剝開粘合的細胞之書

史軍

在電影《終結(jié)者》中，有一個邪惡的液態(tài)機器人，它可以隨意將身體化成水銀一般純純的液體，在流過狹窄的窗縫之后，又可以再塑人體。我不知道，這里面是不是隱含了編劇對人類形態(tài)的一種渴望。人體能否重塑？這是一個極具誘惑力的問題。2012年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎為這個問題添加了一個頗有亮色的注解。

頂尖的生物學(xué)家們都在稱贊把今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予約翰·戈登（John Gurdon）和山中伸彌（Shinya Yamanaka）的決定。他們獲獎是因為在細胞重構(gòu)方面的工作——將已經(jīng)分化的成體細胞變回干細胞狀態(tài)。

戈登用實驗表明，你可以把青蛙成熟細胞的細胞核取出、替換掉青蛙卵細胞的細胞核，從而創(chuàng)造出一個新的青蛙胚胎。在那之前，很多生物學(xué)家認為生長是通過細胞丟掉無用的基因而實現(xiàn)的。戈登于 1962 年發(fā)表的克隆試驗揭示出，生長發(fā)育其實是基因開關(guān)被打開或者關(guān)閉的過程，而且這個過程是可逆的。

全能干細胞的誘惑

像其他動物一樣，人體是從一個受精卵發(fā)育而來的。也就是說，受精卵這個細胞可以幻化成各種形態(tài)的細胞，它所具有這種性質(zhì)就是全能型。不過細胞在分裂過程中逐漸有了自己明確的分工，這中間包括皮膚的表皮細胞、血液的紅細胞、腦的神經(jīng)細胞等200多種不同種類的專門細胞。

細胞在分裂中逐漸趨于專門化的這種現(xiàn)象，在生物學(xué)上叫做“分化”。就像一塊剛剛從煉鋼高爐里出來的鋼錠，它還有無限的可能性，但是一旦變成了不銹鋼湯勺或者橋梁的鋼架，抑或是家家門口的那扇防盜門，在這一刻所有的鋼錠的形態(tài)都被定型了。

不過，縱使鋼錠千變?nèi)f化，它們的主要成分也是鐵，它們的內(nèi)心還是相同的。細胞也是如此，即使已經(jīng)發(fā)生了分化，細胞核內(nèi)具有的遺傳信息（基因）是不變化的。但是不同細胞中工作的基因是不同的，而我們的人體有25000多個基因，究竟關(guān)閉哪些，那還要視細胞功能而定。有一個精妙的比喻，細胞所具有的DNA就像一本書，而分化的過程就像把書中的某些頁用漿糊粘住，再也無法翻開。當然了，皮膚細胞和骨細胞和“被粘貼的頁碼”是不同的。

比起已經(jīng)分化的細胞，干細胞“這本沒有被粘合的書”顯然有更大的吸引力。有了這種萬能的閱讀書，我們就能輕松地修復(fù)損傷的機體，治療因為神經(jīng)外傷引發(fā)的癱瘓，獲得治愈血友病所需要的血液細胞，甚至可以輕松地培養(yǎng)出急需的移植器官。

但是，翻開書頁并不簡單。正如前文所說，干細胞在分化之后，各自的功能被相對固定了下來。在分化后的細胞中發(fā)揮作用那種特定的基因組合主要是通過兩種變化被固定下來。一種變化是“組蛋白修飾”，另一種變化是“DNA的甲基化”。這兩種變化就像是粘貼書頁的粘合劑。要找到解除粘合劑的方法，還要將目光投向人體已有的干細胞。

剝開粘合書頁的方法

卵細胞有一種“神奇”的能力，那就是讓細胞初始化。受精的過程就是一個最有力的證據(jù)，因為精子已經(jīng)是高度分化的細胞，它們的DNA上面滿是甲基化和組蛋白修飾的“粘合書頁”。但是一旦與卵子集合，所有的粘合劑就消失了。正是卵細胞這種能力幫助約翰·戈登完成了實驗。實際上，能保持這種全能型的還不僅僅是受精卵。在受精卵分裂6～7次時，會先形成一個具有100個左右的細胞塊，這些細胞都有轉(zhuǎn)變成人體任何一種細胞的能力（只是不能發(fā)育成胎盤），這就是胚胎干細胞（ES細胞）。

1981年，英國的生物學(xué)家馬丁·埃文斯博士領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組從小鼠的初期胚胎（胚盤胞）的內(nèi)側(cè)取下一些細胞，在反復(fù)嘗試后找到了合適的條件，在試管中成功培養(yǎng)出了ES細胞。這些細胞不僅能夠無限增殖，還能夠轉(zhuǎn)變成除胎盤之外的任何一種小鼠細胞。

在1998年，美國威斯康星大學(xué)的詹姆斯·湯姆森教授終于又成功地制成了“人體的ES細胞”。有了這種細胞，從理論上說，就有可能按照需要制造出人體任何一個部分的組織。

不過，看似美好的ES細胞事業(yè)，從一開始就注定要流產(chǎn)。因為，它的來源是胚胎，從理論上講這個胚胎完全可以在子宮中發(fā)育成人。如果將這種細胞應(yīng)用于臨床，就有“為了救人而殺人”的問題出現(xiàn)。于是，科學(xué)家們開始尋找新的途徑，去尋找那些維持細胞全能性的因子。

可是要想找到剝開書本的頁碼談何容易。山中伸彌從數(shù)據(jù)庫中篩選出大約100個有可能在ES細胞中特別活躍的基因。再經(jīng)過近4年的緊張工作，從這100個基因中篩選出24個活躍的可能與細胞初始化有關(guān)的基因，并一次性將這24個候選基因全部導(dǎo)入成人的皮膚細胞中，結(jié)果夢寐以求的干細胞出現(xiàn)了。

此后，山中教授又逐個檢驗這24個基因。每次扣留一個基因，將其余23個導(dǎo)入細胞中，看看是否對初始化有影響。如果扣留的基因有作用，那么細胞就不會發(fā)生初始化。就這樣淘汰了對于初始化不是必需的20個基因，最終將目標鎖定在4個基因身上，它們分別是“Oct3/4”、“Sox2”、“Klf4”和“c—Myc”。將這4個基因?qū)肴死w維芽細胞后，這些細胞不出意外地變成了“iPS細胞”（“誘導(dǎo)多能干細胞”）。

其中，Klf/4和c—Myc的作用是使纖維芽細胞的分裂變得不受限制，轉(zhuǎn)變成類似癌細胞的細胞。Oct3/4和Sox2的作用則是使細胞獲得能夠進行多種分化的能力而失去癌細胞那樣的增殖性質(zhì)，從而成為萬能細胞（iPS細胞）。

山中伸彌在接受采訪時曾經(jīng)說過，“我喜歡橄欖球和柔道運動，經(jīng)常受傷，去過好幾次整形外科。因為自己要進行整形治療，所以想到要當整形外科醫(yī)生。當了醫(yī)生以后才知道，有好些患者的疾病是很難治好的，如嚴重的風(fēng)濕病、癱瘓、脊髓受傷等”。今天他的iPS細胞為這些嚴重疾病的治療提供了契機。人類掌握自己的生命的曙光已經(jīng)露出了地平線。

現(xiàn)在的一個大問題是，基于山中的誘變性多功能干細胞（iPS 細胞）技術(shù)的療法還要多久才會應(yīng)用到病人身上。一些生物學(xué)家擔(dān)憂，重構(gòu)的細胞引發(fā)癌癥的可能性依然是個大問題，如果臨床試驗中暴露出安全問題，會招致人們的反對。

不過，第一例含有 iPS 衍生細胞的臨床試驗可能在明年開始。日本神戶市理化研究所發(fā)展生物學(xué)中心（RIKEN Center for Developmental Biology）的高橋雅代（Masayo Takahashi）計劃利用 iPS 細胞培養(yǎng)視網(wǎng)膜色素上皮細胞，用以治療老年性黃斑變性導(dǎo)致的失明。