逆转细胞发育，“差生”终成大业

大乾头人

科学家们对细胞重编程的研究已持续了数十年。所谓细胞重编程，是指“已分化的特定细胞可以被重新编程为多功能的干细胞”。1962年，约翰·戈登在他的实验室里证明，已分化的动物体细胞在蛙卵中可以被重编程，从而发育成完整的个体，这样就证明了细胞的分化是可逆的。2006年，山中伸弥将戈登的这一成果推进了一大步，实现了细胞在体外的重编程，诱导出了具有多性的细胞（即诱导性多能干细胞，iPS细胞）。与胚胎干细胞相比，iPS细胞的优势在于它避开了从人体胚胎中提取干细胞的伦理道德制约，使干细胞研究能被所有人接受。同时，由于这些细胞来自于病人自身，在临床应用时有望能避免免疫系统对外来组织的排斥。iPS技术的创立开创了一个全新的研究领域。

敢于挑战的“克隆教父”

约翰·戈登（John B. Gurdon）是英国剑桥大学细胞生物学教授、戈登研究所所长，他还兼任了麦格达伦学院院长。1933年戈登出生于英国，先后在伊顿公学、牛津大学就读，并获得牛津大学生物学博士学位。

约翰·戈登教授的最初突破性发现已经是50年前的事情了。1962年，他发现细胞的特化是可逆的。在一项经典实验中，他将一个未成熟的青蛙卵细胞的细胞核用一个成熟的肠道细胞的细胞核进行替换。这个被改造过的卵细胞后来发育成了一只正常的蝌蚪。这一实验证明，一个成熟细胞中的DNA仍然储存有让一颗细胞发育成一只完整青蛙的所有信息密码。这项开创性的研究彻底颠覆了我们原先对于细胞发育和特化的认识。

我们所有人都是从一颗受精卵开始发育而来的。在受精之后的第一天，胚胎中所含有的是不成熟的细胞，但是，这些细胞最终可以分化，形成一个成年个体所具有的全部各种器官和组织。这些细胞就被称作多能干细胞。随着胚胎的进一步发育，这些细胞中逐渐分化出神经细胞、肌肉细胞、肝细胞以及所有其他种类的细胞——所有这些细胞都已经特异化，具备了一种特别的功能，可以执行人体的各种不同的生理机能。这种从不成熟细胞到特异化成熟细胞的过程曾经被普遍认为是不可逆的。人们认为这是细胞的成熟过程，它们不可能重新回到多能干细胞的阶段。

约翰·戈登教授最先向这个生物学教条发起了挑战。他猜想在一颗成熟的细胞中应当仍然保存着形成所有其他细胞类型的所需信息。1962年，他对自己的这一猜想进行了实验验证。该实验打破了科学界普遍认为动物胚胎发育过程中的细胞分化是单向的、不可逆转的论断，证明该过程是可逆的。当戈登最初公布他的实验结果时，质疑声不断，但是，随着其他科学家重复他的实验并获得同样结果，这项研究结果开始逐步被人们接受。这证明体细胞核是可以在卵中被重编程为多能性细胞的。随后科学家们竞相投身这一领域的研究，相关的技术也飞速发展，并导致了对哺乳动物克隆的研究。

在现代生物医学领域里，戈登的研究是一个很重大的科学突破。一开始，没人赞同他的设想。面对质疑，他却能够力排众议，坚持自己的信念和实验结果。现在的克隆技术和干细胞治疗技术，都是因为他的理论才得以发展和成熟；也是由于他的坚持，才使我们获得了有关有机体和细胞发育方面的崭新认识，极大地帮助科学家们揭示疾病的发病机制，从而促成有关的新药研发。

少年时的“最差生”

戈登的这种勇于坚持和力排众议的个性可以追溯到少年时代。他曾经在一个新闻发布会上说，自己现在依然保存着当年的中学科学老师给他的评语：

我相信戈登有将来成为一位科学家的理想；根据他现在的表现，这个理想非常荒谬；如果他不能学会一些简单的生物学常识，他将来不会有任何机会去做专家级的工作，而且，不管对他自己还是教他的老师们来说，这纯粹是浪费时间。

当年，这位老师看不上眼的学生，今天竟然得到了诺贝尔生理医学奖，真是让人感慨万千。有志者事竟成，教育者千万不要过早给自己的弟子下结论。如今，已有不少人开始反思时下的中学教育。那份成绩报告单，一直被裱挂在戈登办公桌的正上方，他似乎从中得到了一些特别的动力。“有时我会看着它告诉自己，几十年前就有人说，你根本不擅长这个工作。”戈登说，“当你的实验遇到困境的时候，拿这个方法激励自己，真的太有效了，要不然就被老师说中了。” 虽然成绩差、不被老师和学校看好，但戈登仍然坚持自己的想法，对生物学的热爱从不曾减少过半分。后来，戈登在一次被采访时回忆说，自己少年时被生物学深深吸引，甚至在学校养过上千只毛毛虫，并看着它们变成飞蛾，这在当时还引起了老师的强烈反感。

开着破车上班的名人

戈登的一名学生回忆第一次见导师时的情景：当一辆很破旧的汽车迎面驶来时，他根本想不到这位大名鼎鼎的发育生物学家就驾驶着这样老旧的汽车。当时戈登的名气已经很大，在剑桥有一个研究院都是以他的名字命名的，可是他还是为人低调，生活简朴。通常科学家到了一定的年纪，会选择发表文章、教书为主业，很少会去继续做实验，但戈登已70多岁的高龄，仍然坚守实验室，这次诺贝尔获奖电话也是他在实验室里接听的。当时一名英国记者曾试图联系戈登进行连线采访，但戈登的实验室答复称：“戈登正在工作，请不要打扰他。”没有被盛名所累，一直保持勤奋严谨的态度，戈登绝对堪称一位大家。

“笨手笨脚”的外科医生

在戈登那项开创性的实验之后，全球的生物学研究都在沿着他开拓的路径一往直前，当然除了备受争议的克隆技术。2006年，日本科学家山中伸弥也从人类的皮肤细胞中，培养出了尚未分化的干细胞，把这项研究推到了一个新的高度。

山中伸弥，1962年出生于日本大阪府，大阪市立大学医学博士（1993年），京都大学再生医科研究所干细胞生物系教授，美国加利福尼亚州旧金山心血管疾病研究所高级研究员。

无独有偶，与戈登少年时代的遭遇类似，山中也是一位后进学生。他在中学时学习也并不专心，酷爱柔道和棒球，甚至为此骨折了10多次。毕业时，父亲告诉他：你多次受伤，看见医生怎样为病人减轻痛苦，你将来要做医生为人类服务。于是山中就接受了父亲的提议，在学校的最后阶段认真学习，终于考入了著名的国立神户大学医学部，并努力成为了一名外科医生。但是，他拙于动手的弱点，让他成为同事们的笑柄。山中每次回忆自己从神户大学医学院毕业后做的第一次手术，都颇有感慨。那是一次良性瘤移除手术，熟练的医生10分钟就可以做完，但山中折腾了一个小时也没有完成。

山中还曾给父亲打过针。山中说，父亲当时看起来很高兴，但实际很疼：“儿子，你不擅长这个，对吧？”由于山中临床动手能力笨拙，有些人甚至送给了他一个外号——绊脚石。不过，失败是成功之母，山中也因此放弃了临床医生的职业，寻找发展自己事业的新契机。

放弃高薪转投研究

山中伸弥从大阪市立大学博士毕业以后，认为日本国内的研究环境不够完善，于是他就去美国的格莱斯顿研究所留学，在那里接触了单性干细胞（万能细胞），从此决定了他的研究方向。那里自由的学术气氛和良好的研究平台，让山中更充分地发挥了自己的研究才能。

“美国多见一种‘开放式实验室的研究方式，不论是价格高昂的装置还是研究者的智慧都是共享的。而在日本国内，很少有这种开放式研究。”山中说。

几年后，山中返回日本医学界，准备继续研究时，却发现这里的研究条件比美国差太多，资金不到位，培育小白鼠的时间甚至比做实验的时间还长，甚至还得亲自动手培养。“为什么我要不停更换小白鼠的笼子？”山中抱怨道。面对这种境况，山中感到了绝望，甚至得了忧郁症。这时，山中曾经与家人商量，是不是让他放弃基础研究，去当收入比较高的临床医生。在日本，医生是一个收入十分丰厚的职业。而山中的夫人也是一位皮肤科的医生，她对山中教授的研究全力支持。如果没有贤内助的支持，也没有今天获奖的山中教授。

在家人的理解和支持下，山中最终克服了困难，选择了坚持做研究。1999年，他向奈良科学与技术学院申请助教授职位。当时的一名教授回忆，在众多应聘者中，山中是唯一愿意接受长远挑战的人，因为其他应聘者都选择了明显能在数年内见成果的研究项目，而他则选择了干细胞研究。

“iPS”细胞的发现进程

2004年，山中教授前往京都大学继续研究万能细胞。2006年他发现了4种重要的遗传因子，并且利用试验老鼠研制出可以多种变化的万能细胞，正式取名iPS细胞（人工多功能干细胞）。这意味着未成熟的细胞能够发展成所有类型的细胞。

山中历来喜欢开玩笑，在获奖记者招待会上，他介绍了自己研发出这一让世界震惊的人工多能干细胞（iPS细胞）的过程。 他笑言，iPS（Induced pluripotent stem cells，诱导多能干细胞）在2006年命名期间，当时苹果公司的iPod播放器十分流行，所以他希望iPS诱导多功能干细胞能沾沾iPod的光，被人们熟知，而采用了小写的“i”字母作为首写字母。

事实证明这4个基因中，其中一个基因确实是“一次天大的冒险”，因为这一个是与癌症相关的基因。数月后他又发现即使不使用这个致癌基因，他仍然能够重组细胞，这样癌变的几率会大大降低。但新创造的干细胞仍然会发生癌变，在他的实验中，121只老鼠中，有20%产生了肿瘤。这说明使用逆转录病毒，可能使基因产生变异，引发肿瘤等副作用。他表示下一步的研究目标是在不使用逆转录酶的情况下实现细胞重组。

表皮细胞经诱导后，具有胚胎干细胞的特征，可转变为心脏和神经细胞，这为研究治疗目前多种心血管绝症提供了巨大助力。这一研究成果在全世界被广泛应用，因为其免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约。山中也因此获得了世界各地多次颁发的医学奖项。

细胞重编程的应用价值

iPS技术的出现挽救了整个干细胞事业。这一新的细胞重编程的方法绕过了胚胎干细胞的伦理困境，把病人的体细胞转化为干细胞供自身使用，开创了基因治疗的新方法。2007年，鲁道夫·詹尼士（Rudolf Jaenisch）研究组利用iPS重编程技术，成功治疗了小鼠的镰状红细胞贫血症。他们用患有镰刀型贫血症的小鼠体细胞建立了iPS细胞，并通过基因技术修正细胞中的疾病基因。将修复后的iPS细胞诱导分化为血液干细胞后移植回患病小鼠体内，可以改善小鼠的贫血症状。2009年初，另一些研究人员用从iPS细胞诱导来的内皮前体细胞和内皮细胞成功治疗了血友病。他们的研究虽然是在小鼠中进行的，然而，这些成果证实iPS细胞在基因治疗中的可行性，从实践上为人类基因遗传病的治疗奠定了基础。到目前为止，利用iPS细胞进行疾病研究已经在许多疾病上开展起来。

此外，iPS技术在疾病模拟和药物筛选中也有广泛的应用。针对遗传性病变，将病人的体细胞逆转为iPS细胞，或将致病因素（通常是基因突变）导入iPS细胞中，在体外使其定向分化成病变发生的细胞，观察在这个过程中出现的问题，就可以实现在培养皿里模拟疾病的发生，研究疾病发生的机制。

（作者单位：厦门大学）