Esther Lederberg

Sa découverte du lambda a eu une grande influence en génétique moléculaire et virologie

Esther Miriam Zimmer Lederberg était une microbiologiste américaine et une pionnière de la génétique bactérienne. Ses découvertes notables incluent le virus bactérien λ, le transfert de gènes entre bactéries par transduction spécialisée, la nature spontanée des mutations par répliquage par contact, et la découverte du facteur de fertilité bactérienne F, qui favorise le transfert de gènes vers d'autres bactéries.

Lederberg a également fondé et dirigé le Centre de Référence des Plasmides à Stanford University, maintenant disparu, où elle entretenait, nommait et distribuait des plasmides de nombreux types, y compris ceux codant pour la résistance aux antibiotiques, la résistance aux métaux lourds, la virulence, la conjugaison, les colicines, les transposons, et d'autres facteurs inconnus.

En tant que femme dans un domaine dominé par les hommes et épouse d'un prix Nobel, Lederberg a lutté pour la reconnaissance professionnelle. Malgré ses découvertes fondamentales dans le domaine de la microbiologie, elle n'a jamais obtenu de poste titularisé à l'université. Les manuels scolaires ignorent souvent son travail et attribuent ses accomplissements à son mari Joshua.

Premières années

Esther Miriam Zimmer était la première de deux enfants nés dans le Bronx, à New York, dans une famille d'origine juive orthodoxe. Ses parents étaient David Zimmer, un immigrant de Roumanie qui dirigeait une imprimerie, et Pauline Geller Zimmer. Son frère, Benjamin Zimmer, est né en 1923. Enfant de la Grande Dépression, son déjeuner était souvent une tranche de pain garnie du jus d'une tomate pressée. Zimmer a appris l'hébreu et elle a utilisé cette compétence pour diriger les séders de Pâque.

Zimmer a fréquenté le lycée Evander Childs dans le Bronx, obtenant son diplôme à l'âge de 16 ans. Elle a reçu une bourse pour fréquenter le Hunter College de New York à partir de cet automne. À l'université, Zimmer voulait initialement étudier le français ou la littérature, mais elle a changé sa spécialisation en biochimie contre les recommandations de ses professeurs, qui pensaient que les femmes avaient du mal à faire carrière dans les sciences. Elle a travaillé comme assistante de recherche au New York Botanical Garden, menant des recherches sur Neurospora crassa avec le phytopathologiste Bernard Ogilvie Dodge. Elle a reçu un diplôme de premier cycle en génétique, obtenant son diplôme cum laude en 1942, à l'âge de 20 ans.

Après sa graduation de Hunter, Zimmer a travaillé comme assistante de recherche pour Alexander Hollaender à la Carnegie Institution of Washington, plus tard Cold Spring Harbor Laboratory, où elle a continué à travailler avec N. crassa ainsi qu'à publier ses premiers travaux en génétique. En 1944, elle a remporté une bourse pour Stanford University, travaillant comme assistante de George Wells Beadle et Edward Tatum. Quand elle a demandé à Tatum de lui enseigner la génétique, il s'est d'abord dérobé jusqu'à ce qu'il la fasse déterminer pourquoi, dans une bouteille de mouches à fruits Drosophila, une mouche avait les yeux d'une couleur différente que les autres. Elle a résolu cela avec tellement de succès que Tatum l'a nommée son assistante. Elle a ensuite voyagé vers l'ouest en Californie, et après un été d'études à la Hopkins Marine Station de Stanford University sous Cornelius Van Niel, elle a intégré un programme de maîtrise en génétique. Stanford lui a décerné une maîtrise en 1946. Sa thèse de maîtrise était intitulée « Mutant Strains of Neurospora Deficient in Para-Aminobenzoic Acid ». Cette même année, elle a épousé Joshua Lederberg, alors étudiant de Tatum à Yale University. Lederberg a déménagé à l'Osborne Botanical Laboratory de Yale, avant de déménager à l'Université du Wisconsin après que son mari y soit devenu professeur. Là, elle a poursuivi un doctorat. De 1946 à 1949, elle a reçu une bourse prédoctorale du National Cancer Institute. Sa thèse était « Genetic control of mutability in the bacterium Escherichia coli ». Elle a complété son doctorat sous la supervision de R. A. Brink, en 1950.

Contributions à la microbiologie et à la génétique

Lederberg est restée à l'Université du Wisconsin pendant la majeure partie des années 1950. C'est là qu'elle a découvert le bactériophage lambda, a mené les premiers travaux de recherche sur la relation entre la transduction et la lysogénie du bactériophage lambda, découvert le facteur de fertilité F de l'E. coli avec Luigi Luca Cavalli-Sforza publiant finalement avec Joshua Lederberg, a mis au point la première implémentation réussie du répliquage par contact avec Joshua Lederberg, et a aidé à découvrir et à comprendre les mécanismes génétiques de la transduction spécialisée. Ces contributions ont jeté les bases de la plupart des travaux de génétique effectués dans la seconde moitié du vingtième siècle. En raison de ses travaux, elle est considérée comme une pionnière de la génétique bactérienne.

Bactériophage λ

Esther Lederberg a été la première à isoler le bactériophage λ. Elle a d'abord signalé la découverte en 1951 alors qu'elle était doctorant et a fourni plus tard une description détaillée dans un article de 1953 dans la revue Genetics. Elle travaillait avec une souche E. coli K12 qui avait été mutagénisée avec de la lumière ultraviolette. Quand elle a incubé un mélange de la souche mutante avec sa souche parentale E. coli K12 sur une plaque d'agar, elle a observé des plaques, qui étaient connues pour être causées par des bactériophages. La source du bactériophage était la souche K12 parentale. Le traitement aux UV avait « guéri » le bactériophage de la mutante, la rendant sensible à l'infection par le même bactériophage que le parent produisait. Le bactériophage a été nommé λ. Ses études ont montré que λ avait à la fois un mode de vie typique dans lequel le phage faisait rapidement de nombreuses copies de lui-même avant de sortir de l'hôte E. coli et un mode de vie alternatif dans lequel le phage existait tranquillement dans E. coli comme un simple marqueur génétique.

Esther et Joshua Lederberg ont démontré que λ, sous sa forme quiescente, était cartographié génétiquement près des gènes E. coli requis pour le métabolisme du sucre galactose gal. Les Lederbergs ont proposé que le matériel génétique de λ était physiquement intégré dans le chromosome à côté des gènes gal et s'était ensuite répliqué en tant que prophage avec l'ADN de la bactérie hôte. Quand le prophage est ultérieurement invité à quitter l'hôte, il doit s'exciser de l'ADN hôte. Occasionnellement, l'ADN du phage qui est excisé est accompagné d'ADN hôte adjacent, qui peut être introduit dans un nouvel hôte par le phage. Ce processus est appelé transduction spécialisée.

Suite à la publication de ses études sur λ sur plusieurs années, Lederberg a présenté ses conclusions aux conférences internationales. En 1957, Lederberg a donné une conférence sur la lysogénie du λ et la transduction spécialisée au Symposium de la Génétique Bactérienne et Virale à Canberra, en Australie. En 1958, elle a présenté ses conclusions sur la cartographie fine du locus gal au 10e Congrès International de Génétique à Montréal, au Canada.

Facteur de fertilité bactérienne F

La découverte de Lederberg du facteur de fertilité ou facteur F a découlé directement de ses expériences pour cartographier la localisation du prophage lambda sur le chromosome E. coli par des croisements avec d'autres souches E. coli avec des marqueurs génétiques connus. Quand certains des croisements n'ont pas donné lieu à des recombinants, elle a suspecté que certaines de ses souches E. coli avaient perdu un « facteur de fertilité ». Dans ses propres termes :

En termes de test des marqueurs disponibles ... les données ont montré qu'il y avait un locus spécifique pour la lysogénie. ... Au cours de ces études de liaison [cartographie génétique],...un jour, ZÉRO recombinant a été récupéré....J'ai exploré la notion qu'il y avait une sorte de « facteur de fertilité » qui, s'il était absent, n'aurait entraîné aucun recombinant. En abrégé, je l'ai appelé F.

Des travaux ultérieurs d'autres ont montré que le facteur F est une séquence d'ADN bactérien hébergeant des gènes qui permettent à une bactérie de donner de l'ADN à une bactérie destinataire par contact direct dans un processus appelé conjugaison. La séquence d'ADN codant le facteur F peut exister soit comme un plasmide indépendant, soit s'intégrer dans le chromosome de la cellule bactérienne.

Origine des mutations

Le problème de reproduire des colonies bactériennes en masse dans la même configuration géométrique que sur la plaque d'agar originale a d'abord été résolu avec succès par le répliquage par contact, tel qu'implémenté par Esther et Joshua Lederberg. Les scientifiques avaient lutté pour une solution fiable pendant au moins une décennie avant que les Lederbergs ne la mettent en œuvre avec succès. Les précurseurs moins efficaces de la méthodologie étaient des cure-dents, du papier, des brosses en fil et des inoculateurs à dents multiples. La biographe Rebecca Ferrell croit que la méthode que Lederberg a inventée a probablement été inspirée par l'utilisation de la presse de son père à son travail, en appuyant une plaque de colonies bactériennes sur du velours stérile, après quoi elles ont été tamponnées sur des plaques de médias avec différents ingrédients, selon les traits souhaités que le chercheur souhaitait observer.

Les Lederbergs ont utilisé la méthode de répliquage par contact pour démontrer que les mutants résistants au bactériophage et aux antibiotiques surgissaient en l'absence de phages ou d'antibiotiques. La nature spontanée des mutations a été précédemment démontrée par Luria et Delbrück. Cependant, de nombreux scientifiques n'ont pas compris les arguments mathématiques des conclusions de Luria et Delbrück, et leur article a été soit ignoré, soit rejeté par d'autres scientifiques. La controverse a été résolue par la simple expérience de répliquage par contact des Lederbergs.

Centre de Référence des Plasmides

Esther Lederberg est retournée à Stanford en 1959 avec Joshua Lederberg. Elle est restée à Stanford pour le reste de sa carrière de recherche, dirigeant le Centre de Référence des Plasmides PRC à la Stanford School of Medicine de 1976 à 1986. En tant que directrice du PRC, elle a organisé et maintenu un registre des plasmides, transposons et séquences d'insertion du monde. Elle a initié le système de nommage des séquences d'insertion et des transposons de manière séquentielle commençant par IS1 et Tn1. La numérotation séquentielle a continué jusqu'à sa retraite.

Elle a pris sa retraite de son poste au Département de Microbiologie et Immunologie de Stanford en 1985, mais a continué son travail au PRC en tant que bénévole.

Honneurs professionnels

• 1956 Society of Illinois Bacteriologists : Prix Pasteur avec Joshua Lederberg
• 1959 Bourse Fulbright en bactériologie pour travailler à Melbourne University en Australie.
• Membre de l'American Association for the Advancement of Science

En 1985, Lederberg a été honorée comme professeure émérite en microbiologie et immunologie à Stanford University.

Défis professionnels : discrimination fondée sur le sexe

Le microbiologiste Stanley Falkow a dit d'Esther Lederberg qu'« Expérimentalement et méthodologiquement, elle était un génie au laboratoire ». Cependant, bien qu'Esther Lederberg ait été une scientifique pionnière, elle a fait face à des défis importants en tant que femme scientifique dans les années 1950 et 1960.

Après ses découvertes fondamentales du facteur F et λ à l'école doctorale, Joshua Lederberg l'a empêchée de mener des expériences supplémentaires pour suivre ses découvertes. Selon Esther, Joshua, en tant que directrice de sa thèse, voulait qu'elle termine sa dissertation doctorale. Son directeur d'études doctorale, R.A. Brink, n'a peut-être pas reconnu l'importance de ses découvertes. Elle aurait pu être entièrement reconnue pour ses découvertes si elle avait été autorisée à les poursuivre immédiatement. Au lieu de cela, le retard a endommagé son héritage en tant que scientifique indépendant, et ses découvertes sur la sexualité bactérienne sont maintenant attribuées principalement à son mari. En fait, la plupart des manuels mettent en évidence le rôle de Joshua Lederberg dans les découvertes faites conjointement avec Esther. Le manque de crédit qu'Esther Lederberg ne reçoit pas pour le développement de la technique de répliquage par contact a été cité comme un exemple de l'effet Matilda, dans lequel les découvertes faites par les femmes scientifiques sont injustement attribuées à leurs collègues masculins. Au moment où Joshua a remporté le prix Nobel en 1958, les centres de recherche qui le recrutaient voyaient Esther comme sa femme et son assistante de recherche plutôt que comme une scientifique indépendante.

Lederberg a été exclue de la rédaction d'un chapitre du livre de 1966 Phage and the Origins of Molecular Biology, une commémoration de la biologie moléculaire. Selon l'historienne des sciences Prina Abir-Am, son exclusion était « incompréhensible » en raison de ses découvertes importantes en génétique des bactériophages. Abir-Am a attribué son exclusion en partie au sexisme qui prévalait dans les années 1960.

Comme l'a écrit plus tard Luigi Luca Cavalli-Sforza, « Dr. Esther Lederberg a eu le privilège de travailler avec un mari très célèbre. Cela a parfois aussi été un revers, car inévitablement, elle n'a pas reçu autant de crédit qu'elle le méritait vraiment. Je sais que très peu de gens, voire personne, ont eu le privilège d'avoir un collègue aussi précieux que Joshua l'a eu. » Malgré cela, son mari Joshua a reconnu son travail et ses contributions. Quand le couple a assisté au Symposium Cold Spring Harbor en 1951, il a discuté du travail doctoral d'Esther sur E. coli et l'a reconnue comme coautrice. Ferrell note, cependant, qu'il n'a pas ultérieurement reconnu son travail quand il a écrit un compte rendu autobiographique de leur découverte de la recombinaison génétique chez les bactéries.

Lederberg s'est battue pour elle-même et d'autres femmes au cours des premières années de la deuxième vague du féminisme. Comme beaucoup d'autres femmes scientifiques à Stanford University, Lederberg a lutté pour la reconnaissance professionnelle. Alors que son mari commençait son mandat de directeur du département de génétique à Stanford en 1959, elle et deux autres femmes ont pétitionné le doyen de la faculté de médecine pour le manque de femmes professeurs. Elle a finalement été nommée à un poste de professeur associé en recherche au Département de Microbiologie et Immunologie, mais le poste n'était pas titularisé. Selon Abir-Am, Esther a dû se battre pour rester employée à Stanford après son divorce d'avec Joshua. Plus tard en 1974, en tant que Senior Scientist, elle a été forcée de passer à un poste de professeur auxiliaire