Barbara McClintock: Khám phá một số gene nhảy

Vào những năm 1970, những bước tiến lớn trong sinh học phân tử đã dẫn tới khám phá transposon ở các sinh vật khác, bắt đầu với virus và vi khuẩn. Việc xác nhận rằng transposon phổ biến trong số các sinh vật nhân chuẩn cuối cùng cũng khiến giới khoa học trân trọng khám phá độc đáo của bà. McClintock đã nhận được một số giải thưởng danh giá, bao gồm Huân chương Khoa học Quốc gia năm 1970 và đỉnh cao là Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học được trao cho một mình bà vào năm 1983.

McClintock bắt đầu đặt ra những câu hỏi về ngô từ rất lâu trước khi bà xác định được sự chuyển vị. Những đóng góp ban đầu của bà cho lĩnh vực di truyền học tế bào ngô – sự kết hợp giữa các kỹ thuật di truyền cổ điển và kiểm tra bằng kính hiển vi các nhiễm sắc thể ngô nhuộm màu – đã tạo tiền đề cho khám phá sau này của bà.

Quan sát kỹ nhiễm sắc thể ngô

Sau khi nhận bằng Cử nhân khoa học tại Trường Nông nghiệp Cornell vào năm 1923, McClintock học lên và lấy bằng Tiến sĩ về thực vật học vào năm 1927, rồi tiếp tục nghiên cứu với vai trò giảng viên tại ngôi trường này. Trong thời gian đó, McClintock đã phát triển các kỹ thuật nhuộm để trực quan hóa các nhiễm sắc thể của ngô – các kỹ thuật sau này giúp bà khám phá ra hiện tượng chuyển vị. Vào năm 1929, bà đã cải tiến các kỹ thuật này đủ để phân biệt từng cái trong số 10 nhiễm sắc thể ngô, cho phép các nhà nghiên cứu liên kết dữ liệu di truyền với hành vi của nhiễm sắc thể. McClintock cũng giúp xác định tất cả các nhóm liên kết ngô, các gene được di truyền cùng nhau do chúng nằm gần nhau trên cùng nhiễm sắc thể.

Đến năm 1932, McClintock cho xuất bản chín bài báo về nhiễm sắc thể ngô, bao gồm các nghiên cứu về tâm động và nhân con, và một bài báo mang tính bước ngoặt trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS) vào năm 1931 trong đó bà cùng nghiên cứu sinh Harriet Creighton đã chứng minh sự trao đổi chéo di truyền ở cấp độ nhiễm sắc thể, đồng thời chỉ ra tái tổ hợp di truyền liên quan tới sự trao đổi vật lý các đoạn nhiễm sắc thể - một đóng góp lớn cho lĩnh vực di truyền học.

Bằng những thành tựu quan trọng này, ở tuổi 42, bà được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia vào năm 1944. Một năm sau đó, bà được bầu làm chủ tịch nữ đầu tiên của Hiệp hội Di truyền Hoa Kỳ.

Năm 1941, bà được bổ nhiệm vào vị trí nghiên cứu chính thức tại Khoa Di truyền học của Viện Carnegie Washington, và chính tại đây bà đã khám phá ra quá trình chuyển vị.

Đứt gãy nhiễm sắc thể và Transposon

Tại Viện Carnegie, McClintock tiếp tục các nghiên cứu trước về cơ chế đứt gãy và hợp nhất nhiễm sắc thể ở ngô. Bà xác định được một sự kiện đứt gãy nhiễm sắc thể luôn xảy ra tại cùng một vị trí trên nhiễm sắc thể số 9 của ngô – bà đặt tên là locus “Ds” hay “dissociation” (phân ly). Trong nhiều năm liền bà nghiên cứu locus này và phát hiện Ds có thể thay đổi vị trí trong nhiễm sắc thể. Các thí nghiệm thêm với locus Ds cho thấy đứt gãy nhiễm sắc thể tại locus này đòi hỏi một locus trội thứ hai, locus này lại có thể bắt đầu sự chuyển vị của chính nó. McClintock đặt tên cho locus thứ hai này là Activator (kích hoạt) hay Ac, và phát hiện một yếu tố Ac tại một vị trí khác hay thậm chí một nhiễm sắc thể khác có thể kích hoạt đứt gãy nhiễm sắc thể Ds.

Bài báo Kinh điển PNAS năm 1950 của McClintock đã tóm tắt nhiều năm dữ liệu thực nghiệm để hỗ trợ cho quá trình chuyển vị Ds và Ac. Trong đó, bà lưu ý rằng Ds và Ac có thể chuyển vị, chúng chèn vào đâu có thể dẫn đến đột biến không ổn định, và transposon di chuyển từ các locus đột biến có thể khôi phục chức năng của gene. McClintock tiếp nối bài báo ấy bằng một phát biểu tại Hội thảo Cold Spring Harbor (1951), mô tả khám phá của mình về chuyển vị. Khi bà nói xong, nhà di truyền học Evelyn Witkin nhớ lại, toàn bộ khán phòng đều im phăng phắc - báo trước thái độ lạnh nhạt ban đầu với những phát hiện của McClintock.

Phản ứng im lặng

McClintock mô tả phản ứng ban đầu với khám phá của bà là “hoang mang, thậm chí thù địch”. Nói bao quát về cộng đồng khoa học, bà nói: “Tôi đã rất sửng sốt khi thấy họ không hiểu nó, không coi trọng nó”. Khái niệm chuyển vị không hề dễ dàng phù hợp với khuôn khổ di truyền học vào thời điểm đó. Phát hiện của McClintock về các đột biến bật và tắt gene bất đồng với ý tưởng đương thời rằng các đột biến làm gene bất hoạt vĩnh viễn. Hơn nữa, nhiều thập kỷ dữ liệu lập bản đồ di truyền cho thấy các gene được sắp xếp tuyến tính ở các vị trí cố định so với nhau, điều này khiến các nhà nghiên cứu khó lòng chấp nhận rằng các gene có thể di truyền trong bộ gene.

Phản ứng lạnh nhạt của giới khoa học không khiến McClintock nản lòng thoái chí, bà tiếp tục đi theo con đường mà mình tin là đúng. Vào những năm 1950, McClintock phát hiện một yếu tố di động mới: Suppressor-Mutator (Spm), và cơ chế điều hòa phức tạp của nó. Spm có thể chuyển đổi qua lại giữa dạng “bất hoạt” và dạng hoạt động – bà gọi đây là “thay đổi pha”, hiện được biết là kết quả của quá trình methyl hóa. Một số dạng Spm chuyển đổi giữa các pha bất hoạt và hoạt động trong quá trình phát triển, trong khi các dạng khác cho thấy các kiểu biểu hiện cụ thể và chỉ hoạt động ở một số bộ phận nhất định trên cây. Những nghiên cứu tiên phong này đã báo trước tầm quan trọng của biểu sinh học, những thay đổi di truyền không do thay đổi trong trình tự gene gây ra, trong quá trình phát triển.

Sự công nhận muộn màng

Một thời gian ngắn trước khi McClintock chính thức nghỉ hưu vào năm 1967, các yếu tố di truyền được phát hiện trong thực khuẩn thể – virus lây nhiễm vi khuẩn. Chúng sẽ sớm được phát hiện trong chính vi khuẩn, và cuối cùng là trong ruồi giấm. Cộng đồng khoa học dần nhận ra transposon không chỉ có ở trên ngô mà thực tế là phổ biến ở nhiều loài.

Năm 1983, 35 năm sau bài báo đầu tiên về chuyển vị được công bố, và 33 năm sau Bài báo Kinh điển PNAS, McClintock đã được trao giải Nobel.

Nguồn: www.pnas.org