E-mail od mojego byłego sąsiada Shauna Kuczka był nieoczekiwany.

„Cześć Ricki! Mój tata zmarł w lipcu i sprzątamy jego dom. Był nauczycielem biologii przez 35 lat, a ja mam około 40 starych podręczników do biologii. Pamiętam, że piszesz podręczniki do biologii i może masz pomysł, jak je przekazać dalej? Wszystkie są stare, lata 1950, 1960. Jeśli coś przyjdzie Ci do głowy, daj mi znać.

Bernie Kuczek miał 91 lat. Oprócz nauczania biologii i chemii w szkole średniej oraz trenowania baseballu, Bernie mógł zdobyć sławę dzięki Brooklyn Dodgers i siedzącemu na ławce rezerwowych u boku Jackie Robinsona. Niestety, złamana noga zakończyła karierę baseballową. Bernie służył podczas wojny koreańskiej, a latem pracował jako biolog zajmujący się rybołówstwem.

Skarb z 1952 r., tuż przed publikacją Watsona i Cricka

Stos starych książek o biologii jest dla mnie jak sklep z zabawkami dla dziecka. Następnego ranka poszedłem do Shauna, przejrzałem kilka książek i bez wahania załadowałem je wszystkie do bagażnika samochodu.

Kiedy już znalazłem się w biurze, odsunąłem śpiące koty i delikatnie ułożyłem książki na ławce. Rozpoznałem okładki kilku tomów, które konkurowały z moim własnym podręcznikiem do biologii wprowadzającej Życie. Skupiłem się na najstarszych pojawiających się książkach, które miałem nadzieję znaleźć. Jedna, pozbawiona tylnej okładki, była podarta i wyglądała na szczególnie starą.

Byłem podekscytowany, gdy odkryłem, że jest to podręcznik do genetyki – jestem autorem niedawno opublikowanej takiej książki w jej 14. wydaniu, Human Genetics, Concepts and Applications, z McGraw-Hill. Podręcznik, który właśnie odziedziczyłem od Shauna, był jego pierwszym wydaniem Genetyka ogólnaktórego współautorami są dwie gwiazdy rocka biologii.

Genetyk molekularny z Cornell, Adrian M. Srb, znany jest z hipotezy „jeden gen – jeden enzym”. Pracował z formą chleba Neurospora Crassa. Ray D. Owen, profesor biologii w CalTech, odkrył tolerancję immunologiczną w wyniku eksperymentów, w których przyłączano bydło bliźniacze poprzez ich krwioobieg. Jego prace doprowadziły do ​​​​praktykowania immunosupresji w medycynie transplantacyjnej. (Jedną z rzeczy, które uwielbiam w genetyce, jest to, jak bardzo różne gatunki ujawniają te same podstawowe zasady dziedziczności – pracowałem z muszkami owocowymi.)

Na okładce Srb i Owen – podręczniki są zwykle znane pod nazwiskami autorów – znajduje się krótka lista „współpracowników zawodowych”. Należą do nich naukowiec, który wyszkolił mojego własnego mentora, a także naukowiec, który pracował w laboratorium, które ukończyłem na Uniwersytecie Indiana, zdobywca nagrody Nobla Hermann Muller.

Książka wydana przez WH Freeman and Company ma podarte i brakujące strony oraz notatki zapisane ołówkiem na marginesach od Berniego. Strony zdobią piękne czarno-białe szkice. Na początku mojej kariery ilustracje do moich książek przychodziły za pośrednictwem firmy UPS bezpośrednio od artystów. Dziś oczywiście wszystkie są tworzone cyfrowo. Urok zniknął.

Podczas łowienia ryb Genetyka ogólna ze stosu książek natknąłem się na tak zwany „najpowszechniej używany podręcznik genetyki swoich czasów” i „podstawowy uniwersytecki tekst z zakresu genetyki od publikacji pierwszego wydania w 1952 r. aż do publikacji w 1965 r. Druga edycja.”

1952!!!

To właśnie przykuło moją uwagę, gdyż w 1953 roku James Watson i Francis Crick opublikowali swój kultowy, jednostronicowy artykuł w czasopiśmie Nature: „Struktura molekularna kwasów nukleinowych: struktura kwasu nukleinowego dezoksyrybozy”.

Struktura ujawniła, w jaki sposób cząsteczka może zarówno kodować informacje, jak i sama się kopiować. „Nie umknęło naszej uwadze, że postulowane przez nas specyficzne parowanie od razu sugeruje możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego” – czytamy słynne ostatnie zdanie Watsona i Cricka. Zwłaszcza ich nazwiska nie znajdują się w indeksie Genetyka ogólna. Ich czas jeszcze nie nadszedł.

Co zaskakujące, autorzy napisali swoją bestsellerową książkę, nie znając chemicznej natury jednostki dziedziczności, czyli genu. Tekst jest migawką w czasie, znakomicie napisaną na krawędzi być może najważniejszej pracy z genetyki, jeśli nie całej biologii.

Jak oni to zrobili? Zadawali pytania, oceniali wskazówki i dowody oraz wyciągali wstępne wnioski, które prowokowały dalsze, bardziej szczegółowe pytania. Popularny pogląd na naukę polegającą na przełomach i dowodach nie jest trafny.

Niejasne definicje i przykłady z natury

Wszystkie podręczniki genetyki, łącznie z moim, opisują zbieżność dowodów eksperymentalnych, które doprowadziły Watsona i Cricka do wydedukowania struktury DNA. Relacja Srb i Owena jest być może jeszcze bardziej ekscytująca, ponieważ opowiedzieli tę historię, nie znając zakończenia, a jedynie domyślając się jej – jak się okazało, słusznie. Opisałem eksperymenty, które zainspirowały Watsona i Cricka, w 70. rocznicę publikacji ich słynnego artykułu, czyli 20 kwietnia 2023 r.

Podręcznik z 1952 roku nazywa geny „raczej heterogeniczny zbiór rzeczy… które na ogół stanowią niewyjaśnioną, mendlizującą pozostałość” nawiązując do wymownych proporcji potomstwa grochu w słynnych eksperymentach Gregora Mendla. „Prawdopodobnie część tej heterogenicznej klasy reprezentuje prawdziwe zmiany chemiczne w genach. Nie ma sposobu, aby dowiedzieć się, jak duża jest to część.

Duński botanik W. Johannsen ukuł termin „gen” w 1909 r., ale przypisał Hippowiokrates, „który zasugerował, że różne części ciała mogą wytwarzać substancje, które łączą się w narządach płciowych, gdzie powstaje materia rozrodcza”. To zdumiewająco proroczy opis tego, jak mejoza rozprowadza geny w postaci plemnika i komórki jajowej.

Podoba mi się niezbyt precyzyjna definicja pola ze starego podręcznika: „Genetyka… zajmuje się poszerzaniem naszej wiedzy o tym, dlaczego organizmy są takie, jakie są”.

Następnie w rozdziale otwierającym rozważamy, jakie gatunki są wspólne i jak się różnią, ustanawiając temat „jedności i różnorodności życia”, który pojawia się w tytułach wielu podręczników do biologii. Srb i Owen podają przykład: ludzie, myszy, świnki morskie i pleśń chlebowa korzystają z tego samego szlaku biochemicznego, aby wytworzyć aminokwas argininę. Ale gatunki ilustrują także różnorodność. „Jak kot może spłodzić kolejnego kota, a rzodkiewka kolejną rzodkiewkę?”

Podręcznik z 1952 roku wyjaśnia dziedziczność poprzez różnice cech, które obserwowano od dawna, nie znając roli DNA.

Czarny lis jest czarny dzięki „oddzielnym granulkom związku zwanego melaniną” – piszą Srb i Owen. Rodzice lisa mają „geny czerni”, podczas gdy lis rudy wytwarza inną wersję enzymu potrzebnego do wytworzenia melaniny. Szkice „kędzierzawego ptactwa” oferują inne przykłady. „Genetyka zajmuje się sposobem i zakresem dziedzicznej kontroli tych podstawowych różnic w funkcjonowaniu”.

Dzięki rolniczym podstawom książki pojawiają się skutki chowu wsobnego – mające zastosowanie do wszystkich gatunków rozmnażających się płciowo. Chów wsobny może prowadzić do „niefortunnych konsekwencji biologicznych”. W przypadku kukurydzy ciągłe samozapłodnienie prowadzi do tego, że drobne kłosy zdobią kurczące się plony, w przeciwieństwie do soczystych kłosów wykazujących „wigor hybrydowy”. Podobnie hodowcy zwierząt zauważają „słabości”, gdy rodzice są spokrewnieni. Natomiast u ludzi „nieproporcjonalnie duża liczba małżeństw kuzynów występuje wśród rodziców albinosów”.

Chów wsobny jest „biologicznie niepożądany”, ale nie zawsze. Srb i Owen przywołują zdrowie wysoce wsobnych szczurów laboratoryjnych oraz dynastię Ptolemeuszów w starożytnym Egipcie i jej pary brat-siostra. W genetyce szczęście jest częścią obrazu.

Koncentrując się na naturze genu

Srb i Owen chętnie przyznają się do tego, czego nie wiedzą, na przykładzie owłosionych palców. „Ślad wydarzeń prowadzący od genu do włosów środkowo-palcowych wydaje się tak wątpliwy, że nikt jeszcze nie wie, jak cofnąć się od fenotypu do genu, aby dowiedzieć się, jakie jest główne działanie chemiczne genu”.

Warunki zdrowotne są również cechami dziedziczonymi. Autorzy wspominają o niedokrwistości sierpowatokrwinkowej (zwanej wówczas anemią), alkaptonurii i jej charakterystycznym czarnym moczu oraz fenyloketonurii.

Srb i Owen podają dwie „podstawowe właściwości” „cząstek dziedziczności”, czymkolwiek one mogą się okazać:

1. „Specyficzne samopowielanie”. Geny muszą zostać skopiowane, aby przekazać informację, zachowując ją w oryginalnej komórce (replikacja DNA).

2. Zdolność do wytwarzania czegoś istotnego dla biochemii komórki, zwana „pierwotnym działaniem genu”.

Nie wiadomo jeszcze, w jaki sposób te dwa procesy są ze sobą powiązane, ale „w jakiś sposób ich interakcja organizuje materiały wewnątrz komórek w „wysoce specyficzny wzór molekularny”.

Autorzy argumentują, że wzrost kryształów nie jest taki sam, ponieważ nie przekazuje informacji. Mimo to materiał genetyczny około 1952 roku nie był „tajemniczą zasadą życiową, która musi pozostać na zawsze nieuchwytna”. Nauka by to wyjaśniła, piszą Srb i Owen.

Wielu badaczy podejrzewało, że DNA jest materiałem genetycznym, opierając się na wiedzy, że chromosomy składają się z DNA i białka. Cztery elementy składowe DNA mogą zawierać prostszy kod niż 20 elementów składowych białka. Srb i Owen opisują DNA jako „prawdopodobnie stosy nukleotydów (zasada-cukier-fosforan)”. To stwierdzenie stanowiło przepis na gen, bez bezpośrednich dowodów biochemicznych. Geny mutują i są „jednostkami działania biochemicznego”. Ogólnie rzecz biorąc, DNA najlepiej spełnia kryteria materiału genetycznego.

Od idiotyzmu do DEI: jak ewoluował język podręcznikowy

Kiedy w zeszłym roku poprawiałem podręcznik do genetyki człowieka, zatrudniono firmę, która miała przeanalizować każde słowo, aby upewnić się, że znam pojęcia różnorodności, równości i włączenia społecznego. Opisałem to doświadczenie tutaj. Z myślą o DEI, przeczytaj Ogólny Genetyka od 1952 roku otworzyło mi oczy.

Szerzy się seksizm: „Człowiek nie jest szczególnie korzystnym obiektem badań genetycznych. Ma długi cykl życiowy i stosunkowo małe pojedyncze potomstwo”. Czy mężczyźni rodzą to potomstwo?

Słowo „normalny” jest wszechobecne. „Pojedyncze geny mogą wpływać na inteligencję, ale u normalnych jednostek inteligencja jest bardzo zróżnicowana”. Pozwolono mi jedynie używać słowa „normalny” w opisie chromosomów, których najwyraźniej nie można obrażać tak, jak ludzi.

Ale autorzy nie byli całkowicie głusi. Zestawiają „stosunkowo nieistotne odstępstwa od normy” – ślepotę barw, dodatkowe palce, albinizm – z poważniejszymi schorzeniami, takimi jak „hemofilia, pląsawica Huntingtona, młodzieńczy idiotyzm amaurotyczny (inaczej choroba Tay-Sachsa) i guz oka” (siatkówczak).

Dyskusja na temat rasy około 1952 r. jest dla mnie zbyt obraźliwa, aby ją powtarzać.

Przewidywanie przyszłości medycyny genetycznej ze zdumiewającą przewidywalnością

Genetyka ogólna został napisany w czasach, gdy możliwa była diagnoza, a czasami zapobieganie, ale leczenie nie. Diagnozy były kliniczne i opierały się na rozpoznawaniu charakterystycznych grup objawów. Weź pod uwagę dysplazję ektodermalną. U dziecka z skąpymi włosami, nierozwiniętymi zębami, suchą skórą, gorączką i słabą pracą tarczycy u rodzica i innych krewnych występują te same objawy. Brak gruczołów potowych prowadzi do gorączki oraz słabego rozwoju włosów i zębów.

W tej książce przykładem zapobiegania jest Xanthoma tuberosum (znana również jako hiperlipoproteinemia), w której cholesterol gromadzi się na łokciach, kolanach, palcach, piętach, pośladkach, a czasami w sercu. Srb i Owen sugerują zbadanie zdrowych krewnych pod kątem wysokiego poziomu cholesterolu, aby można było rozpocząć interwencję dietetyczną, zanim pojawią się grudki. Obserwacja ta zapowiada przedobjawowe wykrycie choroby genetycznej, co jest obecnie rutynowo wykonywane w przypadku raka piersi i choroby Huntingtona. Autorzy patrzą jednak w przyszłość:

„Kiedy ten rodzaj procedury będzie można zastosować w przypadku wielu, a nie tylko kilku rodzajów chorób, lekarze będą mogli zrezygnować z pewnych metod zapobiegania „strzelbą” na rzecz metod „strzelania ostrym”. Konsekwentne korzyści w zakresie precyzji i skuteczności leczenia są oczywiste.”

Autorzy przewidują także poradnictwo genetyczne:

„Lekarz powinien[…]poinformować ojca dotkniętego dominującą dysplazją ektodermalną, że można spodziewać się, że połowa jego potomstwa będzie cierpieć na te same problemy”. (Nie do końca. Każde dziecko ma szansę 1 na 2.)

„Powinien być w stanie wyjaśnić dwóm normalnym rodzicom, którzy mają dziecko-albinosa, że ​​prawdopodobieństwo, że drugie z ich potomstwa będzie albinosem, wynosi jeden do czterech”. Mogę wybaczyć założenie, że lekarze to mężczyźni, „normalni” i „albinosi”. Wreszcie Srb i Owen „mają nadzieję, że zostaną utworzone „kliniki ludzkiej dziedziczności”, aby poradzić sobie z takimi sytuacjami”.

Rzeczywiście trudno uwierzyć, że dziś genom człowieka można zsekwencjonować w niecały dzień, a takie informacje możemy przenosić na smartfonach. Nie mogę się doczekać, aż znajdę więcej skarbów w moim stosie książek. Dziękuję Bernie i Shaun Kuczek!