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【2012诺贝尔奖】医学奖深度解读:剥开粘合的细胞之书
#医学

在电影《终结者》中,有一个邪恶的液态机器人,它可以随意将身体划成水银一般纯纯的液体,在流过狭窄的窗缝之后,又可以再塑人性。我不知道,这里面是不是隐含了编剧对人类形态的一种渴望。人体能否重塑?这是一个极具诱惑力的问题。2012年的诺贝尔生理学或医学奖为这个问题添加了一个颇有亮色的注解。

从全能到专一

像其他动物一样,人体是从一个受精卵发育而来的。也就是说,受精卵这个细胞可以幻化成各种形态的细胞,它所具有这种性质就是全能型。不过细胞在分裂过程中逐渐有了自己明确的分工,这中间包括皮肤的表皮细胞、血液的红细胞、脑的神经细胞等等,200多种的不同种类的专门细胞。

细胞在分裂中逐渐趋于专门化的这种现象,在生物学上叫做“分化”。就像一块刚刚从炼钢炉里出来的钢锭,它还有无限的可能性,但是一旦变成了不锈钢汤勺,或者桥梁的钢架, 亦或是家家门口的那扇防盗门。在这一刻所有的钢锭的形态都被定性了。

不过,纵使钢锭千变万化,它们的主要成分也是铁,它们的内心还是相同的。细胞也是如此,即使已经发生了分化,细胞核内具有的遗传信息(基因)是不变化的。但是不同细胞中工作的基因是不同的,而我们的人体有25000多个基因,究竟关闭那些,那还要视细胞功能而定。有一个精妙的比喻,细胞所具有的DNA就像一本书,而分化的过程就像把书中的某些页用浆糊粘住,再也无法翻开。当然了,皮肤细胞和骨细胞和“被粘贴的页码”是不同的。

全能干细胞的诱惑

比起已经分化的细胞,干细胞“这本没有被粘合书”显然有更大的吸引力。有了这种万能的阅读书,我们就能轻松地修复损伤的机体,治疗因为神经外伤引发的瘫痪,获得治愈血友病所需要的血液细胞,甚至可以轻松地培养出急需的移植器官。

但是,翻开书页并不简单。正如前文所说,干细胞在分化之后,各自的功能被相对固定了下来。在分化后的细胞中发挥作用那种特定的基因组合主要是通过两种变化被固定下来。一种变化是“组蛋白修饰”,另一种变化是“DNA的甲基化”。这两种变化就像是粘贴书页的粘合剂。要找到解除粘合剂的方法,还要将目光投向人体已有的干细胞。

从胚胎干细胞开始

卵细胞有一种“神奇”的能力,那就是让细胞初始化。受精的过程就是一个最有利的证据,因为精子已经是高度分化的细胞,它们的DNA上面满是甲基化和组蛋白修饰的“粘合书页”。但是一旦与卵子集合,所有的粘合剂就消失了。 实际上,能保持这种全能型的还不仅仅是受精卵。在受精卵分裂6~7次时,会先形成一个具有100个左右细胞的细胞块,这些细胞都有转变成人体任何一种细胞的能力(只是不能发育成胎盘),这就是胚胎干细胞(ES细胞)。

1981年,英国的生物学家马丁•埃文斯博士领导的一个研究小组从小鼠的初期胚胎(胚盘胞)的内侧取下一些细胞,在反复尝试后找到了合适的条件,在试管中成功培养出了ES细胞。这些细胞不仅能够无限增殖,还能够转变成除胎盘之外的任何一种小鼠细胞。

在1998年,美国威斯康星大学的詹姆斯•汤姆森教授终于又成功地制成了“人体的ES细胞”。有了这种细胞,从理论上说,就有可能按照需要制造出人体任何一个部分的组织。

不过,看似美好的ES细胞事业,从一开始就注定要流产。因为,它的来源是胚胎,从理论上讲这个胚胎完全可以在子宫中发育成人。如果将这种细胞应用于临床,就有为了“救人而杀人”的问题出现。于是,科学家们开始寻找新的途径,去寻找那些维持细胞全能性的因子。

剥开粘合的书页方法

可是要想在找到剥开书本的页码谈何容易。山中伸弥从数据库中筛选出大约100个有可能在ES细胞中特别活跃的基因。再经过近4年的紧张工作,从这100个基因中筛选出24个活跃的可能与细胞初始化有关的基因,并一次性将这24个候选基因全部导入成人的皮肤细胞中,结果梦寐以求的干细胞出现了。

此后,山中教授又逐个检验这24个基因。每次扣留一个基因,将其余23个导入细胞中,看看是否对初始化有影响。如果扣留的基因有作用,那么细胞就不会发生初始化。就这样淘汰了对于初始化不是必需的20个基因,最终将目标锁定在4个基因身上,它们分别是“Oct3/4”、“Sox2”、“Klf4”和“c-Myc”。将这4个基因导入人纤维芽细胞后,这些细胞不出意外地变成了“iPS细胞”(“诱导多能干细胞”)。

其中,Klf/4和c-Myc的作用是使纤维芽细胞的分裂变得不受限制,转变成类似癌细胞的细胞。Oct3/4和Sox2的作用则是使细胞获得能够进行多种分化的能力而失去癌细胞那样的增殖性质,从而成为万能细胞(iPS细胞)。

山中伸弥在接受采访时曾经说过,“我喜欢橄榄球和柔道运动,经常受伤,去过好几次整形外科。因为自己要进行整形治疗,所以想到要当整形外科医生。当了医生以后才知道,有好些患者的疾病是很难治好的,如严重的风湿病、瘫痪、脊髓受伤等”。今天他的iPS细胞为这些严重疾病的治疗提供了契机。人类掌握自己的生命的曙光已经露出了地平线。

2012年诺贝尔奖医学奖得主个人简介:

山中伸弥(Shinya Yamanaka),京都大学教授,医学博士。生于1962年,毕业于神户大学医学部。从整形外科医生转向基础医学研究。留学美国回日本后,此前曾经在大阪市立大学和奈良尖端科学技术大学任职。利用成体的皮肤细胞制作万能细胞“iPS细胞”,先是2006年在对小鼠实验中取得成功,接着2007年又在人体实验中取得成功,均属于世界上首创成果。现任京都大学“iPS细胞研究中心”的主任,该中心于2008年1月新建立。

约翰·B·格登爵士(Sir John B. Gurdon),剑桥大学教授。1933年出生于英国Dippenhall,1960年在牛津大学获得博士学位,在加州理工学院(California Institute of Technology)从事博士后研究。他于1972年加入剑桥大学,担任细胞生物学教授和麦格达伦学院院长(Master of Magdalene College)。格登目前工作于剑桥大学格登研究所。