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科学顾问袁越:为生命重新编程
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 互动百科科学顾问,《三联生活周刊》“生命八卦”特约撰稿人袁越,撰文评价最新诺贝尔生理学或医学奖。

 

导言

    北京时间108日下午530分,2012诺贝尔生理学或医学奖揭晓,英国剑桥大学戈登研究所教授约翰·戈登和日本京都大学教授山中伸弥共同获得了这项科学界最引人注目的大奖,获奖理由是两人共同证明了“体细胞可以经过重新编程后转化为可诱导的多能干细胞”。

 正文

 奠基者戈登

 

       好奇心是推动人类不断探索未知世界的动力。我们从哪里来?生命是谁创造的?生物为什么如此复杂?这些问题祖先们肯定思考了很久,但却毫无头绪,只好把答案一股脑推给了上帝。达尔文最先开始质疑上帝的存在,并用大量证据证明生命完全可以通过自然选择这一过程而变得越来越复杂,直至人类诞生。DNA双螺旋结构是又一个里程碑式的发现,它告诉我们生命是如何被基因所控制的,又是如何一代一代传承下来的。

       DNA的发现解开了生命最大的谜团,但又带来了更多的疑问。比如,DNA是如何指导生命体从单细胞发展到多细胞的呢?这是生命进化过程中最为关键的一步,因为多细胞生物不但扩大了生物的体积,而且让细胞有了分工,只有当不同功能的细胞相互合作时,才能共同完成一些复杂的功能,比如思考自身的起源。

       细胞分工的过程叫做分化,研究细胞分化的学问叫做发育生物学,这是生物学最具吸引力的领域之一。发育生物学家想要回答的问题很简单:一个受精卵是怎样在不断分裂的过程中指导不同的细胞分化成不同样子的?动物学家和植物学家对于这个问题有着不同的看法,因为很多植物都可以无性繁殖,取下任意一个植物细胞,在适当的条件下就能够繁殖出一株新的植物来。动物没法做到这一点,似乎动物细胞在分化后就把过去的记忆抹掉了。用专业术语来说,高等动物的细胞分化是一个不可逆的过程。这个结论曾经被写进了教科书,成为生物学基本法则之一,因为迄今为止还没有一个人在自然界观察到任何一个反例。

       那么,分化的细胞为什么把自己的过去忘得一干二净了呢?早在1892年就有人提出假说,认为这是因为细胞在分化过程中不断丢失不需要的基因所致。这个假说听上去很有道理,一个上皮细胞根本不需要自己生产血红蛋白,留着血红蛋白基因纯属浪费,没有理由不将其丢掉。与此同时,也有不少人提出了另一个与之相反的假说,那就是基因本身不变,但环境的改变使得一部分基因被关闭,另一部分基因被打开,最终导致细胞分化。

       要想验证这两个假说谁对谁错,只需要把两个不同种类的细胞互换一下基因就行了。这个思路非常简单,中学生就能想到,但难在如何去实现它。约翰·戈登(John Gurdon)就是第一个完成这项实验的人,在他之前很多人都曾尝试过,但是失败了。戈登从小就有一股不服输的劲头,正是这股劲头帮助了他。事实上,如果戈登是个性格懦弱的人,他根本就不会走进实验室。他上中学的时候考试成绩不好,虽然上的是英国最有名的伊顿公学,但各门课的成绩几乎都垫底,生物课老师给他的评语是这样写的:

       这个孩子的梦想居然是当一名科学家,从他现在的表现来看这事简直太匪夷所思了。无论是对于他本人还是将来那些试图教他的老师而言,这事都纯属浪费时间。这孩子从来不听老师的,总是想以他自己的方式行事。

       幸亏戈登的大学老师对他很好,鼓励他投身生物学研究。从牛津大学毕业后他留校攻读博士学位,主攻细胞核移植。正是在此期间,他完成这项惊世骇俗的实验。后来他在《科学美国人》杂志上写过一篇文章,详细描述了实验的过程。

       实验的目的很简单,就是将非洲爪蟾(Xenopus,一种青蛙)肠上皮细胞的细胞核取出来,移植到一个去掉了细胞核的卵子当中去,看看这个卵子最终会变成什么。之所以选择青蛙,是因为两栖动物的卵细胞不但体积大,而且禁得起手术的折腾。非洲爪蟾的卵细胞核不在细胞的中心,而是靠近细胞膜,从外面就可以看到,便于通过手术取出。

       真正的困难在于如何取出小肠表皮细胞的细胞核,再将其注射进去核卵子中而不失去活性。戈登决定用一根玻璃针头来完成这件事,但针头的大小必须恰到好处,太细了容易把细胞核压碎,太粗了则会带进太多的细胞液,对下一步很不利。通过多次试验,戈登发现取出来的细胞核必须保留一层细胞液作为保护层,不能让细胞核与培养液有任何直接的接触,否则细胞核内的DNA就会被破坏掉。这个发现进一步加大了实验的难度,戈登试验了成千上万次才终于把成功率提高到了1.5%,即每做200次细胞核移植只有3个卵子能够成活并开始细胞分裂,而细胞分裂的结果是发育成一个完整的蝌蚪,而不是小肠上皮细胞。这个结果说明前文提到的第一个假说是错的,分化的细胞仍然保留了所有的DNA,即没有丢失,也没有发生任何不可逆转的变化。

       这项实验早在1958年就完成了,但戈登需要向世人证明他得到的蝌蚪确实是细胞核移植后的产物。该领域的特殊性决定了造假非常容易,后来发生的黄禹锡造假事件就是明证。戈登幸运地找到了一种爪蟾突变系,其DNA带有明显的标记。他把这个突变品系的爪蟾细胞核移植到正常爪蟾的去核卵子当中,最后发育成的爪蟾全都是突变系的,证明了实验结果的准确性。

这个结果给了他极大的信心,戈登终于决定将论文投给了《胚胎学与实验形态学杂志》(Journal of Embryology and Experimental Morphology),发表后立即在学术界引起了轰动。严格来说,戈登并没有彻底改写发育生物学教科书,他的这个实验的人为痕迹过重,自然界是不会发生这种事情的。这项实验真正的意义在于从理论上证明了为动物细胞重新编程是完全有可能的,并且为动物克隆实验奠定了基础,大名鼎鼎的多利羊就是依照戈登所创造的方法被克隆出来的。当然多利羊是哺乳动物,实验难度比非洲爪蟾大多了,但毕竟两者的思路是一样的,多利羊从理论上讲并没有太大的突破,这就是为什么多利羊之父伊恩·威尔穆特(Ian Wilmut)教授没有得诺贝尔奖的原因。

有意思的是,戈登的这篇划时代的论文发表于1962年,山中伸弥正是在这一年出生的,他才是那个真正改写了生物学教科书的人。

 

登顶者山中伸弥

       戈登教授对于发育生物学理论做出了很大贡献,并因此被授予了爵士头衔。但他的研究对于普通老百姓而言意义不大,在公众中的知名度并不高,反而是多利羊之父威尔穆特迅速成为大众明星,因为大家从他的研究中看到了克隆人的希望。

如果说克隆人也不算太现实的话,那么就在多利羊的新闻出现后的第二年,也就是1998年,美国科学家詹姆斯·汤普森(James Thomson)教授成功地从人类胚胎组织中分离出了干细胞,并在体外培养成功。这件事终于让干细胞(Stem Cell)这个词一夜之间红遍了全世界,人类梦寐以求的一种包治百病的疗法终于看到了曙光。

俗话说,能修就修,修不好换新的。这套思路在工业化时代已经深入人心,但在医疗领域却一直没人敢这么提,主要障碍就是前文提到的动物发育难题。高等动物的细胞分化在自然状态下是一个不可逆的过程,新部件很难被造出来。

威尔穆特和汤普森的发现使得这一思路成为可能。简单来说,汤普森培育成功的人类干细胞是一种处于发育最早期的多功能细胞,可以在适当的外部条件诱导下分化成任意一种特定细胞,比如肝脏细胞或者心肌细胞等等,理论上可以用来制造任意一种人体组织,代替患病的部位。问题在于,如果移植的不是自己生产的组织,人体免疫体系会对其发动攻击,此时就需要用到戈登和威尔穆特的成果了,两人的研究结果证明,只要将患病动物的体细胞核移植进另一只去掉细胞核的卵子当中,就可以指导这枚卵子转变成一个干细胞,用它生产出来组织和器官与这个患病动物有着完全一样的DNA,不会发生免疫排斥反应。

于是,自1998年开始,大批生物学家投身到干细胞的研究中来。在此之前,一位名叫山中伸弥(Shinya Yamanaka)的前日本整形医生在妻子的鼓励下决定改行从事基础研究。他从京都大学取得了博士学位,之后他去美国加州大学旧金山分校从事博士后研究,亲眼目睹了美国干细胞领域雄厚的科研实力和宽松的政策。回到日本后,他感觉自己像是被关进了小黑屋,不但研究经费短缺,而且日本政府因为伦理等原因,为人体胚胎干细胞研究附加了很多限制条件,导致日本的科研人员整天为了得到一点胚胎干细胞而疲于奔命,浪费了很多精力。

       没想到,这个缺点最后反而成全了山中伸弥。原来,他眼看着和美国同行的差距越拉越大,而且追赶无望,便决定另辟蹊径。当时美国干细胞界最热门的研究方向是干细胞的分化,研究人员试图找出控制胚胎干细胞分化途径的方法,让胚胎干细胞按照指定的路线分化为特定的类型,以便用于治疗不同的疾病。“对于这样的研究,我们实验室根本不具备竞争力。”山中伸弥后来在接受《科学美国人》杂志采访时解释到:“所以我想,反其道而行之或许是条出路------不是让胚胎干细胞变成什么,而是让别的东西变成胚胎干细胞。”

       这个想法很好,但如何实现呢?戈登和威尔穆特所做的体细胞核移植实验都证明,一个细胞核只要被放到合适的环境中,就能被诱导而退回到未分化前的初始状态。从理论上讲,只要搞清了胚胎细胞的细胞质中到底哪些因子参与了这一过程,就能人工模仿这种环境,让体细胞转变成干细胞。但是,细胞质中有无数种化学成分,到底是哪些成分有这么大的能耐呢?山中伸弥经过仔细考量后决定把注意力放到转录因子(Transcription Factor)上,这是一类专门负责控制基因活性的蛋白质,编码它们的DNA就在基因组内,但因为各种原因其活性有大有小,细胞因此而呈现不同的状态。山中伸弥分析了小鼠胚胎细胞中的转录因子,找到了24个活性较高的,将对应的24个基因一股脑地转进了小鼠皮肤细胞的细胞核内。奇迹发生了,这个皮肤细胞仿佛被施了魔法,退回到了最初的状态,变成了干细胞,只不过这个干细胞是通过人工诱导而不是核移植而来的,因此叫做“人工诱导多功能干细胞”(iPS)。

但是,一下子导入24个基因是很费事的,于是山中伸弥又开始一个一个地试,逐步递减,终于发现只需要同时转入4个基因就能够完成任务了,它们分别是Oct3/4Sox2c-MycKlf4。山中伸弥将这个结果写成论文,发表在2006年出版的《细胞》(Cell)杂志上。第二年,他又用人体细胞做实验,同样获得了成功。

这两篇论文无异于两颗炸弹,在科学界引发了一场地震。山中伸弥终于彻底改写了动物发育学教科书,证明了为动物细胞重新编程是完全可能的,只需一个相对简单的小实验就能把任何一种动物细胞转变成干细胞。但是这项实验最伟大的地方不在这里,而是让干细胞研究者可以不必依赖胚胎就能获得性能极为相似的替代品,这就避免了伦理问题,为干细胞研究扫清了最大的障碍。

       值得一提的是,山中伸弥的这个思路也不能算是原创,很早就有人想到了通过转基因的方式诱导干细胞,但他们都怕麻烦,一次只转一个基因进去,结果当然不成功。山中伸弥有股日本人的狠劲儿,他不怕麻烦,闷头在实验室里干了10年,终于获得了成功。戈登的情况与此类似,两人都不是仰仗某个天才的想法,而是依靠耐心细致的工作,这才终于获得成功的。事实上,这也正是生物学和数学、物理和化学等其它学科最大的不同。

       接下来一个很自然的问题是,干细胞何时才能运用到临床上呢?从目前的情况看,这还需很长的时间,因为山中伸弥发明的这个方法有个致命的缺点,那就是很容易致癌。一方面,转入外源基因所用的逆转录病毒载体能够致癌,这也是基因治疗领域之所以迟迟没有动静的主要原因。另一方面,转入的那4个基因当中,c-Myc本质上就是一种致癌因子,接收了这个因子的细胞很有可能转化成为癌细胞。在这两个问题没有解决之前,任何基于干细胞的疗法都是不可能被批准的,这就是为什么说目前所有宣称能够提供干细胞治疗的医疗机构统统都是骗子,无一例外。事实上,就在本届诺贝尔奖公布后不到一个星期,一家日本媒体报道了一位名叫森口尚史(Hisashi Moriguchi)的东京大学客座教授用干细胞治疗心脏病的成功案例。消息见报后的第二天,世界两大最具公信力的科学期刊《自然》和《科学》便在其网站上刊登质疑文章,指责森口尚史言过其实,而日本各大报纸也立即刊登更正,称此事属于误报,森口尚史是个大骗子。

       无奈的是,中国打着干细胞的幌子行骗的医疗机构还有很多,有关部门却睁一只眼闭一只眼,纵容这些机构在中国继续行骗。此次干细胞获奖后,这些骗子们一定会更加猖獗,不能不引起公众的警惕。

不过,读者也不必过于担心,这个缺点并不是不能克服的。事实上,有很多研究小组正在攻关,已经取得了不错的成绩。比如,麻省理工学院(MIT)的科学家已经找到了c-Myc基因的替代品,不需使用这个癌基因也可以将小鼠体细胞转化成多功能干细胞。哈佛大学的研究人员也找到了替代逆转录病毒的方法,用一种更加安全的腺病毒载体制造出了小鼠多功能干细胞。山中伸弥本人也在积极寻求替代方案,并且用一种质粒(Plasmid,一种环形DNA分子)携带外源基因,成功地制造出了iPS细胞。

总之,由戈登教授开创的干细胞领域方兴未艾,前途一片光明。

 

结语

      诺贝尔奖是国际学术界的最高奖项,历来以谨慎小心著称。但今年的诺贝尔医学或生理学奖居然颁发给了一位刚刚发表论文不到6年,尚未在应用领域获得任何实际成果的年轻学者,这在诺贝尔奖历史上是非常罕见的。不过这件事也从另一个角度说明,山中伸弥所取得的成果有多么地重要,诺贝尔委员会已经迫不及待了。

       让我们相信诺贝尔奖委员会的眼光,共同期待干细胞领域能为提高人类健康水平做出惊人的贡献。

 

1楼 发表日期:12-10-19 17:07:24