張　路

2008年12月18日美國《科學(xué)》雜志評出了本年度十大科學(xué)進(jìn)展，細(xì)胞重新編程成為十大科學(xué)進(jìn)展之首。之所以把細(xì)胞重新編程列為2008年十大科學(xué)進(jìn)展之冠，是因為這一方式開辟了再生醫(yī)學(xué)的新天地，研究人員可以繞過胚胎干細(xì)胞的倫理爭論而直接讓細(xì)胞重新編程，成為各種類型的干細(xì)胞，并可以生長為各種組織和器官，為再生醫(yī)學(xué)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

細(xì)胞重新編程的歷史

細(xì)胞重新編程指的是分化的細(xì)胞在特定的條件下被逆轉(zhuǎn)后恢復(fù)到全能分化的狀態(tài)，或者形成胚胎干細(xì)胞系，或者進(jìn)一步發(fā)育成一個新的個體。而在此之前的一項研究已經(jīng)提示了這個領(lǐng)域的重大進(jìn)展，即“誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞”(又稱干細(xì)胞樣細(xì)胞)，該研究曾被評為2007年十大科學(xué)進(jìn)展的第二項。

2007年11月20日美國威斯康星大學(xué)的詹姆斯·湯姆森等人在《科學(xué)》雜志發(fā)表研究成果，而日本京都大學(xué)教授山中伸彌領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《細(xì)胞》雜志發(fā)表研究成果，他們都以逆轉(zhuǎn)錄病毒為載體向人體皮膚細(xì)胞中植入4個基因(Oct4、Sox2、c-myc、K1f4)，通過基因重新編碼，使皮膚細(xì)胞具備胚胎干細(xì)胞的功能。而被改造過的細(xì)胞被稱作“誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞”。

在把人的皮膚干細(xì)胞通過基因重新編程改造成干細(xì)胞之前，研究人員已經(jīng)在小鼠身上獲得了成功。2006年，山中伸彌等研究人員稱，他們發(fā)現(xiàn)了一個能避開人體胚胎干細(xì)胞倫理限制而獲得干細(xì)胞的方法。他們將4個基因?qū)朐谂囵B(yǎng)皿中生長的小鼠尾部細(xì)胞，得到了外表和功能與胚胎干細(xì)胞極其相似的新細(xì)胞，這就是誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞。

現(xiàn)在，研究人員通過插入4種基因，以回?fù)芗?xì)胞發(fā)育時鐘的方法，使細(xì)胞成為可以再分化生長的干細(xì)胞。而且，研究人員可以從不同疾病的患者身上提取皮膚細(xì)胞，將其重新編程為干細(xì)胞。這些干細(xì)胞在實驗室里能生長并分裂，這既可以讓研究人員理解疾病的過程，也是干細(xì)胞利用的新途徑，因而在未來可以用患者自身細(xì)胞治療疾病。

在此之前的兩個進(jìn)展引人注目。一是研究人員用基因技術(shù)徹底去除了細(xì)胞的發(fā)育“記憶”，使其回到原始胚胎狀態(tài)，然后重新生長成不同的細(xì)胞。也就是說，可以通過細(xì)胞再編程，讓成年細(xì)胞重新回到胚胎狀態(tài)，然后可以發(fā)育成各種所需的組織和器官。

另一種方法更為先進(jìn)。研究人員用活鼠做試驗，讓細(xì)胞直接從一種成體細(xì)胞變成另一種成體細(xì)胞，打破了細(xì)胞單向發(fā)育的規(guī)則。這種方法的先進(jìn)之處在于直接，省去了讓細(xì)胞重新編程變?yōu)楦杉?xì)胞的過程。

很多細(xì)胞都可以重新編程

2008年細(xì)胞重新編程的一個重要成果是對人類一種頑癥——肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS)的探索。美國哈佛大學(xué)的艾根研究小組和美國哥倫比亞大學(xué)的研究小組共同從患有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥病人的皮膚中提取了致病細(xì)胞，對其進(jìn)行基因改造，然后將改造后的細(xì)胞注入患者的大腦中，結(jié)果令人鼓舞。經(jīng)過基因改造的細(xì)胞在人體內(nèi)能夠正常工作。

肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥又稱路葛雷克氏癥(俗稱漸凍癥)，是一種運動神經(jīng)細(xì)胞受損的疾病，患病后肌肉會逐漸萎縮，進(jìn)而全身癱瘓并死于呼吸衰竭。研究人員是從兩位患有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥的姐妹身上提取的細(xì)胞，她們一人為83歲，另一人是82歲。由于這一疾病的遺傳性，姐妹倆的祖先中有2％的人患有此種疾病。

研究人員從這兩位老人身上提取皮膚細(xì)胞后，加入4種基因?qū)⑦@些細(xì)胞轉(zhuǎn)變回誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞。研究人員用這4種基因來重新設(shè)定細(xì)胞程序，使其演變?yōu)檎T導(dǎo)性多能干細(xì)胞狀態(tài)的基因，這是細(xì)胞重新編程的第一步。然后，研究人員將來自其中一名病人的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞沉浸在多種信號分子中，設(shè)法使這些細(xì)胞成為看上去像是運動神經(jīng)元的細(xì)胞，而運動神經(jīng)元就是在肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥中遭損害的細(xì)胞。

這一做法的目的是，用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞來制造在遺傳上與病人相匹配的健康細(xì)胞，并取代病變的細(xì)胞，這樣不會產(chǎn)生排異反應(yīng)。但是，在將這種方法安全地用于人身上之前，仍然有重大的障礙需要克服。而且，在實施中也可能有麻煩，例如，通過重新編程的細(xì)胞變成干細(xì)胞后是否會難以控制其生長。如果不能控制，就容易誘發(fā)癌癥。

此后，美國哈佛大學(xué)干細(xì)胞研究所的喬治·戴利等人與其他研究人員合作，創(chuàng)立了20個誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞系，它們代表的是10種疾病，包括腺苷脫氨酶嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷癥、Ⅲ型戈謝病、杜興氏肌肉萎縮癥、貝克肌肉萎縮癥、唐氏綜合征、帕金森病、青少年糖尿病、舒－戴二氏綜合征、亨廷頓舞蹈病、萊施－奈恩二氏綜合征(攜帶者)。

對這些疾病建立誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(干細(xì)胞樣細(xì)胞)也是利用細(xì)胞重新編程的方法，而這是建立疾病干細(xì)胞樣細(xì)胞庫的開始，有助于研究多種疾病。同時，哈佛大學(xué)的研究人員還承諾將免費向全世界的科學(xué)家提供疾病干細(xì)胞樣細(xì)胞系資源。讓一種細(xì)胞轉(zhuǎn)化成另一種細(xì)胞

進(jìn)一步的研究還獲得了細(xì)胞重新編程以獲取干細(xì)胞的新認(rèn)識，即再編程的目標(biāo)并不一定要回到胚胎狀態(tài)，而是可以讓細(xì)胞直接變成另一種新的成體細(xì)胞。這就是利用基因重組技術(shù)，實現(xiàn)不同種類成體細(xì)胞之間的直接轉(zhuǎn)化，也因此，這代表了再生醫(yī)學(xué)的更為直接和先進(jìn)的方向。

哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的周橋和波士頓兒童醫(yī)院的道格拉斯·梅爾頓研究小組通過注射冷凍的普通腺病毒，把3種基因(Ngn3、Pdx1、Mafa)送入體內(nèi)缺乏胰島B細(xì)胞的病鼠胰腺內(nèi)，結(jié)果鼠的胰腺內(nèi)大約20％的外分泌細(xì)胞轉(zhuǎn)化成胰島B細(xì)胞。胰島B細(xì)胞增加，分泌的胰島素相應(yīng)增多，病鼠體內(nèi)過高的血糖水平降低，糖尿病病情便減輕。

腺病毒攜帶的3種基因具備將普通細(xì)胞轉(zhuǎn)化成胰島B細(xì)胞的功能。胰島B細(xì)胞數(shù)量稀少，如果受到破壞，就會引發(fā)I型糖尿病。而外分秘細(xì)胞在胰腺中較常見，大約占胰腺的95％。

不過，盡管腺病毒作為載體比較安全，但研究人員還是希望找到避免使用病毒的方法，不把3種基因注入人體中，否則風(fēng)險較大，也因此會招致美國相關(guān)管理部門的反對。

利用細(xì)胞重新編程獲得干細(xì)胞還有其他多種方法。例如，把胰腺中的成熟的胰腺細(xì)胞(又稱外分泌細(xì)胞)再編程為胰島B細(xì)胞，也可以采用引進(jìn)4種基因的方法。美國麻薩諸塞州總醫(yī)院癌癥研究所和再生醫(yī)學(xué)中心的馬塞厄斯·斯達(dá)特費爾德研究小組用這樣的方法也成功地讓小鼠的胰腺外分泌細(xì)胞轉(zhuǎn)化成胰島B細(xì)胞。

這種情況對舊有的醫(yī)學(xué)現(xiàn)象和理論是一種顛覆，因為在生物體內(nèi)，分化了的細(xì)胞幾乎從來不改變發(fā)展方向，比如從肌細(xì)胞變成肺細(xì)胞。然而，這種細(xì)胞的直接再編程對治療某些疾病來說比采用多能干細(xì)胞更簡單、更安全。這項技術(shù)也許能使科學(xué)家

們加快在實驗室培養(yǎng)所需的細(xì)胞類型，用確定的因子把培養(yǎng)的一種細(xì)胞變成另一種細(xì)胞。安全的擔(dān)憂和改進(jìn)技術(shù)

但是，細(xì)胞重新編程既然是改變細(xì)胞的一種方式，這也意味著會永久改變細(xì)胞DNA，造成安全隱患。因為，把外源性基因插入細(xì)胞的基因組中可能會改變現(xiàn)有的基因，例如防癌基因，導(dǎo)致細(xì)胞容易形成腫瘤。盡管插入的基因在重新編程結(jié)束后自動關(guān)閉，讓細(xì)胞自身的基因接管，但研究人員仍然擔(dān)心插入的基因會再激活或者對細(xì)胞產(chǎn)生其他微妙的影響。

例如，引進(jìn)4種基因(Oct4、Sox2、c-myc、K1f4)進(jìn)行細(xì)胞重新編程的方法需要用4個獨立的病毒，每個病毒對應(yīng)1個重組基因，才能將基因轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的DNA中。而這些病毒可能會把這4個基因植入到細(xì)胞DNA中的任何部位，因此有可能引發(fā)致癌基因的表達(dá)，引起癌癥。

為了避免這種危險，研究人員正在嘗試多種方法。例如，美國懷特海德生物醫(yī)學(xué)研究所的研究人員嘗試將4個重組基因串聯(lián)起來，用一種病毒把它們植入成年實驗鼠和人類細(xì)胞的基因組，結(jié)果顯示這種方法能夠表達(dá)所有4種重組基因，從而啟動細(xì)胞重新編程。而這種在基因重組過程中把所需病毒的數(shù)目從4個減少到1個的方法能極大地簡化誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的生成，同時也增加了安全性。

另一方面，日本的研究人員也發(fā)現(xiàn)，一種稱為質(zhì)粒的DNA環(huán)狀體也可以將啟動細(xì)胞重新編程的基因載入細(xì)胞。另外，腺病毒也是基因工程中常見的一種載體病毒，該病毒導(dǎo)致常見的感冒，但并不將自己插入細(xì)胞的基因組中。腺病毒的功能是，能長時間地表達(dá)插入的外源性基因，將細(xì)胞重新編程。但是隨著細(xì)胞分裂，病毒被稀釋到檢測不到的水平，使重新編程后的細(xì)胞內(nèi)原來的基因組保持不變。

但是這些比較安全的插入外源性基因以啟動細(xì)胞重新編程的方法在效率上似乎又較低。這也逼迫研究人員探索既安全又有效率的方法。如今，在大多數(shù)實驗中，1萬個細(xì)胞中能被成功重新編程的細(xì)胞少于1個。不過，美國加利福尼亞州和西班牙的兩個研究小組發(fā)現(xiàn)一種叫做角質(zhì)細(xì)胞的皮膚細(xì)胞特別容易重新編程。研究人員能把大約1％的角質(zhì)細(xì)胞重新編程，整個過程只要10天，而其他細(xì)胞則需要好幾個星期。毛囊是角質(zhì)細(xì)胞的一個豐富來源，研究人員稱，他們從人頭上拔下的一根頭發(fā)的細(xì)胞中獲得了個性化的細(xì)胞系。而從頭發(fā)獲得細(xì)胞比切下一塊皮膚要容易得多。

最后的情況是，既然研究人員繞過胚胎干細(xì)胞而用多種方法獲得各種干細(xì)胞，但現(xiàn)階段還只是在實驗室中可以讓干細(xì)胞轉(zhuǎn)變成特定的細(xì)胞和組織，例如讓干細(xì)胞轉(zhuǎn)變成有心博的心臟細(xì)胞。然而，這些細(xì)胞是否能融入病人的組織并替代或修復(fù)患病的細(xì)胞和組織，仍有很多技術(shù)和難關(guān)需要攻克。(文章代碼：0203)

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