體細胞怎樣重獲了多能性
來源：北京日報
約翰·戈登和他的克隆爪蟾
山中伸彌和他的iPS細胞
克隆羊多莉
新聞背景
北京時間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)家山中伸彌因為“發(fā)現(xiàn)成熟細胞可被重編程變?yōu)槎嗄苄?rdquo;而獲 獎。他們的發(fā)現(xiàn)改變了“細胞命運一旦決定便不可改變”的傳統(tǒng)觀念，革新了我們對細胞和有機生命體發(fā)育的理解，同時他們所開創(chuàng)的技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景。這 個科學(xué)界最高榮譽的歸屬使得干細胞生物學(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
首次提出體細胞核移植的重編程理念
干細胞（特別是胚胎干細胞）是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細胞，在一定條件下，它可以分化成多種功能細胞。由于其具有再生各種組織及器官的潛在能力， 如果干細胞能應(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，胚胎干細胞的前景暗淡，因此人們需要考慮新的干細胞獲取途徑。
在動物的發(fā)育過程中，精子與卵細胞結(jié)合形成受 精卵，受精卵能夠發(fā)育成一個完整的個體，在這一發(fā)育過程中細胞一般都是沿著特定的方向分化，而不會發(fā)生命運的改變。人們在很早就希望通過調(diào)控細胞的發(fā)育命 運，將人體廣泛存在的體細胞變成一種像胚胎干細胞一樣能分化成所有類型細胞的萬能細胞，我們將這種技術(shù)稱為細胞重編程。
早在1938年，德國科學(xué)家施佩曼提出一個設(shè)想，將體細胞核移入去核的卵母細胞中，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)育獲得動物個體，此過程即為體細胞核移植，又簡稱動物克隆。
最早成功完成的細胞核移植實驗是在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胞的細胞核移入去核的蛙卵細胞中，獲得了存活的蝌蚪，證明胚胎期細胞可以被完成重編程。
2. 1958年，約翰·戈登
用體細胞成功克隆爪蟾開創(chuàng)里程碑式成果
然而，胚胎細胞與體細胞的發(fā)育潛能存在巨大差異，盡管科學(xué)家們完成了胚胎細胞核移植的實驗，但是來源于成年動物的終末分化的體細胞能夠產(chǎn)生逆向發(fā)育，回歸高發(fā)育潛能的未成熟狀態(tài)，當時存在巨大的疑問。
1958年的約翰·戈登還是一個不到30歲的青年學(xué)者，他基于逐漸成熟的核移植技術(shù)，完成了一個堪稱“經(jīng)典”的實驗。他首先將爪蟾卵母細胞的細胞核取 出，然后再注入一個成年爪蟾小腸細胞的細胞核，獲得一個體細胞核移植胚胎。這個通過人工手段重構(gòu)的胚胎最終成功發(fā)育為了一個健康存活的爪蟾。戈登的實驗說 明：處于高度分化狀態(tài)的體細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)育為整個成體動物個體的潛能。這一發(fā)現(xiàn)對當時科學(xué)界 關(guān)于細胞命運不能逆轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)認知產(chǎn)生了挑戰(zhàn)，是細胞重編程領(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)童第周先生在體細胞核移植領(lǐng)域也做出了重要貢獻，他在1963年首次完成了鯉魚的核移植實驗，成功獲得了健康的鯉魚。
戈登等在兩棲類動物的實驗證明了體細胞重編程的可能，但高等哺乳動物的體細胞是否同樣可以被重編程，仍然是一個巨大的問號。
3. 1996年，“多莉羊”出世
高等哺乳動物的體細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胞的細胞核移植到去除了細胞 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。
多莉羊的成功點燃了體細胞核移植研究的熱潮，包括小鼠、大鼠、豬、牛等多達10多種哺乳動物相繼獲得克隆動物。這項技術(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，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。為了實現(xiàn)這一目的，人們首先通過體細胞核移植獲得克隆胚胎，從中分離多能性干細 胞，多能性干細胞進而分化為各種組織和器官，將其移植回病人體內(nèi)后進行治療。人們隨后在小鼠的實驗中驗證了這一想法，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驗中，由于受到多方面的限制以及倫理學(xué)等問題，目前進展遲緩。體細胞核移植是一項技巧性極高的實驗技術(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)造一項新的技術(shù)彌補體細胞核移植的不足呢？
4. 2006年，山中伸彌
只需幾個基因就可以把體細胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉毎?/span>
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胞核移植的重編程手段，只是簡單地將四個基因?qū)敫叨确只男∈蟪衫w維細胞中，誘導(dǎo)體細胞回歸到一個類似 于胚胎干細胞的未分化、具有高度發(fā)育潛能的狀態(tài)，他們將這種細胞命名為誘導(dǎo)多能性干細胞（簡稱iPS細胞）。這項成果在當時較為沉寂的干細胞研究領(lǐng)域無疑 激起了巨浪，他們第一次證明我們僅僅需要幾個基因就可以將體細胞轉(zhuǎn)變成干細胞。
2007年，山中伸彌等人與美國科學(xué)家同時在人體細胞重 編程中取得了成功。這項壯舉標志著我們可以將人的體細胞轉(zhuǎn)變成類似胚胎干細胞的多能性干細胞，這項研究預(yù)示著我們將可能利用iPS技術(shù)進行人類疾病研究和 再生醫(yī)學(xué)研究。至此，人類在將體細胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉毎牡缆飞蠈崿F(xiàn)了第一次突破。
隨后的研究中，其他多個物種包括大鼠、豬和猴子等的iPS 細胞陸續(xù)被建立起來，這些物種的iPS細胞的建立對于轉(zhuǎn)基因動物還有多能性維持機制的研究都具有重要意義；同時，科學(xué)家成功誘導(dǎo)了多種遺傳疾病的iPS細 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細胞給我們在體外研究疾病發(fā)生的機制提供了機會，這些細胞還為再 生醫(yī)學(xué)和藥物試驗帶來了希望。利用iPS技術(shù)來研究孤獨癥就是一個很好的范例，科學(xué)家將來源于孤獨癥患者的細胞轉(zhuǎn)變成iPS細胞，然后再將細胞分化形成神 經(jīng)細胞，在體外模擬孤獨癥的神經(jīng)細胞病變，并且成功地測試藥物的治療效果。
5. 揭示重編程機制、用于臨床治療
科學(xué)家們當下正在攻克的堡壘
細胞重編程研究已經(jīng)實現(xiàn)了我們把體細胞變成干細胞的夢想，接下來細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領(lǐng)域的熱點和核心問題呢？
細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，重編程的機制研究在很長一段時間內(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“我個人認為，我們最終將搞清細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 便是將這種干細胞技術(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胞重編程技術(shù)的科研人員的心聲。人們研究細胞重編程的最終目 的，是讓這項技術(shù)能夠為人類的健康服務(wù)，如何能夠讓細胞重編程技術(shù)更好地為人類健康服務(wù)也將成為未來的研究熱點。
當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技術(shù)的安全性問題。最早的iPS細胞誘導(dǎo)過程中使用了病毒，而病毒插入可導(dǎo)致iPS細胞的基因組不穩(wěn)定，因此帶來致瘤等風(fēng) 險。在過去的幾年時間內(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細胞無外源基因的插入，一定程度上提高了 iPS細胞的安全性。目前人們正對iPS細胞的各種缺陷可能帶來的安全性問題進行評估，并試圖通過改進誘導(dǎo)技術(shù)獲得高質(zhì)量的iPS細胞。同時建立檢測系統(tǒng) 對iPS細胞進行分子與細胞水平的檢測，選擇沒有突變的iPS細胞，將iPS細胞的致瘤風(fēng)險降到最低。
其次，我們還要考慮的一個重要 問題就是有效性。盡管2009年中國科學(xué)家首次證明iPS細胞能夠發(fā)育為成體動物，具有與胚胎干細胞相同的體內(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細胞進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。目前正通過動物實驗以及臨床實驗來檢測細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)項再生醫(yī)學(xué)治療的臨床實驗。
延伸閱讀
干細胞生物學(xué)與再生醫(yī)學(xué)治療
自多莉羊誕生至今的15年中，干細胞研究方面的進展已多次被美國《科學(xué)》雜志評為當年的十大科技進展，這一領(lǐng)域的進展不論在基礎(chǔ)研究及實際應(yīng)用中都產(chǎn)生 了巨大的影響力。在這些科研進展中，包括多莉羊的誕生、人類胚胎干細胞的建立、小鼠與人類iPS細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，干細胞分化為卵母細胞同樣受到全世界關(guān)注。
雖然iPS細胞還不能被應(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細胞 來研究遺傳性疾病的發(fā)生機理，并利用疾病特異性的iPS細胞來進行藥物篩選。這項研究成為了iPS細胞研究領(lǐng)域的一個新的研究熱點，目前，利用病人來源的 iPS細胞及分化細胞進行藥物開發(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。”
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”。科學(xué)家們用自己艱辛的工作和一個個驚人成果告訴我們：他們有能力把無數(shù)科學(xué)夢想變成現(xiàn)實！
（作者為中科院動物研究所研究員）
