Negli anni ’20, lo zoologo americano Theophilus Painter lavorava nel suo laboratorio all’Università del Texas ad Austin, cercando di scoprire i segreti dei cromosomi sessuali affettando testicoli di uomini, opossum e altri animali. Arrivò persino a inventare un coltello speciale fatto di più lame di rasoio, per poter affettare sezioni sottili di tessuto testicolare e mantenere le strutture dettagliate delle cellule e dei cromosomi all’interno dello sperma in via di sviluppo.
Rendendosi conto che nessuno aveva dimostrato definitivamente quanti cromosomi avessero gli esseri umani, si mise a cercare al microscopio tra le fette di testicoli umani, cercando di contare i cromosomi all’interno della massa intricata di cromatina.
Nel 1923 pubblicò i suoi risultati. Lo sperma conteneva 24 cromosomi, quindi se ce n’erano altrettanti provenienti dall’uovo allora gli esseri umani dovevano avere 48 cromosomi in totale, 24 coppie. Caso chiuso.
Altri ricercatori erano perplessi. Alcuni pensavano che gli esseri umani avessero 19 coppie di cromosomi. Altri erano sicuri che ci fossero 23 coppie. Ma Painter era assolutamente convinto di avere il numero giusto e di averne trovati più di tutti gli altri, quindi forse non stavano contando abbastanza attentamente o le loro cellule avevano in qualche modo perso un paio di cromosomi lungo la strada?
Sono stati prodotti libri e materiale didattico per mostrare i cromosomi di Painter, etichettati con il numero magico di 24. E così fu. Gli esseri umani hanno 48 cromosomi, 24 coppie, e questa è la fine.
Ma qualcosa non sembrava giusto. Trent’anni dopo, i ricercatori dell’Università di Lund, nel sud della Svezia, decisero di indagare.
Gli investigatori di questo caso scientifico erano Albert Levan e Joe-Hin Tjio – un coltivatore di piante e appassionato fotografo nato in Indonesia nel 1919, che fu imprigionato e torturato dai giapponesi durante la seconda guerra mondiale. In cerca di una nuova vita, Tjio venne in Europa per continuare il suo interesse per la genetica delle piante, ed è così che arrivò a collaborare con Levan per risolvere il mistero dei cromosomi umani mancanti.
Negli anni ’30, Levan aveva sviluppato nuove tecniche per studiare i cromosomi danneggiati nelle radici delle piante che erano state esposte a sostanze chimiche tossiche, ma poi notò un’insolita somiglianza con i cromosomi danneggiati che si vedevano spesso nelle cellule tumorali. Ha aperto un laboratorio a Lund e si è concentrato sulla comprensione di come i cromosomi difettosi possano contribuire ai tumori umani e ha portato Tjio per aiutarlo.
Ma per capire cosa succede quando le cose vanno male, bisogna sapere cosa succede quando le cose vanno bene.
Fino a quel momento, nessuno aveva messo in dubbio che il numero magico di 48 cromosomi umani di Painter potesse essere sbagliato, ma Levan e Tjio decisero di ricontrollare, solo per essere sicuri che i loro confronti con le cellule tumorali fossero corretti.
C’erano stati alcuni progressi tecnici nel corso dei 30 anni precedenti. Uno era quello di mettere le cellule in un liquido molto diluito per farle gonfiare, spargendo i loro cromosomi per facilitare il conteggio. Un’altra fu l’idea pionieristica di Levan di usare la colchicina – una sostanza chimica prodotta nei crochi – che ferma le cellule durante il processo di divisione, proprio nel punto in cui i loro cromosomi sono ordinatamente condensati e accoppiati.
Un altro fattore era pratico piuttosto che tecnico. Fino a quel momento, le uniche cellule che crescevano in modo affidabile in laboratorio erano state raccolte da campioni di cancro, rendendole inutili per contare il numero corretto di cromosomi nelle cellule sane. Le cellule raccolte da tessuti adulti sani non crescevano o si moltiplicavano molto bene, rendendo impossibile vedere i cromosomi condensati che sono presenti solo durante la divisione cellulare.
Ma la Svezia era uno dei pochi paesi in cui l’aborto era legale, così Levan e Tjio furono in grado di ottenere cellule embrionali umane che crescevano facilmente in laboratorio, creando una fornitura affidabile di cellule sane che si dividevano rapidamente con un numero normale di cromosomi.
Il palcoscenico era pronto per la grande conta dei cromosomi.
Questo primo accenno al fatto che il numero magico potrebbe essere 46, non 48, in realtà è venuto dai colleghi di Levan e Tjio a Lund, Evan e Yngve Melander. Avevano osservato le cellule a crescita rapida nelle cellule epatiche embrionali, schiacciate su vetrini di vetro, ed erano convinti che il conteggio originale di Painter fosse sbagliato. Ma per qualche ragione decisero di non pubblicare, dicendo invece a Levan della loro scoperta in modo che il suo team potesse indagare ulteriormente.
Per tutto il 1955, sia Levan che Tjio viaggiavano così tanto che è difficile capire come avessero trovato il tempo di fare qualche esperimento, ma Tjio aveva l’abitudine di lavorare tutta la notte, usando le sue capacità fotografiche per scattare fotografie di alta qualità dei preparati cromosomici da cellule polmonari embrionali. E alle 2 di notte del 22 dicembre 1955, Tjio scattò la sua foto cruciale, che mostrava chiaramente 46 cromosomi.
Dopo aver esaminato altre 250 cellule circa, tutte con lo stesso numero, la verità divenne inevitabile. Levan e Tjio pubblicarono le loro scoperte all’inizio del 1956, dopo una breve disputa sulla paternità dell’articolo, correggendo un errore che persisteva da più di tre decenni.
Trovo sorprendente pensare che anche mentre Rosalind Franklin e il suo studente laureato Ray Gosling scattavano la fotografia che sarebbe stata usata per capire la struttura del DNA nel 1952, nessuno sapeva il numero corretto di cromosomi nel genoma umano.
È un esempio impressionante di groupthink scientifico. Anche se altri gruppi erano sicuri che 46 fosse il numero corretto, Painter era riuscito a convincere tutti gli altri a credere a lui piuttosto che all’evidenza dei propri occhi. Diversi altri ricercatori che avevano pubblicato articoli a sostegno dell’affermazione di 48 dovettero fare marcia indietro e ammettere di essersi sbagliati.
Come sottolinea Peter Harper in una recensione che ripercorre la saga del conteggio dei cromosomi, “Questo è un importante problema generale per la scienza, poiché mostra come, con l’incertezza derivante dalla tecnologia inadeguata prima dello studio del 1956, un notevole grado di soggettività può entrare in analisi apparentemente imparziali, studi successivi che cercano di concordare con le conclusioni precedentemente accettate anche quando i fatti non lo giustificano.”
La pubblicazione del numero corretto di cromosomi umani – insieme ai metodi migliorati per prepararli in modo che ciascuno potesse essere visto chiaramente, ha posto le basi per la moderna scienza della citogenetica umana.
È facile dimenticarlo nell’era odierna del sequenziamento del DNA ad alta produttività, ma per molto tempo l’unico modo di studiare malattie come il cancro, causate da riarrangiamenti e mutazioni genetiche, è stato quello di guardare direttamente i cromosomi stessi.
I ricercatori hanno sviluppato tecniche per studiare la struttura interna dei cromosomi, individuando riarrangiamenti e cambiamenti che portano alla malattia. Prima di tutto c’era il G-banding – usando una macchia speciale conosciuta come Giemsa che preferisce attaccarsi alle parti del DNA che sono particolarmente ricche di As e Ts. Osservando attentamente i cambiamenti nei modelli di strisce nei cromosomi, gli scienziati sono stati in grado di iniziare a capire le alterazioni cromosomiche alla base del cancro e di altre condizioni.
Poi è arrivata l’ibridazione in situ a fluorescenza, o FISH – un modo di evidenziare geni specifici con sonde dai colori brillanti. E dopo è arrivata la cariotipizzazione spettrale, dipingendo ogni singolo cromosoma di un colore diverso per rivelare il caos genetico nel cancro.
Il primo cambiamento cromosomico specifico ad essere notato nelle cellule tumorali fu una strana struttura tozza, individuata per la prima volta nel 1959 da David Hungerford e Peter Nowell a Philadelphia. Questo minuscolo cromosoma Philadelphia, come è stato conosciuto, compare costantemente nella leucemia mieloide cronica e si crea quando parti dei cromosomi 9 e 22 vengono scambiati. Gli sforzi per colpire il gene iperattivo che guida il cancro prodotto accidentalmente da questa fusione hanno portato allo sviluppo del Glivec – probabilmente uno dei farmaci antitumorali di maggior successo mai inventati.
Nel 1959, Jerome Lejeune e Marthe Gauthier rivelarono la loro scoperta che la sindrome di Down è causata da una copia extra del cromosoma 21, conosciuta come trisomia – la prima volta che una condizione come quella di Down era stata collegata ad anomalie cromosomiche. Questa è anche un’altra storia di una donna il cui contributo alla scienza è stato trascurato, poiché Marthe sostiene di aver fatto la maggior parte del lavoro e di essere stata la prima persona a fare la scoperta, mentre Jerome si è preso il merito. Ma questa è una storia per un altro giorno.
Infine, vi lascio con le parole di Albert Levan, che ha detto che dopo aver passato 50 anni della sua vita a guardare i cromosomi umani, li considerava come suoi amici.
Riferimenti e ulteriori letture:
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Theophilus Painter: Primi passi verso la comprensione del genoma umano FRANK H. RUDDLE. JOURNAL OF EXPERIMENTAL ZOOLOGY 301A:375-377 (2004)
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Biografia di Theophilus Painter, The Embryo Project Encyclopedia
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La scoperta del numero del cromosoma umano a Lund, 1955-1956. Harper PS. Hum Genet. 2006.
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IL NUMERO CROMOSOMICO DELL’UOMO, JOE HIN TJIO ALBERT LEVAN Prima pubblicazione: Maggio 1956 https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1956.tb03010.x
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Cinquantesimo anniversario della trisomia 21: ritorno ad una scoperta. Marthe Gautier e Peter S. Harper. Hum Genet (2009) 126:317-324
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