山中伸彌：逆轉生命程序
本文作者：odette
文本為編譯，發表於2009年1月的《環球科學》
文/蒂姆?霍爾尼亞克（Tim Hornyak）
當歷史學家為幹細胞研究撰寫編年史時，山中伸彌（Shinya Yamanaka）很可能以一個「和事佬」的角色被載入史冊：這位日本科學家用一種前所未有的方式，終結了胚胎幹細胞領域曠日持久的倫理之爭（因為要獲取胚胎幹細胞，往往需要破壞胚胎）。2007年，兩個研究小組證明，通過基因重組，人類的普通皮膚細胞可以重返幹細胞狀態。其中一個小組的負責人正是山中伸彌。由皮膚細胞產生的幹細胞叫做誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）。
46歲的山中伸彌喜歡整潔，像一位軍人。在日本京都大學前沿醫學研究所，我看到了他的辦公室：很小很簡陋，但出奇得乾淨整潔。站在辦公室里，你很難把這間屋子的主人與萬眾矚目的iPS細胞聯繫在一起。不過，也許在未來某一天，這間辦公室會多出一枚代表科學界至高榮譽的諾貝爾獎章。山中伸彌掃視了一下自己的辦公室，對我說：「就在辦公室下方10米，有一個房間我從來沒有進去過，因為沒有政府的許可，我無權進入。在那間屋子裡，存放著日本境內唯一一個取自人類胚胎的幹細胞系。」
儘管在名義上，日本政府允許使用胚胎幹細胞，但實際操作中，人類胚胎幹細胞的獲取和使用都受到非常嚴格的限制。為了獲准使用胚胎幹細胞，研究人員往往要花費一年的時間，來辦理各種申請手續。
在日本，不僅科學氛圍沉悶，研究人員還受到很多規則的束縛。不過，山中伸彌卻意外成為這種科學文化的受益者。最初，他只是大阪的一位整形醫生。20世紀90年代中期，他決定前往美國格拉德斯通心血管疾病研究所（Gladstone Institute of Cardiovascular Disease）做博士後，從事小鼠癌症相關基因的重編碼研究。到那裡後，山中伸彌發現美國簡直就是「天堂」，不僅容易接觸到胚胎幹細胞系，並且經費充足，可以和很多頂尖科學家交流。而在日本，他四處碰壁。山中伸彌回憶道：「做完博士後研究回到日本時，我喪失了全部動力。資金少得可憐，優秀科學家屈指可數，我還得親自飼養近1,000隻小鼠。」
他陷入絕望，險些放棄研究重回手術室。但有兩件事激勵著他繼續留在科學界：一封邀請函不期而至，邀請他擔任日本奈良科技研究所一個小實驗室的負責人；美國威斯康星大學麥迪遜分校的詹姆斯?湯姆森（James Thomson，另一個製造iPS細胞的研究組的負責人）分離出了第一代人類胚胎幹細胞。
湯姆森分離出胚胎幹細胞後，很多研究人員試圖控制這些細胞，讓它們分化為特定細胞類型，以替代病變或受損組織，從而改進現有醫療手段。山中伸彌說：「對於這樣的研究，我們實驗室根本不具備競爭力，所以我想，反其道而行之或許是條出路——不是讓胚胎幹細胞變成什麼，而是讓別的東西變成胚胎幹細胞。」1997年，英國科學家伊恩?威爾穆特（Ian Wilmut）成功克隆出多利羊，給了他很大的啟發：「我們從中了解到，即使是完全分化的細胞，也能回到類似胚胎幹細胞的狀態，但我們同時也認為，要實現這個目標，需要漫長的研究過程——可能要花二三十年。」
然而，山中伸彌只花了不到10年時間。為了解決胚胎幹細胞研究中的兩個關鍵問題，山中伸彌變得幹勁十足。一個是細胞來源問題。他曾參觀過一個朋友的生殖學實驗室，在顯微鏡下看到了早期胚胎。脆弱的初生生命打動了他，不過他強調不反對利用胚胎幹細胞拯救病人；另一個問題是，胚胎幹細胞移植到人體時，免疫排斥可能危害健康，而來自病人自身的iPS細胞分化出的細胞，就不會產生這樣的副作用。
山中伸彌開始研究小鼠胚胎細胞如何保持多能性，以便能分化成身體里的任意細胞類型。他猜測，小鼠胚胎可能含有一些特殊蛋白質，這是成熟細胞所沒有的。如果將相應基因（尤其是控制其他基因活性的轉錄因子的基因）插入普通皮膚細胞的染色體中，也許就能使皮膚細胞轉化為胚胎幹細胞。
經過4年的試驗，他發現了24個因子，將它們轉入普通小鼠的成纖維細胞，並經過合適的培養步驟後，就可以生成與幹細胞相同的多能細胞。山中伸彌檢測了每一個因子，發現任何因子都無法單獨發揮作用，只有特定的4種因子的組合才能完成這一任務。2006年，他在《細胞》（cell）雜誌上發表了一篇里程碑式的論文，介紹了編碼上述4種因子的基因：Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4。
這篇文章震驚了全世界，也促使科學家產生了更為大膽的想法：人類細胞是否也能像小鼠細胞一樣重返幹細胞狀態？2007年，山中伸彌和湯姆森的研究小組幾乎在同一時間宣布，他們利用此前發現的4種轉錄因子（分別由Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4編碼），成功製造出人類iPS細胞。儘管湯姆森表示「我們的實驗非常簡單，很容易重複，」但其他科學家仍然認為，這一重大突破好比點石成金。
此後，科學家紛紛放棄胚胎幹細胞研究，轉而進行成熟細胞的誘導工作。目前，山中伸彌和其他研究小組已把多種組織（包括肝、胃和大腦）的細胞，轉變成了iPS細胞，並讓iPS細胞分化成了皮膚、肌肉、胃腸道、軟骨、能分泌神經遞質多巴胺的神經細胞以及可以同步搏動的心臟細胞。
不過，兩個安全隱患決定了iPS細胞無法在短時間內進入臨床應用。c-Myc除了編碼轉錄因子，還有另外一種身份：癌基因，而山中伸彌製造的iPS細胞也確實容易發生癌變。他解釋說：「製造iPS細胞就像在製造癌症。」其實，製造iPS細胞可以不需要c-Myc：山中伸彌和美國麻省理工學院的魯道夫?詹尼士（Rudolf Jaenisch）發現，如果優化細胞培養條件，即使不使用c-Myc，也能將小鼠細胞轉化為iPS細胞。為了比較含有和不含c-Myc的iPS細胞的安全性，山中伸彌將兩類細胞分別移植到100隻小鼠體內。結果發現，100天後，接受不含c-Myc的iPS細胞的小鼠無一死亡，而另外100隻小鼠則有6隻死於癌症。
第二個安全隱患來自基因載體——逆轉錄病毒（retroviruses）。利用這類載體向細胞插入基因，會使生成的幹細胞充滿病毒。而且，逆轉錄病毒還可能誘導細胞突變，導致癌症。不過，科學家很快就會解決這個難題。2008 年9月，哈佛大學幹細胞研究所的一個研究組宣布，他們用腺病毒作為載體，製造出了小鼠iPS細胞。1個月後，山中伸彌又用質粒（即環形DNA片段）攜帶基因，成功製造出iPS細胞。逆轉錄病毒的其他替代品還有蛋白質和脂質分子。
儘管在利益的驅動下，iPS技術發展非常迅速，各大實驗室也在爭相完善這門技術，但山中伸彌並不認為iPS細胞現在就可以取代胚胎幹細胞。美國馬薩諸塞綜合醫院再生醫學中心的康拉德?霍切林格（Konrad Hochedlinger）說：「我們還不知道胚胎幹細胞與iPS細胞是否真的完全相同。目前，iPS細胞只是多能細胞的一種補充來源，要徹底取代胚胎幹細胞，它必須經受時間的考驗。如果現在就得出結論，顯然為時過早。」
在堅持認為iPS細胞距離實際應用還有相當距離的同時，山中伸彌也高調宣稱這類細胞對於治療糖尿病、脊髓損傷、帕金森病甚至失明具有巨大潛力。日本理化研究所發育生物學實驗室主任西川伸一（Shinichi Nishikawa）評價道：「這一激動人心的發現為再生醫學和細胞治療技術都提供了一個清晰的發展框架。」
未來5年，山中伸彌將帶領20位研究人員，尋找應用iPS細胞預測藥物副作用的方法，解決毒理學中的一些難題，並闡明某些疾病的發病機制。雖然他的偉大發現讓全球科學家感到無比興奮，也給生物醫學領域帶來了無數可能，但這位曾經的醫生依然非常謙虛和謹慎：「我們還有許多基礎性工作要做，比如確保iPS細胞的安全性。這不是奧運會中的國際競爭，而是國際合作。現在，我們的所有工作都只是一個開頭。」
來源：科學松鼠會
鏈接：http://songshuhui.blog.caixin.com/archives/47010
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