1.誘導多能性干細胞如何來(lái)？

·何謂重編程？

現在我們來(lái)談?wù)務(wù)T導多能性干細胞。

要談?wù)T導多能性干細胞，首先我們要弄清一個(gè)概念，就叫做“重編程”。

重編程：就是將已分化細胞的核基因組恢復其分化前的功能狀態(tài)。

我們知道，每一個(gè)細胞的細胞核都包含有這個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有的遺傳信息（還有極小的一部分儲存在線(xiàn)粒體中），這些遺傳信息決定了我們可以發(fā)育成什么樣的個(gè)體，這就叫做“細胞核的全能性”。

對于每一個(gè)細胞來(lái)說(shuō)，它們的DNA序列雖然都是一樣的，但是它們的DNA、染色體以及核蛋白的模式、結構和修飾（化學(xué)修飾，比如甲基化、乙?；?、磷酸化和糖基化等）是不一樣的，而這些差異導致了細胞命運的不一樣，使它們有的可以分化成多種細胞，有的就只能行使一種功能。

在高等生物發(fā)育的過(guò)程中，DNA、染色體以及核蛋白的改變基本上是一個(gè)不可逆的程序化的過(guò)程。就像一個(gè)嬰兒，出生以后就會(huì )不斷地長(cháng)大，長(cháng)成兒童、少年、然后是青年、成年和老年，不會(huì )一會(huì )兒是青年一會(huì )兒又變成了嬰兒，那不就亂套了嗎？可是科學(xué)家們就是想要它亂套，想要得到“返老還童”的細胞，所以才有了“重編程”這個(gè)概念。

最早的重編程是在兩棲動(dòng)物――青蛙上實(shí)現的。1952年5月，美國賓夕法尼亞州費城的羅伯特·威廉姆·布里格斯和托馬斯·約瑟夫·金在《美國科學(xué)院院報》上發(fā)表文章，他們成功地把一個(gè)青蛙的卵母細胞的核去除后，移入了一個(gè)青蛙的成體細胞的細胞核，并將這個(gè)卵母細胞培養，使其發(fā)育成為了一個(gè)完整的個(gè)體。這是世界上首次的動(dòng)物克隆，其后的“多莉”羊也就是在這個(gè)工作的基礎上完成的，其原理完全一樣，不過(guò)過(guò)程要復雜艱巨得多。越是高等的動(dòng)物，這個(gè)過(guò)程也就越麻煩。

但是這種核移植的重編程方法非常麻煩，需要很精密的專(zhuān)業(yè)設備和非常嫻熟的技術(shù)人員，最麻煩的還是需要有卵子做受體。所以科學(xué)家們總是在動(dòng)腦筋，怎么才可以不用卵子、不進(jìn)行核移植就讓細胞重編程呢？

在科學(xué)家們的不懈努力下，2006年，第一次培養成功了小鼠的“誘導多能性干細胞”，首次實(shí)現了體細胞的非核移植的重編程。這是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現，很多人都在猜測，這個(gè)工作會(huì )在哪一年獲得諾貝爾獎呢？

·誘導多能性干細胞的前世今生

2006年，日本的大帥哥科學(xué)家山中伸彌和他的同事高橋一俊首次在體外培養成功了小鼠的“誘導多能性干細胞”。

他的這個(gè)工作的設計說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，就是選擇了24個(gè)在胚胎干細胞內高表達的基因，用病毒系統來(lái)做轉基因操作，讓它們在成體細胞中特異性的表達，然后看它們會(huì )導致細胞有什么變化。然后依次去除這些因子的一部分進(jìn)行轉基因操作，最終他們篩選出了4個(gè)基因：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，發(fā)現把它們一起轉入小鼠的成纖維細胞后，可以誘導成纖維細胞重新回到幼稚的胚胎干細胞狀態(tài)。

但是，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，要知道24個(gè)基因那就得有多少種排列組合？當然山中伸彌他們不會(huì )去試每一種，但也一定嘗試了很多種。最重要的是，當時(shí)并沒(méi)有人知道這樣做是否能做出什么結果來(lái)，也許做了很久什么結果也不會(huì )有。

當時(shí)最著(zhù)名的胚胎干細胞實(shí)驗室美國威斯康星大學(xué)的詹姆斯·亞歷山大·湯姆森教授的實(shí)驗室也在做類(lèi)似的工作，他們也選擇了24個(gè)基因，也在試哪些排列組合可以得到什么樣的結果，只不過(guò)他們是在人類(lèi)細胞中進(jìn)行，而山中伸彌他們是在小鼠細胞中進(jìn)行。在這種情況下，一個(gè)小實(shí)驗室的工作人員會(huì )很容易產(chǎn)生這樣的念頭：那些大科學(xué)家都在做，我們能做得過(guò)他們嗎？不知道山中伸彌這樣想過(guò)沒(méi)有，不過(guò)重要的是無(wú)論他想了沒(méi)有，最終他堅持下來(lái)了，還獲得了成功。

生物科學(xué)到目前為止還主要是一門(mén)實(shí)驗科學(xué)，所以經(jīng)常是“只有做不到，沒(méi)有想不到”，想法人人都能有，但是是否能做出來(lái)，除了靠努力外，還有運氣的成份。不過(guò)，不去做那就絕對不會(huì )成功。對于這樣一個(gè)前途渺然，工作量又極大的工作，山中伸彌他們可以投入那么大的精力去做，而且還最終把它們做了出來(lái)，不能不叫人佩服。

這不是說(shuō)山中伸彌他們靠的是運氣，因為他們之后又不斷的發(fā)表文章，2007年又與詹姆斯·亞歷山大·湯姆森同時(shí)發(fā)表了人的誘導多能性干細胞的形成，之后又有多篇高質(zhì)量文章面世，說(shuō)明他們實(shí)驗室的整體實(shí)力是非常強的，第一篇文章并非幸致。

·兩組神奇的四劍客

被山中伸彌用來(lái)誘導誘導多能性干細胞的四個(gè)因子現在被稱(chēng)為亞瑪納卡因子，它們后來(lái)又被用來(lái)在人的細胞中表達，也成功的獲得了人的誘導多能性干細胞。這組因子就是Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，是第一組神奇的四劍客。

我們前面講過(guò)，在山中伸彌在小鼠身上使勁時(shí)，詹姆斯·亞歷山大·湯姆森他們也正在用人的細胞做著(zhù)同樣的嘗試。當山中伸彌在小鼠上的成果發(fā)表后，他們倍感壓力，但還是堅持了自己的研究路子，最后發(fā)現了另一組因子Oct4、Sox2、Lin28和Nanog可以將人的成纖維細胞誘導成為誘導多能性干細胞，也就是第二組神奇的四劍客。

這兩篇文章同一天發(fā)表于《細胞》和《自然》雜志，雖然詹姆斯·亞歷山大·湯姆森實(shí)驗室的結果要較早一點(diǎn)做出來(lái)。這也許是兩個(gè)雜志協(xié)商后的結果，人們都猜測是因為這種轟動(dòng)性的研究成果是有可能獲得諾貝爾獎的。

值得一提的是，在詹姆斯·亞歷山大·湯姆森實(shí)驗室主要做這個(gè)實(shí)驗的，是一位來(lái)自中國的年輕女科學(xué)家――俞君英。在此之后，她又接受挑戰，研究無(wú)基因插入的誘導多能性干細胞的建立，并成功的得到了用質(zhì)粒介導的誘導多能性干細胞，這也是誘導多能性干細胞研究中一個(gè)里程碑式的成果。作為一個(gè)年輕的科學(xué)家，可以預見(jiàn)，俞君英在未來(lái)還將在這一領(lǐng)域做出更多更好的工作，再創(chuàng )輝煌。

這兩組神奇的四因子都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：除了Lin28以外，它們都是轉錄因子。

那什么是轉錄因子呢？讓我們先說(shuō)說(shuō)什么是轉錄。我們知道，大部分生物的遺傳信息都儲存在DNA中，但真正行使功能的卻主要是蛋白質(zhì)，在DNA和蛋白質(zhì)之間還有一個(gè)媒介，就是RNA。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是DNA“轉錄”成RNA，RNA再“翻譯”成蛋白質(zhì)。而轉錄因子呢？就是一類(lèi)可以促進(jìn)DNA轉錄成RNA的蛋白質(zhì)。

在生物體中，轉錄是一個(gè)非常復雜的過(guò)程，所有蛋白的轉錄都受到著(zhù)嚴密的調控，轉錄因子可以特異性的結合在特異的DNA序列上，保證目的基因以特定的強度在特定的時(shí)間與空間表達特定的蛋白質(zhì)分子。

所以每一個(gè)轉錄因子都是一系列蛋白表達的開(kāi)關(guān)，而無(wú)論是山中伸彌還是湯姆森的四因子，都是這樣的開(kāi)關(guān)，每個(gè)因子都會(huì )調控一系列的蛋白，而且它們之間還會(huì )有相互作用，最終導致一系列的生化反應，最終把細胞帶上重編程之路。

亞瑪納卡四因子包括：Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4；湯姆森的四因子則包括：Oct4、Sox2、Nanog和Lin28。

由此我們可以看出，這兩組神奇的四因子中Oct4和Sox2比較重要。事實(shí)上Oct4是其中最重要的一個(gè)，目前已經(jīng)有多個(gè)實(shí)驗室在不同種類(lèi)的細胞中實(shí)現只用Oct4就誘導成功誘導多能性干細胞的。不過(guò)這都是在小鼠上，人的誘導多能性干細胞的誘導要復雜得多也困難得多。

·四劍客的分道揚鑣

具有神奇功能的6個(gè)因子，并非都是“全優(yōu)生”，c-Myc根本就是個(gè)原癌基因，Nanog、Klf4都是候選原癌基因，Oct4和Sox2也在腫瘤中有表達，只有Lin28似乎好一點(diǎn)，但它又是所有這6個(gè)因子中研究得最少的一個(gè)。

所以，擺在科學(xué)家面前的問(wèn)題就是：如何用更少的因子做出同樣的事情來(lái)？

首先被淘汰的，當然就是“最不好”的c-Myc了，誰(shuí)叫它是原癌基因呢？但同時(shí)它又是提高誘導多能性干細胞誘導效率的主要因素，誘導多能性干細胞的誘導效率本來(lái)就不高，去除c-Myc后又會(huì )低不止一個(gè)數量級，所以要淘汰c-Myc，就要提高誘導多能性干細胞的誘導效率。小鼠細胞增殖快，易于培養，所以在經(jīng)典的誘導多能性干細胞問(wèn)世不久，就有人做出了沒(méi)有c-Myc的細胞，但是人的和其他動(dòng)物，特別是靈長(cháng)類(lèi)的動(dòng)物的無(wú)c-Myc的誘導多能性干細胞的誘導至今還是困難重重。

Nanog和Klf4是一對可以相互影響的因子，它們在誘導多能性干細胞的誘導中有著(zhù)微妙的作用，可謂“增一分則太長(cháng)，減一分則太短”，但并非完全不可或缺。特別是Klf4，不但在許多成體細胞中有表達，而且可以在多種刺激下誘導表達。目前已經(jīng)有人做出來(lái)，用磷酸二酯酶的促進(jìn)劑來(lái)調控Klf4的表達，大幅度的提高了誘導多能性干細胞的形成效率；同時(shí)也有人利用本身就高表達klf4的成體細胞誘導成功誘導多能性干細胞的例子。

Lin28是一個(gè)翻譯加速器，翻譯水平上調控蛋白質(zhì)合成的一個(gè)因子，它的作用也并非不可或缺，實(shí)際上在我們的研究中，貌似Klf4也有類(lèi)似的作用。

最后，就是Oct4和Sox2了，其中又以Oct4更為重要，雖然很早就有人做出來(lái)組蛋白甲基轉移酶G9a的抑制劑BIX-01294可替代Oct4在誘導多能性干細胞的誘導中起作用，但這種化合物毒性極大，作用卻不強，實(shí)際上并不能替代Oct4在誘導多能性干細胞的誘導中起作用。倒是Sox2在神經(jīng)系統的干細胞、祖細胞等中都有表達，它又是通過(guò)保持Oct4的適當表達水平穩定胚胎干細胞的多能性的，所以在沒(méi)有Sox2的情況下，也可以誘導出來(lái)誘導多能性干細胞。

就這樣，四劍客分道揚鑣了：Oct4是“八風(fēng)吹不動(dòng)，穩坐紫蓮臺”無(wú)可或缺；c-Myc則是“棄你沒(méi)商量”，能不用就不用；Klf4和Sox2可以“自力更生”，用藥物誘導；而Nanog和Lin28則是誘導多能性干細胞這出大戲的“配角”，可以被替換的。

原本神奇的亞瑪納卡四因子選出了它們當然的“王”——Oct4。

 

2.誘導多能性干細胞的優(yōu)勢

·倫理優(yōu)勢

誘導多能性干細胞無(wú)疑是最近幾年干細胞學(xué)界、甚至是生物學(xué)界最重要的發(fā)現，幾乎所有的人都認為它將是未來(lái)諾貝爾獎的當然贏(yíng)家，只是或遲或早，哪些人來(lái)分享的問(wèn)題（當然山中伸彌是一定榜上有名的）。它的優(yōu)勢是那么明顯，簡(jiǎn)直就是不言自明的。

最重要的優(yōu)勢就是，它規避了胚胎干細胞研究的倫理壁壘，用成體細胞來(lái)培養出胚胎干細胞，完全不涉及有關(guān)胚胎啦、生命啦、意識啦這些問(wèn)題。其次，也規避了捐獻的供體和受體的問(wèn)題，誘導多能性干細胞技術(shù)完全可以做到用你自己的細胞治療你自己的疾病，不用他求，只要你自己愿意就可以了。

說(shuō)起來(lái)，奧巴馬還真是運氣，在他之前，小布什大張旗鼓地禁止干細胞研究，一時(shí)間干細胞學(xué)界萬(wàn)馬齊喑，前途一片晦暗。而奧巴馬一上臺就正好趕上誘導多能性干細胞橫空出世，干細胞研究一片欣欣向榮，奧巴馬正好又是一個(gè)旗幟鮮明的“挺干細胞”派，由此順風(fēng)順水，干細胞研究從此走上快車(chē)道，以后對世界經(jīng)濟的積極作用不可限量。當后人提起此事時(shí)，除了對科學(xué)家們的敬仰外，恐怕也不得不佩服一下奧巴馬的遠見(jiàn)卓識吧？

·免疫優(yōu)勢

誘導多能性干細胞的免疫優(yōu)勢也是不言而喻的，胚胎干細胞本來(lái)就是一種免疫原性很弱的細胞，而采自自身的誘導多能性干細胞理論上講是應該沒(méi)有任何免疫排斥的。

不過(guò)最近有文章指出，因為誘導多能性干細胞在體外培養多代，要用于治療又會(huì )有一個(gè)重新分化的過(guò)程，從成體細胞去分化，到體外培養，再到重新分化，這是一個(gè)非常復雜的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中難保不會(huì )發(fā)生免疫原性的變化。特別是對免疫細胞來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)免疫重排的問(wèn)題，所以我們不能掉以輕心，以為取自自身的細胞，自身就一定不會(huì )排斥。在誘導多能性干細胞的免疫原性問(wèn)題上還有大把研究可做。

不過(guò)無(wú)論如何，就算重分化后的誘導多能性干細胞又重新獲得了免疫原性，這種免疫原性也會(huì )是非常非常弱的，比起來(lái)自其他人的成體干細胞、胚胎干細胞都要弱很多很多，如果單從免疫原性角度來(lái)考量，誘導多能性干細胞應該是當然的首選。

順便說(shuō)一下，在理論上講，我們甚至可以嘗試用誘導多能性干細胞來(lái)治愈艾滋病。請注意，這里講的可是治愈噢！艾滋病的發(fā)病主要侵襲的是T細胞，在T細胞中復制轉錄，并且破壞T細胞從而導致免疫缺陷，如果我們用誘導多能性干細胞的方法，在T細胞中轉入抑制艾滋病毒的基因，就可以使艾滋病毒不能再復制轉錄以至生存，這樣，不就可以治愈艾滋病了嗎？事實(shí)上已經(jīng)有科學(xué)家在往這個(gè)方向努力了。

·個(gè)體優(yōu)勢

佛說(shuō)“一花一世界，一葉一菩提”，而這個(gè)世界上沒(méi)有兩片葉子是相同的，人也是這樣，看上去我們都是一個(gè)鼻子倆眼睛，但是身體上卻是千差萬(wàn)別的，所以有的人感冒抗一抗就過(guò)去了，有的人住院吊水還要拖個(gè)十天半個(gè)月的。

實(shí)際上生物界正是由于這樣的千差萬(wàn)別才會(huì )如此的欣欣向榮。

但是，遇到疾病就悲劇了，如果哪個(gè)藥說(shuō)百分之百治愈某病，那可千萬(wàn)別信，那一定是騙人的。

這時(shí)，誘導多能性干細胞的優(yōu)勢就又出來(lái)了，因為它能給你提供“個(gè)性化服務(wù)”，比如說(shuō)某人患上了某種疾病，治療這種疾病的藥物有很多種，我們不知道哪些更適合他，這樣我們就可以把這個(gè)人的細胞取出來(lái)，做成誘導多能性干細胞，再分化成這種疾病所侵襲的細胞，在分化過(guò)程中或/和分化后，用不同的藥物或藥物組合去處理細胞，這樣就能找出針對這個(gè)人的最合理的藥物組合，這樣用起藥來(lái)不就事半功倍了？

當然，這只是個(gè)極端的例子，事實(shí)上比較合理的做法是：基于很多疾病都會(huì )有很多分型，同樣一個(gè)病基于的基因型可能千差萬(wàn)別，我們可以通過(guò)誘導多能性干細胞技術(shù)建立各種分型的細胞庫，再用這些細胞庫來(lái)篩選藥物，其主要的優(yōu)勢是在于細胞比較容易獲得，易于培養。因為成體細胞是很難在體外長(cháng)期傳代培養的，而誘導多能性干細胞是一種胚胎干細胞，在理論上講是可以無(wú)限傳代的，而且也是一種易于基因操作的細胞。

同時(shí)，我們還可以通過(guò)這些細胞的重分化過(guò)程，研究這些疾病是如何發(fā)展的，是哪些基因、哪些因素導致了這些疾病，它們之間的關(guān)系是怎樣的，這也為我們治療這些疾病提供了依據。用誘導多能性干細胞技術(shù)，我們可以把細胞的狀態(tài)上溯到胚胎發(fā)育的早期，從最初的源頭來(lái)研究這個(gè)疾病，特別適合研究那些有遺傳因素的疾病。

·技術(shù)優(yōu)勢

誘導多能性干細胞還有一個(gè)優(yōu)勢就是技術(shù)優(yōu)勢。雖然誘導多能性干細胞如此的大名鼎鼎，但它所基于的技術(shù)卻相當簡(jiǎn)單，是許多分子細胞實(shí)驗室本來(lái)就具備的，其實(shí)也就是一個(gè)轉基因技術(shù)（經(jīng)典的誘導多能性干細胞技術(shù)）。這個(gè)技術(shù)不但成熟簡(jiǎn)單，而且相對便宜：傳統的核移植除了要求要有非常熟練的經(jīng)驗工，完備的實(shí)驗室，優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗動(dòng)物（人的就干脆沒(méi)法兒做）外，光一臺顯微操作的顯微鏡就要動(dòng)輒幾百萬(wàn)，這又有幾個(gè)實(shí)驗室負擔得起？而誘導多能性干細胞技術(shù)把技術(shù)門(mén)檻降低了很多，使得很多普通實(shí)驗室也能?chē)L試，也能成功。

所以一旦山中伸彌的誘導多能性干細胞文章一出現，馬上就在世界上掀起了誘導多能性干細胞狂潮，從06年唯一的一篇誘導多能性干細胞文章開(kāi)始，到現在已經(jīng)有3000多篇文章發(fā)表，而且后續的研究還在井噴式的發(fā)展中。這一方面是因為誘導多能性干細胞技術(shù)應用的前景非常廣泛，另一方面也與這一技術(shù)的簡(jiǎn)單易行脫不了干系。

所以，在這個(gè)新興的領(lǐng)域，我國的科學(xué)家也不甘人后，建立了全球第三個(gè)擁有此技術(shù)的實(shí)驗室，做出了很多最前沿的工作，特別是最后為誘導多能性干細胞正名的“板上釘釘”的“四倍體小鼠”的實(shí)驗，是中國實(shí)驗室在這個(gè)領(lǐng)域的杰出貢獻之一。后面我們還將介紹我國科學(xué)家在這一領(lǐng)域的另一個(gè)重要貢獻。

可以說(shuō)，在這個(gè)新興的科研領(lǐng)域，我國科學(xué)家與世界各國的科學(xué)家一同起步，走在了這個(gè)領(lǐng)域的最前沿。

 

3.誘導多能性干細胞發(fā)展現狀

·病毒——我是四劍客的坐騎

最早出現也是最經(jīng)典的誘導多能性干細胞的誘導方法就是用病毒將4個(gè)因子帶到細胞里，讓它們在細胞內表達，然后影響細胞的分裂增殖，最終回復成最初的幼稚狀態(tài)。從這個(gè)意義上來(lái)講，病毒就像是4因子的坐騎，帶著(zhù)它們來(lái)到它們應該去的地方。

首先我們應該先了解一下病毒為什么可以把基因帶入到細胞里去。

病毒，從嚴格意義上講并不是一個(gè)生命體，因為它們是不能獨立生存的，只有在它們所感染的細胞內才可以生存。一般的病毒都有一個(gè)蛋白質(zhì)外殼和其中的一段遺傳物質(zhì)，這個(gè)遺傳物質(zhì)可以是DNA也可以是RNA，當病毒感染細胞時(shí)，會(huì )把蛋白質(zhì)外殼留在細胞外，而將自己的遺傳物質(zhì)象注射一樣的注射進(jìn)入細胞內。而這些遺傳物質(zhì)就在這個(gè)細胞內利用細胞的蛋白質(zhì)表達系統，以自己的遺傳物質(zhì)為模板，制造自己的蛋白，同時(shí)復制自己的遺傳物質(zhì)，然后再把復制好的遺傳物質(zhì)和表達好的蛋白組裝起來(lái)，再去感染下一個(gè)細胞。

基于病毒這樣的工作原理，科學(xué)家們就天才的利用病毒，把我們帶有我們要表達的蛋白的遺傳信息的遺傳物質(zhì)鏈接到病毒的遺傳物質(zhì)中，當病毒感染細胞后就會(huì )表達我們想要表達的蛋白了。

山中伸彌最早使用的病毒就是一個(gè)來(lái)源于艾滋病毒的逆轉錄病毒PMX，這種病毒是一種RNA病毒，它自身帶有逆轉錄酶，可以把自己攜帶在RNA上的信息通過(guò)逆轉錄變成DNA，連接到宿主細胞的DNA上，然后與宿主細胞的DNA一起表達。

當然，在山中伸彌使用它的時(shí)候，這種病毒是經(jīng)過(guò)了大量的改造的，已經(jīng)不能做為艾滋病毒使人或動(dòng)物感染艾滋病了。事實(shí)上，這是一個(gè)非常成熟的商品化的病毒，在山中伸彌用它來(lái)做誘導多能性干細胞之前就有很多實(shí)驗室都在使用了。

但是PMX這種轉基因的方式存在著(zhù)不少缺點(diǎn)：首先，它是把4個(gè)因子一個(gè)一個(gè)轉進(jìn)去，就算感染效率極高，達到90%以上，當4個(gè)因子一乘，4個(gè)因子都轉入的效率就只有0.6561了；其次，它所帶入的基因是隨機插入到被感染細胞的基因組中的，插入到哪里，插入多少個(gè)拷貝都完全不能控制，這就造成很多插入起不到效果，或者起到相反或很壞的效果。這就造成了早期的誘導多能性干細胞研究效率極低，飽受質(zhì)疑。

最重要的是，當你不知道被轉入的基因插入到了宿主細胞的哪里時(shí)，這就隱含了巨大的風(fēng)險在里面，這段插入的基因到底怎么表達，被它插入的那段宿主的DNA又會(huì )受到什么樣的影響，沒(méi)有人知道，因為這個(gè)插入是隨機的，我們甚至不能確定我們拿到的細胞里是否都插入了同樣的基因。

為了提高效率和準確率，各國科學(xué)家在病毒感染技術(shù)這一領(lǐng)域展開(kāi)競爭，想出了各種千奇百怪的點(diǎn)子，有的嘗試把4個(gè)因子串聯(lián)起來(lái)，用一個(gè)病毒帶進(jìn)去（從騎士們單人單騎變成大家一起坐馬車(chē)）；有的想利用互補配對原理，使轉入的基因插入到特定的區域；還有的在轉入的基因兩頭加入特定序列，這樣在基因轉入發(fā)揮效應使成體細胞重分化成誘導多能性干細胞后（此時(shí)外源轉入的基因已經(jīng)沒(méi)用、被沉默掉了）可以用特殊的酶把它們切下來(lái)去除掉；還有人在需要表達的蛋白序列之前再加上一段誘導劑的序列，這樣就可以在規定的時(shí)間、空間通過(guò)藥物誘導的方法使我們需要的蛋白開(kāi)始表達，等等方法，不一而足。

但是所有這些基于病毒的轉基因的方法都存在著(zhù)隱患，就是這個(gè)方法本身――病毒。雖然我們已經(jīng)應用了很久，做了很多很多的研究，但是這些用來(lái)轉基因的病毒所發(fā)揮的作用還是不能100%的保證，如果掛萬(wàn)漏一也會(huì )造成不可挽回的損失。所以所有以治療為目的的誘導多能性干細胞研究，最后都必需摒棄病毒這個(gè)“坐騎”，轉而尋找其他的途徑和方法。

但是誘導多能性干細胞的機制研究中，由于病毒的高效率和易操作，還是研究中的不二之選。

·無(wú)插入的誘導方法

在最初的經(jīng)典的誘導多能性干細胞問(wèn)世之后，所有的人都意識到了一點(diǎn)，就是這是一種利用轉基因的方法達到目的的技術(shù)，也就是說(shuō)改變了細胞原有的基因組序列。

那能否不改變基因組序列而達到同樣的效果呢？答案是肯定的。因為在誘導多能性干細胞技術(shù)問(wèn)世之前，就已經(jīng)有很多種不改變基因組的蛋白引入方法了，所以一旦誘導多能性干細胞面世，各國科學(xué)家就都想到了這一點(diǎn)，并在這個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)了競賽。當年與山中伸彌同時(shí)做出人的誘導多能性干細胞的中國女科學(xué)家俞君英就在這一領(lǐng)域做出了杰出的貢獻，她第一個(gè)利用質(zhì)粒做出了無(wú)插入基因的誘導多能性干細胞，在國際上贏(yíng)得了廣泛關(guān)注。

其實(shí)最早做出無(wú)外源基因插入的誘導多能性干細胞的利用的其實(shí)還是病毒，不過(guò)不是常用的逆轉錄病毒而是腺病毒。腺病毒是一種雙鏈DNA病毒，它最大的優(yōu)勢就是不會(huì )把它所攜帶的基因插入到宿主細胞中，而是在宿主細胞中游離的表達；另外逆轉錄病毒只能感染正在分裂增殖的細胞，而腺病毒則還可以感染非增殖細胞，所以腺病毒是表達和傳遞治療基因的主要候選者。但在實(shí)際操作中，誘導多能性干細胞的誘導還是逆轉錄病毒系統更為高效和穩定；而且，腺病毒再怎么說(shuō)還是病毒，雖然理論上講多次傳代后就會(huì )在細胞中稀釋?zhuān)€是一個(gè)病毒，終究會(huì )留下隱患，所以精益求精的科學(xué)家們還在尋找其他方法。

這就是俞君英所做的工作了。

質(zhì)粒是一種染色體外的穩定遺傳因子，是一種雙鏈、閉環(huán)的DNA分子，它具有自主復制和轉錄能力，能在子代細胞中保持恒定的拷貝數，并表達所攜帶的遺傳信息。最早只發(fā)現它們存在于細菌、放線(xiàn)菌和真菌中，近年來(lái)的實(shí)驗發(fā)現它們也可以在哺乳動(dòng)物的細胞中起作用，把我們要表達的基因帶入到動(dòng)物乃至人的細胞中去。

我們一般用人工構建的質(zhì)粒做為載體來(lái)把我們要表達的蛋白基因帶入到我們的目標宿主細胞中，這個(gè)過(guò)程多數是非常短暫的，只有7天，而且很少會(huì )有插入到宿主DNA的情況發(fā)生。所以，俞君英就選取了這個(gè)方法來(lái)研究無(wú)插入誘導多能性干細胞的誘導方法，并獲得了成功。

不過(guò)，無(wú)論如何，質(zhì)粒也是遺傳物質(zhì)，有沒(méi)有不用遺傳物質(zhì)來(lái)誘導誘導多能性干細胞的呢？還真有！起碼科學(xué)家們真的在向這個(gè)方向在努力，這，就是化學(xué)誘導。

·化學(xué)誘導（一鍋巫婆煮的湯）

在化學(xué)誘導前面，我們先談?wù)劦鞍渍T導。

看了前面的基因誘導，有人要說(shuō)了：我們?yōu)槭裁匆敲绰闊?，讓細胞自己表達基因，我們把可以起作用的蛋白直接加進(jìn)去不就得了？真是說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難??！不要忘了，細胞是有個(gè)“膜”的，它就像一個(gè)動(dòng)態(tài)的“防火墻”把細胞生長(cháng)不要的東東統統擋在外面，象蛋白質(zhì)這樣大分子的物質(zhì)，要進(jìn)入細胞更是難上加難。

但這終究不是最佳方案，在細胞誘導的這一領(lǐng)域，人類(lèi)的終極夢(mèng)想是“化學(xué)誘導”，就是用一些小分子化合物刺激細胞，使得它們表達一些蛋白，從而發(fā)生生理生化反應，最終誘導轉變稱(chēng)為我們需要的細胞。形象點(diǎn)比喻，就是弄一鍋像是巫婆煮的湯一樣的東西，只要把細胞放進(jìn)去，培養培養，出來(lái)就是我們需要的細胞了。

在這個(gè)領(lǐng)域，又是中國科學(xué)家拔得頭籌，美國加利福尼亞州拉由拉市史克里普斯研究所的丁勝先是利用重組蛋白誘導誘導多能性干細胞，之后有研究如何用小分子物質(zhì)誘導，取得了很多很重大的發(fā)現。

 

4.誘導多能性干細胞面臨的問(wèn)題

·高效、節能、環(huán)保！最時(shí)髦的口號！

誘導多能性干細胞雖然相對于核移植技術(shù)是一個(gè)技術(shù)門(mén)檻比較低，比較節省的誘導方法，但相對于常規的細胞培養，它的費用還是相當驚人的，而且沒(méi)有一定的胚胎干細胞培養經(jīng)驗的實(shí)驗室人員也很難做得出來(lái)。最重要的是，它的誘導效率相當的低，以至于在剛開(kāi)始出現時(shí)會(huì )遭受質(zhì)疑，認為山中伸彌只不過(guò)是分離出了本來(lái)就存在于成體組織中的相對幼稚的細胞而已。

現在當然沒(méi)有人再這樣說(shuō)了，可是要想大規模應用和更好的研究機制，提高誘導多能性干細胞的誘導效率是擺在所有這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家面前的一個(gè)難題。說(shuō)是難題，實(shí)際上這也是一個(gè)蛋糕，誰(shuí)在這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先，就意味著(zhù)在未來(lái)的研究中先走了一步，前途未可限量。所以各國科學(xué)家都在磨刀霍霍，爭取分到更大的一塊。

在這個(gè)領(lǐng)域，常用的思路主要有兩條：一個(gè)是找到更容易轉化的細胞種類(lèi)，比如神經(jīng)干細胞、角質(zhì)細胞、臍帶細胞、胃腺細胞，它們由于本身就表達某些誘導多能性干細胞因子，增值快等優(yōu)勢，可以高效率的轉化成為誘導多能性干細胞。但這個(gè)方法的缺點(diǎn)也非常明顯，就是必需用特殊的細胞，如果沒(méi)有，就一籌莫展了。

另一個(gè)思路是添加各種化合物、抗體等化合物來(lái)促進(jìn)誘導多能性干細胞的轉化，我們前面所講到的化學(xué)誘導就屬于這一類(lèi)，國內外有不少實(shí)驗室都在卯足了勁兒篩選化合物分子庫，試圖找出更多更好更強的促進(jìn)誘導多能性干細胞誘導的化合物。這種大規模的篩選實(shí)驗在近年來(lái)非常流行，飛速發(fā)展，現在已經(jīng)可以用機器完成細胞培養，加藥以及掃描的全過(guò)程，是現代藥物研發(fā)的一個(gè)基礎平臺。不過(guò)自然界和人工合成的化合物何其多也，要想在里面發(fā)現我們需要的化合物無(wú)異于大海撈針；而藥物篩選平臺雖然近年來(lái)得到了長(cháng)足的發(fā)展，但還是受到多方面因素的限制，建立一個(gè)穩定的平臺非常之困難，所以要想高效節約地獲得誘導多能性干細胞，還是“路漫漫而修遠兮”呢！

·基因插入的蝴蝶效應

誘導多能性干細胞的另一個(gè)問(wèn)題與是其他轉基因技術(shù)一樣，存在一個(gè)遠期效應的問(wèn)題。生物體是一個(gè)復雜的巨系統，任何改變都有可能引發(fā)蝴蝶效應。而誘導多能性干細胞的誘導對一個(gè)細胞來(lái)說(shuō)是一個(gè)翻天覆地的變化，在這個(gè)過(guò)程中到底發(fā)生了哪些事件我們并不知道。就算我們研究明白了所有的事件，那么這些事件又會(huì )引起哪些效應？這些效應又會(huì )導致哪些事件？

做為一個(gè)復雜的巨系統，我們絕對不能用線(xiàn)性的思維來(lái)機械的看待生物體，所以在轉基因技術(shù)中隱含著(zhù)巨大的危機，稍有不慎就有可能打開(kāi)潘多拉的魔盒，造成無(wú)法挽回的損失。

所以，在誘導多能性干細胞應用的這個(gè)方向的研究，大家都致力于無(wú)插入的技術(shù)。但是這也不是說(shuō)沒(méi)有風(fēng)險，因為在我們所需要特異性表達的蛋白中，就有原癌基因，而完全繞不開(kāi)，最關(guān)鍵的基因Oct4也是一個(gè)會(huì )在腫瘤組織中表達的蛋白，對它的研究雖然很多，但一旦放到復雜巨系統這個(gè)層面上來(lái)講，就很難說(shuō)了。

但是，難道因為存在風(fēng)險就不去研究開(kāi)發(fā)它了嗎？恰恰相反，真因為存在著(zhù)巨大的風(fēng)險，才更需要更深入的研究，研究清楚到底存在哪些風(fēng)險，如何規避等等，才是王道。

·“飲鴆止渴”，還是不？

在誘導多能性干細胞研究領(lǐng)域最熱門(mén)的一塊，就是化學(xué)誘導，但化學(xué)誘導也有它的局限性：

首先，這一技術(shù)還非常不成熟，目前為止雖然找到了很多可以促進(jìn)、提高誘導多能性干細胞誘導效率的小分子化合物，但是純粹用化合物來(lái)誘導的方法還是沒(méi)有找到，雖然大家都抱有這樣一個(gè)美好的向往，但是否能做到誰(shuí)也不知道。

其次，其實(shí)化合物也都是有毒性的，這些化合物在對細胞作用的同時(shí)也在損傷細胞，它們對細胞的損傷又會(huì )多大程度上影響細胞的狀態(tài)以及功能也需要研究；事實(shí)上，在已經(jīng)證實(shí)對誘導多能性干細胞誘導起作用的許多化合物中，就有很多是有劇毒的。雖然理論上講小分子化合物可以通過(guò)在細胞傳代過(guò)程中不斷的沖洗換液來(lái)稀釋去除，但是否能清除干凈卻很難說(shuō)，而且痕量的化合物是否會(huì )殘留作用呢？這也是需要科學(xué)家們回答的問(wèn)題。

最后，我們往往需要多種小分子化合物協(xié)同，才能達到我們需要的目的，那么這些小分子化合物之間會(huì )不會(huì )產(chǎn)生影響呢？這種影響又會(huì )多大程度上影響細胞的功能呢？這些都還需要研究。

應用小分子化合物來(lái)誘導誘導多能性干細胞，也許就是一個(gè)“飲鴆止渴”的方法，問(wèn)題是我們如何去研究和優(yōu)化它，盡量強化效率而規避風(fēng)險。

成“瘤”？拒絕！

其實(shí)，誘導多能性干細胞做為一種特殊的胚胎干細胞也面臨著(zhù)與胚胎干細胞同樣的問(wèn)題，就是：成瘤性。

做為胚胎干細胞，它的一個(gè)特點(diǎn)就是永生性，而永生化正是細胞癌變的第一步，而我們鑒定一株細胞是否是胚胎干細胞或誘導多能性干細胞時(shí)常用的方法就是看它是否能在裸鼠體內形成“畸胎瘤”。所以成瘤性正是胚胎干細胞的固有屬性之一。

但是當我們需要用胚胎干細胞進(jìn)行治療應用時(shí)，是絕對不希望有腫瘤產(chǎn)生的，這樣就產(chǎn)生了一對矛盾：培養時(shí)我們需要它無(wú)限傳代，使用時(shí)我們又需要它不能成瘤。

針對這一對矛盾，解決的方案有兩個(gè)：

一是，先體外誘導胚胎干細胞成為我們所需要的種類(lèi)的細胞或它們的前體細胞，再進(jìn)行移植治療。因為胚胎干細胞有這樣一個(gè)特性，一旦分化，就會(huì )失去永生化的這一特性，不再成瘤。不過(guò)這也存在著(zhù)問(wèn)題，胚胎干細胞的體外分化目前為止還是一個(gè)不那么成熟的技術(shù)，雖然可以分化成多種細胞，但效率都不是很高，而且分化出來(lái)的細胞也不一定是有足夠功能的，所以如何得到純的、有功能的胚胎干細胞分化而來(lái)的所需細胞還是需要更多研究的。

二是，有人提出在胚胎干細胞中引入自殺基因，當移植的胚胎干細胞向腫瘤發(fā)展時(shí)，就會(huì )啟動(dòng)自殺基因，發(fā)揮作用導致細胞死亡。

 

5.誘導多能性干細胞研究展望（可見(jiàn)的科幻）

·你自己的胚胎干細胞——個(gè)體特異性干細胞

誘導多能性干細胞最誘人的前景是它的“個(gè)性化服務(wù)”這個(gè)特點(diǎn)。在這個(gè)人人都追求“特立獨行”的時(shí)代，擁有自己獨特的一份兒“胚胎干細胞”該是一件多么酷的事??！

不過(guò)“個(gè)性化服務(wù)”絕不僅僅是“酷”這么簡(jiǎn)單，這涉及到“人”的生物學(xué)本質(zhì)。從生物學(xué)角度講，這個(gè)世界上沒(méi)有哪兩個(gè)人是完全相同的，就算是基因型完全相同的的同卵雙胞胎他/她們的表觀(guān)遺傳學(xué)特性也有可能不一樣，兩個(gè)人在生活中的際遇環(huán)境差異也會(huì )導致生理、病理上的差異。所以，每個(gè)人得的病也就不會(huì )完全一樣，小病也就算了，萬(wàn)一得個(gè)大病，誰(shuí)不希望能在最短的時(shí)間得到最有效的治療？但事實(shí)上在當今醫學(xué)上，還是在經(jīng)常應用“試錯法”――先上藥治著(zhù)看，如果起效了就是這個(gè)病，不起效就排除這個(gè)病――這叫做“診斷性治療”，熱門(mén)美劇《豪斯醫生》就總是在用這個(gè)方法。

如果有了個(gè)性化的胚胎干細胞，在很大程度上我們就不必用真人去“試錯”了，用我們的細胞就可以了！要知道，誘導多能性干細胞可是永生化的，理論上講是可以永無(wú)止境的供應的。

當然用我們自己的細胞修復我們自己的組織就更不用說(shuō)了。

科幻片里經(jīng)常有用“復制人”做為“后備”為人類(lèi)提供健康器官組織的狗血鏡頭，其實(shí)完全不必那么麻煩，為什么要培育一個(gè)完整的“人”那么麻煩呢？只要有萬(wàn)能細胞不就行了？誘導多能性干細胞就是我們的萬(wàn)能細胞。不過(guò)目前為止，我們還不能做到在體外直接用“萬(wàn)能細胞”培育出一個(gè)完整的器官。

·誰(shuí)想變啥就變啥——定向重編程

當然誘導多能性干細胞也有它的局限性，最主要的就是我們前面提到的成瘤性，所以，這里還有另外一個(gè)選擇，就是“轉分化”，也就是定向重編程。

誘導多能性干細胞不是把終末分化的細胞重新恢復成最原始最幼稚的胚胎干細胞嗎？那我們能不能把終末分化的細胞直接重編程成為另一種細胞，或者是成體干細胞，或者是另一種終末分化的細胞？在誘導多能性干細胞技術(shù)出現以前，就有人在這個(gè)方向上做出過(guò)嘗試，誘導多能性干細胞技術(shù)出現以后，就更加增強了大家的信心：最幼稚的胚胎干細胞都能誘導出來(lái)，其他種類(lèi)的細胞應該也可以。

事實(shí)上，也確實(shí)是如此。

早在1987年安德魯·拉薩等人就已經(jīng)成功的把小鼠的成纖維細胞轉分化成為了成肌細胞，當然這只是“成”字頭細胞之間的相互轉化，與我們現在所講的“轉分化”還是有較大區別的。此后又陸續有一些相關(guān)實(shí)驗，比如把B細胞轉化成巨噬細胞或淋巴祖細胞；把胰臟外分泌細胞轉化成有功能的β細胞（分泌胰島素的細胞）等；但一直到誘導多能性干細胞技術(shù)推廣以后，“轉分化”技術(shù)也才迎來(lái)了自己的“春天”。2010年在國際頂尖雜志《自然》和《細胞》上接連發(fā)表了3篇文章，分別是把成纖維細胞轉分化成為神經(jīng)細胞、血液祖細胞和心肌細胞。他們都是用誘導誘導多能性干細胞最常用的一種細胞――成纖維細胞，分別誘導培養出來(lái)了有功能的神經(jīng)、血液和心肌細胞，這是相當了不起的成就，是再生醫學(xué)的一個(gè)重要進(jìn)步。

·原地滿(mǎn)狀態(tài)復活——定點(diǎn)重編程

那還有沒(méi)有更好的方法呢？

有的，就是定點(diǎn)定向重編程。

有人提出來(lái)，我們可以在組織受損的部位，利用重編程技術(shù)把這個(gè)部位的其他種類(lèi)的細胞重編程成為有功能的、我們需要的細胞種類(lèi)。這是不是聽(tīng)上去很科幻？但這并不是不可能的，因為這個(gè)技術(shù)可以基于早已經(jīng)在開(kāi)發(fā)的另一個(gè)技術(shù)――個(gè)體水平的轉基因技術(shù)來(lái)進(jìn)行。很早就有人利用腺病毒來(lái)做這樣的工作了，比如1996年就已經(jīng)利用腺病毒治療鳥(niǎo)氨酸氨甲?；D移酶缺乏癥，已經(jīng)進(jìn)入一期臨床的實(shí)驗了。只不過(guò)還沒(méi)有人把它應用于誘導多能性干細胞技術(shù)或轉分化技術(shù)中去罷了。

你看，這像不像“原地滿(mǎn)狀態(tài)復活”？

不過(guò)，這還只是我們科學(xué)家的幻想，具體的實(shí)施還需要艱苦的努力。