Banaanikärpästutkimuksen historia

Banaanikärpästutkimuksen historia juontaa juurensa aina 1900-luvun alkuun asti, jolloin muun muassa Charles W. Woodworth ja Thomas Hunt Morgan ryhmineen aloittivat banaanikärpäsellä tehdyt laajamittaiset tutkimukset. Banaanikärpänen on ollut ihmisen jälkeen yksi tutkituimmista organismeista aina näihin päiviin asti jo vuodesta 1905, jolloin ensimmäinen tieteellinen banaanikärpäsartikkeli julkaistiin. Vuosisadan mittainen tutkimustyön historia huipentui vuonna 2000, jolloin banaanikärpäsen koko genomin sekvenssi julkaistiin.

1900-luvun alku: Woodworth, Morgan & Sturtevant

Ensimmäinen tutkija, joka kasvatti suurempia määriä banaanikärpäsiä laboratoriossa oli Kalifornian yliopiston perinnöllisyystieteen professori Charles W. Woodworth. Varsinaisen kokeellisen tutkimuksen banaanikärpäsellä aloitti Woodworthin ehdotuksesta Harvardin yliopiston professori William Ernest Castle, jonka oppilas ja työtoveri Frederic Carpenter julkaisi ensimmäisen tieteellisen artikkelin banaanikärpäsestä vuonna 1905.
Ehdottomasti merkittävin 1900-luvun alun banaanikärpästutkijoista oli kuitenkin Columbian yliopiston professori Thomas Hunt Morgan ryhmineen, joka alkoi työskennellä banaanikärpästen parissa noin vuonna 1908. Morgan teki monia kokeita banaanikärpäsillä ja löysi muun muassa 1910 banaanikärpäsen ensimmäisen mutantin, whiten, joka muutti kärpäsen silmät valkoisiksi. Morganin ryhmä paikallisti mutatoituneen geenin banaanikärpäsen X-kromosomiin, todistaen samalla, että geenit sijaitsevat kromosomeissa. Morgan ryhmineen osoitti kromosomissa olevan suuren joukon geenejä, jotka ovat lineaarisesti järjestäytyneet kromosomeihin. Morganin tutkijaryhmä myös päätteli sen, että mitä kauempana geenit sijaitsivat kromosomissa, sitä suuremmalla todennäköisyydellä niiden välisellä alueella tapahtui crossing-over eli tekijäinvaihto.
Morganin kokeellinen mutaatiotutkimus myös antoi varmemman pohjan sen aikaiselle vielä varsin spekulatiiviselle evoluutioteorialle ja hänen ryhmänsä oli myös ensimmäinen kuuluisaksi tullut koulukunta genetiikan alalla, jonka ansiota oli perinnöllisyystieteen vakiintuminen biologisen tutkimuksen itsenäiseksi osa-alueeksi. Thomas Hunt Morganille myönnettiin 1933 Nobelin lääketieteen palkinto banaanikärpästen genetiikkaan kohdistuneista tutkimuksista.
Morgan ei suinkaan tehnyt tutkimuksia yksin, vaan hänen ympärilleen muodostui ryhmä maineikkaita biologeja, kuten Calvin Bridges, Hermann Joseph Muller ja Alfred Sturtevant. Ensimmäisen kromosomikartan banaanikärpäselle laati vuonna 1913 Alfred H. Sturtevant, joka työskenteli myös Morganin ryhmässä. T. H. Morgan itse julkaisi ensimmäiset tarkat fysikaaliset paikat useille banaanikärpäsen geeneille vuonna 1938. Sturtevantin huomattavimmat saavutukset olivatkin geneettisen kartoituksen teorian periaatteiden selvittäminen sekä geenien kytkennän teorian kehittäminen. Hänen teorioitaan käytetään vielä tänäkin päivänä paikannettaessa geenejä kromosomeihin. Sturtevant myös todisti, että geeneillä on yksiselitteinen paikka kromosomissa eli lokus ja että geenit sijaitsevat kromosomeissa lineaarisessa järjestyksessä. Näistä tuloksista Sturtevant työtovereineen kehittivät myös periytymisen kromosomiteorian, joka vaikutti suuresti genetiikan kehitykseen.
Tämän lisäksi Sturtevant teki monia muita löytöjä, jotka yhdessä muodostavat modernin genetiikan perustan. Hän tutki crossing-overin eri muotoja, niiden vaikutusta mutaatioihin ja seksuaalivalinnan genetiikkaa. Juuri (kaksinkertaisia) crossing-overeita ja niiden frekvenssiä Sturtevant käytti määritellessään geenien etäisyyksiä ja keskinäisiä järjestyksiä banaanikärpäsen geenikartalla. Tämä työ mahdollisti myös ihmisen geenikarttojen muodostamisen. Varhaisten alkioiden kehitystä tutkiessaan hän onnistui myös ensimmäisenä mittaamaan aikuisen organismin elimien alkioetäisyyden. Tämä etäisyyden mittayksikkönä on nykyään sturt, joka on nimetty hänen kunniakseen. Suturtevant myös alun perin osoitti, miten yksi koiraan kromosomi poikkeaa naaraan kromosomista, ja että yksilön sukupuoli ja siihen kytkeytyneet ominaisuudet määräytyvät juuri sen kromosomin mukaan. Calvin Bridges todisti lopullisesti oikeaksi geenien sijoittumisen kromosomeihin ja sukupuolikromosomien teorian vuonna 1916. Bridges osoitti, että tiettyä geenien poikkeuksellista käyttäytymistä vastasi täysin samankaltainen kromosomien poikkeuksellinen käyttäytyminen.

1920-luku: Muller ja mutaatiotutkimus

Banaanikärpäsellä tehdyn varhaisen mutaatiotutkimuksen uranuurtaja 1920-luvulla puolestaan oli Hermann J. Muller, joka indusoi mutaatioita röntgensäteilyn avulla. Mullerin ansiota on myös pääosin banaanikärpästutkimuksessa tänäkin päivänä käytössä olevan termistön kehittäminen. Jo vuonna 1918 Muller oli myös kehittänyt nk. balancer-kromosomit, joissa olevat inversiot mahdollistivat synnytettyjen letaalimutaatioiden pidon heterotsygoottisina. Vuonna 1926 Muller havaitsi selvän yhteyden säteilyannoksen ja kuolettavien letaalimutaatioiden määrän välillä säteilyttäessään vaihtelevilla röntgensäteilyannoksilla banaanikärpäskantaa jolla ei tapahtunut crossing-overia. Kun Muller julkaisi havaintonsa Berliinin viidennessä kansainvälisessä perinnöllisyystieteen konferenssissa, artikkelissaan The Problem of Genetic Modification, aiheutti havainto suuren mediakohun. Artikkeli nosti myös Mullerin suuren yleisön tietoisuuteen. Muiden tutkijoiden toistaessa kokeita muilla malliorganismeilla, kuten maissilla, siirtyi Muller tutkimaan säteilyn vaikutuksia ihmiseen. Seuraavina vuosina Muller keskittyikin julkituomaan röntgensäteilyn mahdollisia haittavaikutuksia ihmisillä. Keksinnöstään Muller sai lääketieteen Nobelin 1946.

1930- ja 1940-luku: Evoluutiotutkimus ja yksilönkehitys

Myös evoluutiotutkimusta banaanikärpäsellä tehtiin jo varhain. Alun perin Ukrainasta kotoisin ollut Theodosius Dobzhansky todisti 1930- ja 1940-luvuilla banaanikärpäsen kromosomistotutkimusten avulla luonnonvalinnan toimivan luonnonpopulaatioissa sekä pystyi selvittämään eri Drosophila-lajien fylogenian. Dobzhansky muutti jo vuonna 1927 Yhdysvaltoihin työskennelläkseen Thomas Hunt Morganin kanssa banaanikärpäsen genetiikan parissa. Dobzhansky julkaisi vuonna 1937 evoluutiobiologian mestariteoksensa nimeltä Genetics and the Origin of Species, josta tuli modernin synteettisen evoluutioteorian merkittävimpiä teoksia. Samana vuonna hän sai Yhdysvaltojen kansalaisuuden.
 Samoin jo 1930-luvulla alkoi banaanikärpäsen polyteenikromosomien tutkimus. T. S. Painter julkaisi ensimmäiset banaanikärpäsen polyteenikromosomikartat vuonna 1934. Näihin karttoihin oli myös merkitty useiden geenien fyysinen paikka. Vuosina 1935 ja 1938 Calvin Bridges julkaisi polyteeneistä niin tarkat kartat, että niitä käytetään vielä tänäkin päivänä. Erilaisten kromosomimutaatiokantojen avulla Bridges onnistui myös paikantamaan useita geenejä tiettyihin kromosomin osiin, tarkimmillaan jopa tiettyihin kromomeerijuoviin. Piirrosten tarkkuuden on nykyään osoitettu olevan jopa alle 100 kb (tuhatta emäsparia).
Don Poulsonia puolestaan pidetään banaanikärpäsen embryologian perustajana. Vuonna 1940 hän julkaisi alan ensimmäisen artikkelin, jossa Poulson todisti Notch-geenin vaikuttavan hermoston kehitykseen. Tämän lisäksi Edward B. Lewis aloitti jo vuonna 1946 kehityksen kannalta tärkeän bithorax-geenikompleksin tutkimuksen. Lewis jatkoi tutkimuksiaan aina 1960-luvulle asti.

1970-luku: Geenikartoitus alkaa

D. L. Lindsley ja L. Sandler kehittivät ensimmäisen koko genomin geenikartoitusmenetelmän jo vuonna 1970, käyttäen hyväkseen jo 1930-luvulla kehitettyä menetelmää, jossa kromosomimutaatioita tuotettiin röntgensäteilyn avulla. Suoritettu fenotyyppisten mutaatioiden kartoitus vaati aikanaan suuremman työpanoksen kuin vuonna 2000 valmistunut koko genomin sekvensointi.
Moderni genomitutkimus banaanikärpäsellä alkoi jo vuonna 1974, jolloin D. S. Hogness kloonasi ensimmäisen kerran pätkän banaanikärpäsen DNA:sta laboratoriossaan Stanfordin yliopistossa. Hogness myös pystyi selvittämään kloonien alkuperäisen paikan kromosomistossa. Koko banaanikärpäsen genomi kloonattiin lambdafaageihin vuoteen 1975 mennessä. Ensimmäinen kloonattu, geeni Ultrabithorax, paikallistettiin vuonna 1979.

1980- ja 1990-luku: alkionkehityksen genetiikka ja genomin sekvensointi

1980-luvulla alkoi myös banaanikärpäsen yksilönkehityksen tutkimus. Saksalainen Christiane Nüsslein-Volhard ja yhdysvaltalainen Eric Wieschaus osoittivat, että kärpäsen kehitystä ohjaavat tiettyjen morfogeeneiksi kutsuttujen pitoisuuksien erot. He myös havaitsivat, että morfogeenit muodostivat selkeitä porrasmaisia gradientteja kärpäsen alkiossa. Havainnoistaan he saivat Nobelin lääketieteen palkinnon yhdessä alkionkehitystä tutkineen Edward B. Lewisin kanssa vuonna 1995. Myöhemmin on löydetty useita morfogeenejä koodaavia geenejä ja havaittu sanankaltaisen lokeroitumisen tapahtuvan myös korkeammilla eliöillä.
1980-luvun loppuun mennessä myös erittäin monet banaanikärpäsen geeneistä oli paikallistettu kromosomistoon. Myös monia morfogeenejä koodaavien Homeobox-geenejä ja niiden mutanttialleeleja oli pystytty tunnistamaan ja paikallistamaan. Suuri edistysaskel oli otettu jo vuonna 1981, jolloin transposonivektoreita opittiin käyttämään muuntogeenisten kärpästen tuottamisessa. Menetelmä tuotti 1980-luvun lopulla myös useita uusia sovelluksia, kuten 1987 kehitetyn enhancer trap -geeninpaikannusmenetelmän, 1988 suurten insertioiden tuottamistekniikan ja 1989 kehitetyn uuden kromosomimutaatiotekniikan. Menetelmien kehitys ja geenien karakterisointi ja paikantaminen kiihtyivät 1990-luvulla, jolloin aloitettiin myös banaanikärpäsen koko genomisekvenssin selvittäminen useissa laboratorioissa ympäri maailmaa.