【中國醫(yī)藥報】逆轉生命的時鐘
——2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎解讀
獲得克隆蛙示意圖。
獲得iPS細胞示意圖。
英國科學家約翰·格登在青蛙的卵與體細胞之間轉換DNA，培育出世界上第一只“克隆”蛙；日本科學家山中伸彌基于約翰·格登的理念，將普通皮膚重新 變回多能干細胞……79歲的約翰·戈登、50歲的山中伸彌，兩位學者因在細胞核重編程研究領域的杰出貢獻，獲得2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。他們的重 大貢獻在于從理論上顛覆了人們對自然發(fā)育分化的傳統(tǒng)觀念，即認為干細胞分化為體細胞是不可逆的過程，從而為獲取多能干細胞增添了一個新的途徑。而以此為核 心技術的再生醫(yī)學研究也將得以快速的發(fā)展，人類逆轉生命的時鐘，實現(xiàn)生命的再造不再是遙不可及的夢想。
精彩的貢獻
“今年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給了從事干細胞研究的科學家，這對從事干細胞研究的人來說是一件喜事，也說明了干細胞研究的重要性。”中國醫(yī)學科學院血液學研究所、國家干細胞工程技術研究中心主任韓忠朝教授如是說。
“其實，約翰·格登和山中伸彌的獲獎在預料之中，可謂實至名歸。”中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院潘光錦研究員如是說。
“所謂細胞核重編程，就是將已經(jīng)分化了的成年體細胞進行誘導，讓其重新回到發(fā)育早期多能干細胞狀態(tài)，重新獲得發(fā)育成各種類型細胞的能力。”潘光錦解 釋說，按照對生命孕育、生長和成熟的傳統(tǒng)看法，在生殖細胞配子（精子和卵子）結合形成胚胎的孕育之初，胚胎中的所有細胞都是不成熟的細胞，它們可以分化發(fā) 育為身體的各種器官和組織。例如，從胚胎細胞可以分化為神經(jīng)細胞，再生成大腦、脊髓和周圍神經(jīng)，形成神經(jīng)系統(tǒng)。但是，它們形成之后，就成為定性、定型的特 化細胞。當這些神經(jīng)細胞、肝細胞等特化成熟后，就不能逆轉回到過去的非成熟細胞，即意味著生命是不可以逆轉的。然而，約翰·格登和山中伸彌的研究卻打破了 這一固有觀念，發(fā)現(xiàn)成熟細胞可以逆轉回原始狀態(tài)，被重編程為多功能的干細胞。他們的精彩成果徹底改變了人類對細胞和生物體發(fā)展的認識，關于細胞命運調(diào)控和 發(fā)育的教科書內(nèi)容已經(jīng)被重新改寫。
除此之外，韓忠朝認為，約翰·格登和山中伸彌的突出貢獻還在于其免除了使用人體胚胎提取干細胞的倫理道德制約。細胞是構成人體組織器官的基本單位， 人體大約由200多種類型的60萬億個細胞構成。在人的一生中，身體內(nèi)各種細胞需要不斷地更新，而這些新陳代謝的任務就是由一類特殊的細胞——干細胞來完 成。胚胎干細胞是最原始的干細胞，能分化成人體各個組織的各種細胞，因此具有重大的科學研究價值和臨床應用前景。但是，用傳統(tǒng)技術來分離人胚胎干細胞需要 破壞人的胚胎，從而面臨著嚴重的倫理學挑戰(zhàn)。一些倫理學要求嚴格的國家甚至禁止人胚胎干細胞的研究。他們兩人分別采用不同的方法使細胞重編程，使終末分化 成熟的細胞變回為多潛能的原始干細胞，實現(xiàn)了成熟細胞的“返老還童”。這種通過不破壞人胚胎的方法獲取胚胎干細胞，為科學研究和臨床應用提供了不違背倫理 道德的途徑。
在此次獲得諾獎之前，他們的研究成果幾乎包攬了拉斯克基礎醫(yī)學獎、沃爾夫醫(yī)學獎等所有醫(yī)學界大獎。“我們很驚奇地發(fā)現(xiàn)，諾貝爾醫(yī)學或生理學獎也開始 不計較時間的考驗而提前頒發(fā)了。山中伸彌從2006年發(fā)表研究成果至今才區(qū)區(qū)6年，迄今尚未證明是否最后能用于人體治療。但這在一個側面也說明了這項研究 的巨大貢獻。”韓忠朝對記者說。
重大的價值
潘光錦介紹，早在上世紀50年代，約翰·格登就向分化細胞的不可逆性發(fā)出了挑戰(zhàn)，在一個經(jīng)典的青蛙實驗中發(fā)現(xiàn)了“細胞的特化是可逆的”這一顛覆性的 結論：他用來自蝌蚪腸道的成熟分化細胞的細胞核替換掉了卵細胞內(nèi)不成熟的細胞核，這一修改后的卵細胞最終仍發(fā)育成一只正常的蝌蚪。蝌蚪分化細胞的細胞核在 移植進入卵母細胞質中后，能指導卵細胞發(fā)育為性成熟的成體青蛙。“這是世界上首次證明成熟的細胞核在一定情況下可以逆轉為原始狀態(tài)。”約翰·格登在實驗中 所使用的體細胞核移植技術通常被稱為克隆技術。潘光錦說，隨后，這一發(fā)現(xiàn)又在其他的動物實驗中得到了證實。而哺乳動物體細胞核移植的首次成功，則是大家所 熟悉的克隆羊“多利”的誕生。
約翰·格登的發(fā)現(xiàn)是一個革命性的改變，理論價值很大，無數(shù)實驗室的工作都構建在他這項開創(chuàng)性的研究之上。“但這一發(fā)現(xiàn)的實用性卻顯得不足，這是因為 細胞核移植不僅煩瑣和復雜，難度高，成功率低，而且由于需要提供卵細胞，還存在倫理問題。”潘光錦暢談道：“40多年后，山中伸彌進一步彌補了這些缺憾， 神奇的研究重新驗證并深化了格登的發(fā)現(xiàn)。”
2006年，山中伸彌等在對24個胚胎干細胞高表達的候選基因進行篩選后，最終確定了Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4起關鍵作用的4 個因子，借助這4個“引擎”就可以使成熟的體細胞重編程為多能干細胞。通過慢病毒載體介導，山中伸彌將這4種因子導入小鼠的皮膚細胞中，最終獲得了具有強 大的自我更新和分化潛能的多能干細胞，這些能發(fā)育成各種組織的細胞被命名為誘導多能干細胞（iPS細胞）。這一開創(chuàng)性的研究成果發(fā)表于國際知名期刊《細 胞》上，引起了全世界的轟動。
“當時有人認為山中伸彌的成功是運氣，是偶然，但卻被越來越多的工作給予證實。”隨后，他與美國威斯康星大學詹姆斯·湯姆森博士同時在在人體細胞中也完成了這一壯舉。潘光錦介紹，小鼠、人等不同物種iPS細胞的成功不斷證明了細胞命運是可以通過基因調(diào)節(jié)轉換的。
兩位專家表示，約翰·格登和山中伸彌的研究具有重要價值：其生物學價值在于可對細胞進行人工主動調(diào)控和干預，實現(xiàn)細胞水平的生命再造，為研究發(fā)育本 身提供了新思路，同時避免了異體移植產(chǎn)生的免疫排斥反應，是人類真正進入生命再造時代的開始；其次，其醫(yī)學價值也相當重要：人體上有眾多的體細胞，這項技 術意味著生產(chǎn)人自體干細胞有了無窮無盡的“原料”，為再生醫(yī)學的研究應用帶來了新的希望。此外，通過iPS細胞技術誘導分化成的特定類型的細胞，還可以作 為藥物篩選的模型，進一步保證新藥篩選的成功率。
引領的熱潮
其實早在1998年，詹姆斯·湯姆森博士領導的小組就在《science》上發(fā)表建立了世界首個人胚胎干細胞系的研究成果，由此產(chǎn)生了再生醫(yī)學的概 念，引起了世界各國對干細胞研究的熱潮。曾經(jīng)師從湯姆森博士的潘光錦談到，而基于約翰·格登的開創(chuàng)性工作之后，山中伸彌又掀起了新一輪iPS細胞的研究熱 潮。6年來，全世界科研人員你追我趕，關于iPS細胞的研究成果相繼發(fā)表于眾多世界頂級學術期刊。
“2005年左右，我國也從國家戰(zhàn)略上對iPS細胞的研究給予了重視和支持，并有許多重量級的成果受到世界矚目。”潘光錦談到，2009年，中國科 學院動物研究所周琪研究員在《自然》上報告首次利用iPS細胞，通過四倍體囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，從而在世界上第一次證明了iPS細胞的 全能性。
中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院裴端卿研究員發(fā)現(xiàn)了維生素C能夠極大促進體細胞“變身”為iPS細胞，從而掃除體細胞“變身”為iPS細胞的分 子障礙，也發(fā)現(xiàn)了體細胞變身過中間充質表皮細胞轉換的重要作用。這些研究相繼以封面文章發(fā)表在干細胞頂級雜志《細胞-干細胞》上，引起了國內(nèi)外同行的廣泛 關注。“此外，其他一些關于iPS細胞機制的研究國內(nèi)也多有貢獻，我們在這個研究熱潮中并不落后，且占據(jù)了一席之地。”潘光錦評價道。
據(jù)介紹，2011年，我國在iPS細胞研究領域發(fā)表的論文數(shù)量僅遜于美國和日本，居于世界第三位；但在干細胞領域發(fā)表論文的總數(shù)量已經(jīng)超過日本躍居世界第二。
專家認為，論文的數(shù)量雖然反映我國在這一領域緊跟世界，但是在基礎研究的原創(chuàng)性上仍需努力。潘光錦尤其強調(diào)，除了在基礎研究領域，我國的iPS細胞 研究要走在世界前列，還需要在臨床治療上多下功夫，把眼光從技術突破延伸到臨床應用領域。而且就這一點而言，我們與國外處于同一起跑線上。“我國人群病種 多樣，為研究提供了得天獨厚的材料，加之患者的依從性較好，國家對新醫(yī)療技術也非常支持。”潘光錦表示，目前他們也在開展有關的工作，希望今后幾年能針對 退行性病變?nèi)缋夏臧V呆和脊髓損傷等患者進行iPS細胞治療。
應用的桎梏
盡管iPS細胞為再生醫(yī)學和一些遺傳疾病的治療提供了希望，但韓忠朝強調(diào)：當前iPS細胞只是具備了臨床應用前景，還沒有在臨床試驗中顯示出實用價值。
山中伸彌本人是一個比較嚴謹?shù)目茖W家，他充分認識到了iPS細胞目前的研究狀態(tài)，曾說“制造iPS細胞就像制造癌細胞”，他也不認為iPS細胞現(xiàn)在 就能取代胚胎干細胞。因此，韓忠朝提醒，我們在慶祝干細胞領域的科學家獲得諾獎的同時，也要清晰地認識到iPS細胞在科學研究和臨床應用方面的局限 性，iPS細胞技術還有待時間的進一步驗證，這些問題也決定了這項技術未來的發(fā)展方向。
韓忠朝認為，首先是細胞的安全性問題。最初制備iPS細胞需要病毒載體的參與，需要向正常細胞中轉入一些原癌基因，這成為iPS細胞安全性的重大隱患。隨著科學技術的不斷發(fā)展，一些不依賴于病毒載體參與的方法得以問世，先后創(chuàng)建了腺病毒載體技術、蛋白轉染技術、小RNA技術等一系列非整合重編程技 術，制備iPS細胞的方法變得越來越安全。期待在不久的將來，沒有病毒、沒有轉基因、高效快速獲得iPS細胞的技術會被建立。
另外，iPS細胞是否真能代替胚胎干細胞也值得進一步研究明確。研究發(fā)現(xiàn)，iPS細胞和胚胎干細胞在一些我們未曾關注的方面存在不少差異。例 如，iPS細胞表現(xiàn)出更糟糕的基因組穩(wěn)定性，這使其在再生醫(yī)學方面的臨床應用安全性受到比胚胎干細胞更嚴重的挑戰(zhàn)。韓忠朝提醒，iPS細胞的機制還未被完 全闡明。比如，為什么引進一些外源的基因，或是小分子物質，就能夠誘導終末分化的細胞成為原始的多潛能細胞？iPS細胞的原始性和腫瘤細胞的低分化性是否 存在一定的共同點？此外，許多人認為iPS細胞用于本人不會產(chǎn)生免疫排異，但不少研究結果卻發(fā)現(xiàn)并非如此。
在采訪中，潘光錦也表示，iPS細胞的獲得畢竟是一個人工過程，其基因組有無發(fā)生改變；通過這一技術分化出的各種細胞與人體本身的細胞是否具有同樣 功能；移植后的細胞在人體長期存在是否安全；如何進一步提高iPS細胞的分化效率，并控制其質量……“這些都是困擾iPS細胞技術的瓶頸，目前國際上也都 處于探索階段，但前景很好”。
iPS細胞研究還處于實驗室階段，這一領域面臨的挑戰(zhàn)依然很多。潘光錦坦言：“iPS細胞技術是再生醫(yī)學的核心技術，或許還有諸多不成功的因素存 在，但目前看來，iPS細胞研究具有一切可成功的現(xiàn)象和特征，前景不可限量，以此為依托，我們大有可為，但需要各國科學家的共同努力。”
（原載于《中國醫(yī)藥報》 2012-10-16 A06版）
