Der Fall der fehlenden menschlichen Chromosomen – Genetics Unzipped

In den 1920er Jahren versuchte der amerikanische Zoologe Theophilus Painter in seinem Labor an der Universität von Texas in Austin, die Geheimnisse der Geschlechtschromosomen zu lüften, indem er Hoden von Menschen, Opossums und anderen Tieren aufschnitt. Er ging sogar so weit, ein spezielles Messer aus mehreren Rasierklingen zu erfinden, um dünne Schnitte des Hodengewebes zu machen und die detaillierten Strukturen der Zellen und Chromosomen in den sich entwickelnden Spermien zu erhalten.

Da er erkannte, dass niemand endgültig bewiesen hatte, wie viele Chromosomen der Mensch hat, machte er sich daran, die Scheiben menschlicher Hoden unter dem Mikroskop zu untersuchen, und versuchte, die Chromosomen in der verworrenen Masse des Chromatins zu zählen.

Im Jahr 1923 veröffentlichte er seine Ergebnisse. Spermien enthielten 24 Chromosomen, wenn also die gleiche Anzahl aus der Eizelle stammte, musste der Mensch insgesamt 48 Chromosomen haben, 24 Paare. Fall abgeschlossen.

Andere Forscher waren verblüfft. Einige meinten, der Mensch habe 19 Chromosomenpaare. Andere waren sich sicher, dass es 23 Paare waren. Aber Painter war fest davon überzeugt, dass er die richtige Zahl hatte und mehr als alle anderen gefunden hatte. Vielleicht hatten sie nur nicht sorgfältig genug gezählt oder ihre Zellen hatten auf dem Weg ein paar Chromosomen verloren?

Bücher und Lehrmaterial wurden hergestellt, um Painters Chromosomen zu zeigen, die mit der magischen Zahl von 24 gekennzeichnet waren. Und so war es auch. Der Mensch hat 48 Chromosomen, 24 Paare, und das war’s dann.

Aber irgendetwas schien nicht zu stimmen. Dreißig Jahre später beschlossen Forscher an der Universität Lund in Südschweden, das zu untersuchen.

Die Schnüffler in diesem wissenschaftlichen Fall waren Albert Levan und Joe-Hin Tjio – ein 1919 in Indonesien geborener Pflanzenzüchter und begeisterter Fotograf, der im Zweiten Weltkrieg von den Japanern gefangen genommen und gefoltert wurde. Auf der Suche nach einem neuen Leben kam Tjio nach Europa, um sein Interesse an der Pflanzengenetik fortzusetzen, und so kam es, dass er sich mit Levan zusammentat, um das Rätsel der fehlenden menschlichen Chromosomen zu lösen.

In den 1930er Jahren hatte Levan neue Techniken zur Untersuchung der geschädigten Chromosomen in den Wurzeln von Pflanzen entwickelt, die giftigen Chemikalien ausgesetzt waren, doch dann bemerkte er eine ungewöhnliche Ähnlichkeit mit den geschädigten Chromosomen, die häufig in Krebszellen vorkommen. Er richtete ein Labor in Lund ein und konzentrierte sich darauf, zu verstehen, wie fehlerhafte Chromosomen zu Krebserkrankungen beim Menschen beitragen können.

Um zu verstehen, was passiert, wenn etwas schief läuft, muss man wissen, was passiert, wenn etwas richtig läuft.

Bis zu diesem Zeitpunkt hatte niemand in Frage gestellt, dass Painters magische Zahl von 48 menschlichen Chromosomen falsch sein könnte, aber Levan und Tjio beschlossen, das Ganze noch einmal zu überprüfen, um sicherzugehen, dass ihre Vergleiche mit Krebszellen korrekt waren.

In den vergangenen 30 Jahren hatte es einige technische Fortschritte gegeben. Einer bestand darin, die Zellen in eine sehr verdünnte Flüssigkeit zu legen, um sie aufquellen zu lassen, so dass sich ihre Chromosomen ausbreiten und leichter gezählt werden können. Ein anderer war Levans bahnbrechende Idee, Colchicin zu verwenden – eine Chemikalie, die in Krokussen hergestellt wird – und die Zellen während des Teilungsprozesses anhält, genau an dem Punkt, an dem ihre Chromosomen ordentlich kondensiert und gepaart sind.

Ein weiterer Faktor war eher praktischer als technischer Natur. Bis dahin waren die einzigen Zellen, die im Labor zuverlässig wuchsen, aus Krebsproben entnommen worden, so dass sie nicht geeignet waren, um die korrekte Anzahl der Chromosomen in gesunden Zellen zu bestimmen. Zellen, die aus gesundem erwachsenem Gewebe entnommen wurden, wuchsen und vermehrten sich nicht sehr gut, so dass es unmöglich war, die kondensierten Chromosomen zu sehen, die nur während der Zellteilung vorhanden sind.

Schweden war jedoch eines der wenigen Länder, in denen Abtreibung legal war, so dass Levan und Tjio menschliche embryonale Zellen beschaffen konnten, die im Labor leicht wuchsen und einen zuverlässigen Vorrat an sich schnell teilenden gesunden Zellen mit einer normalen Anzahl von Chromosomen bildeten.

Die Weichen für die große Chromosomenzahl waren gestellt.

Die ersten Hinweise darauf, dass die magische Zahl 46 und nicht 48 sein könnte, kamen von Levans und Tjios Kollegen in Lund, Evan und Yngve Melander. Sie hatten sich schnell wachsende Zellen in embryonalen Leberzellen angesehen, die auf Glasobjektträger gepresst waren, und waren überzeugt, dass Painters ursprüngliche Zahl falsch war. Aus irgendeinem Grund beschlossen sie jedoch, ihre Entdeckung nicht zu veröffentlichen, sondern Levan darüber zu informieren, damit sein Team weitere Nachforschungen anstellen konnte.

Im Laufe des Jahres 1955 waren sowohl Levan als auch Tjio so viel unterwegs, dass es schwer vorstellbar ist, wie sie überhaupt Zeit für Experimente fanden, aber Tjio hatte die Angewohnheit, die Nacht durchzuarbeiten und seine fotografischen Fähigkeiten zu nutzen, um qualitativ hochwertige Fotos von Chromosomenpräparaten aus embryonalen Lungenzellen zu machen. Und um 2 Uhr morgens am 22. Dezember 1955 machte Tjio die entscheidende Aufnahme, auf der eindeutig 46 Chromosomen zu sehen waren.

Nachdem er sich etwa 250 weitere Zellen angesehen hatte, die alle die gleiche Anzahl aufwiesen, wurde die Wahrheit unvermeidlich. Levan und Tjio veröffentlichten ihre Ergebnisse Anfang 1956, nach einem kurzen Gerangel um die Autorenschaft der Arbeit, und korrigierten damit einen Fehler, der mehr als drei Jahrzehnte lang bestanden hatte.

Ich finde es erstaunlich, dass selbst als Rosalind Franklin und ihr Doktorand Ray Gosling 1952 das Foto machten, das zur Entschlüsselung der DNA-Struktur dienen sollte, niemand die korrekte Anzahl der Chromosomen im menschlichen Genom kannte.

Es ist ein beeindruckendes Beispiel für wissenschaftliches Gruppendenken. Obwohl andere Gruppen sich sicher waren, dass 46 die richtige Zahl war, hatte Painter es geschafft, alle anderen davon zu überzeugen, ihm zu glauben und nicht dem Beweis ihrer eigenen Augen. Mehrere andere Forscher, die Arbeiten veröffentlicht hatten, die die Behauptung von 48 untermauerten, mussten einen Rückzieher machen und zugeben, dass sie sich geirrt hatten.

Wie Peter Harper in einem Rückblick auf die Saga der Chromosomenzählung hervorhebt, „ist dies ein wichtiges allgemeines Thema für die Wissenschaft, da es zeigt, wie mit der Unsicherheit, die aus der unzureichenden Technologie vor der Studie von 1956 resultiert, ein bemerkenswertes Maß an Subjektivität in die scheinbar unvoreingenommene Analyse eintreten kann, wobei spätere Studien versuchen, mit den zuvor akzeptierten Schlussfolgerungen übereinzustimmen, selbst wenn die Fakten dies nicht rechtfertigen.“

Die Veröffentlichung der korrekten Anzahl menschlicher Chromosomen – zusammen mit den verbesserten Methoden zur Präparation der Chromosomen, so dass jedes einzelne Chromosom deutlich zu sehen ist – bildete die Grundlage für die moderne Wissenschaft der Humanzytogenetik.

In der heutigen Ära der DNA-Sequenzierung mit hohem Durchsatz ist das leicht zu vergessen, aber lange Zeit bestand die einzige Möglichkeit, Krankheiten wie Krebs, die durch genetische Umlagerungen und Mutationen verursacht werden, zu untersuchen, darin, die Chromosomen selbst zu betrachten.

Forscher entwickelten Techniken zur Untersuchung der inneren Struktur der Chromosomen, um Umlagerungen und Veränderungen zu erkennen, die zu Krankheiten führen. Zunächst gab es das G-Banding, bei dem eine spezielle Färbung namens Giemsa verwendet wird, die bevorzugt an Teilen der DNA haftet, die besonders reich an As und Ts sind. Durch die sorgfältige Untersuchung von Veränderungen in den Streifenmustern der Chromosomen konnten die Wissenschaftler beginnen, die chromosomalen Veränderungen, die Krebs und anderen Krankheiten zugrunde liegen, in den Griff zu bekommen.

Als Nächstes kam die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) – eine Methode zur Hervorhebung bestimmter Gene mit leuchtend farbigen Sonden. Danach kam die spektrale Karyotypisierung, bei der jedes einzelne Chromosom in einer anderen Farbe angemalt wird, um das genetische Chaos bei Krebs aufzudecken.

Die erste spezifische Chromosomenveränderung, die in Krebszellen festgestellt wurde, war eine seltsame stummelige Struktur, die 1959 von David Hungerford und Peter Nowell in Philadelphia entdeckt wurde. Dieses winzige Philadelphia-Chromosom, wie es später genannt wurde, taucht immer wieder bei chronischer myeloischer Leukämie auf und entsteht, wenn Teile der Chromosomen 9 und 22 vertauscht werden. Bemühungen, das überaktive, krebsfördernde Gen, das zufällig durch diese Fusion entsteht, zu bekämpfen, führten zur Entwicklung von Glivec – wohl eines der erfolgreichsten Krebsmedikamente, die je erfunden wurden.

Im Jahr 1959 machten Jerome Lejeune und Marthe Gauthier ihre Entdeckung bekannt, dass das Down-Syndrom durch das Tragen einer zusätzlichen Kopie des Chromosoms 21, der so genannten Trisomie, verursacht wird – das erste Mal, dass eine Krankheit wie Downs mit Chromosomenanomalien in Verbindung gebracht worden war. Dies ist auch eine weitere Geschichte einer Frau, deren Beitrag zur Wissenschaft übersehen wurde, da Marthe behauptet, den Großteil der Arbeit geleistet zu haben und die erste Person zu sein, die die Entdeckung machte, während Jerome die Lorbeeren einheimste. Aber das ist eine Geschichte für einen anderen Tag.

Abschließend möchte ich Sie mit den Worten von Albert Levan verabschieden, der sagte, dass er, nachdem er 50 Jahre seines Lebens damit verbracht hatte, menschliche Chromosomen zu untersuchen, diese als seine Freunde betrachtete.

Referenzen und weiterführende Literatur:

• Theophilus Painter: First Steps Toward an Understanding of the Human Genome FRANK H. RUDDLE. JOURNAL OF EXPERIMENTAL ZOOLOGY 301A:375-377 (2004)

• Theophilus Painter biography, The Embryo Project Encyclopedia

• The discovery of the human chromosome number in Lund, 1955-1956. Harper PS. Hum Genet. 2006.

• Die Chromosomenzahl des Menschen, JOE HIN TJIO ALBERT LEVAN Erstveröffentlichung: Mai 1956 https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1956.tb03010.x

• Fünfzigster Jahrestag der Trisomie 21: Rückkehr zu einer Entdeckung. Marthe Gautier und Peter S. Harper. Hum Genet (2009) 126:317-324

• Bild lizenziert von Envato