為生命重新編程(12.10.17)

奠基者戈登

好奇心是推動人類不斷探索未知世界的動力。我們從哪裡來？生命是誰創造的？生物為什麼如此複雜？這些問題祖先們肯定思考了很久，但卻毫無頭緒，只好把答案一股腦推給了上帝。達爾文最先開始質疑上帝的存在，並用大量證據證明生命完全可以通過自然選擇這一過程而變得越來越複雜，直至人類誕生。DNA雙螺旋結構是又一個里程碑式的發現，它告訴我們生命是如何被基因所控制的，又是如何一代一代傳承下來的。

DNA的發現解開了生命最大的謎團，但又帶來了更多的疑問。比如，DNA是如何指導生命體從單細胞發展到多細胞的呢？這是生命進化過程中最為關鍵的一步，因為多細胞生物不但擴大了生物的體積，而且讓細胞有了分工，只有當不同功能的細胞相互合作時，才能共同完成一些複雜的功能，比如思考自身的起源。

細胞分工的過程叫作分化，研究細胞分化的學問叫作發育生物學，這是生物學最具吸引力的領域之一。發育生物學家想要回答的問題很簡單：一個受精卵是怎樣在不斷分裂的過程中指導不同的細胞分化成不同的樣子的？動物學家和植物學家對於這個問題有著不同的看法，因為很多植物都可以無性繁殖，取下任意一個植物細胞，在適當的條件下就能夠繁殖出一株新的植物來。動物沒法做到這一點，似乎動物細胞在分化後就把過去的記憶抹掉了。用專業術語來說，高等動物的細胞分化是一個不可逆的過程。這個結論曾經被寫進了教科書，成為生物學基本法則之一，因為迄今為止還沒有一個人在自然界觀察到任何一個反例。

2012年諾貝爾生理學或醫學獎獲獎者英國劍橋大學戈登研究所教授約翰·戈登

那麼，分化的細胞為什麼把自己的過去忘得一乾二淨了呢？早在1892年就有人提出假說，認為這是因為細胞在分化過程中不斷丟失不需要的基因所致。這個假說聽上去很有道理，一個上皮細胞根本不需要自己生產血紅蛋白，留著血紅蛋白基因純屬浪費，沒有理由不將其丟掉。與此同時，也有不少人提出了另一個與之相反的假說，那就是基因本身不變，但環境的改變使得一部分基因被關閉，另一部分基因被打開，最終導致細胞分化。

要想驗證這兩個假說誰對誰錯，只需要把兩個不同種類的細胞互換一下基因就行了。這個思路非常簡單，中學生就能想到，但難在如何去實現它。約翰·戈登（John Gurdon）就是第一個完成這項實驗的人，在他之前很多人都曾嘗試過，但是失敗了。戈登從小就有一股不服輸的勁頭，正是這股勁頭幫助了他。事實上，如果戈登是個性格懦弱的人，他根本就不會走進實驗室。他上中學的時候考試成績不好，雖然上的是英國最有名的伊頓公學，但各門課的成績幾乎都墊底，生物課老師給他的評語是這樣寫的：

這個孩子的夢想居然是當一名科學家，從他現在的表現來看這事簡直太匪夷所思了。無論是對於他本人還是將來那些試圖教他的老師而言，這事都純屬浪費時間。這孩子從來不聽老師的，總是想以他自己的方式行事。

幸虧戈登的大學老師對他很好，鼓勵他投身生物學研究。從牛津大學畢業後他留校攻讀博士學位，主攻細胞核移植。正是在此期間，他完成了這項驚世駭俗的實驗。後來他在《科學美國人》雜誌上寫過一篇文章，詳細描述了實驗的過程。

實驗的目的很簡單，就是將非洲爪蟾（Xenopus，一種青蛙）的腸上皮細胞的細胞核取出來，移植到一個去掉了細胞核的卵子當中去，看看這個卵子最終會變成什麼。之所以選擇青蛙，是因為兩棲動物的卵細胞不但體積大，而且禁得起手術的折騰。非洲爪蟾的卵細胞核不在細胞的中心，而是靠近細胞膜，從外面就可以看到，便於通過手術取出。

真正的困難在於如何取出小腸表皮細胞的細胞核，再將其注射進去核卵子中而不失去活性。戈登決定用一根玻璃針頭來完成這件事，但針頭的大小必須恰到好處，太細了容易把細胞核壓碎，太粗了則會帶進太多的細胞液，對下一步很不利。通過多次實驗，戈登發現取出來的細胞核必須保留一層細胞液作為保護層，不能讓細胞核與培養液有任何直接的接觸，否則細胞核內的DNA就會被破壞掉。這個發現進一步加大了實驗的難度。戈登實驗了成千上萬次才終於把成功率提高到了1.5%，即每做200次細胞核移植只有3個卵子能夠成活並開始細胞分裂，而細胞分裂的結果是發育成一個完整的蝌蚪，而不是小腸上皮細胞。這個結果說明前文提到的第一個假說是錯的，分化的細胞仍然保留了所有的DNA，即沒有丟失，也沒有發生任何不可逆轉的變化。

這項實驗早在1958年就完成了，但戈登需要向世人證明他得到的蝌蚪確實是細胞核移植後的產物。該領域的特殊性決定了造假非常容易，後來發生的黃禹錫造假事件就是明證。戈登幸運地找到了一種爪蟾突變系，其DNA帶有明顯的標記。他把這個突變品系的爪蟾細胞核移植到正常爪蟾的去核卵子當中，最後發育成的爪蟾全都是突變系的，證明了實驗結果的準確性。

這個結果給了他極大的信心，戈登終於決定將論文投給了《胚胎學與實驗形態學雜誌》（Journa lof Embryology and Experimental Morphology），發表後立即在學術界引起了轟動。嚴格來說，戈登並沒有徹底改寫發育生物學教科書，他的這個實驗的人為痕迹過重，自然界是不會發生這種事情的。這項實驗真正的意義在於從理論上證明了為動物細胞重新編程是完全有可能的，並且為動物克隆實驗奠定了基礎，大名鼎鼎的多利羊就是依照戈登所創造的方法被克隆出來的。當然多利羊是哺乳動物，實驗難度比非洲爪蟾大多了，但畢竟兩者的思路是一樣的，多利羊從理論上講並沒有太大的突破，這就是為什麼多利羊之父伊恩·威爾穆特（Ian Wilmut）教授沒有得諾貝爾獎的原因。

有意思的是，戈登的這篇劃時代的論文發表於1962年，山中伸彌正是在這一年出生的，他才是那個真正改寫了生物學教科書的人。

登頂者山中伸彌

戈登教授對於發育生物學理論做出了很大貢獻，並因此被授予了爵士頭銜。但他的研究對於普通老百姓而言意義不大，在公眾中的知名度並不高，反而是多利羊之父威爾穆特迅速成為大眾明星，因為大家從他的研究中看到了克隆人的希望。

如果說克隆人也不算太現實的話，那麼就在多利羊的新聞出現後的第二年，也就是1998年，美國科學家詹姆斯·湯普森（James Thomson）教授成功地從人類胚胎組織中分離出了幹細胞，並在體外培養成功。這件事終於讓「幹細胞」（Stem Cell）這個詞一夜之間紅遍了全世界，人類夢寐以求的一種包治百病的療法終於看到了曙光。

俗話說，能修就修，修不好換新的。這套思路在工業化時代已經深入人心，但在醫療領域卻一直沒人敢這麼提，主要障礙就是前文提到的動物發育難題。高等動物的細胞分化在自然狀態下是一個不可逆的過程，新部件很難被造出來。

威爾穆特和湯普森的發現使得這一思路成為可能。簡單來說，湯普森培育成功的人類幹細胞是一種處於發育最早期的多功能細胞，可以在適當的外部條件誘導下分化成任意一種特定細胞，比如肝臟細胞或者心肌細胞等等，理論上可以用來製造任意一種人體組織，代替患病的部位。問題在於，如果移植的不是自己生產的組織，人體免疫體系會對其發動攻擊，此時就需要用到戈登和威爾穆特的成果了，兩人的研究結果證明，只要將患病動物的體細胞核移植進另一隻去掉細胞核的卵子當中，就可以指導這枚卵子轉變成一個幹細胞，用它生產出來的組織和器官與這個患病動物有著完全一樣的DNA，不會發生免疫排斥反應。

於是，自1998年開始，大批生物學家投身到幹細胞的研究中來。在此之前，一位名叫山中伸彌的前日本整形醫生在妻子的鼓勵下決定改行從事基礎研究。他從京都大學取得了博士學位，之後他去美國加州大學舊金山分校從事博士後研究，親眼目睹了美國幹細胞領域雄厚的科研實力和寬鬆的政策。回到日本後，他感覺自己像是被關進了小黑屋，不但研究經費短缺，而且日本政府因為倫理等原因，為人體胚胎幹細胞研究附加了很多限制條件，導致日本的科研人員整天為了得到一點胚胎幹細胞而疲於奔命，浪費了很多精力。

沒想到，這個缺點最後反而成全了山中伸彌。原來，他眼看著和美國同行的差距越拉越大，而且追趕無望，便決定另闢蹊徑。當時美國幹細胞界最熱門的研究方向是幹細胞的分化，研究人員試圖找出控制胚胎幹細胞分化途徑的方法，讓胚胎幹細胞按照指定的路線分化為特定的類型，以便用於治療不同的疾病。「對於這樣的研究，我們的實驗室根本不具備競爭力。」山中伸彌後來在接受《科學美國人》雜誌採訪時解釋道，「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。」

日本京都大學教授山中伸彌

這個想法很好，但如何實現呢？戈登和威爾穆特所做的體細胞核移植實驗都證明，一個細胞核只要被放到合適的環境中，就能被誘導而退回到未分化前的初始狀態。從理論上講，只要搞清了胚胎細胞的細胞質中到底哪些因子參與了這一過程，就能人工模仿這種環境，讓體細胞轉變成幹細胞。但是，細胞質中有無數種化學成分，到底是哪些成分有這麼大的能耐呢？山中伸彌經過仔細考量後決定把注意力放到轉錄因子（Transcription Factor）上，這是一類專門負責控制基因活性的蛋白質，編碼它們的DNA就在基因組內，但因為各種原因其活性有大有小，細胞因此而呈現不同的狀態。山中伸彌分析了小鼠胚胎細胞中的轉錄因子，找到了24個活性較高的，將對應的24個基因一股腦地轉進了小鼠皮膚細胞的細胞核內。奇蹟發生了，這個皮膚細胞彷彿被施了魔法，退回到了最初的狀態，變成了幹細胞，只不過這個幹細胞是通過人工誘導而不是核移植而來的，因此叫作「人工誘導多功能幹細胞」（iPS）。

但是，一下子導入24個基因是很費事的，於是山中伸彌又開始一個一個地試，逐步遞減，終於發現只需要同時轉入4個基因就能夠完成任務了，它們分別是Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4。山中伸彌將這個結果寫成論文，發表在2006年出版的《細胞》（Cell）雜誌上。第二年，他又用人體細胞做實驗，同樣獲得了成功。

這兩篇論文無異於兩顆炸彈，在科學界引發了一場地震。山中伸彌終於徹底改寫了動物發育學教科書，證明了為動物細胞重新編程是完全可能的，只需一個相對簡單的小實驗就能把任何一種動物細胞轉變成幹細胞。但是這項實驗最偉大的地方不在這裡，而是讓幹細胞研究者可以不必依賴胚胎就能獲得性能極為相似的替代品，這就避免了倫理問題，為幹細胞研究掃清了最大的障礙。

值得一提的是，山中伸彌的這個思路也不能算是原創，很早就有人想到了通過轉基因的方式誘導幹細胞，但他們都怕麻煩，一次只轉一個基因進去，結果當然不成功。山中伸彌有股日本人的狠勁兒，他不怕麻煩，悶頭在實驗室里幹了10年，終於獲得了成功。戈登的情況與此類似，兩人都不是仰仗某個天才的想法，而是依靠耐心細緻的工作，才終於獲得成功的。事實上，這也正是生物學和數學、物理學、化學等其他學科最大的不同。

接下來一個很自然的問題是，幹細胞何時才能運用到臨床上呢？從目前的情況看，這還需很長的時間，因為山中伸彌發明的這個方法有個致命的缺點，那就是很容易致癌。一方面，轉入外源基因所用的逆轉錄病毒載體能夠致癌，這也是基因治療領域之所以遲遲沒有動靜的主要原因；另一方面，轉入的那4個基因當中，c-Myc本質上就是一種致癌因子，接收了這個因子的細胞很有可能轉化成為癌細胞。在這兩個問題沒有解決之前，任何基於幹細胞的療法都是不可能被批准的，這就是為什麼說目前所有宣稱能夠提供幹細胞治療的醫療機構統統都是騙子的原因，無一例外。事實上，就在本屆諾貝爾獎公布後不到一個星期，一家日本媒體報道了一位名叫森口尚史的東京大學客座教授用幹細胞治療心臟病的成功案例。消息見報後的第二天，世界兩大最具公信力的科學期刊《自然》和《科學》便在其網站上刊登質疑文章，指責森口尚史言過其實，而日本各大報紙也立即刊登更正，稱此事屬於誤報，森口尚史是個大騙子。

無奈的是，中國打著幹細胞的幌子行騙的醫療機構還有很多，有關部門卻睜一隻眼閉一隻眼，縱容這些機構在中國繼續行騙。此次幹細胞獲獎後，這些騙子們一定會更加猖獗，不能不引起公眾的警惕。

不過，讀者也不必過於擔心，這個缺點並不是不能克服的。事實上，有很多研究小組正在攻關，已經取得了不錯的成績。比如，美國麻省理工學院（MIT）的科學家已經找到了c-Myc基因的替代品，不需使用這個癌基因也可以將小鼠體細胞轉化成多功能幹細胞。哈佛大學的研究人員也找到了替代逆轉錄病毒的方法，用一種更加安全的腺病毒載體製造出了小鼠多功能幹細胞。山中伸彌本人也在積極尋求替代方案，並且用一種質粒（Plasmid，一種環形DNA分子）攜帶外源基因，成功地製造出了iPS細胞。

總之，由戈登教授開創的幹細胞領域方興未艾，前途一片光明。

結語

諾貝爾獎是國際學術界的最高獎項，歷來以謹慎小心著稱。但今年的諾貝爾醫學或生理學獎居然頒發給了一位剛剛發表論文不到6年、尚未在應用領域獲得任何實際成果的年輕學者，這在諾貝爾獎歷史上是非常罕見的。不過這件事也從另一個角度說明，山中伸彌所取得的成果有多麼重要，諾貝爾委員會已經迫不及待了。

讓我們相信諾貝爾獎委員會的眼光，共同期待幹細胞領域能為提高人類健康水平做出驚人的貢獻吧。