成體細胞還原為胚胎干細胞的探索之路

　　不用創建一個胚胎，而將成體細胞還原為胚胎狀態是一件棘手的事情。科學家們現已能重置一個成熟體細胞中的DNA，使該細胞能成長為人體內的任何細胞類型，如心臟肌肉細胞、神經細胞和膀胱細胞等。

　　一個病人到醫院診斷病情，醫生告知其診斷結果不太好，必須進行手術治療。

　　于是，醫生從病人的頭上拔出一根頭發，并告訴病人幾周后再回來。當病人再次來到醫院時，外科醫生把利用病人毛囊在實驗室中培育出的健康細胞植入病人體內來修復病變的器官。幾個月后，新的細胞漸漸融入了器官，病人的癥狀消退了。一年后，他又恢復了健康，重新過上了正常生活。

 

　　重組細胞的“多能性”

　　這就是干細胞研究人員希望在10年到15年內可司空見慣的情景。一個取自病人自身的細胞，也許是毛囊，也許是皮膚或血液，將能變成心臟、大腦或其他器官的細胞。無論是多發性硬化癥、帕金森氏癥、心臟衰竭還是糖尿病，醫生都能將轉換細胞移植到受損器官來治療疾病。

　　2007年11月，這樣的夢想已幾近現實。兩個科學小組曾宣布，他們已將成年人體皮膚細胞倒退回胚胎狀態。像胚胎干細胞一樣，這些重組細胞似乎也能變成人體200多種細胞類型中的任一種，這種能力被稱為“多能性”。

　　美國斯克里普斯研究所再生醫學中心主任珍妮·勞琳表示：“能對成體細胞進行重組的事實，絕對是新奇的。它出乎人們對成體細胞能力的各種意料。”

　　之前，獲得多能人體細胞的唯一途徑是從5天大的胚胎提取干細胞，但該項技術備受倫理爭議。重組成體細胞卻不涉及制造或摧毀胚胎，因此這些新細胞———誘導多能干細胞(iPS細胞)似乎能滿足胚胎干細胞的所有醫學愿景，而不用陷入政治紛爭的泥沼。

　　但是沒有人真正知道這些新細胞和胚胎干細胞在基因水平上到底有多相似。基因活性模式上的細微差別可能會破壞這些新細胞治療疾病的能力，甚至于引起植入人體后的這些細胞表現異常。醫生可在人體上放心使用這些重組細胞前，科學家們需要了解這些新細胞是不是胚胎干細胞真正遺傳意義上的“雙胞胎”。

　　癌癥也是潛在的風險之一。為了重組成體細胞，科學家們將細胞暴露在4個基因工程病毒中。每個病毒將一個基因插入到細胞DNA的隨機位置。不管愿意與否，這種插入有時會干擾細胞的基因，包括像腫瘤抑制基因這樣的關鍵基因。這個病毒干擾可導致細胞生長失去控制，從而形成一個腫瘤，這就是醫生考慮使用重組細胞進行治療前必須解決的另一個問題。

　　最近的研究開始準備克服這些障礙。科學家們正在從他們的細胞轉化方法中一個一個地移除病毒。新的遺傳學研究表明，這些方法確實能完全重組成體細胞，多莉羊的誕生被認為是第一次實現了這種可能性。

 

　　重組細胞與胚胎干細胞是“雙胞胎”?

　　如果對一只羊的研究能獲得諾貝爾獎，為重組干細胞鋪平道路的這個獎項那就非第一只克隆動物———多莉羊莫屬。

　　在多莉身上，科學家們看到了成熟體細胞中的DNA能被“重置”為胚胎狀態，進而成長為新生克隆體中的任何類型細胞(如心肌細胞、神經細胞、膀胱細胞等)的事實。

　　在克隆過程中，將成體細胞核和攜帶的DNA插入空卵細胞可重置成體DNA。不知何故，卵細胞知道如何去完成這個重組使命。

　　科學家們認為，通過探究哪些蛋白質創造和保持了這種胚胎狀態，也許就能用這種蛋白來重置所有的成體細胞，而不僅僅是DNA。

　　通過觀察胚胎干細胞中的基因活性，日本京都大學山中伸彌教授發現了一組4個基因經由病毒插入細胞時具有重組成體細胞的能力，這4個基因是：Oct3/4、SOX2、c-Myc和KLF4。在2006年的小鼠皮膚細胞實驗和之后進行的人體細胞實驗中成功得以驗證。

　　幾乎是一夜之間，全世界的干細胞研究人員紛紛效仿這項新發現并開始各種重組細胞的實驗。但是關于更具爭議性的胚胎干細胞研究并未中斷，不變的是，真正的胚胎細胞仍然充當著衡量其“干性”能力的黃金標準。

　　加州大學洛杉磯分校大衛·格芬醫學院的心臟病學家羅伯·麥克萊倫說：“如果沒有一個胚胎干細胞用以比較，來告訴你多能細胞是什么，那你永遠無法制造出一個重組細胞。重組細胞研究目前仍處于非常初步的階段，現在大話這些細胞會比胚胎干細胞更好或相當，還為時尚早。”

　　科學家們還在動物身上使用重組細胞來治療疾病，以評估其“干性”。如果iPS細胞真的和胚胎干細胞一模一樣，那么它們一旦變換成心臟和神經細胞并被植入人體，其表現也應與胚胎干細胞一致。

　　至少，對鐮狀細胞性貧血來說，一些證據表明重組細胞能起到治療作用。2007年12月的《科學》雜志曾報道，美國麻省理工學院的魯道夫·賈尼斯基研究小組利用重組的小鼠皮膚細胞修正了引起鐮狀細胞性貧血的致病基因。在誘導這些細胞發展成成熟骨髓細胞后，科學家們將其注射回小鼠體內。一旦這些新細胞在小鼠骨髓內“立足”，它們就開始產生正常的血細胞，小鼠的病情得以改善。

　　在去年4月15日的《美國科學院院報》上，賈尼斯基研究小組撰文指出，重組細胞還能變成神經細胞，用以治療帶有類似帕金森氏癥的小鼠。在實驗中，重組細胞再次表現出相當于胚胎干細胞的行為能力。

　　另一個鼓舞人心的跡象則來自于對重組細胞和胚胎干細胞中關閉基因的比較研究。當一個胚胎在子宮中發育時，遺傳自胚胎干細胞的細胞逐漸發展成越來越專門的細胞，如肝臟細胞或骨細胞等。這個專門化的過程，涉及關閉許多不需要的基因。也就是說，在骨細胞中關閉肝臟基因，反之亦然。

　　細胞關閉不需要基因的一種方法，就是將甲基族小分子附著在DNA上，這個過程就是甲基化。將一個成體細胞像時針一樣撥回到胚胎狀態，很大程度上就是一個去甲基化的過程。在大多數研究中，重組細胞的甲基化模式就像是胚胎干細胞的鏡像，科學家們將兩者的功能等同起來。

 

　　重組細胞研究屬初步階段

　　生物技術公司“生物時代”的副總裁邁克爾·外斯特說：“他們在本質上是相同的細胞。雖然他們被稱為iPS細胞，但他們就是我所關注的胚胎細胞。”

　　但并非所有的科學家都這么認為。斯克里普斯研究所的干細胞研究人員丁盛(音譯)就說：“我不認為他們完全相同，寧愿說他們相當接近。某些類型重組細胞的基因活化還是有些不太完全。”

　　去年8月24日《自然》雜志網絡版上刊登的一項研究成果，也許將最終解決此事。斯克里普斯研究所的勞琳和同事描繪了重組細胞、胚胎干細胞、神經干細胞和其他干細胞中的數千種基因和蛋白質的活性概圖。對這些活性進行比較后，這個概圖揭示了有一組19類蛋白質可清晰界定于這些多能和非多能(如神經干細胞)細胞間。

　　當勞琳研究小組基于這些關鍵蛋白篩選出重組細胞時，這些細胞很顯然地都落入了和胚胎干細胞相同的組別。勞琳說：“我們能隨時告訴你，一個細胞是不是歸屬于這個分類圖，這是一目了然的事。以前人們觀察重組細胞時得到的印象認為他們是不同的，但此次研究顯示他們是相同的。要不是對其進行標示，幾乎難以將其與胚胎干細胞區別開來。”

　　研究結果表明，在基因水平上，可變換的成體細胞和真實干細胞是如此相像，以致于他們可互換。當然，那些討厭的病毒除外。

 

　　將臭蛋從筐里揀出去

　　從重組“配方”中驅除病毒的進程非常之迅速。去年1月，山中伸彌和賈尼斯基分別在《自然·生物技術》和《細胞·干細胞》雜志上發表報告稱，他們已在不使用帶有c-Myc基因的病毒情況下成功轉化了細胞。因為c-Myc基因已知會增加癌癥風險，所以它是科學家意在刪除的第一個基因。

　　沒有c-Myc基因，小鼠皮膚細胞的變換過程就要花更長的時間，從6天變成了21天，但是這些細胞還是能被重組。在過往的實驗中，由包含重組細胞的胚胎發育而成的小鼠會因為c-Myc基因患上癌癥，但是在上述兩項實驗中，雜交小鼠卻是和腫瘤絕緣的。山中小組的研究還表明，免c-Myc基因技術也能重置人類皮膚細胞。

　　就在一個星期后，哈佛大學干細胞研究所道格拉斯·麥爾登領導的另一個研究小組在后續實驗中發現，帶有丙戊酸(用于抗癲癇藥物的常用化合物)的增強型免c-Myc基因技術的轉化細胞數量要比單獨的免c-Myc基因技術多100倍。他們在去年7月份《自然·生物技術》雜志上發表的報告表示，這方面的改善抵消了去除c-Myc基因造成的效能損失。

　　使用像丙戊酸這樣的簡單化學品來取代攜帶病毒的基因，要比單純處理病毒更為安全，因為制藥業在小分子藥物的開發和試驗上已積累了數十年的經驗。這些藥物能像插入基因一樣，激活這些細胞的相同天然分子機制，因此能以類似的方式重組細胞。

　　科學家們也在極力追求使用丙戊酸這樣的化學品來取代其他3個重組“配方”中的病毒基因，以使轉換過程更加符合美國食品藥品管理局(FDA)的要求，促使FDA批準重組細胞的醫療使用。外斯特說：“通過在基因中插入病毒來對細胞進行基因改造，FDA務必會出臺一整套另外的審議標準。”

　　在一項未發表的研究中，丁盛小組最近使用簡單的化學品取代了另外兩個攜帶病毒基因。丁盛說：“之前是4個基因，現在只剩下1個基因，而這離重組小鼠細胞首次被創建僅用了2年的時間。我們真的沒想到，并沒有碰到太大的困難。”

　　勞琳注意到，科學家們也正在探索其他方法來解決病毒問題。方法之一是使用其它類型的病毒。有些病毒不需要將基因整合入細胞的DNA，就能將基因傳遞入一個細胞。這些基因在細胞體內保持自由流動的狀態，在那里他們能被轉化為蛋白質。最終，這些細胞的酶降解基因，消除那些由外源基因隨機插入細胞DNA所造成的潛在威脅。

　　科學家們也可將重組蛋白質直接注入細胞，而不是加入那些對蛋白質進行編碼的基因。但是直接蛋白質注入及非整合病毒所帶來的問題，便是時間。

　　勞琳解釋說：“我們真的不知道這些誘導因子要多長時間才能重組細胞。如果沒有科學家的某種干預，注入的蛋白會在數小時內即被細胞降解。如果你沒有足夠長的時間來做這件事，你很可能就會前功盡棄。”

　　勞琳正在探索另一種思路，那就是小RNA(能靜默特定基因的短RNA片段)。一個人體內的每個細胞都包含著一整套遺傳代碼，包括在原始重組配方中的4個基因。所以，成體細胞中已經有了這些基因。