逆转生命，一个走出质疑的故事

小丫

2012-10-19
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* S3 r  M1 h3 U% F$ K10月8日，瑞典卡罗林斯卡诺贝尔生理学或医学奖评委会宣布，2012年诺贝尔生理学或医学奖授予英国的约翰·戈登（JohnB.Gurdon）和日本的山中伸弥（Shinya Yamanaka），因为他们“发现成熟、特化的细胞可以被重编程，变成身体的所有组织”。换句话说，他们的获奖是因为发现了具有多种发育潜能的干细胞——多能干细胞。
　　

殊途同归的发现

　　戈登和山中伸弥的发现都可以归结为对生命逆转的发现，他们的研究结果显示，成熟、特化的细胞能够被重编程为可发育成身体组织的非成熟细胞，这种发现革新了人们对细胞和有机生命体发育的理解。但是，两人的发现又有不同的特点和内容。戈登是从胚胎发育发现生命是可以逆转的，而山中伸弥是从诱导多能干细胞发现生命可以逆转的。
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  F. _$ ?1 p5 b  p0 _$ n8 R　　按照对生命孕育、生长和成熟的传统看法，在生殖细胞配子（精子和卵子）结合形成胚胎的孕育之初，胚胎中的所有细胞都是不成熟的细胞，它们可以在生命密码的指引下各自分化发育为身体的各种器官和组织。例如，从胚胎细胞可以分化为神经细胞，再生成大脑、脊髓和周围神经，形成神经系统。同理，各种内脏、肌肉、骨骼等也是从胚胎分化而来。但是，它们形成之后，就成为定性、定型的特化细胞。当细胞特化成熟后，就不能逆转回到过去的非成熟细胞，也即意味着生命是不可以逆转的。

2 m/ b, E- P3 g& P& v' s# R1 b　　1962年，在英国牛津大学任职的戈登进行了一项令人震惊的重要实验，结果显示，已经定性、定型的细胞是可以逆转的。戈登用青蛙成熟的小肠细胞的细胞核替换卵细胞的细胞核，此后，这个改变了的卵细胞发育成为一只正常的蝌蚪，这实际上就是一个功能完全的克隆蝌蚪，最后竟长成一个成体青蛙。

　　从青蛙特化细胞的逆转现象，戈登提出了细胞可以“重编程”的概念。同时，戈登的实验结果也传递给人们一个不同于以往所认定的知识，即便动物或人因衰老而无法产生生殖细胞，甚至两性生殖细胞无法交融，也可以通过获取特化的成体细胞，如肠细胞、皮肤细胞等来重新孕育生命，实际上就是生命的逆转，因为定性、定型的成熟细胞的DNA仍含有发育成一个生命所需的全部遗传信息，也因此能重新孕育生命。40多年后的2006年，山中伸弥重新验证并深化了戈登的发现。山中伸弥的团队利用逆转录病毒载体向小鼠的两种成体细胞转入四个基因，分别为Oct4,Sox2,Klf4和c-Myc，这两种成体细胞分别是胚胎成纤维细胞和成体尾巴成纤维细胞，结果诱导了这些细胞重新编程，产生了类似小鼠胚胎干细胞的特征，这就是诱导多能干细胞。
　　从理论上讲，诱导多能干细胞不仅可以定向生成某种组织和器官，如肝脏、肌肉、骨骼等，也可能发育为胚胎，重新孕育生命。
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学生怀疑戈登出错

/ p0 R( U3 E/ A& x+ M/ S　　无论是戈登的实验，还是山中伸弥的研究结果，在开初都无一例外受到质疑，因为成熟的体细胞是如何逆转而成为可分化的多能干细胞，一直是一个诱人但又难以解开的谜，这就无法说服专业人员和公众。

5 E  M, Z+ F7 M2 P　　戈登的研究其实也是站在前人的肩上。生命逆转的最初设想来自德国生物学家汉斯·斯佩曼（HansSpemann），他在其1938年出版的《胚胎发育和诱导作用》一书中提出，移植细胞核可能会产生新生命，即克隆动物。做法是，把一个细胞的细胞核提取出来，然后把这个细胞核移植到一个去除细胞核的卵子中，看看这种组装的细胞是否能发育为胚胎甚至生命。
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, h; N  K6 f) l8 y" K% N　　不过，斯佩曼并没有做这个实验，接力火炬交到了美国生物学家伯里格斯（Briggs R）和金（KingTC）手里。1952年，这两位美国研究人员提取了豹蛙（RanaPipiens）的囊胚细胞的细胞核，然后移植到另一个豹蛙的去掉细胞核的卵细胞中。最后，组装的卵细胞先是发育成了蝌蚪，再由后者发育为一只成熟的成体蛙。当时，研究人员得出的结论是，由于囊胚细胞是分化早期的胚胎细胞，因此存在全能分化性，可以发育为成体蛙。
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+ X( X: C; @9 R　　但是，已经成型的体细胞的细胞核组装到去核卵细胞中是否也能发育为成体动物呢？
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　　此后，一些研究人员进行了研究，他们用分化后期的蛙类胚胎细胞的细胞核移植到同类动物的去核卵子中，结果只能发育到蝌蚪，而不能发育到成蛙。这说明，越原始、越不成熟的胚胎细胞，越具有全能分化的能力，由于其具有一种生命所拥有的全部遗传信息，所以能发育为成熟的生物个体。但是，已经具备一定的分化的胚胎细胞则不一定能分化为成熟的个体，或许能分化为生命的幼体，如蛙类的蝌蚪。
正是在这样的基础之上，戈登用青蛙成熟的小肠细胞的细胞核替换卵细胞的细胞核不仅生成了蝌蚪，而且长成了青蛙。这就引起了质疑，因为他用的不仅不是早期的胚胎细胞，而且根本就不是胚胎细胞，其全能分化性非常之差。戈登的研究最先还是由他的学生史密斯（Dennis Smith）提出质疑，因为史密斯也用青蛙的小肠上皮细胞进行实验，并没有得出与戈登相同的结果。
+ I! }' H( C: F: _! m　　于是，史密斯认为，戈登用的是青蛙小肠上皮细胞中未进行减数分裂的原始生殖细胞，而非已分化的成体细胞，因为大多数蛙类的蝌蚪期的肠上皮细胞中有2%-5%的细胞是没有进行减数分裂的原始生殖细胞，这些细胞具有更好的全能分化性，它们拥有能发育成一个新个体的全部遗传信息。同时，戈登的实验只有2%的成功率也反证了他采用的小肠细胞中那些占2%-5%比例的细胞拥有全能分化性。所以，戈登实验得出的成体细胞核移植可以产生成体蛙的结果并未完全被学术界认可。
0 ?$ k0 l  u- E) v4 ?　　但是，戈登也好，史密斯也好，他们采用的实验的动物都是两栖类动物，并不能全部取代和说明所有动物或生命都不能如此逆转。对戈登实验结果，即成体细胞可以完全逆转产生生命的结论，提供有力支持的是英国苏格兰的爱丁堡罗斯林研究所的伊恩·维尔穆特（Wilmut）等人对更高级的哺乳动物绵羊进行的克隆研究，1996年7月5日维尔穆特等人孕育了一个更高级的生命——克隆羊多利。
% b0 ^2 g3 H/ f7 C( j1 M0 k7 I　　维尔穆特等人的研究采用的是已经分化的成熟的体细胞——乳腺细胞，其过程是：从一只6岁雌性芬兰多塞特白面绵羊（代号A）的乳腺中取出乳腺细胞，将其放入低浓度的培养液中，并提取细胞核；从一头苏格兰黑面母绵羊（代号B）的卵巢中取出未受精的卵细胞，并去除细胞核，成为受体细胞；利用电脉冲方法，使A细胞的细胞核与受体细胞融合，产生类似于自然受精过程中的一系列反应，并促使细胞分裂、分化形成胚胎细胞；把胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊（代号C）的子宫内，胚胎进一步分化和发育，最后生成并分娩出多利。
# ]5 R) b8 |* |9 X# H3 H( C山中成果 　　由于高级哺乳动物已经成熟的体细胞更难逆转和生成新生命，克隆羊多利的成功有力地论证了戈登实验的结果，因此，成熟体细胞（细胞核）可以重新逆转发育成生命得到了认可。不过，这并不意味着对山中伸弥获得的诱导多能干细胞的认可。　　最初戈登的研究告诉人们，一个成熟特化细胞的细胞核是可以被逆转到非成熟、多能化的状态。但是戈登的实验是将一些细胞的细胞核取出，然后移入去核的另外一些卵细胞中。山中伸弥的研究则是进一步的深化，并要回答一个问题，有没有可能无需提取体细胞的细胞核移植到去核卵细胞中，就可以让一个完整的体细胞逆转变成多能干细胞呢？山中伸弥等人的研究结果给予的回答是肯定的。　　但是，由于山中伸弥等人采用的是小鼠的胚胎成纤维细胞和成体尾巴成纤维细胞，也有研究人员怀疑他们采用的是未分化的胚胎细胞，而非胚胎成纤维细胞，胚胎细胞当然具有全能分化性，成纤维细胞的全能分化性则要差很多，所以前者可以让生命逆转，而后者让生命逆转的可能性较低。因此，需要对山中伸弥等人的研究进行验证。　　验证首先由山中伸弥自己完成的。在小鼠身上获得了诱导多能干细胞后，2007年，山中伸弥又对人的成体细胞进行了研究，获得了同样的结果。他们采用的成体细胞分别来自一位36岁女性的表皮细胞和一位69岁男性的结缔组织细胞。而且，山中伸弥等人将成体细胞转化为诱导多能干细胞的效率更高一些。他们的技术可以让约每5000个细胞就能制造1个诱导多能干细胞系。这种高效能保证他们在每项实验中都能得到数个诱导多能干细胞系。　　也在2007年同一年，美国威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森（JamesThomson）团队的研究验证了山中伸弥等人的成体干细胞可以逆转的结果。汤姆森等人采用的是胎儿的皮肤细胞以及一个新生儿的包皮细胞，这些细胞也是成体细胞。不过，汤姆森等人采用的诱导基因并不完全等同于山中伸弥等人采用的基因。这两个团队都采用了OCT3和SOX2基因，而汤姆森等人采用的另两个基因是NANOG和LIN28，山中伸弥等人采用另两个基因是Klf4和c-Myc。而且，在转化效率上，汤姆森等人的研究需要1万个细胞才能分离出1个诱导多能干细胞系。值得一提的是，汤姆森研究团队获得诱导多能干细胞研究论文的第一作者是华裔女科学家俞君英。