SIS

Scuola Interateneo per la Formazione degli Insegnanti della Scuola Secondaria

Classe A060

 

 

 

Relazione Finale del Corso: “STORIA ED EPISTEMOLOGIA DELLA SCIENZA”

Docente Prof. Luigi CERRUTI

 

 

Storia del Conteggio Cromosomico

 

Grazia Campanini grazia.carlo@tiscalinet.it              Nicoletta Forte nixo100.100@virgilio.it 

 

Indice Generale

1. Le premesse della Genetica 

2. Joe Hin Tjio………………….…….

3 . Conclusioni….…….

Bibliografia…………………

 

 

1 . LE PREMESSE DELLA GENETICA

 

Nel ripercorrere brevemente le principali tappe della storia della citogenetica, è necessario tenere presenti due aspetti importanti: il contesto scientifico e storico nel quale la citogenetica si è sviluppata e come la sua evoluzione sia dipesa fortemente dal progresso delle tecniche utilizzate.

Alla base delle ricerche di genetica, c’è la possibilità di realizzare esperimenti di riproduzione. Questi, sono sempre stati compiuti, ma hanno acquisito un valore scientifico dal XII secolo in poi. I risultati ottenuti non potevano essere valutati senza l’applicazione di tecniche matematiche e in particolare statistiche, che furono per la prima volta utilizzate con regolarità, nel IX secolo da studiosi come Francis Galton e soprattutto Gregor Mendel. Il lavoro di Mendel fu pubblicato nel 1866, ma non fu largamente conosciuto fino a quando, non fu “ riscoperto”nel 1900 da Correns, De Vries e altri. Le nuove conoscenze delle tecniche istologiche sviluppatesi nel periodo tra la pubblicazione dei lavori di Mendel e l’inizio del 900, permisero un utilizzo delle conclusioni di Mendel più rapido di quanto non sarebbe stato possibile al tempo della pubblicazione,in particolare accelerarono il primo sviluppo della citogenetica. Nel 1827, J.J. Lister, descrisse tessuti animali utilizzando un microscopio che si era costruito, avente un potere di risoluzione di 1 m. L'ulteriore evoluzione della microscopia dipese dall’introduzione di soddisfacenti tecniche di fissazione e colorazione dei tessuti e più tardi dal miglioramento delle tecniche di taglio delle sezioni tessutali, nella seconda metà del 19° secolo.

La divisione cellulare fu descritta da Virchow (1858), il quale dimostrò che tutte le cellule derivano da altre cellule. Nel 1882 Flemming descrisse cellule in divisione nella cornea umana, e introdusse il termine di “mitosi”; inoltre definì la struttura del nucleo come “cromatina”. Il termine cromosoma fu introdotto da Waldeyer nel 1888. A quel tempo Van Beneden aveva già enunciato la sua teoria secondo la quale queste strutture provengono equamente dall’unione dei nuclei di due cellule germinali, ciascuna per ogni genitore. Weismann nel 1887, ipotizzò la meiosi come divisione di tipo riduzionale. Gli studi di Mendel, furono “riscoperti”pochi anni prima che fosse possibile identificare le unità ricombinanti e segreganti della riproduzione con i cromosomi, secondo l’ipotesi di Sutton e Boveri (1903). Nello stesso periodo fu chiarita l’importanza dei cromosomi sessuali nella determinazione del sesso (McClung, 1901).

Si può affermare che la ricerca sulla citogenetica umana sia iniziata con gli studi di Arnold (1879) e Flemming (1882) che esaminarono i cromosomi mitotici umani. Negli anni seguenti apparvero numerose pubblicazioni con diverse stime del numero di cromosomi umani. Rilevante, tra questi primi contributi, fu il lavoro di Von Winiwater nel 1912. Egli esaminò preparati istologici testicolari di quattro uomini di 21,23, 25 e 41 anni, fissati e tagliati in sezioni di soli 7,5 µm di diametro, il che impediva di contare i cromosomi. Fu possibile esaminare 32 mitosi spermatogoniche: in 29 egli contò 47 elementi, in 2, 46 e in una,49. Furono valutate 60 piastre diploteniche: 57 mostrarono 24 elementi, due sembravano averne 25 e una 23. Nelle diploteniche,Von Winiwater osservò anche i cromosomi sessuali, ma li descrisse come un unico cromosoma che veniva trascinato ad un polo. Egli concluse che i maschi umani avevano 47 cromosomi e le femmine 48. Il dato sperimentale che egli produsse era poco consistente per le femmine poiché trovò solo tre mitosi ovogoniche chiare in feti di quattro mesi. I risultati erano però compatibili con l’ipotesi che fossero presenti 48 cromosomi.

La pubblicazione che suscitò maggiormente l’interesse scientifico fu quella di Painter (1921,1923). Egli esaminò i testicoli di tre persone ricoverate al Texas State Insane Asylum e sottoposte a castrazione che, a detta dei medici,si era resa necessaria a causa della loro condizione di pazzia. I risultati si basarono principalmente sulle analisi effettuate su due dei tre individui. In un lavoro preliminare l’autore affermò che il numero di cromosomi era 46 o 48, ma nella relazione finale (1923) decise in favore di 48 cromosomi. Painter riuscì anche a descrivere che il bivalente sessuale, nella prima divisione meiotica, era formato dai cromosomi X e Y che all’anafase migravano ai poli opposti della cellula. L’opinione di Von Winiwater, secondo cui non esisteva alcun cromosoma Y, fu alla fine smentita da Keller (1937) in uno studio sul comportamento dei cromosomi sessuali durante la meiosi.

Nel periodo tra le due guerre mondiali furono realizzati numerosi studi sui cromosomi umani, soprattutto su sezioni testicolari, i quali confermarono le conclusioni di Painter, fissando il numero di cromosomi nelle cellule somatiche umane a 48, senza aggiungere nuove conoscenze.

I progressi furono limitati soprattutto da due difficoltà tecniche:

1) La preparazione delle microsezioni effettuata con le normali tecniche istologiche spesso alterava le mitosi;

2) I cromosomi tendevano a sovrapporsi e ad aggrovigliarsi tra loro.

Queste difficoltà furono superate successivamente, all’inizio degli anni ’50 grazie agli studi di Huges e di Hsu (1952) , i quali apportarono alcune importanti innovazioni tecniche nei metodi di studio cromosomico e in particolare:

1) L’uso, al posto delle sezioni istologiche, di sospensioni cellulari intatte che potevano essere schiacciate o semplicemente essiccate all’aria;

2) Il trattamento delle cellule, per breve tempo, con una soluzione ipotonica, per provocarne il rigonfiamento e la rottura, in modo da disperdere all’esterno i cromosomi per ottenerne una più distinta visualizzazione.

Grazie a questa metodologia:

1) Nulla andava perso

2 ) si aveva una osservazione diretta sui cromosomi

3) La fissazione era più facile

4)Essendo una tecnica più veloce si minimizzarono gli effetti indesiderati della degradazione dei cromosomi nel tempo

Un risultato ottenuto con tale tecnica è riportato in FIGURA 1

La tecnica dello shock ipotonico aprì la via ad un più facile conteggio dei cromosomi. E’ interessante notare che anche trent’anni dopo, la stima di

48 cromosomi effettuata da Painter era tanto profondamente radicata nella mente dei ricercatori, che nei primi studi sui cromosomi umani che utilizzarono nuove tecniche, il numero dei cromosomi umani fu riconfermato in 48.

Nell’estate del 1955, Albert Levan, un citogenetista svedese, visitò Hsu a New York e imparò la tecnica dei preparati per schiacciamento usando lo shock ipotonico.

Cromosomi in cellula epidermica di feto umano

FIGURA 1

Cellula epidermica in un feto umano di un mese che mostra i cromosomi discretamente condensati

 

Levan, che oggi ha 90 anni, era allora il direttore del laboratorio dell’Istituto di Genetica di Lund (Svezia).

Alla fine degli anni ‘40 Levan aveva iniziato una collaborazione con un giovane e brillante ricercatore, Joe Hin Tjio (1919-2001): i due lavorarono su fibroblasti di polmone fetale opportunamente protrattati con una soluzione acida ipotonica con cui i nuclei, una volta caduti sul vetrino riversavano il contenuto cromosomico. Grazie alla colchicina ,aggiunta alle cellule di coltura dopo cca 12-20 ore , i cromosomi non si univano nel fuso mitotico ed erano quindi visibili separatamente. Il metodo innovativo di fissare il preparato sul vetrino con acido acetico al 60% vol , permetteva inoltre, di ottenere immagini molto nitide e Tjio potè agevolmente fotografare , separare piastre cromosomiche correttamente per ottenere un cariotipo completo , come le conosciamo oggi ( FIGURA 1 ).

PREPARAZIONE DI UN CARIOTIPO

 

 

2. JOE HIN TJIO

 

 

FOTO 1 Il dott. Tjio, nel suo studio presso l’HIF (Istituto Nazionale per la Salute) di Bethesda nel Maryland.

 

Tjio ebbe una carriera insolita. Nacque da genitori cinesi a Giava, colonia delle Indie Olandesi Orientali e imparò presto a sviluppare fotografie, aiutando il padre che aveva uno studio fotografico. Queste conoscenze furono di aiuto quando nei suoi studi di genetica cominciò a fotografare le immagini osservate al microscopio. Frequentando le scuole coloniali olandesi imparò, oltre all’olandese, il francese, tedesco e inglese. Si laureò in agraria, al college di Bongor,in Indonesia, e si dedicò allo studio delle colture di patata alo scopo di sviluppare piante ibride resistenti alle più comuni patologie.

Nel 1942, cadde prigioniero dei Giapponesi e rimase in un campo di prigionia per tre anni; una volta terminato il secondo conflitto mondiale fu portato in Olanda da una nave della Croce Rossa come profugo di guerra ed il governo gli diede un incarico come ricercatore. In Europa Tjio riprese i suoi studi sugli ibridi di patata e cominciò a collaborare con diversi gruppi di ricerca in Danimarca e in Svezia. Trascorreva le estati all’Istituto di genetica di Lund,in Svezia, dove cominciò la collaborazione con Albert Levan, direttore del laboratorio, il quale lo incoraggiò ad estendere i suoi studi dalla genetica delle piante e degli insetti ai tessuti dei mammiferi.

Tjio raggiunse presto una certa fama in campo genetico: nel 1948, il governo Spagnolo lo invitò a lavorare ad un piano di studi sulle piante e nei successivi 11 anni diresse le ricerche citogenetiche all’università di Zaragoza continuando a collaborare con Levan e a svolgere ricerche a Lund durante i periodi di vacanza.

Tjio e Levan migliorarono la tecnica di Hsu abbreviando il tempo di trattamento ipotonico delle cellule e aggiungendo al mezzo di coltura la colchicina. La colchicina è una sostanza estratta da Colchicum autumnale, utilizzata anche nel trattamento della gotta: ha la particolarità di bloccare le cellule in metafase, (inibendo di conseguenza la formazione del fuso mitotico) consentendo di ottenere un maggior numero di cellule analizzabili in coltura.

Tjio e Levan studiarono in particolare colture cellulari di fibroblasti di polmone estratti da embrioni umani.

Il 22 Dicembre 1955 Tjio stava cercando di estrarre i cromosomi dal nucleo di alcuni fibroblasti provando un personale metodo per fissare i cromosomi sui vetrini. Una volta analizzati i preparati al microscopio si rese conto di aver fatto una scoperta sorprendente. Nella maggior parte delle 261 metafasi di fibroblasti embrionali analizzate si potevano contare chiaramente 46 cromosomi e non 48 come era allora sostenuto dalla comunità scientifica. Tjio mostrò i suoi risultati ai colleghi svedesi e poiché in quei giorni Levan era assente dal laboratorio, essi lo spinsero a pubblicare immediatamente il lavoro. Questo fu l’inizio di una amara controversia poiché Tjio rifiutò che il nome di Levan apparisse per primo nella pubblicazione, rompendo una antica consuetudine delle università europee, secondo cui il primo nome negli articoli scientifici era riservato al direttore dell’ istituto nel quale si era realizzata la ricerca; secondo Tjio, Albert contribuì alla scoperta solo con finanziamenti :”…,gli dissi che se voleva essere il primo autore, avrebbe dovuto lavorare al progetto”.Secondo Joe , Levan obbiettò così :” Non lo fare, è una questione di scienza… “ e fino a che Tjio fu in vita i vecchi rancori non si spensero mai .

Il lavoro di Tjio e Levan fu comunque pubblicato il 26 Gennaio 1956 sulla rivista scandinava Hereditas.

Discutendo le loro conclusioni, fecero riferimento a tre ricercatori svedesi che avevano studiato mitosi in cellule di fegato di embrioni umani abortiti un anno prima. Il loro studio era stato interrotto perché essi non riuscivano a contare 48 cromosomi: in tutte le cellule ne avevano trovati 46. Tjio e Levan furono molto prudenti nelle loro conclusioni:
”Non vogliamo generalizzare le nostre scoperte con l’affermazione che il numero cromosomico nell’uomo è 2n = 46, prima di aver effettuato un nuovo accurato controllo del numero cromosomico nelle mitosi spermatogoniche nell’uomo, ma è difficile non concludere che questa sembrerebbe la spiegazione più naturale delle nostre osservazioni”.

Queste osservazioni sperimentali furono rapidamente confermate da Ford e Hamerton (1956). Essi esaminarono il tessuto testicolare di tre uomini di età relativamente avanzata. Nella grande maggioranza delle cellule in metafase I, furono trovati 23 bivalenti, confermando i risultati di Tjio e Levan. Fu difficile reperire mitosi spermatogoniche, ma un certo numero di conteggi precisi confermarono che il numero cromosomico era 46.

Nel frattempo, iniziò la fase dello sviluppo della citogenetica clinica. Trascorsero circa tre anni prima che fosse descritto il primo cariotipo anomalo nell’uomo. Le Jeune nel 1959 pubblicò uno studio sui cromosomi da colture di fibroblasti in nove bambini affetti dalla sindrome di Down. Cinquantasette cellule diploidi furono considerate tecnicamente perfette. In tutte il numero di cromosomi era 47. Il cromosoma soprannumerario fu descritto come piccolo e “telocentrico”. Una non-disgiunzione meiotica fu considerata come il più probabile evento in grado di spiegare l’origine del cromosoma in soprannumero. Negli anni seguenti furono approfonditi gli studi sulla sindrome di Turner e di Klinefelter ( Ford et al.,1959; Jacobs et al. 1959). uesto fu anche l’inio

Nel 1956, durante il primo congresso internazionale di Genetica Umana a Copenhagen,Tjio fu avvicinato da un professore dell’universtà dell’indiana, il Nobel Herman Muller,che propose al genetista di emigrare negli Stati Uniti dove la sua esperienza sarebbe stata molto apprezzata , specialmente dal Dott. T.T. Puck dell’università del Colorado. Nonostante l’insistenza di Miller , nel 1959 lo scienziato olandese accettò l’offerta del Dott. De Witt Stetten e si recò all’Istituto Nazionale di Pratica Sperimentale delle malattie metaboliche e lo studio dell’Artrosi per dare il suo contributo alla nuova branca della citogenetica.

Come ogni ricercatore del tempo, rimase ospite del campus di Bethesda, Meriland e si dedicò ad estendere i suoi studi alle leucemie e ai ritardi mentali. Tre anni dopo i suoi approfondimenti diedero nuovi frutti e Tjio venne premiato personalmente da J.F Kennedy,il 6 dicembre 1962. La foto riportata , ritrae Il ricercatore mentre riceve Il Premio Internazionale della Fondazione Yoseph P. Kennedy ( FOTO 3 )

 

 

Per ironia della sorte,il suo unico figlio , a causa di complicazioni durante il parto fu colpito da un ritardo mentale .

Nel febbraio “92, Tjio si ritirò dalla scena scientifica e lasciò l’ Istituto Nazionale della Salute solamente quando il laboratorio venne ristrutturato.

Si stabilì così con la moglie Inga ed il figlio a Gaithersburg dove mori il 27 novembre 2001.L’eredità scientifica lasciataci comprende numerose e straordinarie fotografie dove sono perfettamente separati cromosomi di piante,insetti,mammiferi e umani .

 

3. CONCLUSIONI

Ci siamo occupate del conteggio cromosomico, spinte dalla curiosità di trattare un argomento di genetica che non fosse legato direttamente all’ingegneria genetica ed ai problemi connessi ma oggi molto inflazionati.

Da subito la ricerca si è rivelata ricca di ostacoli proprio per questo motivo: sebbene sia facile reperire materiale riguardo all’ingegneria genetica, di notevole difficoltà è stato reperire materiale per la relazione, definito da che ci ha aiutato “troppo datato” e allo stesso tempo troppo specifico . Le nostre ricerche sono partite dalla Biblioteca Nazionale dove speravamo di ottenere buoni successi data la vastità di materiale in essa contenuta ma in realtà, per quanto concerne i cromosomi e gli scienziati che ve ne sono occupati abbiamo avuto solo brevi accenni .Agli stessi risultati, siamo giunte presso la biblioteca della Facoltà di Medicina.

Via Internet ci siamo serviti dei classici motori di ricerca, tra i quali ,quello più utile è stato “Superava”: digitando “Tjio chromosomes”, abbiamo avuto dei primi, incoraggianti risultati biografici. Pochissime notizie invece, sull’altro ricercatore, Albert Levan, solo brevemente citato.

Una notevole spinta si è avuta quando, abbiamo contattato la Prof.ssa Lamberti, Docente di Genetica per gli allievi di biologia, che ci ha fornito i testi riportati in bibliografia nonché qualche spiegazione sulle tecniche istologiche seguite da Joe Hin Tjio.Le circostanze fortunate ci hanno anche permesso di vedere delle stampe fotografiche originali ed autografate che la Docente conserva nel suo studio di via Accademia Albertina.

Ringraziamo quindi la Professoressa, per la sua disponibilità e simpatia .

Sul piano didattico la ricerca è stata un utile tassello da aggiungere alle conoscenze universitarie in campo genetico e, come specializzande, ci siamo impegnate al fine di poter utilizzare il nostro lavoro nell’ottica di una didattica narrativa adatta a introdurre il sapere come il prodotto umano frutto delle sue personali abilità .

 

Bibliografia

 

Curtis H. ,Barnes N . , ” Invito alla biologia “,Zanichelli, Bologna , 1991.

Ford E.H.,”Human Chromosomes”, Academic Press, London & New York, 1973, 381pp.

"http://education.guardian.co.uk/Print/0,3858,4317234,00.html"

, 03/06/02.

"http://www.mun.ca/biology/scarr/4241/tjio-levan.htm" , 03/06/02.

"http://www.nih.gov.news/NIH-Record/02_11_97/storyo01.htm" , 03/06/02.

Terman E., “Human Chromosomes”, Springer-Verlang, New York, 1993, 313pp.

Vogel F, A.G. Motulsky,“Genetica Umana“ , MC.Graw-hill, 1988, 813pp.