chất là các giao tử tương thích kết hợp để vật chất di truyền của chúng cùng tham gia hình thành một tế bào mới. Các bước như capacitation, phản ứng thể cực đầu, tương tác IZUMO1–JUNO hay phản ứng hạt vỏ mô tả rõ cơ chế ở động vật có vú nhưng không phải danh sách bắt buộc giống nhau ở mọi loài.

Khi đọc một sơ đồ thụ tinh, có thể nhận diện ba mốc chính: giao tử gặp và nhận biết nhau, màng tế bào hợp nhất, sau đó vật chất di truyền được tổ chức trong hợp tử. Cách phân tách này tránh hai hiểu nhầm phổ biến: tinh trùng vừa chạm noãn đã được coi là hoàn tất thụ tinh, hoặc hai nhân của giao tử lập tức hòa thành một nhân ngay khi màng tế bào hợp nhất.

Thụ tinh là một chuỗi phối hợp giữa nhận biết giao tử, vượt hàng rào của noãn, hợp nhất màng, hoạt hóa noãn và tổ chức lại vật chất di truyền. Kết quả của chuỗi này là hợp tử mang đóng góp di truyền từ cả giao tử đực và giao tử cái. Ở người và nhiều động vật có vú, các bước diễn ra theo cơ chế tế bào và phân tử khá đặc trưng; ở những loài khác, chi tiết có thể thay đổi nhưng nguyên lý kết hợp giao tử để tạo tế bào khởi đầu của thế hệ mới vẫn được giữ lại.