Sau một năm được bổ nhiệm tạm thời, McClintock đã chấp nhận một vị trí nghiên cứu toàn thời gian tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor. Ở đó, bà đã làm việc rất hiệu quả và tiếp tục công việc của mình về chu kỳ đứt gãy-gắn lại-cầu nối, sử dụng nó để thay thế cho tia X như một công cụ để lập bản đồ các gen mới. Năm 1944, để công nhận sự nổi bật của bà trong lĩnh vực di truyền học trong thời gian này, McClintock được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia - chỉ là phụ nữ thứ ba được bầu vào viện cho đến lúc đó. Cùng năm này, bà trở thành nữ chủ tịch đầu tiên của Hiệp hội Di truyền học Hoa Kỳ;[5] mà bà từng là phó chủ tịch vào năm 1939.[35] Năm 1944 bà thực hiện phân tích di truyền tế bào của Neurospora crassa theo đề xuất của George Beadle, người từng sử dụng nấm để chứng tỏ mối quan hệ một gene–một enzyme. Ông mời bà đến Đại học Stanford để thực hiện nghiên cứu. Bà đã thành công miêu tả số nhiễm sắc thể, hay kiểu nhân (karyotype), của N. crassa và miêu tả toàn bộ vòng đời của loài này. Beadle nói rằng "Barbara, trong hai tháng ở Stanford, đã thực hiện nghiên cứu về di truyền tế bào của Neurospora nhiều hơn bất cứ nhà di truyền học tế bào trước đây về mọi dạng của nấm." [42] N. crassa từ đó đã trở thành loài mô hình cho các phân tích di truyền cổ điển.[43][44]

Khám phá các yếu tố kiểm soát

Mối quan hệ của Ac/Ds trong việc kiểm soát các yếu tố và màu khảm của ngô. Các hạt giống trong ảnh 10 là không màu, không có yếu tố Ac hiện diện và Ds ức chế sự tổng hợp của các sắc tố màu được gọi là anthocyanin. Trong ảnh 11-13, một bản sao của Ac có mặt. Ds có thể di chuyển và một số anthocyanin được tổng hợp, tạo ra một mẫu khảm. Ở hạt trong ảnh 14 có hai yếu tố Ac và trong ảnh 15 có ba.Các bắp ngô với hạt có nhiều màu sắc khác nhau

Mùa hè năm 1944 tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor, McClintock bắt đầu nghiên cứu một cách hệ thống về cơ chế hình thành các đặc điểm màu khảm ở hạt ngô và sự di truyền không ổn định các đặc điểm khảm này.[45] Bà đã xác định được hai lô-cut di truyền trội và tương tác mới mà bà đặt tên là Dissociation (Ds, yếu tố phân ly) và Activator (Ac, yếu tố hoạt hóa). Bà phát hiện ra rằng Dissociation không chỉ tách rời hoặc làm đứt gãy nhiễm sắc thể, nó cũng có một loạt các hiệu ứng trên các gen lân cận khi Activator cũng có mặt, trong đó bao gồm một số đột biến ổn định trở lên không ổn định. Đầu năm 1948, bà đã có phát hiện ngạc nhiên rằng cả Dissociation và Activator đều có thể chuyển vị (transpose), hoặc thay đổi vị trí, trên nhiễm sắc thể.[46][47][48][49]

Bà đã quan sát thấy hiệu ứng của sự chuyển vị của Ac và Ds bằng cách thay đổi các mô hình tạo màu trong hạt ngô qua các thế hệ được kiểm soát chéo, và mô tả mối quan hệ giữa hai lô-cut thông qua phân tích dữ liệu phức tạp thu được dưới kính hiển vi.[50][51] Bà kết luận rằng Ac kiểm soát sự chuyển vị của Ds từ nhiễm sắc thể số 9, và sự di chuyển của Ds đi kèm với sự đứt gãy của nhiễm sắc thể.[49] Khi Ds chuyển vị, gen kiểm soát protein aleurone sắc tố được giải phóng khỏi hiệu ứng ức chế từ Ds và gen này trở thành dạng hoạt động, dẫn đến khởi động tổng hợp sắc tố trong tế bào.[52] Sự chuyển vị của Ds trong các gen khác nhau là ngẫu nhiên, ở một số thì chuyển vị còn một số thì không, kết quả tạo ra kiểu hình màu khảm ở hạt ngô. Kích thước đốm màu trên hạt được quy định bởi giai đoạn phát triển của hạt trong quá trình phân ly. McClintock cũng tìm thấy sự vận động của Ds được xác định bởi số lượng bản sao của Ac trong tế bào.[53]

Vào khoảng những năm 1940, bà đã phát triển một lý thuyết cho rằng các yếu tố vận động này điều hòa gen bằng cách ức chế hoặc điều chỉnh sự hoạt động của chúng. Bà coi Dissociation và Activator như là "các đơn vị kiểm soát" - và sau đó là "các yếu tố kiểm soát" - để phân biệt chúng với gen. Bà nêu giả thuyết rằng điều hòa gen có thể giải thích cho bằng cách nào mà các sinh vật đa bào phức tạp sản sinh các tế bào từ cùng bộ gen giống nhau nhưng lại cho các tế bào có chức năng khác nhau.[53] Khám phá của McClintock đã đặt ra thách thức cho Di truyền học đương thời, bởi vì theo học thuyết di truyền nhiễm sắc thể thời đó, thì bộ gen trên nhiễm sắc thể như là một tập hợp thông tin di truyền ổn định, mà các lô-cut gen trên đó được truyền cho con một cách "trật tự" dù có gen hoán vị.[5] Năm 1948, bà đã công bố bài báo quan trọng về sự chuyển vị gen trên niên giám "Carnegie Yearbook 1947-1948"; sau đó đến năm 1950 là ý tưởng về Ac/Ds và điều hòa gen với nhan đề "The origin and behavior of mutable loci in maize" (Nguồn gốc và hoạt động của các lô-cut có thể biến đổi ở ngô) trên tờ PNAS Classic Article vốn là tiền thân tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences hiện nay. Hè năm 1951, bà thực hiện thuyết trình về nguồn gốc và hành vi của các lô-cut có thể đột biến ở ngô tại hội thảo hàng năm ở Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor, trình bày bài báo với cùng tên gọi. Bài báo tập trung sâu vào sự bất ổn định gây bởi Ds và Ac hoặc chỉ Ac trong bốn gene, cùng với xu hướng của những gen này đảo ngược theo cách không dự đoán được trở về kiểu dại. Bà cũng nhận ra một "họ" các transposon, mà không tương tác qua lại với nhau.[5][54][49]

Nghiên cứu của bà về các yếu tố kiểm soát và điều hòa gen khi đó gặp khó khăn về mặt khái niệm và không được những người cùng thời bà hiểu hay chấp nhận ngay; bà đã mô tả sự tiếp nhận nghiên cứu của mình là "bối rối, thậm chí thù địch".[55][49] Cho dù vậy, McClintock vẫn tiếp tục phát triển những ý tưởng của bà về các yếu tố kiểm soát. Bà công bố một bài báo trong tạp chí Genetics năm 1953, trong đó bà trình bày mọi dữ liệu thống kê của mình, và thực hiện một loạt các bài giảng tại nhiều đại học trong thập niên 1950 để diễn đạt về nghiên cứu của bà.[56] Bà tiếp tục khảo sát vấn đề và nhận ra một yếu tố mới và gọi là Suppressor-mutator (Spm), mà mặc dù giống với Ac/Ds, lại hoạt động theo cách phức tạp hơn. Giống với Ac/Ds, một số phiên bản có thể chuyển vị chính bản thân chúng còn một số thì không; không giống với Ac/Ds ở chỗ, khi có mặt, nó hoàn toàn ức chế sự biểu hiện của các gen đột biến khi bình thường chúng không hoàn toàn bị ức chế.[57] Do có những phản ứng của những nhà khoa học khác về nghiên cứu của mình, McClintock cảm thấy bà có nguy cơ đi chệch khỏi dòng nghiên cứu khoa học chính thời bấy giờ, và bắt đầu từ năm 1953 bà đã dừng mọi công bố nghiên cứu về các yếu tố kiểm soát.[5][47]

Nguồn gốc của ngô

Hình 5: Kính hiển vi của McClintock và các mẫu bắp ngô được trưng bày tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Quốc gia Hoa Kỳ

Năm 1957, McClintock nhận được tài trợ từ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia để bắt đầu nghiên cứu về các giống ngô bản địa ở Trung Mỹ và Nam Mỹ. Bà quan tâm đến việc nghiên cứu sự tiến hóa của ngô thông qua các thay đổi nhiễm sắc thể,[58] và ở Nam Mỹ sẽ cho phép bà làm việc trên quy mô lớn hơn. McClintock đã khám phá các đặc tính nhiễm sắc thể, hình thái và tiến hóa của các chủng ngô khác nhau.[59][33] Sau những nghiên cứu rộng rãi trong thập niên 1960 và 1970, McClintock và các cộng sự công bố bài báo kinh điển tiêu đề The Chromosomal Constitution of Races of Maize, để lại dấu ấn của họ về cổ thực vật học (paleobotany), thực vật dân tộc học (ethnobotany), và sinh học tiến hóa.[60]

Tái khám phá

McClintock chính thức nghỉ hưu từ vị trí của mình tại Viện Carnegie năm 1967,[5] và trở thành Thành viên có đóng góp nổi bật cho Viện Carnegie ở Washington.[41] Vinh dự này cho phép bà tiếp tục làm việc cùng các sinh viên tốt nghiệp và đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor Laboratory như là nhà khoa học danh dự; bà sống trong thị trấn gần đó.[61] Khi được hỏi về quyết định 20 năm trước lúc bà ngừng công bố các nghiên cứu về các yếu tố kiểm soát, bà viết vào năm 1973:

Trong những năm qua tôi đã thấy rằng rất khó nếu không phải là không thể mang đến nhận thức của người khác về bản chất của những giả định ngầm của họ khi, bởi một số kinh nghiệm đặc biệt, tôi đã nhận thức được về chúng. Điều này trở nên đau đớn rõ ràng đối với tôi với những nỗ lực của mình trong những năm 1950 để thuyết phục các nhà di truyền rằng sự hoạt động của các gene phải được biểu hiện và được kiểm soát. Bây giờ nó cũng không kém phần đau đớn để nhận ra sự gắn bó của các giả định mà nhiều người nắm giữ về bản chất của các yếu tố kiểm soát trong ngô và cách hoạt động của chúng. Người ta phải chờ đợi thời điểm thích hợp để thay đổi khái niệm.[62]

Tầm quan trọng của những đóng góp của McClintock đã được nhận biết trong những năm 1960, khi công trình của các nhà di truyền học Pháp Francois Jacob và Jacques Monod mô tả điều hòa di truyền của Operon lac, một khái niệm bà đã chứng minh với Ac/Ds vào năm 1951. Theo sau bài báo năm 1961 trên Tạp chí Journal of Molecular Biology của Jacob và Monod tiêu đề "Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins", McClintock đã viết một bài báo cho tờ American Naturalist so sánh operon lac và nghiên cứu của mình về các yếu tố kiểm soát trong ngô.[63][57] Đóng góp của McClintock đối với sinh học vẫn chưa được thừa nhận rộng rãi cho đến khi giới khoa học nhận thức ra được tầm quan trọng của phát hiện điều hòa biểu hiện gene.[47]

McClintock được thừa nhận rộng rãi cho khám phá về sự chuyển vị của gen sau khi các nhà nghiên cứu khác cuối cùng đã khám phá quá trình này ở vi khuẩn, nấm men, và thể thực khuẩn vào cuối thập niên 1960 và đầu thập niên 1970.[64] Trong giai đoạn này, sinh học phân tử đã phát triển cùng với những công nghệ mới quan trọng, và các nhà khoa học đã có thể chứng minh cơ chế phân tử của sự chuyển vị gene.[65] Sau đó khá lâu, yếu tố Ac và Ds mà bà phát hiện được dòng hóa bởi các nhà khoa học khác, rồi chính thức được gọi là nhân tố chuyển vị (transposon) hay gen nhảy. Các yếu tố này được xếp vào lớp transposon II hay TE lớp II (xem gen nhảy), còn được gọi là nhân tố chuyển vị ADN (DNA transposon). Ac là một transposon đầy đủ có thể tổng hợp lên enzyme transposase chức năng, mà cần thiết cho yếu tố vận động bên trong bộ gene. Ds có một đột biến trong gen mã hoá enzym transposase, điều đó có nghĩa rằng nó không thể di chuyển mà không có sự giúp đỡ của transposase khác. Do vậy, như McClintock đã quan sát, Ds không thể di chuyển mà vắng mặt Ac. Spm cũng có đặc điểm như là một transposon. Nghiên cứu về sau đã chỉ ra rằng các transposon bình thường không di chuyển trừ khi tế bào bị đặt trong áp chế stress, như chiếu xạ hoặc trong chu kỳ đứt gãy-gắn lại-cầu nối (breakage-fusion-bridge cycle), và do đó sự kích hoạt của chúng trong thời gian áp chế có thể coi như là nguồn biến dị di truyền của tiến hóa.[66] McClintock đã hiểu rõ vai trò của các transposon trong tiến hóa và sự thay đổi bộ gen trước khi các nhà nghiên cứu khác nắm bắt được khái niệm này. Ngày nay, Ac/Ds được sử dụng như là công cụ trong sinh học thực vật để tạo ra các thực vật đột biến sử dụng cho nghiên cứu các chức năng gene.[67]