逆轉(zhuǎn)細胞發(fā)育，“差生”終成大業(yè)

大乾頭人

科學(xué)家們對細胞重編程的研究已持續(xù)了數(shù)十年。所謂細胞重編程，是指“已分化的特定細胞可以被重新編程為多功能的干細胞”。1962年，約翰·戈登在他的實驗室里證明，已分化的動物體細胞在蛙卵中可以被重編程，從而發(fā)育成完整的個體，這樣就證明了細胞的分化是可逆的。2006年，山中伸彌將戈登的這一成果推進了一大步，實現(xiàn)了細胞在體外的重編程，誘導(dǎo)出了具有多性的細胞（即誘導(dǎo)性多能干細胞，iPS細胞）。與胚胎干細胞相比，iPS細胞的優(yōu)勢在于它避開了從人體胚胎中提取干細胞的倫理道德制約，使干細胞研究能被所有人接受。同時，由于這些細胞來自于病人自身，在臨床應(yīng)用時有望能避免免疫系統(tǒng)對外來組織的排斥。iPS技術(shù)的創(chuàng)立開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域。

敢于挑戰(zhàn)的“克隆教父”

約翰·戈登（John B. Gurdon）是英國劍橋大學(xué)細胞生物學(xué)教授、戈登研究所所長，他還兼任了麥格達倫學(xué)院院長。1933年戈登出生于英國，先后在伊頓公學(xué)、牛津大學(xué)就讀，并獲得牛津大學(xué)生物學(xué)博士學(xué)位。

約翰·戈登教授的最初突破性發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是50年前的事情了。1962年，他發(fā)現(xiàn)細胞的特化是可逆的。在一項經(jīng)典實驗中，他將一個未成熟的青蛙卵細胞的細胞核用一個成熟的腸道細胞的細胞核進行替換。這個被改造過的卵細胞后來發(fā)育成了一只正常的蝌蚪。這一實驗證明，一個成熟細胞中的DNA仍然儲存有讓一顆細胞發(fā)育成一只完整青蛙的所有信息密碼。這項開創(chuàng)性的研究徹底顛覆了我們原先對于細胞發(fā)育和特化的認識。

我們所有人都是從一顆受精卵開始發(fā)育而來的。在受精之后的第一天，胚胎中所含有的是不成熟的細胞，但是，這些細胞最終可以分化，形成一個成年個體所具有的全部各種器官和組織。這些細胞就被稱作多能干細胞。隨著胚胎的進一步發(fā)育，這些細胞中逐漸分化出神經(jīng)細胞、肌肉細胞、肝細胞以及所有其他種類的細胞——所有這些細胞都已經(jīng)特異化，具備了一種特別的功能，可以執(zhí)行人體的各種不同的生理機能。這種從不成熟細胞到特異化成熟細胞的過程曾經(jīng)被普遍認為是不可逆的。人們認為這是細胞的成熟過程，它們不可能重新回到多能干細胞的階段。

約翰·戈登教授最先向這個生物學(xué)教條發(fā)起了挑戰(zhàn)。他猜想在一顆成熟的細胞中應(yīng)當(dāng)仍然保存著形成所有其他細胞類型的所需信息。1962年，他對自己的這一猜想進行了實驗驗證。該實驗打破了科學(xué)界普遍認為動物胚胎發(fā)育過程中的細胞分化是單向的、不可逆轉(zhuǎn)的論斷，證明該過程是可逆的。當(dāng)戈登最初公布他的實驗結(jié)果時，質(zhì)疑聲不斷，但是，隨著其他科學(xué)家重復(fù)他的實驗并獲得同樣結(jié)果，這項研究結(jié)果開始逐步被人們接受。這證明體細胞核是可以在卵中被重編程為多能性細胞的。隨后科學(xué)家們競相投身這一領(lǐng)域的研究，相關(guān)的技術(shù)也飛速發(fā)展，并導(dǎo)致了對哺乳動物克隆的研究。

在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里，戈登的研究是一個很重大的科學(xué)突破。一開始，沒人贊同他的設(shè)想。面對質(zhì)疑，他卻能夠力排眾議，堅持自己的信念和實驗結(jié)果?，F(xiàn)在的克隆技術(shù)和干細胞治療技術(shù)，都是因為他的理論才得以發(fā)展和成熟；也是由于他的堅持，才使我們獲得了有關(guān)有機體和細胞發(fā)育方面的嶄新認識，極大地幫助科學(xué)家們揭示疾病的發(fā)病機制，從而促成有關(guān)的新藥研發(fā)。

少年時的“最差生”

戈登的這種勇于堅持和力排眾議的個性可以追溯到少年時代。他曾經(jīng)在一個新聞發(fā)布會上說，自己現(xiàn)在依然保存著當(dāng)年的中學(xué)科學(xué)老師給他的評語：

我相信戈登有將來成為一位科學(xué)家的理想；根據(jù)他現(xiàn)在的表現(xiàn)，這個理想非?；闹?；如果他不能學(xué)會一些簡單的生物學(xué)常識，他將來不會有任何機會去做專家級的工作，而且，不管對他自己還是教他的老師們來說，這純粹是浪費時間。

當(dāng)年，這位老師看不上眼的學(xué)生，今天竟然得到了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎，真是讓人感慨萬千。有志者事竟成，教育者千萬不要過早給自己的弟子下結(jié)論。如今，已有不少人開始反思時下的中學(xué)教育。那份成績報告單，一直被裱掛在戈登辦公桌的正上方，他似乎從中得到了一些特別的動力?！坝袝r我會看著它告訴自己，幾十年前就有人說，你根本不擅長這個工作?！备甑钦f，“當(dāng)你的實驗遇到困境的時候，拿這個方法激勵自己，真的太有效了，要不然就被老師說中了。” 雖然成績差、不被老師和學(xué)校看好，但戈登仍然堅持自己的想法，對生物學(xué)的熱愛從不曾減少過半分。后來，戈登在一次被采訪時回憶說，自己少年時被生物學(xué)深深吸引，甚至在學(xué)校養(yǎng)過上千只毛毛蟲，并看著它們變成飛蛾，這在當(dāng)時還引起了老師的強烈反感。

開著破車上班的名人

戈登的一名學(xué)生回憶第一次見導(dǎo)師時的情景：當(dāng)一輛很破舊的汽車迎面駛來時，他根本想不到這位大名鼎鼎的發(fā)育生物學(xué)家就駕駛著這樣老舊的汽車。當(dāng)時戈登的名氣已經(jīng)很大，在劍橋有一個研究院都是以他的名字命名的，可是他還是為人低調(diào)，生活簡樸。通?？茖W(xué)家到了一定的年紀，會選擇發(fā)表文章、教書為主業(yè)，很少會去繼續(xù)做實驗，但戈登已70多歲的高齡，仍然堅守實驗室，這次諾貝爾獲獎電話也是他在實驗室里接聽的。當(dāng)時一名英國記者曾試圖聯(lián)系戈登進行連線采訪，但戈登的實驗室答復(fù)稱：“戈登正在工作，請不要打擾他?！睕]有被盛名所累，一直保持勤奮嚴謹?shù)膽B(tài)度，戈登絕對堪稱一位大家。

“笨手笨腳”的外科醫(yī)生

在戈登那項開創(chuàng)性的實驗之后，全球的生物學(xué)研究都在沿著他開拓的路徑一往直前，當(dāng)然除了備受爭議的克隆技術(shù)。2006年，日本科學(xué)家山中伸彌也從人類的皮膚細胞中，培養(yǎng)出了尚未分化的干細胞，把這項研究推到了一個新的高度。

山中伸彌，1962年出生于日本大阪府，大阪市立大學(xué)醫(yī)學(xué)博士（1993年），京都大學(xué)再生醫(yī)科研究所干細胞生物系教授，美國加利福尼亞州舊金山心血管疾病研究所高級研究員。

無獨有偶，與戈登少年時代的遭遇類似，山中也是一位后進學(xué)生。他在中學(xué)時學(xué)習(xí)也并不專心，酷愛柔道和棒球，甚至為此骨折了10多次。畢業(yè)時，父親告訴他：你多次受傷，看見醫(yī)生怎樣為病人減輕痛苦，你將來要做醫(yī)生為人類服務(wù)。于是山中就接受了父親的提議，在學(xué)校的最后階段認真學(xué)習(xí)，終于考入了著名的國立神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)部，并努力成為了一名外科醫(yī)生。但是，他拙于動手的弱點，讓他成為同事們的笑柄。山中每次回憶自己從神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)院畢業(yè)后做的第一次手術(shù)，都頗有感慨。那是一次良性瘤移除手術(shù)，熟練的醫(yī)生10分鐘就可以做完，但山中折騰了一個小時也沒有完成。

山中還曾給父親打過針。山中說，父親當(dāng)時看起來很高興，但實際很疼：“兒子，你不擅長這個，對吧？”由于山中臨床動手能力笨拙，有些人甚至送給了他一個外號——絆腳石。不過，失敗是成功之母，山中也因此放棄了臨床醫(yī)生的職業(yè)，尋找發(fā)展自己事業(yè)的新契機。

放棄高薪轉(zhuǎn)投研究

山中伸彌從大阪市立大學(xué)博士畢業(yè)以后，認為日本國內(nèi)的研究環(huán)境不夠完善，于是他就去美國的格萊斯頓研究所留學(xué)，在那里接觸了單性干細胞（萬能細胞），從此決定了他的研究方向。那里自由的學(xué)術(shù)氣氛和良好的研究平臺，讓山中更充分地發(fā)揮了自己的研究才能。

“美國多見一種‘開放式實驗室的研究方式，不論是價格高昂的裝置還是研究者的智慧都是共享的。而在日本國內(nèi)，很少有這種開放式研究?！鄙街姓f。

幾年后，山中返回日本醫(yī)學(xué)界，準備繼續(xù)研究時，卻發(fā)現(xiàn)這里的研究條件比美國差太多，資金不到位，培育小白鼠的時間甚至比做實驗的時間還長，甚至還得親自動手培養(yǎng)。“為什么我要不停更換小白鼠的籠子？”山中抱怨道。面對這種境況，山中感到了絕望，甚至得了憂郁癥。這時，山中曾經(jīng)與家人商量，是不是讓他放棄基礎(chǔ)研究，去當(dāng)收入比較高的臨床醫(yī)生。在日本，醫(yī)生是一個收入十分豐厚的職業(yè)。而山中的夫人也是一位皮膚科的醫(yī)生，她對山中教授的研究全力支持。如果沒有賢內(nèi)助的支持，也沒有今天獲獎的山中教授。

在家人的理解和支持下，山中最終克服了困難，選擇了堅持做研究。1999年，他向奈良科學(xué)與技術(shù)學(xué)院申請助教授職位。當(dāng)時的一名教授回憶，在眾多應(yīng)聘者中，山中是唯一愿意接受長遠挑戰(zhàn)的人，因為其他應(yīng)聘者都選擇了明顯能在數(shù)年內(nèi)見成果的研究項目，而他則選擇了干細胞研究。

“iPS”細胞的發(fā)現(xiàn)進程

2004年，山中教授前往京都大學(xué)繼續(xù)研究萬能細胞。2006年他發(fā)現(xiàn)了4種重要的遺傳因子，并且利用試驗老鼠研制出可以多種變化的萬能細胞，正式取名iPS細胞（人工多功能干細胞）。這意味著未成熟的細胞能夠發(fā)展成所有類型的細胞。

山中歷來喜歡開玩笑，在獲獎記者招待會上，他介紹了自己研發(fā)出這一讓世界震驚的人工多能干細胞（iPS細胞）的過程。 他笑言，iPS（Induced pluripotent stem cells，誘導(dǎo)多能干細胞）在2006年命名期間，當(dāng)時蘋果公司的iPod播放器十分流行，所以他希望iPS誘導(dǎo)多功能干細胞能沾沾iPod的光，被人們熟知，而采用了小寫的“i”字母作為首寫字母。

事實證明這4個基因中，其中一個基因確實是“一次天大的冒險”，因為這一個是與癌癥相關(guān)的基因。數(shù)月后他又發(fā)現(xiàn)即使不使用這個致癌基因，他仍然能夠重組細胞，這樣癌變的幾率會大大降低。但新創(chuàng)造的干細胞仍然會發(fā)生癌變，在他的實驗中，121只老鼠中，有20%產(chǎn)生了腫瘤。這說明使用逆轉(zhuǎn)錄病毒，可能使基因產(chǎn)生變異，引發(fā)腫瘤等副作用。他表示下一步的研究目標是在不使用逆轉(zhuǎn)錄酶的情況下實現(xiàn)細胞重組。

表皮細胞經(jīng)誘導(dǎo)后，具有胚胎干細胞的特征，可轉(zhuǎn)變?yōu)樾呐K和神經(jīng)細胞，這為研究治療目前多種心血管絕癥提供了巨大助力。這一研究成果在全世界被廣泛應(yīng)用，因為其免除了使用人體胚胎提取干細胞的倫理道德制約。山中也因此獲得了世界各地多次頒發(fā)的醫(yī)學(xué)獎項。

細胞重編程的應(yīng)用價值

iPS技術(shù)的出現(xiàn)挽救了整個干細胞事業(yè)。這一新的細胞重編程的方法繞過了胚胎干細胞的倫理困境，把病人的體細胞轉(zhuǎn)化為干細胞供自身使用，開創(chuàng)了基因治療的新方法。2007年，魯?shù)婪颉ふ材崾浚≧udolf Jaenisch）研究組利用iPS重編程技術(shù)，成功治療了小鼠的鐮狀紅細胞貧血癥。他們用患有鐮刀型貧血癥的小鼠體細胞建立了iPS細胞，并通過基因技術(shù)修正細胞中的疾病基因。將修復(fù)后的iPS細胞誘導(dǎo)分化為血液干細胞后移植回患病小鼠體內(nèi)，可以改善小鼠的貧血癥狀。2009年初，另一些研究人員用從iPS細胞誘導(dǎo)來的內(nèi)皮前體細胞和內(nèi)皮細胞成功治療了血友病。他們的研究雖然是在小鼠中進行的，然而，這些成果證實iPS細胞在基因治療中的可行性，從實踐上為人類基因遺傳病的治療奠定了基礎(chǔ)。到目前為止，利用iPS細胞進行疾病研究已經(jīng)在許多疾病上開展起來。

此外，iPS技術(shù)在疾病模擬和藥物篩選中也有廣泛的應(yīng)用。針對遺傳性病變，將病人的體細胞逆轉(zhuǎn)為iPS細胞，或?qū)⒅虏∫蛩兀ㄍǔＪ腔蛲蛔儯?dǎo)入iPS細胞中，在體外使其定向分化成病變發(fā)生的細胞，觀察在這個過程中出現(xiàn)的問題，就可以實現(xiàn)在培養(yǎng)皿里模擬疾病的發(fā)生，研究疾病發(fā)生的機制。

（作者單位：廈門大學(xué)）