大乾頭人

科學(xué)家們對(duì)細(xì)胞重編程的研究已持續(xù)了數(shù)十年。所謂細(xì)胞重編程，是指“已分化的特定細(xì)胞可以被重新編程為多功能的干細(xì)胞”。1962年，約翰·戈登在他的實(shí)驗(yàn)室里證明，已分化的動(dòng)物體細(xì)胞在蛙卵中可以被重編程，從而發(fā)育成完整的個(gè)體，這樣就證明了細(xì)胞的分化是可逆的。2006年，山中伸彌將戈登的這一成果推進(jìn)了一大步，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞在體外的重編程，誘導(dǎo)出了具有多性的細(xì)胞（即誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，iPS細(xì)胞）。與胚胎干細(xì)胞相比，iPS細(xì)胞的優(yōu)勢(shì)在于它避開了從人體胚胎中提取干細(xì)胞的倫理道德制約，使干細(xì)胞研究能被所有人接受。同時(shí)，由于這些細(xì)胞來自于病人自身，在臨床應(yīng)用時(shí)有望能避免免疫系統(tǒng)對(duì)外來組織的排斥。iPS技術(shù)的創(chuàng)立開創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。

敢于挑戰(zhàn)的“克隆教父”

約翰·戈登（John B. Gurdon）是英國(guó)劍橋大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)教授、戈登研究所所長(zhǎng)，他還兼任了麥格達(dá)倫學(xué)院院長(zhǎng)。1933年戈登出生于英國(guó)，先后在伊頓公學(xué)、牛津大學(xué)就讀，并獲得牛津大學(xué)生物學(xué)博士學(xué)位。

約翰·戈登教授的最初突破性發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是50年前的事情了。1962年，他發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的特化是可逆的。在一項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，他將一個(gè)未成熟的青蛙卵細(xì)胞的細(xì)胞核用一個(gè)成熟的腸道細(xì)胞的細(xì)胞核進(jìn)行替換。這個(gè)被改造過的卵細(xì)胞后來發(fā)育成了一只正常的蝌蚪。這一實(shí)驗(yàn)證明，一個(gè)成熟細(xì)胞中的DNA仍然儲(chǔ)存有讓一顆細(xì)胞發(fā)育成一只完整青蛙的所有信息密碼。這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究徹底顛覆了我們?cè)葘?duì)于細(xì)胞發(fā)育和特化的認(rèn)識(shí)。

我們所有人都是從一顆受精卵開始發(fā)育而來的。在受精之后的第一天，胚胎中所含有的是不成熟的細(xì)胞，但是，這些細(xì)胞最終可以分化，形成一個(gè)成年個(gè)體所具有的全部各種器官和組織。這些細(xì)胞就被稱作多能干細(xì)胞。隨著胚胎的進(jìn)一步發(fā)育，這些細(xì)胞中逐漸分化出神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、肝細(xì)胞以及所有其他種類的細(xì)胞——所有這些細(xì)胞都已經(jīng)特異化，具備了一種特別的功能，可以執(zhí)行人體的各種不同的生理機(jī)能。這種從不成熟細(xì)胞到特異化成熟細(xì)胞的過程曾經(jīng)被普遍認(rèn)為是不可逆的。人們認(rèn)為這是細(xì)胞的成熟過程，它們不可能重新回到多能干細(xì)胞的階段。

約翰·戈登教授最先向這個(gè)生物學(xué)教條發(fā)起了挑戰(zhàn)。他猜想在一顆成熟的細(xì)胞中應(yīng)當(dāng)仍然保存著形成所有其他細(xì)胞類型的所需信息。1962年，他對(duì)自己的這一猜想進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)打破了科學(xué)界普遍認(rèn)為動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中的細(xì)胞分化是單向的、不可逆轉(zhuǎn)的論斷，證明該過程是可逆的。當(dāng)戈登最初公布他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，質(zhì)疑聲不斷，但是，隨著其他科學(xué)家重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)并獲得同樣結(jié)果，這項(xiàng)研究結(jié)果開始逐步被人們接受。這證明體細(xì)胞核是可以在卵中被重編程為多能性細(xì)胞的。隨后科學(xué)家們競(jìng)相投身這一領(lǐng)域的研究，相關(guān)的技術(shù)也飛速發(fā)展，并導(dǎo)致了對(duì)哺乳動(dòng)物克隆的研究。

在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里，戈登的研究是一個(gè)很重大的科學(xué)突破。一開始，沒人贊同他的設(shè)想。面對(duì)質(zhì)疑，他卻能夠力排眾議，堅(jiān)持自己的信念和實(shí)驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)在的克隆技術(shù)和干細(xì)胞治療技術(shù)，都是因?yàn)樗睦碚摬诺靡园l(fā)展和成熟；也是由于他的堅(jiān)持，才使我們獲得了有關(guān)有機(jī)體和細(xì)胞發(fā)育方面的嶄新認(rèn)識(shí)，極大地幫助科學(xué)家們揭示疾病的發(fā)病機(jī)制，從而促成有關(guān)的新藥研發(fā)。

少年時(shí)的“最差生”

戈登的這種勇于堅(jiān)持和力排眾議的個(gè)性可以追溯到少年時(shí)代。他曾經(jīng)在一個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上說，自己現(xiàn)在依然保存著當(dāng)年的中學(xué)科學(xué)老師給他的評(píng)語：

我相信戈登有將來成為一位科學(xué)家的理想；根據(jù)他現(xiàn)在的表現(xiàn)，這個(gè)理想非?；闹?；如果他不能學(xué)會(huì)一些簡(jiǎn)單的生物學(xué)常識(shí)，他將來不會(huì)有任何機(jī)會(huì)去做專家級(jí)的工作，而且，不管對(duì)他自己還是教他的老師們來說，這純粹是浪費(fèi)時(shí)間。

當(dāng)年，這位老師看不上眼的學(xué)生，今天竟然得到了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，真是讓人感慨萬千。有志者事竟成，教育者千萬不要過早給自己的弟子下結(jié)論。如今，已有不少人開始反思時(shí)下的中學(xué)教育。那份成績(jī)報(bào)告單，一直被裱掛在戈登辦公桌的正上方，他似乎從中得到了一些特別的動(dòng)力?！坝袝r(shí)我會(huì)看著它告訴自己，幾十年前就有人說，你根本不擅長(zhǎng)這個(gè)工作?！备甑钦f，“當(dāng)你的實(shí)驗(yàn)遇到困境的時(shí)候，拿這個(gè)方法激勵(lì)自己，真的太有效了，要不然就被老師說中了。” 雖然成績(jī)差、不被老師和學(xué)?？春?，但戈登仍然堅(jiān)持自己的想法，對(duì)生物學(xué)的熱愛從不曾減少過半分。后來，戈登在一次被采訪時(shí)回憶說，自己少年時(shí)被生物學(xué)深深吸引，甚至在學(xué)校養(yǎng)過上千只毛毛蟲，并看著它們變成飛蛾，這在當(dāng)時(shí)還引起了老師的強(qiáng)烈反感。

開著破車上班的名人

戈登的一名學(xué)生回憶第一次見導(dǎo)師時(shí)的情景：當(dāng)一輛很破舊的汽車迎面駛來時(shí)，他根本想不到這位大名鼎鼎的發(fā)育生物學(xué)家就駕駛著這樣老舊的汽車。當(dāng)時(shí)戈登的名氣已經(jīng)很大，在劍橋有一個(gè)研究院都是以他的名字命名的，可是他還是為人低調(diào)，生活簡(jiǎn)樸。通?？茖W(xué)家到了一定的年紀(jì)，會(huì)選擇發(fā)表文章、教書為主業(yè)，很少會(huì)去繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，但戈登已70多歲的高齡，仍然堅(jiān)守實(shí)驗(yàn)室，這次諾貝爾獲獎(jiǎng)電話也是他在實(shí)驗(yàn)室里接聽的。當(dāng)時(shí)一名英國(guó)記者曾試圖聯(lián)系戈登進(jìn)行連線采訪，但戈登的實(shí)驗(yàn)室答復(fù)稱：“戈登正在工作，請(qǐng)不要打擾他。”沒有被盛名所累，一直保持勤奮嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，戈登絕對(duì)堪稱一位大家。

“笨手笨腳”的外科醫(yī)生

在戈登那項(xiàng)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)之后，全球的生物學(xué)研究都在沿著他開拓的路徑一往直前，當(dāng)然除了備受爭(zhēng)議的克隆技術(shù)。2006年，日本科學(xué)家山中伸彌也從人類的皮膚細(xì)胞中，培養(yǎng)出了尚未分化的干細(xì)胞，把這項(xiàng)研究推到了一個(gè)新的高度。

山中伸彌，1962年出生于日本大阪府，大阪市立大學(xué)醫(yī)學(xué)博士（1993年），京都大學(xué)再生醫(yī)科研究所干細(xì)胞生物系教授，美國(guó)加利福尼亞州舊金山心血管疾病研究所高級(jí)研究員。

無獨(dú)有偶，與戈登少年時(shí)代的遭遇類似，山中也是一位后進(jìn)學(xué)生。他在中學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)也并不專心，酷愛柔道和棒球，甚至為此骨折了10多次。畢業(yè)時(shí)，父親告訴他：你多次受傷，看見醫(yī)生怎樣為病人減輕痛苦，你將來要做醫(yī)生為人類服務(wù)。于是山中就接受了父親的提議，在學(xué)校的最后階段認(rèn)真學(xué)習(xí)，終于考入了著名的國(guó)立神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)部，并努力成為了一名外科醫(yī)生。但是，他拙于動(dòng)手的弱點(diǎn)，讓他成為同事們的笑柄。山中每次回憶自己從神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)院畢業(yè)后做的第一次手術(shù)，都頗有感慨。那是一次良性瘤移除手術(shù)，熟練的醫(yī)生10分鐘就可以做完，但山中折騰了一個(gè)小時(shí)也沒有完成。

山中還曾給父親打過針。山中說，父親當(dāng)時(shí)看起來很高興，但實(shí)際很疼：“兒子，你不擅長(zhǎng)這個(gè)，對(duì)吧？”由于山中臨床動(dòng)手能力笨拙，有些人甚至送給了他一個(gè)外號(hào)——絆腳石。不過，失敗是成功之母，山中也因此放棄了臨床醫(yī)生的職業(yè)，尋找發(fā)展自己事業(yè)的新契機(jī)。

放棄高薪轉(zhuǎn)投研究

山中伸彌從大阪市立大學(xué)博士畢業(yè)以后，認(rèn)為日本國(guó)內(nèi)的研究環(huán)境不夠完善，于是他就去美國(guó)的格萊斯頓研究所留學(xué)，在那里接觸了單性干細(xì)胞（萬能細(xì)胞），從此決定了他的研究方向。那里自由的學(xué)術(shù)氣氛和良好的研究平臺(tái)，讓山中更充分地發(fā)揮了自己的研究才能。

“美國(guó)多見一種‘開放式實(shí)驗(yàn)室的研究方式，不論是價(jià)格高昂的裝置還是研究者的智慧都是共享的。而在日本國(guó)內(nèi)，很少有這種開放式研究。”山中說。

幾年后，山中返回日本醫(yī)學(xué)界，準(zhǔn)備繼續(xù)研究時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這里的研究條件比美國(guó)差太多，資金不到位，培育小白鼠的時(shí)間甚至比做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間還長(zhǎng)，甚至還得親自動(dòng)手培養(yǎng)?！盀槭裁次乙煌８鼡Q小白鼠的籠子？”山中抱怨道。面對(duì)這種境況，山中感到了絕望，甚至得了憂郁癥。這時(shí)，山中曾經(jīng)與家人商量，是不是讓他放棄基礎(chǔ)研究，去當(dāng)收入比較高的臨床醫(yī)生。在日本，醫(yī)生是一個(gè)收入十分豐厚的職業(yè)。而山中的夫人也是一位皮膚科的醫(yī)生，她對(duì)山中教授的研究全力支持。如果沒有賢內(nèi)助的支持，也沒有今天獲獎(jiǎng)的山中教授。

在家人的理解和支持下，山中最終克服了困難，選擇了堅(jiān)持做研究。1999年，他向奈良科學(xué)與技術(shù)學(xué)院申請(qǐng)助教授職位。當(dāng)時(shí)的一名教授回憶，在眾多應(yīng)聘者中，山中是唯一愿意接受長(zhǎng)遠(yuǎn)挑戰(zhàn)的人，因?yàn)槠渌麘?yīng)聘者都選擇了明顯能在數(shù)年內(nèi)見成果的研究項(xiàng)目，而他則選擇了干細(xì)胞研究。

“iPS”細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程

2004年，山中教授前往京都大學(xué)繼續(xù)研究萬能細(xì)胞。2006年他發(fā)現(xiàn)了4種重要的遺傳因子，并且利用試驗(yàn)老鼠研制出可以多種變化的萬能細(xì)胞，正式取名iPS細(xì)胞（人工多功能干細(xì)胞）。這意味著未成熟的細(xì)胞能夠發(fā)展成所有類型的細(xì)胞。

山中歷來喜歡開玩笑，在獲獎(jiǎng)記者招待會(huì)上，他介紹了自己研發(fā)出這一讓世界震驚的人工多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）的過程。 他笑言，iPS（Induced pluripotent stem cells，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞）在2006年命名期間，當(dāng)時(shí)蘋果公司的iPod播放器十分流行，所以他希望iPS誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞能沾沾iPod的光，被人們熟知，而采用了小寫的“i”字母作為首寫字母。

事實(shí)證明這4個(gè)基因中，其中一個(gè)基因確實(shí)是“一次天大的冒險(xiǎn)”，因?yàn)檫@一個(gè)是與癌癥相關(guān)的基因。數(shù)月后他又發(fā)現(xiàn)即使不使用這個(gè)致癌基因，他仍然能夠重組細(xì)胞，這樣癌變的幾率會(huì)大大降低。但新創(chuàng)造的干細(xì)胞仍然會(huì)發(fā)生癌變，在他的實(shí)驗(yàn)中，121只老鼠中，有20%產(chǎn)生了腫瘤。這說明使用逆轉(zhuǎn)錄病毒，可能使基因產(chǎn)生變異，引發(fā)腫瘤等副作用。他表示下一步的研究目標(biāo)是在不使用逆轉(zhuǎn)錄酶的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞重組。

表皮細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)后，具有胚胎干細(xì)胞的特征，可轉(zhuǎn)變?yōu)樾呐K和神經(jīng)細(xì)胞，這為研究治療目前多種心血管絕癥提供了巨大助力。這一研究成果在全世界被廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠涿獬耸褂萌梭w胚胎提取干細(xì)胞的倫理道德制約。山中也因此獲得了世界各地多次頒發(fā)的醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)。

細(xì)胞重編程的應(yīng)用價(jià)值

iPS技術(shù)的出現(xiàn)挽救了整個(gè)干細(xì)胞事業(yè)。這一新的細(xì)胞重編程的方法繞過了胚胎干細(xì)胞的倫理困境，把病人的體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞供自身使用，開創(chuàng)了基因治療的新方法。2007年，魯?shù)婪颉ふ材崾浚≧udolf Jaenisch）研究組利用iPS重編程技術(shù)，成功治療了小鼠的鐮狀紅細(xì)胞貧血癥。他們用患有鐮刀型貧血癥的小鼠體細(xì)胞建立了iPS細(xì)胞，并通過基因技術(shù)修正細(xì)胞中的疾病基因。將修復(fù)后的iPS細(xì)胞誘導(dǎo)分化為血液干細(xì)胞后移植回患病小鼠體內(nèi)，可以改善小鼠的貧血癥狀。2009年初，另一些研究人員用從iPS細(xì)胞誘導(dǎo)來的內(nèi)皮前體細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞成功治療了血友病。他們的研究雖然是在小鼠中進(jìn)行的，然而，這些成果證實(shí)iPS細(xì)胞在基因治療中的可行性，從實(shí)踐上為人類基因遺傳病的治療奠定了基礎(chǔ)。到目前為止，利用iPS細(xì)胞進(jìn)行疾病研究已經(jīng)在許多疾病上開展起來。

此外，iPS技術(shù)在疾病模擬和藥物篩選中也有廣泛的應(yīng)用。針對(duì)遺傳性病變，將病人的體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)為iPS細(xì)胞，或?qū)⒅虏∫蛩兀ㄍǔＪ腔蛲蛔儯?dǎo)入iPS細(xì)胞中，在體外使其定向分化成病變發(fā)生的細(xì)胞，觀察在這個(gè)過程中出現(xiàn)的問題，就可以實(shí)現(xiàn)在培養(yǎng)皿里模擬疾病的發(fā)生，研究疾病發(fā)生的機(jī)制。

（作者單位：廈門大學(xué)）