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  21世纪初对于干细胞学界来说是个多事之秋。干细胞研究需要干细胞,然而在2006年以前,想要获得干细胞,要么得从正常发育的胚胎中提取,要么得借助于体细胞核移植重编程技术,也就是所谓的“克隆”,但是这两种方法都会扼杀一个具有出生潜力的胚胎。社会上对此的口诛笔伐简直铺天盖地,伦理问题的软肋与学术丑闻带来的负面影响几乎压垮了这个初露锋芒的学术领域。

  可就在这个时候,一种震惊世界的新技术,却像是灰烬中涅盘重生的凤凰一样出现在世人面前,它不但可以为科学家和医生们源源不断地提供优质的干细胞,而且还很巧妙地绕开了一切伦理问题。这种神奇的新技术就是诱导重编程多能干细胞技术(induced pluripotent stem cells,iPS)。

  盗细胞的梦

  细胞存在两种不同的类型:一种是分裂缓慢,且不再具有转变成其它类型细胞潜力的“体细胞”;另一种是分裂旺盛,并且具有可以转变类型能力的“干细胞”,其中又有一类几乎可以转变成一切细胞类型的“多能干细胞”。传统上,只有胚胎发育的特定时期才会存在的胚胎干细胞,是正常生物所能产生的唯一一种“多能干细胞”。多年来,无数科学家都在努力寻找一种可以简单方便制取多能干细胞的方法。

  在诺兰导演的科幻巨制《盗梦空间》中,主角为了让身陷梦中不能自拔的妻子脱离梦境,潜入妻子的意识深处植入了一个“这一切都是梦”的强烈信念,于是他的妻子终于幡然醒悟,和主角一起离开了那个虚幻的梦境。是否有一种方法,可以像《盗梦空间》里一样给体细胞植入一个“信念”,使之逆转成多能干细胞呢?

  2005年,日本京都大学的山中伸弥(Yamanaka Shinya)教授就决定要挑战一下这个不可思议的任务。他在干细胞领域工作多年,而且自主研发出了Fbx15系统,可以很容易地知道体细胞究竟有没有被重编程成多能干细胞。在做了大量前期准备工作后,山中伸弥挑选出了24个候选基因,这些基因在胚胎干细胞中都非常活跃,而在体细胞中则几乎是完全被抑制的。配合他的高效筛选系统,山中伸弥或许能找出将体细胞重编程为多能干细胞的方法。

  这在学术上是个相当冒险的举动:尽管这些基因的活跃程度与细胞的类型密切相关,但是谁也不知道这其中究竟谁是因,谁是果。山中伸弥猜测,能给体细胞植入“重编程信念”的关键就在那24个基因当中。但谁也不能写包票。

  思前想后,山中伸弥决定让他的学生兼助手高桥和利(Takahashi Kazutoshi)来承担这个研究任务,因为高桥和利在之前已经发表了一篇很不错的论文,即使这项研究最终一无所成,也不会太影响这位学生的前途。高桥和利没想太多,就爽快地跳了这个坑。
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  发表发现iPS论文的两位作者:山中伸弥(左)和他的学生高桥和利(右),图片来源:naist.jp师徒同心,柳暗花明

  一项跨时代的伟大研究就此开始。

  首先,山中伸弥让高桥和利准备了24株小鼠成纤维细胞——一种常用于实验的小鼠体细胞,让这些细胞分别过表达(overexpression)24个候选基因中的一个基因。结果非常悲惨,24株小鼠成纤维细胞没有一株成功地重编程成多能干细胞。眼看自己几个月的艰苦工作落得一场空,高桥和利泄气了,气冲冲地跟老板抱怨了一番。而山中伸弥只能安慰他说:“这个至少说明咱们的Fbx15检测系统很可靠啊,没有出现假阳性的问题。”

  但导师的安慰毕竟解决不了实际问题,一筹莫展之下,高桥和利提出,干脆在一株细胞里把那24个基因一股脑全都过表达算了。这个想法颇有些死马当活马医的意味,不过既然自己的学生不嫌麻烦,山中伸弥也就随他去了。

  事实证明,孤注一掷也是可以成功的。同时过表达24个候选基因后,居然真的有一小部分成纤维细胞成功逆转成了多能干细胞——这是人类有史以来第一次从胚胎以外的地方获得了有应用价值的多能干细胞。

  这下子山中伸弥心里有底了,但这时他又有了别的担忧。要知道“有人的地方就有江湖”,学术界也从来没有常人想的那么和平。远有牛顿与莱布尼兹的相爱相杀,近有克隆人类胚胎干细胞竞赛的你死我活,山中伸弥可不想重蹈前人的覆辙。他立刻嘱咐高桥和利要从现在开始高度保密,不得再对任何人提及他们的研究进展。在另一方面,师徒两人也加快了后续研究的步伐。

  他们通过简单的排除法从24个候选基因中筛选出10个特别重要的基因,之后又从这10个基因中再精选,想方设法减少需要过表达的基因的数量。筛选到最后,他们的候选名单中只剩下了4个基因——Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4,这四个基因少了任何一个都难以诱导小鼠成纤维细胞逆转成多能干细胞。山中伸弥将这个能够为细胞植入“重编程信念”的基因组合命名为“山中因子”(Yamanaka Factors),并将他所得到的这些多能干细胞命名为“诱导多能干细胞”(Induced pluripotent stem cells)。这种崭新的细胞与传统的胚胎干细胞无论是形态还是分子特征都高度相似,并且拥有良好的多能性。尽管可能是一时碍于条件限制,山中的团队在当时(2006年)还没能用这种细胞制作出小鼠个体,但是他对于自己的新突破充满了希望。

  山中伸弥是个颇有浪漫情怀的人,他看到当时苹果的iPod卖得很火,便希望自己发明的这种新技术以后也会像iPod一样走进千家万户,于是便比着iPod的名称将自己的新技术简写为iPS。(笔者注:上述研究过程参考了山中伸弥的论文[1]以及他在NIH所做的学术报告[2]。)

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  iPS细胞制备流程示意图。①:体外培养体细胞;②:通过慢病毒载体向细胞转入山中因子,红色表示表达外源性山中因子的细胞;③:将细胞转移到胚胎干细胞培养基;④:iPS细胞形成胚胎干细胞样的细胞团块。图片来源:Y tambe/ wikipedia.org,文字来自[14],有改动。

  2007年,山中伸弥的研究团队与来自麻省理工学院(MIT)的基因修饰技术先驱鲁道夫·詹尼士(Rudolf Jaenisch)实验室各自独立制作出了基于iPS技术的嵌合体小鼠[3][4]。从此iPS细胞终于完成了从“养在盘子里”到“养在笼子里”的跨越,嵌合体小鼠是检验干细胞多能性的最高标准,从此iPS细胞的多能性就再也没有争议了。不久之后,他的实验团队又和干细胞学界巨擘詹姆斯·汤姆森(James A. Thomson)的团队各自独立制作出了人类iPS细胞[5][6]。这就意味着iPS技术经受住了同行重复实验的考验,获得了主流学术界的认可。从此,iPS技术名动天下,以至于整个干细胞学界都开始为之转向。
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  利用iPS制造的嵌合体小鼠,图片来源:参考文献[4]

  在“前浪”下崛起

  不得不说,这新生的iPS技术较之任何一种传统的制备多能干细胞的技术都有很大的优势:它方便,廉价而且没有任何伦理问题,所以一出现就有颠倒乾坤之势。这对于当时主要精力还放在克隆技术上的干细胞学界来说无异于一记晴天霹雳——有了iPS,为何还要大费周章去克隆呢?

  但“后浪”要称雄,还没到时候。

  一轮对iPS的批判不久拉开序幕,一时之间,学术界仿佛开起了对iPS的批斗大会。对iPS的批判五花八门,有的人相信iPS会导致基因突变[7],有些人则认为iPS的诱导过程会造成某些特定的遗传缺陷[8],也有人发现iPS细胞的表观遗传状态与传统来源的胚胎干细胞存在差异[16]。甚至到最近,依然有人提出iPS技术存在多项技术缺陷,核移植重编程才是重编程技术的“金标准”[9]。在他们口中,iPS终究只能是科学家在实验室里玩玩的花哨玩意,要想治病救人还得靠“传统”的克隆技术才行。
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  两种重编程技术手段对比图。图片编译自参考资料[13]

  在iPS技术尚未成熟的早期,这些指责倒也并非完全没有道理。山中伸弥等人也意识到,利用iPS技术获得的嵌合体小鼠具有极高的患癌风险[2]。也正是在iPS学派与克隆学派的口水仗中,人们看到了iPS的有待改进之处。山中伸弥等科学家们自然不会坐以待毙,他们开始尝试改进iPS技术。

  iPS的这些问题主要有两方面的原因。其中之一便出在“山中因子”当中,四个山中因子里头,c-Myc是一个非常敏感的原癌基因,它堪称是一个定时炸弹,稍有不慎就会失控继而引发癌症。另一方面,山中伸弥等人过表达山中因子的工具——慢病毒也难逃干系。这种工具自从被鲁道夫·詹尼士发明以来,便凭借其便捷、高效的特点成为生物学家对细胞进行基因修饰的主要工具。但在重编程方面,这种工具存在着巨大的缺点。

  还是用《盗梦空间》来打比方:在电影当中,男主角在自己妻子脑中植入了脱离梦境的信念。这个信念虽然促使他的妻子离开了梦境,但是这个信念太强烈了,以至于妻子回到现实中以后还觉得自己在梦中,而这最终导致了妻子的自杀。同样地,慢病毒虽然方便,但是它过表达基因的能力过于强烈,以至于那些重编程的干细胞在重新分化回体细胞以后还“觉得”自己是个多能干细胞,因此就有可能继续像一个多能干细胞那样无限分裂。而体细胞失控地无限分裂,就是我们平时所谓的癌症。更麻烦的是,慢病毒不但“威力猛”而且还“下手狠”,它会随机地破坏掉细胞内的一些基因序列,这就好比是在“盗梦”的同时还顺带搞坏了对方的大脑。因此通过慢病毒工具制作出来的iPS细胞会有种种问题也就不足为奇了。

  不过好在有诸如詹尼士以及汤姆森之类的大腕给iPS撑腰,批评者的口水一时半会儿也淹不死这个崭露头角的新技术。而iPS学派的众人也不敢懈怠,连忙加班加点地研究怎么攻克这些短板。

  慢病毒肯定是不能再用了,科学家们转而采用更加温和的方法。不久之后,借助于转染mRNA[10]甚至蛋白质[11]来诱导重编程的技术被相继推出。这些新技术不会损伤体细胞的基因,而且效力也弱得多。如果说使用慢病毒诱导是“盗梦”的话,那么这些手段更加接近于“传销洗脑”,只要事后再“反洗脑”一番,细胞还是有不小的几率“幡然醒悟”的。

  另一方面,随着iPS技术的日趋完善,人们渐渐发现山中伸弥团队遴选出来的4种山中因子还可以进一步精减。少改变一个基因就可以少一分成本和风险,因此科学家们在这方面投入了大量的精力。最先被剔除的自然就是那个“定时炸弹”——c-Myc,2008年一月,山中伸弥和鲁道夫·詹尼士各自独立开发出了不依赖于c-Myc,只用到3个山中因子的重编程新技术[12][17]。

  尽管较之“简单粗暴”的慢病毒法,后来的新技术要更加繁琐,但是它们有效化解了iPS所面对的种种非难。2014年下半年,国际上几位干细胞学界的领军人物迪亚特·艾格力(Dieter Egli)、尼森·本范尼斯蒂(Nissim Benvenisty)和沙乌科莱特·米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)共同对iPS技术来了场“三堂会审”,结果证实,通过iPS技术得到的多能干细胞与通过克隆技术得到的胚胎干细胞在安全性上没有区别[13]。由于艾格力和米塔利波夫都是克隆学派的“掌门”级大腕,他们一发话,泛泛之辈也就再不敢吱声了。自此,两大重编程学派之争尘埃落定。

  改朝换代?

  2012年,克隆技术的开山祖师约翰·戈登(John Gurdon)和iPS技术的发明人山中伸弥共同获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。但那个时候,约翰·戈登早已“转投”iPS学派门下了。事实上,不只是他,克隆技术领域一连串有头有脸的人物都先后转向了iPS或是单倍体胚胎干细胞技术(后来随着CRISPR/Cas9技术的出现,这拨人又悲剧了……)的研究中。

  这其中的道理并不难理解。本来一“卵”难求的人类卵细胞就一直让人类核移植技术研究的成本居高不下,“黄禹锡事件”造成的负面影响更是让这些科学家们本就吃紧的财政状况雪上加霜。一些科学家虽然嘴炮放得响亮,但私底下都已是心猿意马。随着学术界的风向一点点地偏向iPS,克隆学派门下越来越多的人“跳槽”到了别的研究领域中去。

  疯狂的克隆时代走向终结,干细胞学界步入了iPS的纪元,一朝天子一朝臣,那些克隆技术领域的元老们,纵然有千般不舍,也只得接受着长江后浪推前浪的命运。纵观整个科技史,这种江山易手的事情可能并不鲜见,而每一次变革,都总有一些人特别令人扼腕。

  若山照彦(Teruhiko Wakayama)是世界上第一个成功克隆小鼠的科学家,在克隆领域享有崇高的威望。他在iPS时代到来后也并没有转变他的研究方向,在十多年的研究中,他将小鼠的克隆效率提升了好几十倍。可是当他回过神来的时候,却发现世道早就变了——在iPS和CRISPR/Cas9等新技术的狂潮下,他的工作竟然显得那么无足轻重。

  更有点“躺枪”意味的是笹井芳树(Sasai Yoshiki)。在山中伸弥之前,此人堪称是独霸日本干细胞学界的一代宗师。笹井毕业于名牌高校京都大学,又在海外深造多年,更曾求学于约翰·戈登这样的大师门下。海归后年纪轻轻(36岁)就当了教授,之后无论学术还是仕途都是一路顺风顺水。而山中伸弥毕业于一个相对一般的大学(大阪市立大学,大概相当于日本一线大学的中等水平)。毕业后做了个骨科大夫,但是手术做得不好,后来便转入基础学科领域。他先去美国研究脂代谢,后来慢慢将关注点转到胚胎干细胞上。刚回国后,山中在大阪的起步异常艰难,不但申不到科研经费,甚至都没什么学生肯跟着他混,让他差一点就回去重新操刀做骨科大夫了。

  可这一切在山中伸弥获得诺贝尔奖以后就都变了。本来笹井是日本人最为看好的诺贝尔奖竞争者,可是2012年后,笹井“高富帅”的形象完全隐没在了山中的万丈光芒中,世人只知有山中而不知有笹井。后来的事情大家也知道了,若山和笹井两个人以自己一生的名誉为赌注押到了小保方晴子的“新突破”上,结果落得一个接受调查,一个自缢身亡的下场[14]。虽然个中缘由还有待评说,但不得不说他们是改朝换代的牺牲品。
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  笹井芳树(中)、若山照彦(右)和小保方晴子(左)在一起。笹井芳树和若山照彦本来都是干细胞学界的领军人物,但都卷入了小保方晴子的学术造假事件中。图片来源:so-net.ne.jp笹井自尽后,时任国际干细胞学会主席的山中伸弥第一时间为其发布了悼文,也算是这两人多年瑜亮情结的一个诠释。悲剧令人惋惜,但是时代的车轮依然在滚滚向前。就在小保方事件接近尾声的时候,笹井的师妹高桥政代(Takahashi Masayo)在山中伸弥的技术支持下,首次将iPS技术用于临床试验[15]。

  如果从核移植重编程技术算起,已经走过了大半个世纪风风雨雨的体细胞重编程技术终于摸到了临床应用的门槛。iPS技术将会干细胞学界以及亿万期待它救死扶伤的公众带来怎样的未来,请诸君拭目以待吧。
iPS发展史:当你谈干细胞时,你总会谈到什么---科学人---果壳网-科技有意思.jpg.jpg

梅森: 比起任何特殊的科学理论来,对人类的价值观影响更大的恐怕还是科学的方法。  
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共 0 个关于iPS发展史:当我们谈干细胞时会谈些什么?的回复 最后回复于2016-6-20 16:25:26

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