Без надежных доказательств обеих концепций теория вирусного происхождения рака казалась и привлекательнее, и правдоподобнее. Вирусы, изначально найденные в 1898 году как субмикроскопические инфекционные частицы, вызывающие заболевания у растений[809], все чаще представали виновниками и самых разных патологий животных, включая человека. В 1909-м, за год до получения Раусом его онкогенного вируса, Карл Ландштейнер предположил, что другой вирус вызывает полиомиелит[810]. К началу 1920-х удалось выделить и культивировать в лабораторных условиях вирусы коровьей оспы и герпеса человека, что еще прочнее связало этот класс патогенов с болезнями животных.
Несомненно, вера в вирусную природу рака подпитывалась и надеждой на исцеление. Если причина рака внешняя, инфекционная, то найти лекарства от него представляется куда более вероятным. Как показал Дженнер, вакцинация вирусом коровьей оспы предотвращала заболевание куда более опасной для человека натуральной оспой. Открытие Раусом вируса, вызывающего рак – пусть даже и у кур, – немедленно наводило на мысль о вакцине против рака. И напротив, теория Бовери о том, что рак обусловлен какой-то таинственной проблемой с хромосомными нитями, держалась на весьма скудных экспериментальных доказательствах и не сулила никаких перспектив исцеления.
Пока понимание механизмов канцерогенеза буксовало на распутье между вирусами и хромосомами, биология в начале XX века стремительно продвинулась в понимании функционирования нормальной клетки. Семена этой революции посеял застенчивый близорукий монах из уединенного аббатства в чешском городе Брно (Брюнн, если по-немецки). Грегор Мендель в качестве хобби разводил и скрещивал горох. В начале 1860-х, работая в одиночку, он определил у чистых линий гороха несколько явных признаков, которые из поколения в поколение наследовались неизменно в двух вариантах: окраска цветков, текстура поверхности горошин, высота растения и еще четыре характеристики. Переопыляя с помощью кисточки и крошечного пинцета, например, высокие растения с низкими, Мендель наткнулся на поразительный феномен. От скрещивания низких экземпляров с высокими никогда не получались растения среднего размера – только высокие. А от скрещивания линий с разной поверхностью семян – морщинистой и гладкой – получались растения только с морщинистыми горошинами.
Этот эксперимент позволил сделать далеко идущие выводы: наследственные черты, предположил Мендель, переносятся между поколениями независимыми и неделимыми пакетами. Биологические сущности передают потомству “инструкции” в виде таких вот единиц информации[811].
Мендель наблюдал и описывал только лежащее на поверхности – сами наследуемые черты вроде цвета, структуры, размеров. Он никак не мог увидеть или угадать, что служит переносчиком этой информации в следующие поколения растений. Примитивный световой микроскоп, едва позволявший заглянуть внутрь клетки, уж точно не мог выявить скрытый в ней механизм наследования. Мендель даже не придумал названия для обнаруженных им единиц наследственности; только спустя десятилетия, в 1909 году, ботаник Иогансен окрестил их генами[812]. Однако название – всего лишь название, оно не предлагало никакого объяснения их структуры или функций. Исследования Менделя подняли провокационный вопрос, зависший над биологией на целых полвека: в какой материальной, физической форме эти “гены” – единицы наследственности – содержатся в клетке?
В 1910 году в Нью-Йорке Томас Хант Морган, эмбриолог из Колумбийского университета, наконец ответил на этот вопрос[813]. Подобно Менделю, Морган был пылким селекционером, только разводил он не горох, а плодовых мушек, дрозофил, тысячами выращивая их на гниющих бананах в так называемой Мушиной комнате. Как и Мендель, он обнаружил, что наследственные признаки передаются в поколениях мушек неделимыми единицами – например, цвет глаз и узор крыльев наследовались в чистом виде, не смешиваясь.
А еще Морган заметил, что некоторые редкие черты у дрозофил неразрывно “сцеплены” с полом: например, белоглазость встречалась исключительно у самцов. Поскольку, как он знал, наследование пола связано с хромосомами, гены должны были входить в состав хромосом – нитчатых структур, обнаруженных Флеммингом 30 лет назад. И действительно, многие наблюдения Флемминга касательно свойств хромосом начали обретать для Моргана смысл. Во время клеточного деления хромосомы удваиваются, а вместе с ними удваиваются и гены, передаваясь так от клетки к клетке, от родителей к потомкам. Хромосомные нарушения вызывают нарушения клеточного деления и эмбрионального развития у морских ежей, а значит, за эти отклонения наверняка должны отвечать аномальные гены. В 1915 году Морган добавил важный блок к фундаменту теории наследственности, заложенному Менделем: гены находятся в хромосомах. Именно переход хромосом в дочерние клетки во время деления и позволяет генам передаваться от родительской клетки ее потомкам.
Третий прорыв в построении концепции гена обусловили работы Освальда Эвери, бактериолога из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке[814]. Мендель обнаружил, что дискретные единицы информации (гены) передаются от поколения к поколению, то есть вертикально. Морган доказал, что они переносятся хромосомами. Эвери в 1926 году открыл, что у некоторых бактериальных видов гены могут передаваться еще и горизонтально – от бактерии к ее соседке. Даже мертвые, инертные бактерии – простое скопление химических соединений – могли передавать живым собратьям генетическую информацию. Отсюда напрашивался вывод, что за ее перенос отвечает какое-то инертное химическое вещество. Эвери разделил убитых высокой температурой бактерий на химические составляющие и в поисках носителя генов принялся тестировать каждый компонент по отдельности. В 1944 году команда Эвери сообщила, что наследственную информацию переносит соединение под названием дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Вещество, которое ученые считали чуть ли не клеточным балластом без особых функций – “глупой молекулой”, как пренебрежительно назвал ее Макс Дельбрюк, – оказалось центральным носителем генетической информации в клетке, наименее глупой молекулой во всем химическом мире.
В середине 1940-х, через 30 лет после придания гену имени, его молекулярная природа начала проясняться. В функциональном отношении ген представлял собой единицу наследственности, переносящую биологический признак от одной клетки к другой или от поколения к поколению. Физически ген существовал в клетке в составе хромосом, а химически – состоял из ДНК.
Однако ген лишь переносил информацию. Функциональное, физическое и химическое понимание гена требовало и понимания механизмов: как именно генетическая информация реализуется в клетке? Что именно делают гены – и как?
В поисках ответа на эти вопросы Джордж Бидл, студент Томаса Моргана, перешел от плодовых мушек к еще более примитивному организму – красной хлебной плесени[815]. Работая в Стэнфордском университете совместно с биохимиком Эдвардом Тейтемом, Бидл открыл, что гены несут инструкции по построению белков – сложных многомерных молекул, главных рабочих лошадок клетки.
Белки, как обнаружили исследователи в 1940-х, выполняют основной объем клеточных функций. Многие из них относятся к категории ферментов – катализаторов, ускоряющих жизненно важные для клетки биохимические реакции; многие служат рецепторами для молекул, обеспечивающих перенос сигнала между клетками или внутри клетки; другие образуют каркасные элементы – например, молекулярный скелет, позволяющий клетке должным образом конфигурироваться в пространстве; ну а некоторые регулируют работу других белков, создавая в клетке множество крошечных регуляторных сетей, координирующих ее жизненный цикл.
Бидл и Тейтем обнаружили, что ген “работает”, предоставляя схему для построения белка[816]. Белок – это реализованный ген, машина, построенная по заданному геном чертежу. Однако белки не строятся по генам напрямую. В конце 1950-х Жак Моно и Франсуа Жакоб в Париже, Сидней Бреннер и Мэттью Мезельсон в Калифорнийском технологическом институте и Фрэнсис Крик в Кембридже обнаружили, что для образования белка по генной инструкции необходим промежуточный этап – синтез молекулы под названием рибонуклеиновая кислота (РНК).
РНК – рабочая копия исходного, закодированного в ДНК-формате, чертежа; краткое сообщение, посылаемое геномом в “цех” (синтетический аппарат клетки) для исполнения. Именно через этого посредника ген транслируется в белок. Такую посредническую РНК, служащую матрицей для синтеза белка, называют матричной (мРНК), или информационной. Выходит, что генетическая информация передается от родительской клетки дочерним в результате серии обособленных, но скоординированных процессов. Входящие в состав хромосом гены удваиваются перед клеточным делением и передаются дочерним клеткам; ген в форме ДНК переписывается (транскрибируется) в мРНК-копию; эта мРНК переводится (транслируется) в цепочку аминокислот (белок); белок, конечный продукт реализации наследственной информации[817], выполняет положенные ему генной инструкцией функции.
Процесс передачи информации внутри клетки наглядно иллюстрирует пример, позаимствованный у Моргана. Красноглазость у мушек обусловлена геном, несущим информацию для синтеза красного пигментного белка. Каждый раз, когда клетка делится, создается копия этого гена; тот же самый ген, содержащийся в яйцеклетках мушки, переходит к ее потомкам. В клетках глаз у потомков такой красноглазой мушки этот ген “расшифровывается”, то есть переводится в форму мРНК, по которой затем синтезируется красный пигментный белок, и потомки тоже становятся красноглазыми. Любое нарушение в этом информационном потоке способно нарушить передачу признака красноглазости, что приведет к появлению мушек с бесцветными глазами.