Открытия, которые изменили мир - Джон Кейжу

Когда Гаррод впервые опубликовал предварительные результаты своего исследования в 1899 г., он знал о генах и наследственности не больше, чем кто-то другой. Поэтому он и упустил из вида одно из своих ключевых наблюдений: при сравнении числа детей без алкаптонурии с числом болеющих возникало знакомое соотношение 3 к 1. Да, это было то же соотношение, что Мендель обнаружил у гороха второго поколения (например, на три растения с фиолетовыми цветками — одно с белыми), благодаря которому и появилось предположение о передаче наследственных признаков и роли «доминантных» и «рецессивных» элементов (аллелей генов). В исследовании Гаррода доминантной характеристикой была «нормальная моча», а рецессивной — «черная», и у детей второго поколения обнаруживалось то же соотношение: на троих детей с нормальной мочой у одного наблюдалась черная. Гаррод не заметил этой пропорции, но она не ускользнула от внимания британского ученого Уильяма Бейтсона, который связался с Гарродом, как только услышал о его исследовании. Гаррод вскоре согласился с Бейтсоном в том, что законы Менделя дают новый поворот, о котором он не задумывался: изучаемая им болезнь явно носит наследственный характер.

В 1902 г., обобщая результаты своей работы, Гаррод собрал их воедино: симптомы, нарушение обмена веществ и роль генов и наследственности. Он высказал предположение, что алкаптонурия обусловлена двумя наследственными «элементами» (аллелями гена) — по одной от каждого родителя, и что дефектный аллель рецессивен. Что не менее важно, он изобразил биохимическую схему, чтобы обосновать предположение о том, как именно дефектный «ген» вызывал появление болезни. Он, судя по всему, каким-то образом производил дефектный фермент, который, будучи неспособным выполнять свою нормальную метаболическую функцию, приводил к появлению черной мочи. Благодаря этой интерпретации Гаррод достиг еще одного серьезного результата. Он предположил, что именно делают гены: они производят белки, например ферменты. И если с геном что-то не так, он дефектен, он способен произвести и дефектный белок, что может спровоцировать болезнь.

Гаррод продолжил работу, занявшись описанием нескольких других метаболических отклонений, обусловленных наличием дефектных генов и ферментов (которые теперь называются тетрадой Гаррода и включают, помимо алкаптонурии, альбинизм, цистинурию и пентозурию). Но потребовалось еще полвека, чтобы другие ученые наконец доказали его правоту и оценили по достоинству значимость его открытий. Сегодня Гаррода почитают как первого человека в истории, которому удалось продемонстрировать связь между генами и заболеванием. Его работа дала начало современным концепциям генетического скрининга, рецессивной наследственности и рисков родственных браков.

А Бейтсон, вероятно, вдохновленный исследованиями Гаррода, в 1905 г. жаловался в письме, что этому новому направлению в науке не хватало хорошего названия. «Такое имя необходимо, — написал он, — и если кто-то захочет его придумать, то слово “генетика”, возможно, подойдет».

В начале 1900-х, несмотря на растущий список важных достижений, наука переживала кризис самоопределения и была разбита на два лагеря. Мендель и его последователи установили законы наследственности, но не могли объяснить, каковы были ее биологические «элементы» и как они работали. А Флеминг и другие ученые открыли многообещающие биохимические параметры в клетке, но никто не мог разобраться в том, какое отношение они имели к наследственности. К 1903 г. эти два мира сблизились, когда Уолтер Саттон и Теодор Бовери предположили, что «единицы» наследственности расположены в хромосомах, а сами хромосомы наследуются парами (одна от матери и одна от отца) и «могут быть физической основой закона Менделя о наследственности». Но лишь в 1910 г. другой американский ученый — прежде всего, к собственному удивлению — связал эти два мира единой теорией наследственности.

Веха № 6

Как бусины в ожерелье: связь между генами и хромосомами

В 1905 г. Томас Морган, биолог из Колумбийского университета, не только скептически воспринял идею о том, что хромосомы играют какую-то роль в наследственности, но и с сарказмом отреагировал на поведение коллег, поддержавших эту теорию, и жаловался на «насыщенную хромосомной кислотой» интеллектуальную атмосферу того времени. Во-первых, по мнению Моргана, идея о том, что хромосомы содержат наследственные черты, слишком похожа на идею «преформации»: некогда популярный миф о том, что каждая яйцеклетка уже содержит «заготовку» человека. Но в 1910 г. для Моргана все изменилось, после того как он зашел в «комнату с мухами» (помещение, где он и его студенты развели миллионы плодовых мушек дрозофил, чтобы изучить их генетические особенности) и совершил невероятное открытие: у одной из мушек были белые глаза.

Это было поразительное явление (обычно у дрозофил глаза красные). Но еще больше Морган удивился, когда скрестил мужскую особь с белыми глазами и женскую с красными. Первые наблюдения были не слишком удивительными: как и ожидалось, в первом поколении все мушки имели красные глаза, а во втором проявилось знакомое соотношение 3 к 1 (три красноглазые мушки на одну белоглазую). Но полной неожиданностью для Моргана, перевернувшей всю основу его понимания наследственности, стала совершенно новая находка: все представители белоглазого потомства были мужского пола.

Этот новый поворот — идея о том, что определенная черта может наследоваться только одним полом — имел фундаментальное значение в связи с открытием, сделанным за несколько лет до этого. В 1905 г. американские биологи Нетти Мария Стивенс, которая первой принесла в лабораторию Томаса Моргана плодовых мушек, и Эдмунд Бичер Уилсон обнаружили, что пол человека определяется двумя хромосомами: X и Y. У представителей женского пола всегда были две X-хромосомы, а у представителей мужского пола — одна X и одна Y. Когда Морган увидел, что все белоглазые мушки мужского пола, он понял, что ген, отвечающий за белый цвет глаз, как-то должен быть связан с мужской хромосомой. Это заставило его совершить концептуальный скачок, которому он сопротивлялся годами. Он решил, что гены, скорее всего, являются частью хромосомы.

Вскоре после этого, в 1913 г., один из студентов Моргана, Альфред Стертевант, достиг переломного этапа, когда понял, что гены на самом деле могут быть размещены внутри хромосомы линейно. Затем, в результате бессонной ночи, Стертевант создал первую в мире генетическую карту — карту Х-хромосомы дрозофилы, поместив пять генов на линейную карту и рассчитав расстояние между ними.

В 1915 г. Морган и его ученики опубликовали знаковую для науки книгу «Механизмы менделевской наследственности», которая наконец официально провозгласила существующую связь. Два прежде отдельно существовавших мира (закон наследственности Менделя и хромосомы и гены внутри клеток) были теперь одним целым. Когда в 1933 г. Морган получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свое открытие, ведущий отметил, что теория о том, будто гены расположены в хромосоме «как бисер на ожерелье», изначально казалась «фантастическим заявлением» и «была встречена с обоснованным скептицизмом». Но позже проведенные исследования доказали правоту Моргана, и его выводы были признаны «фундаментальными и определяющими для исследования и понимания наследственных болезней человечества».

Веха № 7

Преобразующая истина: вновь открытая ДНК и ее любопытные свойства

К концу 1920-х были раскрыты многие секреты, связанные с наследственностью. Передачу характеристик можно объяснить с помощью законов Менделя, законы связаны с генами, а гены — с хромосомами. Казалось бы, получившаяся теория охватывала все.

Ничего подобного. Наследственность оставалась загадкой в связи с двумя серьезными проблемами. Во-первых, большинство ученых считали, что гены состоят из белков, а не ДНК. Во-вторых, никто понятия не имел о том, как гены, чем бы они ни были, определяли наследственные признаки. Ответы на все эти загадки начали обнаруживаться в 1928 г., когда британский микробиолог Фредерик Гриффит работал над совсем другой проблемой — созданием вакцины от пневмонии. Это ему не удалось, но зато он с успехом обнаружил еще одну ключевую подсказку.

Гриффит занимался изучением Streptococcus pneumoniae, когда выяснил кое-что любопытное. Одна форма бактерий, вирулентный штамм S, образовывала гладкие колонии, а другая, безобидного штамма R, — неровные. Бактерии штамма S вызывали заболевание, так как имели полисахаридную капсулу, которая защищала их от действия иммунной системы. Бактерии штамма R оказались безвредными: не имея подобной капсулы, они распознавались и уничтожались иммунной системой. Затем Гриффит обнаружил кое-что еще более странное: если мышам вводился сначала безобидный штамм R, а затем вирулентный, но убитый нагреванием штамм S, то мыши все равно погибали. После нескольких экспериментов Гриффит понял, что прежде безвредные бактерии R каким-то образом «приобретали» у вирулентных бактерий типа S способность создавать защитную капсулу. Иными словами, несмотря на то что вирулентные бактерии S были убиты, что-то в них трансформировало безвредные R-пневмококки в болезнетворные S.