體細(xì)胞怎樣重獲了多能性
來源：北京日報(bào)
約翰·戈登和他的克隆爪蟾
山中伸彌和他的iPS細(xì)胞
克隆羊多莉
新聞背景
北京時(shí)間10月9日，2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎揭曉，英國科學(xué)家約翰·戈登和日本科學(xué)家山中伸彌因?yàn)?ldquo;發(fā)現(xiàn)成熟細(xì)胞可被重編程變?yōu)槎嗄苄?rdquo;而獲 獎。他們的發(fā)現(xiàn)改變了“細(xì)胞命運(yùn)一旦決定便不可改變”的傳統(tǒng)觀念，革新了我們對細(xì)胞和有機(jī)生命體發(fā)育的理解，同時(shí)他們所開創(chuàng)的技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景。這 個(gè)科學(xué)界最高榮譽(yù)的歸屬使得干細(xì)胞生物學(xué)再一次引起公眾極大的關(guān)注。
自從有人類以來，人們幻想最多的莫過于“長生不老”、“返老還童”。人們留戀大千世界的美好，而衰老和死亡卻永遠(yuǎn)是人類逃不過的宿命，所以中外神話故事中的“不死藥”一直是人類夢想得到的東西。而現(xiàn)代科學(xué)尤其是干細(xì)胞研究的發(fā)展，為曾經(jīng)的夢想帶來了新的希望。
1. 1938年，德國人施佩曼
首次提出體細(xì)胞核移植的重編程理念
干細(xì)胞（特別是胚胎干細(xì)胞）是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下，它可以分化成多種功能細(xì)胞。由于其具有再生各種組織及器官的潛在能力， 如果干細(xì)胞能應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，那么困擾人類的多種疾病都會得以醫(yī)治，人類的壽命也可能得以延長。盡管從人類早期胚胎中可以分離胚胎干細(xì)胞，但由于面臨倫理 學(xué)問題以及免疫排斥等問題，胚胎干細(xì)胞的前景暗淡，因此人們需要考慮新的干細(xì)胞獲取途徑。
在動物的發(fā)育過程中，精子與卵細(xì)胞結(jié)合形成受 精卵，受精卵能夠發(fā)育成一個(gè)完整的個(gè)體，在這一發(fā)育過程中細(xì)胞一般都是沿著特定的方向分化，而不會發(fā)生命運(yùn)的改變。人們在很早就希望通過調(diào)控細(xì)胞的發(fā)育命 運(yùn)，將人體廣泛存在的體細(xì)胞變成一種像胚胎干細(xì)胞一樣能分化成所有類型細(xì)胞的萬能細(xì)胞，我們將這種技術(shù)稱為細(xì)胞重編程。
早在1938年，德國科學(xué)家施佩曼提出一個(gè)設(shè)想，將體細(xì)胞核移入去核的卵母細(xì)胞中，從而使后者不經(jīng)精子穿透等有性過程即可被激活、分裂并發(fā)育獲得動物個(gè)體，此過程即為體細(xì)胞核移植，又簡稱動物克隆。
最早成功完成的細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)是在1952年，美國科學(xué)家布里格斯及同事金等首次將青蛙胚胎期細(xì)胞的細(xì)胞核移入去核的蛙卵細(xì)胞中，獲得了存活的蝌蚪，證明胚胎期細(xì)胞可以被完成重編程。
2. 1958年，約翰·戈登
用體細(xì)胞成功克隆爪蟾開創(chuàng)里程碑式成果
然而，胚胎細(xì)胞與體細(xì)胞的發(fā)育潛能存在巨大差異，盡管科學(xué)家們完成了胚胎細(xì)胞核移植的實(shí)驗(yàn)，但是來源于成年動物的終末分化的體細(xì)胞能夠產(chǎn)生逆向發(fā)育，回歸高發(fā)育潛能的未成熟狀態(tài)，當(dāng)時(shí)存在巨大的疑問。
1958年的約翰·戈登還是一個(gè)不到30歲的青年學(xué)者，他基于逐漸成熟的核移植技術(shù)，完成了一個(gè)堪稱“經(jīng)典”的實(shí)驗(yàn)。他首先將爪蟾卵母細(xì)胞的細(xì)胞核取 出，然后再注入一個(gè)成年爪蟾小腸細(xì)胞的細(xì)胞核，獲得一個(gè)體細(xì)胞核移植胚胎。這個(gè)通過人工手段重構(gòu)的胚胎最終成功發(fā)育為了一個(gè)健康存活的爪蟾。戈登的實(shí)驗(yàn)說 明：處于高度分化狀態(tài)的體細(xì)胞可以通過重編程手段發(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)成體動物個(gè)體的潛能。這一發(fā)現(xiàn)對當(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。
不得不提到的是，我國發(fā)育生物學(xué)先驅(qū)童第周先生在體細(xì)胞核移植領(lǐng)域也做出了重要貢獻(xiàn)，他在1963年首次完成了鯉魚的核移植實(shí)驗(yàn)，成功獲得了健康的鯉魚。
戈登等在兩棲類動物的實(shí)驗(yàn)證明了體細(xì)胞重編程的可能，但高等哺乳動物的體細(xì)胞是否同樣可以被重編程，仍然是一個(gè)巨大的問號。
3. 1996年，“多莉羊”出世
高等哺乳動物的體細(xì)胞也可以被完全重編程
科學(xué)家經(jīng)過數(shù)十年的艱辛探索后，終于在1996年取得了成功。英國羅斯林研究所的伊恩·維爾穆特等科學(xué)家將從成體綿羊乳腺細(xì)胞的細(xì)胞核移植到去除了細(xì)胞 核的羊卵內(nèi)，經(jīng)過大量嘗試之后，終于獲得了世界上第一只存活的哺乳類克隆動物，即我們耳熟能詳?shù)?ldquo;多莉羊”。這同樣是體細(xì)胞重編程領(lǐng)域的里程碑式的工作， 遺憾的是此次未能問鼎諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
多莉羊的成功點(diǎn)燃了體細(xì)胞核移植研究的熱潮，包括小鼠、大鼠、豬、牛等多達(dá)10多種哺乳動物相繼獲得克隆動物。這項(xiàng)技術(shù)目前除了在基礎(chǔ)理論研究中被廣泛采用，在珍貴動物的繁殖等多方面也得到了應(yīng)用。
與此同時(shí)，為了治療人類的疾病，人們創(chuàng)造性地提出了治療性克隆的理念。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，人們首先通過體細(xì)胞核移植獲得克隆胚胎，從中分離多能性干細(xì) 胞，多能性干細(xì)胞進(jìn)而分化為各種組織和器官，將其移植回病人體內(nèi)后進(jìn)行治療。人們隨后在小鼠的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了這一想法，證明利用治療性克隆技術(shù)可以修復(fù)疾病 小鼠的疾病。但在人類治療性克隆的實(shí)驗(yàn)中，由于受到多方面的限制以及倫理學(xué)等問題，目前進(jìn)展遲緩。體細(xì)胞核移植是一項(xiàng)技巧性極高的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，很難推廣，且 成功率低下。針對這些問題人們就在思考，是不是能夠創(chuàng)造一項(xiàng)新的技術(shù)彌補(bǔ)體細(xì)胞核移植的不足呢？
4. 2006年，山中伸彌
只需幾個(gè)基因就可以把體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉?xì)胞
歷史的規(guī)律反復(fù)證明，任何科學(xué)上的困難總會有被解決的一天。
2006年，日本科學(xué)家山中伸彌使用不同于體細(xì)胞核移植的重編程手段，只是簡單地將四個(gè)基因?qū)敫叨确只男∈蟪衫w維細(xì)胞中，誘導(dǎo)體細(xì)胞回歸到一個(gè)類似 于胚胎干細(xì)胞的未分化、具有高度發(fā)育潛能的狀態(tài)，他們將這種細(xì)胞命名為誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞（簡稱iPS細(xì)胞）。這項(xiàng)成果在當(dāng)時(shí)較為沉寂的干細(xì)胞研究領(lǐng)域無疑 激起了巨浪，他們第一次證明我們僅僅需要幾個(gè)基因就可以將體細(xì)胞轉(zhuǎn)變成干細(xì)胞。
2007年，山中伸彌等人與美國科學(xué)家同時(shí)在人體細(xì)胞重 編程中取得了成功。這項(xiàng)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iPS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iPS 細(xì)胞陸續(xù)被建立起來，這些物種的iPS細(xì)胞的建立對于轉(zhuǎn)基因動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iPS細(xì) 胞，其中包括常見的帕金森氏病、阿爾茲海默病還有地中海貧血癥等等，這些病人來源的iPS細(xì)胞給我們在體外研究疾病發(fā)生的機(jī)制提供了機(jī)會，這些細(xì)胞還為再 生醫(yī)學(xué)和藥物試驗(yàn)帶來了希望。利用iPS技術(shù)來研究孤獨(dú)癥就是一個(gè)很好的范例，科學(xué)家將來源于孤獨(dú)癥患者的細(xì)胞轉(zhuǎn)變成iPS細(xì)胞，然后再將細(xì)胞分化形成神 經(jīng)細(xì)胞，在體外模擬孤獨(dú)癥的神經(jīng)細(xì)胞病變，并且成功地測試藥物的治療效果。
5. 揭示重編程機(jī)制、用于臨床治療
科學(xué)家們當(dāng)下正在攻克的堡壘
細(xì)胞重編程研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們把體細(xì)胞變成干細(xì)胞的夢想，接下來細(xì)胞重編程研究又將走向何方呢？在接下來的研究中，哪些問題又將成為這個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和核心問題呢？
細(xì)胞重編程研究很像一部鴻篇巨制，過去數(shù)十年的研究幫我們翻開了這本巨著，但是對于重編程的機(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)制研究在很長一段時(shí)間內(nèi)都會是重編程領(lǐng)域內(nèi)的重要問題，想要完全揭示重編程 的機(jī)制可能還有很長的路要走。但是就像約翰·戈登教授所說的“我個(gè)人認(rèn)為，我們最終將搞清細(xì)胞究竟如何工作的全部信息……”我們必將有一天會徹底揭示重編 程的機(jī)制。
50歲的日本科學(xué)家山中伸彌得知自己獲得2012年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎后，在電話里向采訪他的記者說道：“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……”他這番話也說出了所有研究細(xì)胞重編程技術(shù)的科研人員的心聲。人們研究細(xì)胞重編程的最終目 的，是讓這項(xiàng)技術(shù)能夠?yàn)槿祟惖慕】捣?wù)，如何能夠讓細(xì)胞重編程技術(shù)更好地為人類健康服務(wù)也將成為未來的研究熱點(diǎn)。
當(dāng)我們想將重編程技術(shù) 應(yīng)用到臨床，必須要首先考慮這項(xiàng)技術(shù)的安全性問題。最早的iPS細(xì)胞誘導(dǎo)過程中使用了病毒，而病毒插入可導(dǎo)致iPS細(xì)胞的基因組不穩(wěn)定，因此帶來致瘤等風(fēng) 險(xiǎn)。在過去的幾年時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家利用蛋白、信使RNA還有小RNA等手段替代病毒誘導(dǎo)，都很有效地保證了iPS細(xì)胞無外源基因的插入，一定程度上提高了 iPS細(xì)胞的安全性。目前人們正對iPS細(xì)胞的各種缺陷可能帶來的安全性問題進(jìn)行評估，并試圖通過改進(jìn)誘導(dǎo)技術(shù)獲得高質(zhì)量的iPS細(xì)胞。同時(shí)建立檢測系統(tǒng) 對iPS細(xì)胞進(jìn)行分子與細(xì)胞水平的檢測，選擇沒有突變的iPS細(xì)胞，將iPS細(xì)胞的致瘤風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
其次，我們還要考慮的一個(gè)重要 問題就是有效性。盡管2009年中國科學(xué)家首次證明iPS細(xì)胞能夠發(fā)育為成體動物，具有與胚胎干細(xì)胞相同的體內(nèi)發(fā)育能力，但在未來的臨床應(yīng)用中，我們需要 在體外將iPS細(xì)胞進(jìn)行分化獲得我們所需的組織和器官，因此，這些體外分化獲得的組織和器官能否發(fā)揮正常的作用，能否替換我們身體內(nèi)的受損組織還都需要系 統(tǒng)檢測。目前正通過動物實(shí)驗(yàn)以及臨床實(shí)驗(yàn)來檢測細(xì)胞再生治療的有效性，在美國、歐洲與日本等國家已經(jīng)開展數(shù)項(xiàng)再生醫(yī)學(xué)治療的臨床實(shí)驗(yàn)。
延伸閱讀
干細(xì)胞生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)治療
自多莉羊誕生至今的15年中，干細(xì)胞研究方面的進(jìn)展已多次被美國《科學(xué)》雜志評為當(dāng)年的十大科技進(jìn)展，這一領(lǐng)域的進(jìn)展不論在基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用中都產(chǎn)生 了巨大的影響力。在這些科研進(jìn)展中，包括多莉羊的誕生、人類胚胎干細(xì)胞的建立、小鼠與人類iPS細(xì)胞的建立等一系列夢幻般的工作都受到全球矚目。而在今年 9月，干細(xì)胞分化為卵母細(xì)胞同樣受到全世界關(guān)注。
雖然iPS細(xì)胞還不能被應(yīng)用到臨床治療病患，但是現(xiàn)在已經(jīng)有很多科學(xué)家利用iPS細(xì)胞 來研究遺傳性疾病的發(fā)生機(jī)理，并利用疾病特異性的iPS細(xì)胞來進(jìn)行藥物篩選。這項(xiàng)研究成為了iPS細(xì)胞研究領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，目前，利用病人來源的 iPS細(xì)胞及分化細(xì)胞進(jìn)行藥物開發(fā)，已經(jīng)在一些國家得到很好的應(yīng)用。
山中伸彌教授說過：“iPS技術(shù)還很新，我們實(shí)際上并不能將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于新的療法中。我覺得我們必須繼續(xù)研究，以便及早為社會做出貢獻(xiàn)。”
正像所居里夫人說的那樣：“我要把人生變成科學(xué)的夢，然后再把夢變成現(xiàn)實(shí)”。科學(xué)家們用自己艱辛的工作和一個(gè)個(gè)驚人成果告訴我們：他們有能力把無數(shù)科學(xué)夢想變成現(xiàn)實(shí)！
（作者為中科院動物研究所研究員）
