Еще в 40-е годы высказывались предположения, что, возможно, функции генов регулируют гистоны (белки, связанные с ДНК). В 1958 г. Жакоб и Моно, изучая образование в бактериальной клетке фермента бета-галактозидазы, обнаружили аналогию между этими процессами и процессами ингибирования у лизогенных бактерий. Постепенно накапливая факты, они в 1961 г. выдвинули свою теорию регуляции генной активности.

Согласно этой теории, в ДНК кроме структурных генов, несущих информацию о процессах биосинтеза, есть гены-регуляторы и гены-операторы. Ген-регулятор кодирует синтезирование специфического вещества — репрессора. Оно присоединяется к гену-регулятору, который непосредственно регулирует деятельность структурных генов. В результате прекращается работа генов, а следовательно, и синтез белка. Если, однако, в клетку попадает некое вещество, индуктор, для построения которого нужен фермент, то репрессор соединяется с ним, освобождая ген-оператор. Начинается синтезирование информационной РНК, служащей матрицей для производства нужного белка. После того как вещество-индуктор полностью израсходуется, репрессор, непрерывно производимый геном-регулятором, вновь связывается с геном-оператором — и процесс прекращается. Это хороший пример использования принципов обратной связи на молекулярном уровне.

На основе своей теории Жакоб и Моно смогли более детально объяснить лизогению. Ранее уже было известно, что гены бактериофага читаются в различной последовательности. Эти ученые показали, что при блокировании первых генов полностью прекращается синтез вирусных частиц и вирусная ДНК прикрепляется к бактериальной хромосоме. При этом остальные гены вируса могут и не быть блокированными, а функционировать в бактериальной клетке, придавая ей новые свойства. Это обстоятельство используется сегодня генной инженерией.

Идеи Жакоба и Моно оказали в 60-е годы большое влияние на развитие молекулярной биологии. В 1965 г. они вместе с А.М. Львовым получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, связанные с генетической регуляцией синтеза белка у бактерий.

В возникновении молекулярной генетики как науки большую роль сыграли исследования простейших живых организмов — вирусов. Особо важным моментом в развитии этой науки было изучение бактериофагов — вирусов бактерий. Исключительные заслуги в этой области имеют: Макс Дельбрюк, Алфред Дей Херши и Сальвадор Эдуард Лурия — физик, биохимик и врач, которые превратили учение о бактериофагах в науку.

Еще в 1939 г. Дельбрюк вместе с Эмори Леоном Эллисом изучили процесс размножения фагов. Было обнаружено, что он состоит из трех периодов: прикрепление фага к бактериям, скрытый период, в течение которого фаг размножается в клетке, и, наконец, период распада, ведущий к уничтожению бактерии и выделению в большом количестве новых фагов. Этот процесс наглядно показывал, как внешнее генетическое влияние может коренным образом изменить функции живой клетки. Еще в середине 30-х годов было известно, что вирусы являются нуклеопротеидами, подобными хромосомам высших организмов. Поэтому они представляли большой интерес в качестве модели для изучения функций гена. Именно это и побудило Дельбрюка заняться в 1939 г. бактериофагами.

Полный цикл размножения бактериофагов продолжается около 15 мин, причем один вирус дает сотни потомков. Очевидно, это значительно ускоряет исследования, и простое устройство фагов, раскрытое Лурией, позволяло испытать новые методы исследования. В 1946 г. Дельбрюк, Херши и другие ученые открыли явление рекомбинации генов у вирусов, что позволило построить генные карты. В 1952 г. Херши методом меченых атомов доказал, что только ДНК имеет значение для репликации вирусов. Хотя о роли ДНК стало известно еще из экспериментов Эйвери, лишь после работы Херши резко изменились взгляды на природу генов. Лурия открыл комплекс ферментов и особые состояния клетки, когда она может противостоять бактериофагу. Это имело большое значение для развития генной инженерии.

В конце 50-х и в 60-е годы многие ученые стали лауреатами Нобелевской премии за достижения в области генетики. Однако основополагающие работы трех патриархов современной молекулярной генетики (М. Дельбрюка, А. Херши и С. Лурии) получили признания Нобелевского комитета с большим опозданием: они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине лишь в 1969 г.

Исследования бактериофагов показали, что они способны присоединяться к генетическому аппарату бактерии, становясь частью ее гена. В результате клетка не погибает, а продолжает размножаться и даже приобретает новые свойства. Вскоре подобные особенности были замечены и у других вирусов, в частности у так называемых онкогенных вирусов.

Еще в 1911 г. Фрэнсис Роус (Раус) совершенно точно установил, что один из видов саркомы у птиц (саркома Рауса) вызывается вирусом. В 1965 г. Ренато Дульбекко, итальянский ученый, работавший в США, заметил, что вирус полиомиелита может присоединяться к клеточной ДНК, становясь ее составной частью. Обычно этот вирус вызывает инфекцию, но в культурах тканей приводит к неопластической трансформации. Это явилось убедительным аргументом в пользу вирусной теории раковых заболеваний. Однако выяснилось, что у большинства «подозрительных» онкогенных вирусов основным генетическим материалом является РНК. К числу таких вирусов относился вирус саркомы Рауса. Оставалось неясным, как вирусы, содержащие РНК, могут присоединяться к клеточной ДНК высших организмов.

Пытаясь разрешить этот вопрос, Хоуард Мартин Темин из Висконсинского университета предположил в 1970 г., что возможен процесс обратной транскрипции[27]. Одной из важнейших основ молекулярной генетики (ее «центральной догмой») было представление, что наследственная информация движется только по линии ДНК — РНК — белок. Темин предположил, что вирусная РНК транскрибируется в ДНК, которая присоединяется к клеточному геному.

Вначале эта точка зрения была встречена в штыки. Но в 1970 г. Темин одновременно с Дейвидом Балтимором из Массачусетского технологического института открыл фермент РНК-зависимую ДНК-полимеразу, или обратную транскриптазу. Именно этот фермент осуществляет синтез ДНК на матрице вирусной РНК.

Открытие обратной транскрипции и присоединения вирусов к клеточному геному вселило в ученых надежды на новые успехи медицины. Вместе с тем указанные открытия имели и большое чисто теоретическое значение, позволив глубже проникнуть в молекулярные механизмы генетики. За свои достижения Д. Балтимор, X. Темин и Р. Дульбекко были удостоены в 1975 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.

В начале 50-х годов известный вирусолог Сальвадор Лурия столкнулся с интересным явлением: фаги, выращиваемые на одном штамме бактерий, не развивались на другом. Было установлено, что причины этого не в генетическом различии фагов. Осталось исследовать возможность того, не принимают ли их бактерии различным образом. За этим, несомненно, стоял какой-то ферментативный процесс, но его сущность оставалась неясной до 1962 г., когда данным вопросом занялся Вернер Арбер из Биологического центра Базельского университета.

Вместе со своими сотрудниками он исследовал и сформулировал принципы так называемой штаммоспецифичной рестрикции и модификации ДНК. Оказалось, что при вхождении вируса в бактерию на него действует ферментативный аппарат, связанный с бактериальной ДНК (генным комплексом). Специальные ферменты (рестриктазы) атакуют и разрывают вирусную ДНК, ограничивая таким образом ее размножение и функционирование. В этом и состоит суть рестрикции. Дальнейшие исследования показали, что рестриктазы «распознают» определенные участки ДНК и прикрепляются к ним, чтобы разорвать цепь.

Рестрикция оказалась эффективным средством обезвреживания бактериофагов. Она позволяет, однако, уничтожать только некоторые разновидности фагов. Отдельные фаги приспосабливаются к определенным штаммам бактерий и обходят этот механизм, благодаря чему они существуют и размножаются. Арбер открыл возможные пути преодоления рестрикции. Он установил, что в бактерии имеется и другой фермент, который модифицирует химически определенный участок ДНК, подавляя действие рестриктаз. Результаты швейцарского ученого в принципе имели важное значение, но казались далекими от практического применения. Открытые им «молекулярные ножницы» разрывали цепь ДНК неспецифичио, так что не возникало возможности изолировать определенный участок. Ферменты прикреплялись в одном месте цепи ДНК, а разрывали ее в другом.