讓細(xì)胞改變命運(yùn)

2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)在瑞典首都斯德哥爾摩卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院揭曉。因在細(xì)胞核重編程研究領(lǐng)域作出重大貢獻(xiàn)，英國(guó)科學(xué)家約翰.格登（John Gurdon）和日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka），共同分享了這一獎(jiǎng)項(xiàng)。

大獎(jiǎng)揭曉： 英日科學(xué)家折桂諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

斯德哥爾摩時(shí)間2012年10月8日11時(shí)30分（北京時(shí)間10月8日17時(shí)30分），舉世矚目的2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)在瑞典首都斯德哥爾摩卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院揭曉。因在細(xì)胞核重編程研究領(lǐng)域作出重大貢獻(xiàn)，英國(guó)科學(xué)家約翰·格登和日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka），共同分享了這一獎(jiǎng)項(xiàng)。

格登就職于英國(guó)劍橋大學(xué)以他的姓氏命名的研究所——格登研究所，山中伸彌則在日本京都大學(xué)和美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校兩地工作。兩人可能獲獎(jiǎng)的預(yù)測(cè)早已廣為傳播。但也有推斷諾貝爾獎(jiǎng)可能先授予戈登，然后是從事克隆羊“多莉”研究的英國(guó)科學(xué)家伊恩·維爾穆特和基思·坎貝爾，再后來(lái)才會(huì)輪到山中伸彌。如今，坎貝爾已經(jīng)作古，為維爾穆特鳴不平的呼聲空前。

格登在一項(xiàng)被諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)稱之為“經(jīng)典”的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的特化是可以逆轉(zhuǎn)的。這一實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了已分化細(xì)胞可通過(guò)核移植技術(shù)，將其重新轉(zhuǎn)化為具有多能性的干細(xì)胞。1962年，格登的研究成果在英國(guó)《胚胎學(xué)與實(shí)驗(yàn)形態(tài)學(xué)雜志》上發(fā)表。

山中伸彌利用基因技術(shù)，通過(guò)對(duì)小鼠的成熟細(xì)胞重編程，誘導(dǎo)成功具有分化能力的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（Induced Pluripotent Stem Cells，簡(jiǎn)稱iPS細(xì)胞）。2006年，著名的美國(guó)《細(xì)胞》雜志發(fā)表了這一具有里程碑意義的研究成果。

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在當(dāng)天的一份新聞稿中稱，兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩某晒哂械旎砸饬x。他們的發(fā)現(xiàn)，徹底改變了人類對(duì)生物發(fā)育和細(xì)胞特化的認(rèn)識(shí)，改寫了教科書，建立了新的研究領(lǐng)域。這不僅為再生醫(yī)療開創(chuàng)了新天地，也為整個(gè)醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展和疾病的診斷、治療，帶來(lái)了新的契機(jī)。

對(duì)于自己的獲獎(jiǎng)，格登在一份聲明中說(shuō)：“我非常感謝得到了這樣的認(rèn)同，并且很榮幸與山中伸彌一同獲獎(jiǎng)，我特別高興地看到純粹的基礎(chǔ)研究已經(jīng)被證明確實(shí)對(duì)人類健康福祉具有重要意義。”而山中伸彌則表示：“我感到非常高興，同時(shí)也體會(huì)到巨大的責(zé)任。我畢生的目標(biāo)便是將這種干細(xì)胞技術(shù)帶到病床邊，帶到病患前，帶到診所中……”他這番話也說(shuō)出了所有細(xì)胞核重編程技術(shù)研究者的心聲。人們研究細(xì)胞核重編程的最終目的，就是讓這項(xiàng)技術(shù)能夠?yàn)槿祟惖慕】捣?wù)。

約翰.格登： 用“細(xì)胞核重編程”克隆出新動(dòng)物

所謂“細(xì)胞核重編程”，就是將已經(jīng)分化了的成年體細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)，讓其重新回到發(fā)育早期多能性干細(xì)胞狀態(tài)，重新獲得發(fā)育成各種類型細(xì)胞的能力。通俗一點(diǎn)講，就是在細(xì)胞層面實(shí)現(xiàn)“返老還童”。

1962年，約翰·格登做了一個(gè)劃時(shí)代實(shí)驗(yàn)：將美洲爪蟾卵細(xì)胞內(nèi)不成熟的細(xì)胞核移除，然后把美洲爪蟾的成熟腸細(xì)胞的細(xì)胞核注入其中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一部分卵依然可以發(fā)育成蝌蚪；其中的一部分蝌蚪，可以繼續(xù)發(fā)育成為爪蟾。

格登的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：處于高度分化狀態(tài)的體細(xì)胞可以通過(guò)重編程手段發(fā)生逆向的轉(zhuǎn)變，回到早期胚胎的未分化狀態(tài)，且具有發(fā)育為整個(gè)成體動(dòng)物個(gè)體的潛能。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)界關(guān)于細(xì)胞命運(yùn)不能逆轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)認(rèn)知產(chǎn)生了挑戰(zhàn)，是細(xì)胞重編程領(lǐng)域的里程碑成果。格登的發(fā)現(xiàn)，也開創(chuàng)了一項(xiàng)重要克隆技術(shù)的先河——體細(xì)胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)（ Somatic nuclear transfer，簡(jiǎn)稱SNT）。科學(xué)家可以用這一技術(shù)，將體細(xì)胞核轉(zhuǎn)入卵細(xì)胞，使得該細(xì)胞具有重新轉(zhuǎn)化為具有多能性細(xì)胞的潛能。

這一領(lǐng)域的突破來(lái)自于多莉羊的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)將從成體羊身上分離出來(lái)的，并且在體外培養(yǎng)的乳腺細(xì)胞的細(xì)胞核，移植到去除了細(xì)胞核的羊卵內(nèi)，從而產(chǎn)生出正常成體羊。多莉羊以及后來(lái)的探索研究表明，可以利用成體哺乳動(dòng)物的細(xì)胞核來(lái)完全逆轉(zhuǎn)細(xì)胞分化過(guò)程；并且暗示，這一個(gè)機(jī)制可能也適用于人類。

細(xì)胞核重編程對(duì)任何醫(yī)生來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的誘惑。想象一下，他們只需要一個(gè)細(xì)胞經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)，就可獲得大量各種身體組織。這些組織又可以任意用在損傷的器官的修復(fù)上面。更妙的是，這些細(xì)胞都可以是患者本人的。醫(yī)生再也不需要考慮來(lái)自其他人的細(xì)胞或者器官所帶來(lái)的可能致命的免疫排斥反應(yīng)了。

可惜實(shí)際操作并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，早在上個(gè)世紀(jì)30年代，1935年諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)獲得者漢斯·斯佩曼就發(fā)現(xiàn)，一種細(xì)胞要轉(zhuǎn)化為另外一種細(xì)胞，需要的是周圍細(xì)胞的誘導(dǎo)。斯佩曼發(fā)現(xiàn)，如果想把一個(gè)胚胎細(xì)胞培養(yǎng)成眼睛的晶狀體，那只有在周圍存在視杯細(xì)胞的情況才能發(fā)育出來(lái)。而如果你想獲得視杯細(xì)胞，必須在周圍有神經(jīng)外胚層細(xì)胞才可以發(fā)育出來(lái)。如果你想獲得一個(gè)有功能的腎臟，那么腎臟周圍的各種器官組織一個(gè)也不能少。這可太邪惡了。也就是說(shuō)，你得讓一個(gè)完整的胎兒各種器官都發(fā)育出來(lái)了，才能夠得到這個(gè)腎臟。但從一個(gè)發(fā)育完整的胎兒身上取下一個(gè)腎臟，則無(wú)異于殺人。幸運(yùn)的是，日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)現(xiàn)，我們也許不需要一個(gè)完整的胎兒就能夠獲得想要的各種細(xì)胞。

山中伸彌： 用基因技術(shù)制造出“誘導(dǎo)多能干細(xì)胞”

在格登論文發(fā)表42年后的2006年，山中伸彌利用逆轉(zhuǎn)錄病毒作為載體，將外源的4種轉(zhuǎn)錄因子 （它們分別是：Oct4、 Sox2、c-Myc 和Klf4）導(dǎo)入小鼠成纖維細(xì)胞，誘導(dǎo)小鼠成纖維細(xì)胞“重編程”，逆轉(zhuǎn)至多能干細(xì)胞狀態(tài)。這就是第一批的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞——iPS細(xì)胞。

2006年6月，山中在京都出席國(guó)際生物化學(xué)與分子生物學(xué)大會(huì)時(shí)宣布，首次發(fā)現(xiàn)將4種基因植入小鼠的皮膚細(xì)胞可制成多能干細(xì)胞。同年8月，他在美國(guó)科學(xué)雜志《細(xì)胞》上發(fā)表了論文。為醫(yī)學(xué)及生物學(xué)帶來(lái)革命的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞至此登場(chǎng)。當(dāng)時(shí)正是韓國(guó)首爾大學(xué)教授黃禹錫胚胎干細(xì)胞論文造假問(wèn)題敗露后不久、再生醫(yī)療研究的前景陷入迷茫之際。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的出現(xiàn)猶如一顆星辰劃破夜空，相關(guān)研究的競(jìng)爭(zhēng)一觸而發(fā)。

2007年，山中伸彌又對(duì)人的成體細(xì)胞進(jìn)行了研究，獲得了同樣的結(jié)果。他們采用的成體細(xì)胞分別來(lái)自一位36歲女性的表皮細(xì)胞和一位69歲男性的結(jié)締組織細(xì)胞。也在2007年同一年，美國(guó)威斯康星大學(xué)的詹姆斯·湯姆森（James Thomson）團(tuán)隊(duì)的研究驗(yàn)證了山中伸彌等人的成體干細(xì)胞可以逆轉(zhuǎn)的結(jié)果。湯姆森等人采用的是胎兒的皮膚細(xì)胞以及一個(gè)新生兒的包皮細(xì)胞，這些細(xì)胞也是成體細(xì)胞。不過(guò)，湯姆森等人采用的誘導(dǎo)基因并不完全等同于山中伸彌等人采用的基因。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都采用了Oct4和Sox2基因，而湯姆森等人采用的另兩個(gè)基因是Nanog和Lin28，山中伸彌等人采用另兩個(gè)基因是Klf4和c-Myc。

山中伸彌和詹姆斯·湯姆森的壯舉，標(biāo)志著我們可以將人的體細(xì)胞轉(zhuǎn)變成類似胚胎干細(xì)胞的多能性干細(xì)胞。這項(xiàng)研究預(yù)示著，我們將可能利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行人類疾病研究和再生醫(yī)學(xué)研究。至此，人類在將體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉?xì)胞的道路上實(shí)現(xiàn)了第一次突破。

隨后的研究中，其他多個(gè)物種包括大鼠、豬和猴子等的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞陸續(xù)被建立起來(lái)。這些物種的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的建立，對(duì)于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物還有多能性維持機(jī)制的研究，都具有重要意義。同時(shí)，科學(xué)家成功誘導(dǎo)了多種遺傳疾病的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。

這種通過(guò)將完全分化的細(xì)胞核重編程，不經(jīng)胚胎階段而直接逆轉(zhuǎn)至多能干細(xì)胞狀態(tài)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，擁有明顯的優(yōu)勢(shì)：一是制備方法簡(jiǎn)單，只需要將幾個(gè)關(guān)鍵的與細(xì)胞多潛能狀態(tài)有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入體細(xì)胞并使其表達(dá)就可以了；二是它們可使用成人的細(xì)胞制成，不需要人類的胚胎，避免利用人類胚胎制造多功能干細(xì)胞引發(fā)爭(zhēng)議；三是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞可用從罹患某種疾病的患者身上提取的組織或細(xì)胞制成，這樣，科學(xué)家們就可以根據(jù)該病人的基因，“量體裁衣”地為其設(shè)計(jì)治療方案。

科學(xué)家們認(rèn)為，這種利用基因技術(shù)將完全分化的細(xì)胞核重編程，不經(jīng)胚胎階段而直接逆轉(zhuǎn)至多功能干細(xì)胞狀態(tài)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擁有重要的應(yīng)用潛力，在建立疾病模型、藥物篩選方面也將“大展拳腳”。心肌梗死，肝硬化，甚至斷了手腳，都能用干細(xì)胞造出“備份零件”重新修補(bǔ)上，這一誘人前景早已被無(wú)數(shù)媒體或商家所描繪。比如從人的皮膚上取一點(diǎn)細(xì)胞，然后還原到干細(xì)胞，再對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行重新編碼，就可以讓這個(gè)皮膚細(xì)胞變?yōu)樾呐K細(xì)胞，重新植入到心臟內(nèi)。這樣就可以替代心臟壞死細(xì)胞，不會(huì)有排斥反應(yīng)，還可以應(yīng)用到帕金森綜合征、脊髓損傷等疾病上。

細(xì)胞核重編程研究很像一部鴻篇巨制，過(guò)去數(shù)十年的研究幫我們翻開了這本巨著，但是對(duì)于重編程的機(jī)制我們依然感覺非常茫然。我們到現(xiàn)在為止還不能夠完全明晰哪些因子在重編程中發(fā)揮了作用，它們之間又是如何相互作用的。因此，重編程的機(jī)制研究在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)是重編程領(lǐng)域內(nèi)的重要問(wèn)題，想要完全揭示重編程的機(jī)制可能還有很長(zhǎng)的路要走。

潛能巨大：誘導(dǎo)多能干細(xì)胞研究如火如荼

近年來(lái)，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的研究熱潮持續(xù)高漲，并取得了令人矚目的進(jìn)展。

哈佛大學(xué)喬治·戴利實(shí)驗(yàn)室利用誘導(dǎo)細(xì)胞核重編程技術(shù)，把采自10種不同遺傳病患者的皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞，這些細(xì)胞將會(huì)在建立疾病模型、藥物篩選等方面發(fā)揮重要作用。哈佛大學(xué)另一家實(shí)驗(yàn)室則發(fā)現(xiàn)，利用病毒將3種在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中起重要作用的轉(zhuǎn)錄因子引入小鼠胰腺外分泌細(xì)胞，可以直接使其轉(zhuǎn)變成與干細(xì)胞極為相似的細(xì)胞，并且可以分泌胰島素，有效降低血糖。

2012年4月，來(lái)自賓夕凡尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們，開發(fā)了一種創(chuàng)新的細(xì)胞核重編程技術(shù)——微RNA介導(dǎo)（microRNA）。利用這一新技術(shù)，研究人員首次繞開4個(gè)轉(zhuǎn)錄因子生成了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，并將重編程效率提高了100倍。已證實(shí)，利用這一新技術(shù)生成的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，能夠分化出小鼠的大部分組織，包括生殖細(xì)胞、卵子和精子。在采用微RNA替代四個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子基因之前，研究人員每重組10萬(wàn)個(gè)成體細(xì)胞只能獲得不到20個(gè)的極少數(shù)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。而最新研究中，研究人員利用微RNA介導(dǎo)新技術(shù)誘導(dǎo)10萬(wàn)個(gè)人類成體細(xì)胞，生成了大約1萬(wàn)個(gè)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。

不過(guò)，現(xiàn)階段誘導(dǎo)多能干細(xì)胞離醫(yī)療臨床應(yīng)用還有一定距離，更不能讓人“返老還童”、“長(zhǎng)生不老”。不斷有科學(xué)家發(fā)表論文指出，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的發(fā)展遇到了幾只“攔路虎”。首先是細(xì)胞重組的效率低，其次是基因的致癌性以及介導(dǎo)這些基因的病毒載體的應(yīng)用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，山中伸彌和其他研究小組利用生成誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的一個(gè)叫c-Myc的基因，本身就是一種致癌基因。部分原因可能就是，c-Myc不僅能促使生成干細(xì)胞，也能促成癌生長(zhǎng)。最早的iPS細(xì)胞誘導(dǎo)過(guò)程中使用了病毒，而病毒插入可導(dǎo)致誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的基因組不穩(wěn)定，因此帶來(lái)致癌等風(fēng)險(xiǎn)。

臨床上較為迫切的需求是，能夠從罹患遺傳性疾病或其他疾病患者體內(nèi)提取誘導(dǎo)多能干細(xì)胞細(xì)胞，并將其在體外重新分化，以了解疾病發(fā)展進(jìn)程，或建立以細(xì)胞為基礎(chǔ)的研究平臺(tái)，進(jìn)行毒性檢測(cè)或藥品研發(fā)。目前，已取得包括肌萎縮側(cè)索硬化、脊髓性肌萎縮、α1-抗胰蛋白酶缺乏癥等疾病在內(nèi)的相應(yīng)人體誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，并已建立長(zhǎng)QT間期延長(zhǎng)綜合征等心血管疾病的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞獲取模型。此外，體外分化誘導(dǎo)多能干細(xì)胞模型，還可模擬一些晚發(fā)性疾病進(jìn)程，如阿爾茨海默病、脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)及亨廷頓病等。然而，對(duì)于某些疾病，尤其是造血系統(tǒng)疾病，目前仍缺乏明確的體外誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化方案，從而限制了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在這些領(lǐng)域的研究。

在干細(xì)胞研究領(lǐng)域已占據(jù)權(quán)威地位的山中伸彌教授并沒(méi)有駐足觀賞，多年來(lái)他一直搏擊在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞研究的前沿領(lǐng)域，并不斷嘗試開發(fā)新的技術(shù)，致力于解決誘導(dǎo)多能干細(xì)胞細(xì)胞癌變和效率等問(wèn)題。近日，山中伸彌領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在最新的研究中對(duì)人類轉(zhuǎn)錄因子庫(kù)進(jìn)行了高通量篩選，從中鑒別出了一種新型轉(zhuǎn)錄因子Glis1，用Glis1取代c-Myc，與Oct4， Sox2， Klf4一起高效誘導(dǎo)小鼠和人類成纖維細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。并證實(shí)，相比于c-Myc，Glis1誘導(dǎo)生成的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞具有較低的致癌性。山中伸彌還打算建立治療用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞系銀行，努力引介這一開拓性生物醫(yī)療技術(shù)早日進(jìn)入臨床。山中伸彌的計(jì)劃是，到2020年建立一個(gè)包含75種誘導(dǎo)多能干細(xì)胞系的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，以匹配日本80%的人口。

可以相信，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)最終必將成為臨床上的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，人們既可以通過(guò)它來(lái)獲取患者的完整遺傳信息，也可以直接制備出患者個(gè)人的組織器官，還可以在用藥前先利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞對(duì)藥物進(jìn)行篩選和檢測(cè)，也能利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞檢測(cè)患者患上某種疾病或癌癥的易感性和風(fēng)險(xiǎn)性。甚至還能利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞預(yù)測(cè)某項(xiàng)疾病預(yù)防措施對(duì)患者可能帶來(lái)的效果，因而影響患者的生活方式。有科學(xué)家表示，基于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的療法正朝臨床邁進(jìn)。