La storia della genetica 3 – la TCE

Beh, siamo giunti al terzo appuntamento con le digressioni sulla storia della genetica, sperando non vi s’abbia annoiati fino ad ora.
Trovate la prima puntata qua e la seconda qua.

Allora, avevamo capito grosso modo che esistono dei meccanismi con cui le caratteristiche di cui sono dotati gli individui vengono trasmessi alla prole, nonché avevamo notato che esistevano peculiarità ed eccezioni a queste regole.
Ma, se ci fate caso, alla domanda iniziale “perché abbiamo gli occhi azzurri?” in realtà non abbiamo risposto davvero, o almeno fino in fondo. Abbiamo spiegato il COME i caratteri degli occhi azzurri si trasmettono, ma non abbiamo detto il perché esistono (ed in maniera accennata perché sono recessivi) o per quale motivo esistono dei geni che contengono le caratteristiche degli individui ed essi seguono tali meccanismi.
In poche parole, non abbiamo detto COSA sono, fisicamente, empiricamente, questi “geni”, gli “alleli” e i meccanismi dell’ereditarietà, abbiamo solo descritto i loro effetti, i loro risultati.
Difatti alla domanda sugli occhi azzurri, la risposta che mette in ballo i meccanismi di ereditarietà non fa altro che spostare il problema ai genitori: noi abbiamo gli occhi azzurri perché i nostri genitori li hanno e non vi sono alleli dominanti di mezzo. Ma allora perché i nostri genitori li hanno azzurri? Da dove viene? Chi o cosa stabilisce chedevono essere azzurri?

Postulata l’esistenza dei geni o “fattori determinanti ereditari”, il primo passo è capire concretamente dove si trovano. Nessuna delle scoperte dei genetisti fino ad ora da sola alla fine tocca l’idea aristotelica del seme che si impianta nell’utero come nei vasi da fiore, o quella ippocratica dell’accumulo di sostanze.
Solo Pasteur anni prima aveva dimostrato che non esiste generazione spontanea e che “da vita nasce vita”; mentre Oskar Hertwig, nel 1875, dimostrò una volta per tutte studiando i ricci di mare che gli spermatozoi erano responsabili della fecondazione e lo sviluppo embrionale si aveva solo dopo di essa (seguito pochi anni dopo da Herman Fol con sperma e ovuli umani). Per questi motivi sicuramente bisognava andare a cercare nei meccanismi di riproduzione dei viventi.
Dobbiamo quindi scavare dentro il nostro organismo per cercare la risposta e, dato che si conosceva già l’esistenza delle cellule da almeno due secoli (compresa la presenza di strutture centrali chiamate “nuclei”), erano queste ad essere analizzate dagli scienziati nel periodo. In particolare, potremmo iniziare proprio ad indagare nel momento in cui le cellule si riproducono e dividono, microscopio alla mano.

Friedrich Miescher, un chimico, era presente sui campi di battaglia della guerra franco-prussiana, dove andava a far visita ai feriti negli ospedali da campo per raccogliere campioni di tessuto. In particolare da un po’ di pus nel 1871 riuscì a isolare dei globuli bianchi e a trovarvi tracce di una sostanza nuova, che decise di chiamare nucleina perché estratta dal nucleo (Prosopopea dice che lo trovò nello sperma del salmone ma forse fu un lavoro successivo). Non era chiaro cosa fosse, ma diede l’input per andare a cercare ulteriormente da quelle parti. Difatti i microscopisti e gli anatomisti (istologi) dell’epoca qualcosa lo trovarono, delle strane strutture proprio dentro il nucleo, che si tingevano facilmente quando si aggiungevano i coloranti ai vetrini. Nel 1882 Walther Flemming pensò di analizzarli nel momento in cui le cellule si dividono (un processo chiamato mitosi, già noto all’epoca) e facendo questo scoprì una cosa curiosa: nel momento di divisione e duplicazione, le strutture sembrano come “srotolarsi” e fanno la comparsa degli strani filamenti, che si separano a metà e si distribuiscono equalmente fra le due cellule-figlie, come “tirati” al loro interno verso i “poli”.

Vide qualcosa tipo questo:

Cosa erano?
Ancora non lo si sapeva e, non essendoci ancora prove per ricollegarli alla nucleina di Miescher (o meglio non si sapeva di cosa fosse composta), 6 anni dopo l’anatomista Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz (per gli amici Enrico) decise di chiamarli semplicemente cromosomi, dato che si coloravano molto bene nelle osservazioni al vetrino (dal greco chroma, colore e soma, corpo), e a nostro avviso anche perché, chissà perché, deve aver sviluppato in vita la consapevolezza per i nomi semplici.

Quale fosse il loro ruolo nella divisione della cellula, ugualmente era ignoto: potevano essere semplicemente strutture suddivise, come un padre poteva suddividere la dote fra le figlie.
Ma un po’ di intuito suggerì agli scienziati di continuare ad osservarli per capirci qualche cosa.

Uno di loro si chiamava Theodor Bovery. Era un tedesco arguto e preciso, che direttamente si mise a lavorare con le cellule riproduttive, i gameti. Scelse i ricci di mare per i suoi studi.
Egli stava osservando al microscopio il contenuto dei nuclei delle cellule dell’animale e notò, come ormai tutti erano abituati, questi cromosomi. Fino ad allora si sapeva che i cromosomi si presentavano sempre in quantità uguale e, tramite particolari tecniche con cui li si poteva isolare (oggi si direbbe per fare il “cariotipo”), a coppie di due.
Al momento della divisione cellulare, la loro quantità veniva dimezzata fra le cellule, per poi evidentemente ripristinarsi.
Ma nei gameti questo non accadeva: la quantità rimaneva dimezzata. Per di più, Boveri scoprì che affinché lo sviluppo embrionale avesse luogo, fosse assolutamente necessario che si avessero tutti i cromosomi, cioè che lo spermatozoo di riccio di mare fecondasse l’ovulo introducendovi quindi il proprio corredo di cromosomi.
Era un forte indizio del fatto che essi comandassero lo sviluppo dell’individuo, e quindi contenessero un qualche elemento necessario a determinarne le caratteristiche.
Wilhelm Roux, un suo collega, ipotizzò che ogni cromosoma avesse caratteristiche diverse.

Boveri scoprì anche che in realtà durante il processo di divisione i cromosomi inizialmente raddoppiavano, formando delle copie di ciascun cromosoma (che chiamò cromatidi) tenute legate all’originale da una specie di bottone (che chiamò centrosoma). Questi cromatidi si separavano per essere trascinati nelle cellule-figlie, ripristinando così il loro numero effettivo (un’ipotesi già elaborata qualche anno prima da Weismann ma che non ebbe trovate conferme). Essi si suddividevano ciascuno per conto proprio, senza influenzare il movimento degli altri: se ciò veniva impedito, lo sviluppo non avveniva, o vi erano mutazioni.

Cosa doveva significare?

Il suo lavoro fu molto influente ed ispirò praticamente tutti i genetisti dell’epoca.
Ma forse il suo “erede” più importante fu Walter Stanborough Sutton, americano solerte e molto sveglio.
Sutton invece lavorò con le cavallette. Scoprì anche in quel caso che i cromosomi si presentavano sempre a coppie, in quel caso 11, ma notò che era presente un cromosoma spaiato. Lo chiamò “cromosoma accessorio”, poi semplicemente “cromosoma X” essendo incognito.
Successivamente notò che questi cromosomi X erano presenti solo nei maschi e non nelle femmine (o meglio, le femmine non lo avevano spaiato e quindi presentavano 12 coppie), il che lo portò a sospettare che avesse a che fare con la determinazione del sesso.
E anche lui notò che i cromosomi si dividevano fra i gameti fornendovi solo metà del corredo, che essi si suddividevano in maniera indipendente e che erano necessari tutti i cromosomi (tramite la fecondazione) per permettere lo sviluppo embrionale.

Il lavoro di Boveri e Sutton fu prodromo ed uno dei capolavori delle scienze biologiche e della genetica perché condusse entrambi, indipendentemente, dopo la riscoperta delle leggi di Mendel, a dedurre che i cromosomi contenessero i fattori ereditari mendeliani, in quanto presentavano in maniera parallela le stesse caratteristiche: si suddividevano a metà fra i gameti ed ogni figlio ereditava metà cromosomi dal padre e metà dalla madre (legge di segregazione), si suddividevano in maniera separata (legge dell’assortimento indipendente) e alcuni cromosomi sembravano determinare una caratteristica con la loro presenza (dominanza). La pubblicazione delle loro conclusioni è datata 1902/1903.

(piccola curiosità per chi è già ferrato in materia: Sutton comunque sbagliò associando la segregazione indipendente alla seconda meiosi, mentre in realtà avveniva durante la prima, per molto tempo l’equivoco anzi non fu chiarito)

Ci sono alcune controversie sulla paternità di questa “teoria cromosomica dell’ereditarietà”. Certo, Boveri condusse per primo degli esperimenti fondamentali per indirizzare tutti gli altri. Ma fu Sutton a scoprire specificatamente i cromosomi sessuali e, secondo alcuni, pubblicò da solo la teoria, che Boveri non elaborò fino al 1904 limitandosi a prendere atto di ciò che scopriva.
Ma Edmund Beecher Wilson, professore di Sutton (di cui conosceva benissimo il lavoro) e amico di Boveri (con cui intratteneva fitte corrispondenze) rese comunque omaggio ad entrambi chiamandola Teoria di Sutton-Boveri, e dedicando il suo libro riassuntivo di tutte le scoperte genetiche fatte fino ad allora proprio a Boveri.

Comunque sia, la teoria non fu sempre accettata nella comunità scientifica. Non esistevano prove schiaccianti, non era sicuro che i cromosomi in qualche modo non si modificassero nel processo e potessero quindi essere distinti e stabili come i fattori determinanti mendeliani.
Ma i genetisti, in fondo al loro cuore, sapevano di essere sulla pista giusta ed iniziarono ad analizzare l’argomento come non mai.

Onestamente non ci sentiamo di tediare il lettore con quella che finirebbe per essere solo una lista di nomi con relative imprese (non potendo per ragioni di spazio dissertare più di tanto sulle vite e gli aneddoti di questi scienziati), per cui ci limitiamo ad illustrare i passi più importanti compiuti e rimandiamo chi volesse saltarli a Morgan, che alla fine sarà il più importante perché lui e i suoi allievi dimostreranno la fondatezza della teoria.
Esiste anche un intero discorso a parte che si potrebbe fare per le scoperte dell’embriologia o della citologia, ma andremmo troppo fuori dal discorso – e come al solito lo spazio non è abbastanza.

Nettie Stevens, una studentessa prodigio che però per vicissitudini varie affrontò gli studi avanzati solo a 30 anni, riprese le osservazioni di Sutton sul cromosoma X e “setacciò” varie specie di insetto in lungo e in largo. Scoprì l’esistenza, per molte specie, di una differenziazione del sesso basata su di una sola coppia di cromosomi, chiamati eterosomi o gonosomi per distinguergli dagli altri (che invece si sarebbero chiamati autosomi), piuttosto che per la presenza di un cromosoma accessorio. Dato che c’era già l’X, decise di chiamarlo Y: fu così che venne introdotta la moderna terminologia che indica XX per le femmine ed XY per i maschi. Notò anche che segregavano con un rapporto all’incirca del 50%, in accordo con le leggi mendeliane e con la determinazione del sesso.

Wilson, lo stesso di prima, compì gli stessi esperimenti e scoprì le stesse cose, ma egli stesso affermò di non essersi mai accorto delle stesse conclusioni della Stevens, che anzi ringraziò per le preziose ricerche. In compenso, nel 1907 scoprì dei particolari tipi di cromosomi addizionali detti cromosomi B.

Nel frattempo, William Ernest Castle e Charles Woodworth contribuirono ad estendere gli studi sulla genetica degli animali introducendo lo studio del moscerino della frutta, la famosa Drosophila melanogaster, come modello di ricerca.
Il loro laboratorio era attrezzato più o meno come questo:

File:Drosophila in the lab.jpg

Bello, eh?

Però l’utilizzo del moscerino come modello  è una delle componenti più importanti di tutta la storia della biologia e non solo per ciò che vedremo fra poco.

Nel 1913 Eleanor Carothers notò definitivamente la presenza di assortimento indipendente nelle cavallette. Stava osservando la divisione cellulare dei gameti, la meiosi. Notò la presenza di questo cromosoma  accessorio e ne descrisse minuziosamente la segregazione, sempre con un rapporto del 50% e sempre in parallelo al sesso.

Alfred Blakeslee avrebbe condotto ulteriori ricerche sulle piante confermando che la presenza di cromosomi addizionali conferiva caratteri diversi, ma siamo già più in là con gli anni e nel frattempo avvenne la vera conferma definitiva della TCE.

Molti scienziati infatti erano ancora perplessi e chiedevano prove maggiori. Fra di essi, uno dei più importanti fu Bateson, noto soprattutto agli zoologi per gli studi sul mimetismo.

Fu Thomas Hunt Morgan a dare il La alla conferma della teoria di Sutton e Boveri. Ed ironicamente, partì col presupposto di confutarla, essendo per natura profondamente scettico e dubitando delle teorie mendeliane e darwiniane, che giudicava più che altro speculazioni intellettuali ma senza la definitiva conferma empirica.
Morgan selezionò degli esemplari di moscerino della frutta per due caratteri: sesso e colore degli occhi.

Con prevedibili difficoltà pratiche, lo statunitense “prese” dei maschi con occhi bianchi, comparsi all’improvviso come mutazioni, e delle femmine con occhi rossi. Incrociandoli (non chiedete come), la progenie aveva gli occhi rossi: era il carattere dominante.
Incrociando questa seconda generazione, si ottenevano in media tre esemplari dagli occhi rossi ed uno bianco (un maschio). Le regole mendeliane erano rispettate per quanto riguarda il rapporto 3:1, ma in realtà dovendo contare due caratteri bisognerebbe aspettarsi un rapporto del tipo 3:3:1:1, cioè bisognerebbe aspettarsi anche almeno una femmina bianca.

Lo schema è questo:


Il fatto che non comparissero femmine dagli occhi bianchi, presenti solo nei maschi (che potevano comunque avere gli occhi rossi), suggerì che doveva esserci qualche particolarità nel meccanismo di trasmissione di questi caratteri.

A questo punto Morgan compì il passo decisivo: ripetè l’esperimento, ma a sessi invertiti, cioè femmine dagli occhi bianchi e maschi dagli occhi rossi.
Questa volta dopo il primo incrocio si avevano maschi e rossi in eguale quantità, al 50%. Cosa curiosa è che solo i maschi avevano gli occhi bianchi, mentre le femmine li avevano rossi. Incrociandoli fra di loro, si aveva nuovamente un rapporto del 50%, ma questa volta con un maschio dagli occhi bianchi ed uno dagli occhi rossi, lo stesso per le femmine.
Cosa era successo? Come si poteva spiegare questo comportamento inatteso dalle regole mendeliane? E perché subitava a presentarsi questa suddivisione fra i sessi con regolarità (segno che non era un caso)?
La soluzione risiedeva nel localizzare i geni sui cromosomi, il che vuol dire che il gene responsabile del colore degli occhi era presente sul cromosoma X. Trasmettendosi ai figli, solo i maschi (o le femmine eterozigoti recessive) potevano esprimere il colore bianco degli occhi, perché era presente un solo cromosoma contenente il gene

Era la prova fisica che la legge di assortimento indipendente non era sempre valida, perché due caratteri (sesso e colore degli occhi) si trasmettevano a braccetto (e molti altri geni erano correlati fra loro perché presenti magari nella stessa zona di uno stesso cromosoma).
Ma soprattutto, era la prova fisica che i fattori ereditari erano localizzati sui cromosomi, perché il gene per il colore degli occhi era inequivocabilmente associato al cromosoma che determina anche il sesso.

Lo schemino completo, è più semplice di quel che appare:

Su Prosopopea ci sono anche ulteriori dettagli sul ruolo che queste scoperte ebbero sulla teoria dell’evoluzione, fateci un salto.

Gran parte del lavoro comunque non lo compì solo Morgan.
I suoi allievi Calvin Bridges, Hermann Joseph Muller e Alfred Sturtevant contribuirono pesantemente alle ricerche e quest’ultimo in particolare realizzò la prima “mappa” della posizione dei geni su di un cromosoma, in luoghi definiti loci. Non era letteralmente una mappa della posizione fisica, quanto una mappa ordinale, cioè Sturtevant descrisse i geni come delle perle di una collana, impilate in un filo (il cromosoma). E, studiando incroci per tre geni, nonché ipotizzando che dopo la fecondazione alcuni geni si potessero scambiare fra un cromosoma e il suo omologo all’interno della coppia (il cosiddetto “crossing-over”), riuscì a dimostrare questa suddivisione e a determinare la posizione e la distanza fra i geni sui cromosomi del moscerino.

Ma per narrare di tutti gli avvenimenti che accaddero in quel gruppo di lavoro, dei lavori concettuali, degli esperimenti e dei conflitti interni al team (Muller per esempio elaborò gran parte delle spiegazioni, delle metodiche da adottare, delle teorie e delle interpretazioni degli esperimenti, ma non avendone condotti attivamente molti e quindi non ottenendo direttamente risultati non venne accreditato fra gli autori della ricerca e con molte polemiche si separò dal gruppo, non senza sentirsi imbrogliato) ci vorrebbero tanti altri articoli, oppure meglio un libro di storia della genetica.

Per questo ci fermiamo qui, in attesa della prossima puntata: perché abbiamo scoperto ora DOVE si trovano i geni, cioè sui cromosomi, ma non sappiamo ancora bene di cosa sono fatti i cromosomi, e quindi i geni stessi, e come trasmettano le caratteristiche.

Annunci

4 pensieri su “La storia della genetica 3 – la TCE

  1. Sulla questione di Meischer, il Pus e la Nucleina:

    At first, Miescher focused on the various types of proteins that make up the leucocytes, as proteins were considered to be the most promising targets for understanding how cells function. Miescher showed that proteins (and lipids) were the main components of the cells’ cytoplasm, described their properties in some detail, and attempted to classify them (Miescher, 1869a and Miescher, 1871d). However, his work was hampered by the simple protocols and equipment available to him and the diversity of proteins within the cells surpassed his analytical methods.

    Yet during these tests, Miescher noticed that a substance precipitated from the solution when acid was added and dissolved again when alkali was added (Miescher, 1869a and Miescher, 1871d). He had, for the first time, obtained a crude precipitate of DNA. Miescher stated that “according to known histochemical facts, I had to ascribe such material to the nuclei” and he decided to examine the cells’ nuclei more closely—a part of the cell about which very little was known at the time.

    […]

    However, his first protocol failed to yield enough material to conduct a further analysis. He wrote, “The minimum quantity of nuclei that can be obtained through the described procedure [see Box 1] hardly permits the few reactions mentioned; elementary analyses [one of the few methods available to analyze novel substances at the time] could not even be considered” (Miescher, 1871d)

    Basel’s location on the Rhine river with its annual upstream migration of salmon to their spawning grounds had a flourishing salmon fishing industry and there was an abundance of freshly caught salmon at Miescher’s disposal. Thus, in the autumn of 1871, he started to work on salmon sperm and developed numerous, ever more sophisticated protocols for the isolation of nuclein [see Miescher, 1874b, as well as the paper by Miescher’s coworker Oswald Schmiedeberg (Schmiedeberg and Miescher, 1896), which was published after Miescher’s death], which allowed him to obtain considerable quantities of the purest nuclein he had ever isolated (Fig. 5).

    Da questo bellissimo articolo: Friedrich Miescher and the discovery of DNA
    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160604008231

    Nel 1871 pubblica tutte e due le cose: si rende conto che non è una proteina ma qualcosa di nuovo dai leucociti nel pus, e ne isola una quantità decente da sperimentarci sopra dallo sperma di Salmone. Tecnicamente il “battesimo” della nucleina risale al primo paper (del 1869 ma pubblicato due anni dopo per questioni di baroni che non lo prendevano sul serio), però dovrei leggere gli originali per essere sicuro. (E sono pigro).

    Prima o poi dovrò anche scrivere un articolo su Woodworth, uno degli entomologi più importanti della storia e un tipo veramente strano.

    Bonus: http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0012160604008231-gr5.jpg
    Una delle provette con la nucleina isolata dallo sperma di Salmone. La prima volta (o una delle prime, ma così mi rompi la poesia) che un essere umano è riuscito a vedere il DNA. Not bad.

    Rispondi
  2. noooo ma come e finisce così? :'( mi stavo entusiasmando un sacco era spiegato tutto così bene perché non avete continuato con le altre mi sento abbandonata ora </3

    Rispondi

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...