1.3.1. Khái niệm về sai hình nhiễm sắc thể
Sai hình nhiễm sắc thể là thuật ngữ di truyền học, chỉ sự thay đổi khác thường về số lượng và hình ảnh cấu trúc của NST. Sai hình NST được phát hiện từ rất sớm trên cơ sở nghiên cứu tác động của các tác nhân đột biến lên thực vật, nấm. Các nghiên cứu thực vật chiếu xạ của Mather (1934); Rley (1936); Sax (1938, 1940) đã phát hiện sai hình kiểu NST và sai hình kiểu nhiễm sắc tử ở ngay metaphase của chu trình phân bào đầu tiên sau chiếu xạ. Ở người, việc phát hiện sai hình nhiễm sắc thể liên quan đến nghiên cứu các bệnh di truyền [13], [36], [38], [74].
- Sai hình ở cấp độ nhiễm sắc thể (Chromosome aberrant type)
Các sai hình được biểu hiện ở cấp độ nhiễm sắc thể, tức liên quan đến cả hai nhiễm sắc tử của nhiễm sắc thể. Các kiểu sai hình này thường xuất phát từ các tổn thương chuỗi đôi phân tử DNA trước phase S. Sự đứt gẫy và trao đổi các đoạn NST xảy ra trước khi NST nhân đôi, thuộc loại sai hình nhiễm sắc thể gồm có: sai hình mảnh không tâm (fragment), sai hình đa tâm (polycentromere), sai hình vòng (ring), sai hình chuyển đoạn (translocation), sai hình đảo đoạn (inversion) [13], [36], [38], [74].
- Sai hình ở cấp độ nhiễm sắc tử (Chromatid aberrant type)
Các sai hình được biểu hiện ở cấp độ nhiễm sắc tử, tức chỉ xảy ra trên một nhiễm sắc tử của nhiễm sắc thể. Các kiểu sai hình này thường xuất phát từ các tổn thương chuỗi đơn phân tử DNA trước pha S hoặc tổn thương chuỗi đôi sau pha S. Thuộc loại sai hình nhiễm sắc tử gồm có: sai hình đứt gẫy nhiễm sắc tử (chromatid break), liên kết dạng cánh (radical). Sai hình kiểu nhiễm sắc tử rất phức tạp về mặt hình thái [13], [36], [38], [59], [74].
1.3.2. Cơ chế tạo nên sai hình nhiễm sắc thể ở tế bào lympho dưới tác động của bức xạ ion hóa
Những nghiên cứu về sai hình NST dưới tác động của bức xạ ion hóa cho thấy bức xạ ion hóa gây ra sai hình nhiễm sắc thể ở cấp độ nhiễm sắc thể hay nhiễm sắc tử là tùy thuộc vào thời điểm chiếu xạ rơi vào giai đoạn nào của chu trình tế bào: Nếu tế bào được chiếu xạ trước pha S (Go, G1) thì sai hình chỉ biểu hiện ở cấp độ nhiễm sắc thể, liên quan đến cả hai nhiễm sắc tử với những tương đồng về sai lệch, trường hợp tế bào được chiếu xạ ở pha S hoặc G2 (nhiễm sắc thể gồm hai chromatid chị em) thì sai hình biểu hiện ở cấp độ nhiễm sắc tử, chỉ xảy ra trên một nhiễm sắc tử. Những quan sát này chứng tỏ rằng: Tổn thương DSB là loại tổn thương quan trọng nhất mà bức xạ ion hóa gây ra trên phân tử DNA và DSB là điều kiện thiết yếu để tạo nên những sai hình nhiễm sắc thể dưới tác động của bức xạ ion hóa [23], [25], [36], [38], [76]. Vì quần thể tế bào lympho trong máu ngoại vi tồn tại ở phase Go nên sai hình ở tế bào lympho được quan sát ở metaphase của lần phân bào đầu tiên sau khi chiếu xạ là sai hình kiểu nhiễm sắc thể. Các kiểu sai hình được quan sát ở cả in vitro và in vivo bao gồm: mảnh không tâm, sai hình đa tâm, vòng có tâm và không tâm, đảo đoạn và chuyển đoạn.
Những công trình nghiên cứu về cơ chế gây sai hình nhiễm sắc thể ở tế bào lympho dưới tác động của bức xạ ion hóa trong vài thập niên qua đã củng cố thêm những nhận định của Savage về cơ chế gây sai hình nhiễm sắc thể đó là:
Số phận của những tổn thương sơ cấp được hình thành dưới tác động của bức xạ ion hóa rơi vào ba trường hợp sau: (1): những tổn thương sơ cấp có thể được phục hồi một cách chính xác, không làm thay đổi cấu trúc và hình thái của nhiễm sắc thể; (2): Những đứt gẫy được tạo ra trên phân tử DNA vẫn không được sửa chữa, hậu quả là tạo nên những mảnh nhiễm sắc thể không tâm (mất đoạn) được quan sát ở metaphase của lần phân bào đầu tiên sau khi đứt gẫy được tạo ra; (3): Những đầu đứt gẫy khác nhau có thể được nối lại một cách không chính xác, kết quả là tạo nên những sai hình nhiễm sắc thể liên quan đến một hay nhiều nhiễm sắc thể [23], [25], [36]. Những công trình nghiên cứu của Scott (1980), Bender (1987), Cornforth và Bedford (1993), Natarajan và Obe (1996) đều khẳng định sai hình nhiễm sắc thể lympho dưới tác động của bức xạ ion hóa liên quan đến những đứt gẫy đôi được tạo ra trực tiếp hoặc gián tiếp và sự tương tác sau đó giữa các đầu đứt gẫy với sự tham gia của cơ chế nối những đầu đứt gẫy mà không cần trình tự tương đồng NHEJ (Nonhomologous End Joining). Phần lớn những sai hình được hình thành ngay sau khi chiếu xạ, phần còn lại được hình thành vài giờ sau khi chiếu xạ [21], [36], [38].
Trường hợp hai đứt gẫy đôi xảy ra trên cùng một nhiễm sắc thể có thể tạo ra sai hình đảo đoạn (a), hoặc một sai hình vòng có tâm. Ở trường hợp tạo ra sai hình vòng nếu hai đầu đứt gẫy còn lại nối với nhau thì tạo ra 1 mảnh (b), nếu hai đầu đứt gẫy còn lại không nối với nhau thì tạo ra 2 mảnh (c).
Hình 1.5. Sai hình vòng có tâm được hình thành từ 2 đứt gẫy đôi trên 1 NST
Trường hợp 2 đứt gẫy đôi xảy ra trên 2 nhiễm sắc thể khác nhau tạo ra 4 đầu đứt gẫy. Các đầu đứt gẫy có thể tương tác theo hai cách hoàn toàn khác nhau. Kết quả có thể tạo nên sai hình chuyển đoạn (a), trong trường hợp trao đổi không đối xứng tạo ra sai hình hai tâm kèm theo một mảnh (b) hoặc hai mảnh (c).
A B C D E
C D E
C D B A
A B E
+ C
D
A B +
E (b)
(c) (a)
E F G E
A B + E
A B
A B C D
D D C F (a) G
(b) (c)
Hình 1.6. Sai hình 2 tâm được hình thành từ 2 đứt gẫy đôi trên 2 NST Mảnh không tâm cũng có thể được hình thành từ những đứt gẫy đôi không được sửa chữa.
Hình 1.7. Cơ chế tạo mảnh không tâm được hình thành từ 1 DSB trên 1 NST
Sai hình 3 tâm liên quan đến 3 nhiễm sắc thể.
Hình 1.8. Cơ chế tạo sai hình 3 tâm được tạo thành từ các DSB trên 3 NST Như vậy, sự hình thành nên các kiểu sai hình trong những tế bào chứa đầu đứt gẫy của đứt gẫy đôi không những phụ thuộc vào số lượng đứt gẫy đôi mà còn phụ thuộc vào cơ hội tương tác và kiểu tương tác giữa các đầu đứt gẫy [57], [59], [74].