W latach dwudziestych XX wieku amerykański zoolog Theophilus Painter pracował w swoim laboratorium na Uniwersytecie Teksańskim w Austin, próbując odkryć tajemnice chromosomów płciowych poprzez krojenie jąder ludzi, oposów i innych zwierząt. Posunął się nawet do wynalezienia specjalnego noża wykonanego z wielu żyletek, dzięki któremu mógł kroić cienkie fragmenty tkanki jąder i zachować szczegółowe struktury komórek i chromosomów w rozwijającej się spermie.
Zdając sobie sprawę, że nikt nie udowodnił ostatecznie, ile chromosomów ma człowiek, zaczął przeszukiwać pod mikroskopem plastry ludzkich jąder, próbując policzyć chromosomy w splątanej masie chromatyny.
W 1923 roku opublikował swoje wyniki. Plemniki zawierały 24 chromosomy, więc jeśli była ich taka sama liczba pochodząca z jaja, to ludzie muszą mieć w sumie 48 chromosomów, 24 pary. Sprawa zamknięta.
Inni badacze byli zakłopotani. Niektórzy myśleli, że ludzie mieli 19 par chromosomów. Inni byli pewni, że są 23 pary. Ale Painter był absolutnie przekonany, że ma właściwą liczbę i znalazł ich więcej niż wszyscy inni, więc może oni po prostu nie liczyli wystarczająco dokładnie albo ich komórki w jakiś sposób zgubiły po drodze kilka chromosomów?
Powstały książki i materiały dydaktyczne prezentujące chromosomy Paintera, oznaczone magiczną liczbą 24. I tak się stało. Ludzie mają 48 chromosomów, 24 pary, i na tym koniec.
Ale coś się nie zgadzało. Trzydzieści lat później naukowcy z Uniwersytetu w Lund w południowej Szwecji postanowili to zbadać.
Gumoszami w tej naukowej sprawie byli Albert Levan i Joe-Hin Tjio – hodowca roślin i zapalony fotograf urodzony w Indonezji w 1919 roku, który był więziony i torturowany przez Japończyków podczas II wojny światowej. W poszukiwaniu nowego życia Tjio przybył do Europy, aby kontynuować swoje zainteresowanie genetyką roślin, i w ten właśnie sposób nawiązał współpracę z Levanem, aby rozwiązać zagadkę brakujących ludzkich chromosomów.
W latach trzydziestych Levan opracowywał nowe techniki badania uszkodzonych chromosomów w korzeniach roślin, które były narażone na działanie toksycznych substancji chemicznych, ale następnie zauważył niezwykłe podobieństwo do uszkodzonych chromosomów, które często były widoczne w komórkach nowotworowych. Założył laboratorium w Lund i skupił się na zrozumieniu, w jaki sposób wadliwe chromosomy mogą przyczyniać się do powstawania nowotworów u ludzi, a do pomocy sprowadził Tjio.
Ale aby zrozumieć, co się dzieje, gdy rzeczy idą źle, trzeba wiedzieć, co się dzieje, gdy rzeczy idą dobrze.
Do tego momentu nikt nie kwestionował, że magiczna liczba 48 ludzkich chromosomów podana przez Paintera może być błędna, ale Levan i Tjio postanowili sprawdzić to dwukrotnie, aby mieć pewność, że ich porównania z komórkami nowotworowymi są prawidłowe.
W ciągu 30 lat nastąpiło kilka postępów technicznych. Jednym z nich było umieszczenie komórek w bardzo rozcieńczonym płynie, aby spęczniały, rozrzucając swoje chromosomy dla łatwiejszego liczenia. Innym był pionierski pomysł Levana, by użyć kolchicyny – substancji chemicznej wytwarzanej w krokusach – która zatrzymuje komórki podczas procesu podziału, dokładnie w momencie, gdy ich chromosomy są starannie skondensowane i sparowane.
Inny czynnik był raczej praktyczny niż techniczny. Do tego momentu jedyne komórki, które niezawodnie rosły w laboratorium, były pobierane z próbek nowotworowych, co sprawiało, że nie nadawały się do liczenia prawidłowej liczby chromosomów w zdrowych komórkach. Komórki pobrane ze zdrowych tkanek dorosłych nie rosły i nie rozmnażały się zbyt dobrze, co uniemożliwiało dostrzeżenie skondensowanych chromosomów, które są obecne tylko podczas podziału komórki.
Ale Szwecja była jednym z niewielu krajów, w których aborcja była legalna, więc Levan i Tjio byli w stanie zdobyć ludzkie komórki embrionalne, które łatwo rosły w laboratorium, tworząc niezawodny zapas szybko dzielących się zdrowych komórek z normalną liczbą chromosomów.
Scena była ustawiona dla wielkiej liczby chromosomów.
Pierwsze wskazówki, że magiczną liczbą może być 46, a nie 48, faktycznie pochodziły od kolegów Levana i Tjio z Lund, Evana i Yngve Melandera. Przyglądali się oni szybko rosnącym komórkom w komórkach wątroby zarodków, zgniecionym na szklanych szkiełkach i byli przekonani, że oryginalna liczba Paintera była błędna. Ale z jakiegoś powodu zdecydowali się nie publikować, zamiast tego mówiąc Levanowi o swoim odkryciu, aby jego zespół mógł dalej badać.
Przez cały 1955 rok, zarówno Levan jak i Tjio podróżowali tak dużo, że trudno sobie wyobrazić jak znaleźli czas na jakiekolwiek eksperymenty, ale Tjio miał zwyczaj pracować przez całą noc, wykorzystując swoje umiejętności fotograficzne do robienia wysokiej jakości zdjęć preparatów chromosomowych z embrionalnych komórek płuc. I o drugiej nad ranem 22 grudnia 1955 roku Tjio pstryknął swoje kluczowe zdjęcie, wyraźnie pokazujące 46 chromosomów.
Po przyjrzeniu się kolejnym 250 lub tak komórkom, z których wszystkie miały tę samą liczbę, prawda stała się nieunikniona. Levan i Tjio opublikowali swoje odkrycia na początku 1956 roku, po krótkiej kłótni o autorstwo pracy, poprawiając błąd, który utrzymywał się przez ponad trzy dekady.
Zdumiewa mnie, że nawet gdy Rosalind Franklin i jej student Ray Gosling pstrykali zdjęcie, które miało posłużyć do poznania struktury DNA w 1952 roku, nikt nie znał prawidłowej liczby chromosomów w ludzkim genomie.
To imponujący przykład naukowego myślenia grupowego. Nawet jeśli inne grupy były przekonane, że 46 to prawidłowa liczba, Painterowi udało się przekonać wszystkich innych, by uwierzyli jemu, a nie dowodom z własnych oczu. Kilku innych badaczy, którzy opublikowali prace popierające twierdzenie o 48, musiało się wycofać i przyznać, że się mylili.
Jak wskazuje Peter Harper w recenzji przeglądającej sagę o liczbie chromosomów, „Jest to ważna ogólna kwestia dla nauki, ponieważ pokazuje, jak przy niepewności wynikającej z nieodpowiedniej technologii przed badaniem z 1956 roku, niezwykły stopień subiektywizmu może wejść w pozornie bezstronną analizę, późniejsze badania próbujące zgodzić się z wcześniej przyjętymi wnioskami, nawet jeśli fakty tego nie uzasadniały.”
Opublikowanie prawidłowej liczby ludzkich chromosomów – wraz z ulepszonymi metodami ich przygotowania, tak aby każdy z nich mógł być wyraźnie widoczny, ustawiło scenę dla nowoczesnej nauki cytogenetyki człowieka.
Łatwo o tym zapomnieć w dzisiejszej erze wysokowydajnego sekwencjonowania DNA, ale przez długi czas jedynym sposobem badania chorób takich jak rak, które są powodowane przez rearanżacje i mutacje genetyczne, było patrzenie bezpośrednio na same chromosomy.
Badacze opracowali techniki badania wewnętrznej struktury chromosomów, wykrywania rearanżacji i zmian, które prowadziły do chorób. Przede wszystkim było G-banding – przy użyciu specjalnego barwnika znanego jako Giemsa, który woli trzymać się części DNA, które są szczególnie bogate w As i Ts. Uważnie przyglądając się zmianom we wzorach prążków w chromosomach, naukowcy byli w stanie zacząć orientować się w zmianach chromosomalnych leżących u podstaw raka i innych schorzeń.
Następnie pojawiła się hybrydyzacja fluorescencyjna in situ, czyli FISH – sposób na podkreślenie konkretnych genów za pomocą sond o jasnych kolorach. A potem przyszło kariotypowanie spektralne, malowanie każdego chromosomu na inny kolor, aby ujawnić chaos genetyczny w raku.
Pierwszą specyficzną zmianą chromosomalną zauważoną w komórkach nowotworowych była dziwna struktura kikuta, po raz pierwszy zauważona w 1959 roku przez Davida Hungerforda i Petera Nowella w Filadelfii. Ta minuta chromosomu Philadelphia, jak to przyszło do głowy, konsekwentnie pojawia się w przewlekłej białaczce szpikowej i jest tworzona, gdy części chromosomów 9 i 22 są przełączane wokół. Wysiłki mające na celu wycelowanie w nadaktywny gen powodujący raka, przypadkowo wyprodukowany przez tę fuzję, doprowadziły do opracowania Glivec – prawdopodobnie jednego z najbardziej skutecznych leków przeciwnowotworowych, jakie kiedykolwiek wynaleziono.
W 1959 roku Jerome Lejeune i Marthe Gauthier ujawnili swoje odkrycie, że zespół Downa jest spowodowany posiadaniem dodatkowej kopii chromosomu 21, znanego jako trisomia – po raz pierwszy warunek taki jak Downs został powiązany z nieprawidłowościami chromosomalnymi. Jest to również kolejna historia kobiety, której wkład w naukę został przeoczony, ponieważ Marthe twierdzi, że wykonała większość pracy i jako pierwsza dokonała odkrycia, podczas gdy Jerome przypisuje sobie zasługi. Ale to opowieść na inny dzień.
Na koniec zostawię was ze słowami Alberta Levana, który powiedział, że po spędzeniu 50 lat życia na przyglądaniu się ludzkim chromosomom, uważał je za swoich przyjaciół.
Referencje i dalsza lektura:
-
Theophilus Painter: First Steps Toward an Understanding of the Human Genome FRANK H. RUDDLE. JOURNAL OF EXPERIMENTAL ZOOLOGY 301A:375-377 (2004)
-
Biografia Theophilus Painter, The Embryo Project Encyclopedia
-
Odkrycie liczby chromosomów człowieka w Lund, 1955-1956. Harper PS. Hum Genet. 2006.
-
THE CHROMOSOME NUMBER OF MAN, JOE HIN TJIO ALBERT LEVAN First published: Maj 1956 https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1956.tb03010.x
-
Pięćdziesiąta rocznica trisomii 21: powrót do odkrycia. Marthe Gautier i Peter S. Harper. Hum Genet (2009) 126:317-324
-
Image licensed from Envato
.