Барбара Мак-Клинток

Барбара Мак-Клинток разработала метод визуализации хромосом клеток кукурузы и, применив микроскопический анализ, сделала множество фундаментальных открытий в цитогенетике, в их числе рекомбинация наследственной информации в результате кроссинговера («перекреста» и обмена участками хромосом) во время мейоза. Она составила первую генетическую карту кукурузы, описав физические свойства участков хромосом, показала роль теломер и центромер (участков хромосом, задействованных в сохранении генетической информации), провела обширные исследования по цитогенетике и этноботанике южноамериканских видов кукурузы, разработала теорию, объясняющую репрессию и экспрессию генетической информации при передаче от одного поколения к другому на примере кукурузы. В 1951 году Мак-Клинток открыла транспозоны. Её работы получили признание в 1960-1970е годы, когда был изучен механизм регуляции генов, открытой Мак-Клинток в 1940-е годы. В 1983 году Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине с формулировкой «За открытие мобильных генетических элементов».

Детство и юность

Барбара Мак-Клинток (при рождении ей было дано имя Элеонора, но его сменили в четырёхмесячном возрасте, поскольку родители посчитали, что имя Барбара больше подходит ребёнку по характеру) родилась в Хартфорде (штат Коннектикут, США) в семье врача Томаса Генри Мак-Клинтока (возможно, потомка переселенцев из клана Мак-Клинток, приехавших в Филадельфию в 1840-60е годы) и Сары Хенди Мак-Клинток. Кроме неё в семье были ещё две старшие сестры и брат, родившийся через два года после неё. Барбара с юных лет предпочитала уединение, у неё был независимый характер. Много позже, в 1983 году, она писала:

У Барбары были тёплые отношения с отцом, а с матерью — трудные в силу проблем с психикой у последней.

Примерно с трёх лет и до того, как пойти в школу, Мак-Клинток жила с тётей и дядей в Массачусетсе, чтобы облегчить финансовое положение своих родителей, пока её отец нарабатывал медицинскую практику. В этом возрасте Барбара на всю жизнь полюбила природу. В 1908 году Мак-Клинтоки переехали в пригород Бруклина Флэтбуш, где отец Барбары был зачислен в штат компании «Standard Oil». Барбара вновь стала жить с семьёй и поступила в бруклинскую среднюю школу Эрасмус Холл, которую окончила в 1918 году. В школе она изучала естественные науки и намеревалась поступить в Корнелльский университет, чтобы там продолжить обучение. Однако её мать противилась идее получения высшего образования дочерьми, полагая, что это уменьшит их шансы выйти замуж. Ко всему прочему у семьи продолжались финансовые затруднения, к тому же Томас Мак-Клинток был на войне в качестве хирурга. Барбаре пришлось некоторое время работать в агентстве по трудоустройству и ходить в библиотеку для самостоятельного обучения. На получении Барбарой высшего образования настоял вернувшийся из Европы отец, и она благополучно поступила в Корнелл в 1919 году.

Обучение и исследовательская работа в Корнелльском университете

Мак-Клинток начала обучение в Корнелльском сельскохозяйственном колледже в 1919 году. Во время учёбы на первом и втором курсах она вела обычную студенческую жизнь, в том числе ходила на свидания и играла на теноровом банджо в джаз-банде. Мак-Клинток была избрана президентом первого курса и была приглашена в женский клуб. Однако узнав, что в женский клуб не принимают евреев, она отказалась от вступления. В колледже она изучала ботанику и в 1923 году получила степень бакалавра. Интерес к генетике у неё появился в 1921 году, когда она прослушала первые курсы по этой теме. Курсы преподавались селекционером растений и генетиком К. Б. Хатчинсоном и были схожи с теми, которые читались в Гарвардском университете.

Хатчинсон был впечатлён любовью Мак-Клинток к учёбе и в 1922 году позвонил ей, пригласив на последипломный курс генетики. Позже Мак-Клинток называла звонок Хатчинсона причиной того, что она продолжила изучать генетику:

Поскольку в то время женщинам нельзя было специализироваться по генетике в Корнелльском университете, её магистерская (1925) и докторская (1927) степени были официально присуждены по ботанике.

Во время работы над дипломом и прохождения аспирантской практики в качестве преподавателя ботаники Мак-Клинток способствовала созданию группы по изучению цитогенетики кукурузы. В этой группе собрались генетики и цитологи, в их числе Чарльз Бернхэм, Маркус Роудс (открывший цитоплазматическую мужскую стерильность у кукурузы и получивший медаль Томаса Ханта Моргана за заслуги в развитии генетики), Джордж Бидл (получивший в 1958 году Нобелевскую премию за открытие регулирования метаболизма на генном уровне) и Харриет Крейтон. Заведующий кафедрой селекции растений Роллинс Эмерсон хотя и не был цитологом, поддерживал работу группы. Исследования Мак-Клинток были направлены на улучшение способов визуализации и характеризации хромосом клеток кукурузы. Она разработала метод карминового окрашивания, позволяющий визуализировать хромосомы, и впервые описала морфологию десяти хромосом клеток кукурузы. Изучение строения хромосом позволило Мак-Клинток проследить сцепленное наследование группы признаков в рамках отдельной хромосомы. Маркус Роудс отмечал, что статья Мак-Клинток о триплоидных наборах хромосом в клетках кукурузы вызвала интерес цитогенетиков и в конечном счёте привела к десяти из семнадцати значительных открытий, сделанных в этом разделе науки учёными Корнелльского университета в период с 1929 по 1935 годы.

В 1930 году Мак-Клинток впервые описала перекрёстный обмен участками гомологичных хромосом при взаимодействие во время мейоза (кроссинговер). В 1931 году Мак-Клинток в сотрудничестве с аспиранткой Харриетой Крейтон доказала связь между мейотическим кроссинговером и рекомбинацией признаков при наследовании. Эти исследования показали физическую основу генетических экспериментов по сцеплению генов и подтвердили гипотезу о том, что рекомбинация может происходить во время мейоза. В том же году Мак-Клинток впервые опубликовала генетическую карту кукурузы, показав последовательность из трёх генов в девятой хромосоме. Проведённые работы позволили Мак-Клинток и Крейтон исследовать физическую основу явления кроссинговера. В 1938 и 1941 году Мак-Клинток провела цитогенетический анализ центромер и теломер, описав их структуру и функцию.

В летние периоды 1931 и 1932 годов Мак-Клинток работала в университете Миссури совместно с генетиком Льюисом Стэдлером, который ознакомил её с методом применения рентгеновских лучей в качестве мутагена (облучение образца рентгеновском излучением увеличивает частоту мутаций). В ходе работы над получением мутаций у кукурузы она обнаружила кольцевые хромосомы, которые образовывались путём объединения концов хромосом вследствие радиационного воздействия. Мак-Клинток выдвинула гипотезу о том, что на концах хромосом должны иметься структурные образования, которые в нормальных условиях обеспечивают стабильность хромосомы. Она показала, что уменьшение количества кольцевых хромосом при мейозе вызывало пёстролистность листьев кукурузы у поколений, подвергнувшихся облучению, что являлось следствием хромосомальной делеции. В те же годы она выявила наличие «ядрышковых организаторов» в 6-й хромосоме кукурузы. Согласно современным представлениям этот участок содержит повторы генов рибосомальной ДНК, отвечающих за сборку ядрышка, где происходит транскрипция и созревание рибосомальной РНК.

Университет Миссури

В университете Миссури Мак-Клинток углубилась в исследование воздействия рентгеновского излучения на хромосомы кукурузы. Она наблюдала эффект возникновения разрывов и последующих слияний хромосом в облучённых клетках. Такой же эффект она наблюдала в некоторых других растениях — в клетках эндосперма происходил спонтанный разрыв хромосом. Она обнаружила, что во время митоза концы разорванных хроматид воссоединяются после репликации хромосом. В анафазе митоза разорванные хромосомы формировали хроматидную перемычку, которая разрывалась во время движения хроматид к полям клетки. Их концы воссоединялись в интерфазе следующего митоза, таким образом цикл повторялся, вызывая массовые мутации. Цикл из разрыва, слияния и создания перемычки, так называемый цикл «breakage-fusion-bridge», явился ключевым открытием цитогенетики по нескольким причинам: во-первых, было показано, что воссоединение хромосом носило не случайный характер, и во-вторых, была выявлена причина обширных мутаций. По этой причине цикл остаётся объектом исследований в области онкологии и по сей день.

Несмотря на достижения в университете Миссури, Барбара была недовольна своей должностью. Её не допускали до участия на факультетских заседаниях и скрывали информацию о наличии должностей в других научных учреждениях. В 1940 году она писала Чарльзу Бёрнхэму: «Я решила, что должна искать другую работу. Насколько я понимаю, здесь мне больше нечего делать. Я ассистент профессора, получающий $3 000, и полагаю, что для меня это предел.»

Мак-Клинток полагала, что не сможет сделать академическую карьеру в университете Миссури, хотя она знала о том, что ей будет предложено повышение весной 1942 года. В начале 1941 года Барбара была приглашена заведующим кафедрой генетики на работу летом в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор. Она взяла отпуск в университете Миссури, надеясь найти другую должность. Также она приняла приглашение в профессуру в Колумбийском университете, где работал её бывший коллега по Корнелльскому университету Маркус Роудс. Он предложил ей участвовать в его исследованиях в Колд Спринг Харбор на Лонг Айленде. В декабре 1941 года Милиславом Демеречем, недавно назначенным исполняющим обязанности директора, ей была предложена должность исследователя, и она была зачислена в штат на кафедре генетики в Институте Карнеги.

Колд Спринг Харбор

После года работы на временной должности Мак-Клинток перешла на полную ставку в лабораторию Колд-Спринг-Харбор. Здесь она продолжила заниматься циклом «breakage-fusion-bridge», используя его в качестве замены рентгеновских лучей для составления генетической карты. В 1944 году в знак признания её заслуг в области генетики Мак-Клинток была избрана членом Национальной академии наук, став третьей женщиной, удостоившейся этого звания. В следующем 1945 году она стала первой женщиной-президентом Генетического общества США. В 1944 году она провела цитогенетический анализ Neurospora crassa по предложению Дж. Бидла, использовавшего этот гриб для доказательства теории «один ген — один фермент». Для проведения исследований Бидл пригласил её в Стэнфордский университет. Там Мак-Клинток описала кариотип N. crassa, а также его полный жизненный цикл. Впоследствии гриб N. crassa стал классическим генетическим объектом.

Открытие контролирующих элементов

Летом 1944 года в лаборатории Колд Спринг Харбор Мак-Клинток начала проведение систематических исследований мозаицизма семян кукурузы и механизмов его изменчивого наследования. В одной из линий кукурузы в мейозе она наблюдала регулярные разрывы и воссоединения хромосом в области короткого плеча 9-й хромосомы. На дистальном конце этой хромосомы был расположен узелок гетерохроматина, недалеко от него по направлению к центромере локализовались рецесссивные мутации генов. Мак-Клинток выделила два новых доминантных взаимодействующих локуса: Диссоциатор (англ. Dissociator, Ds) и Активатор (англ. Activator, Ac). Она обнаружила, что диссоциатор не только вызывает разрыв хромосом и вызывает нестабильные мутации, но в присутствии активатора по-разному воздействует на соседние гены. В начале 1948 года она сделала интересное открытие — как с диссоциатором, так и активатором может происходить транспозиция, то есть они способны менять своё положение на хромосоме. Эффект транспозиции Ac и Ds выражался в изменении окраски зёрен кукурузы относительно образцов из поколений от контрольного скрещивания. Мак-Клинток описала взаимосвязь между локусами, использовав микроскопический анализ. Она сделала вывод о том, что Ac контролирует транспозицию Ds в 9-й хромосоме, и перемещение Ds сопровождается разрывом хромосомы. Во время своего движения Ds перестаёт подавлять ген цвета алейронового слоя, последний переходит в активную форму, что вызывает синтез пигмента в клетках. Поскольку транспозиция Ds в разных клетках происходит по-разному, это приводит к мозаицизму. Размер пигментировавших областей на зёрнах зависит от степени развития зерна на момент диссоциации.

В 1948-1950 годах Мак-Клинток разрабатывала теорию, согласно которой мобильные элементы влияют на гены, селективно ингибируя и регулируя их активность. Она охарактеризовала диссоциатор и активатор как «контролирующие единицы», а позже как «контролирующие элементы», чтобы подчеркнуть их свойство влиять на работу соседних генов. Она предположила, что генная регуляция может объяснить, почему в сложных многоклеточных организмах образуются различные клетки и ткани, несмотря на то, что все клетки обладают идентичным геномом. Открытие Мак-Клинток поставило под сомнение представление о геноме как о статичном наборе правил, передающихся из поколения в поколение. В 1950 году она опубликовала свою работу об активаторах и диссоциаторах.

Работы Мак-Клинток по исследованию контролирующих элементов и генной регуляции в силу их сложности не сразу были осмыслены и приняты современниками. Научные изыскания воспринимались, по её словам, как «загадочные, даже враждебные». Летом 1951 года Мак-Клинток доложила об исследовании изменчивости генов на ежегодном симпозиуме в Колд Спринг Харбор. Её работа была встречена «каменным молчанием». Несмотря на это, Мак-Клинток продолжила проведение исследований контролирующих элементов. В 1953 году она опубликовала статью, где представила полученные статистические данные, и в 1950-х годах провела лекционный тур в нескольких университетах, посвящённый её работе. Она продолжила исследования в этой области и обнаружила новый элемент Супрессор-мутатор (англ. Suppressor-mutator, Spm), охарактеризов