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1、成熟动物细胞分化的可逆性与 iPS 技术中文摘要英国发育生物学家约翰格登在20世纪60年代就发现已分化成熟的动物体 细胞细胞核具有去分化从而表达全部遗传信息的潜能，他当时所做的实验即把美 洲爪蟾的小肠上皮细胞核注入去核的卵细胞，结果发现一部分卵依然可以发育成 蝌蚪，其中的一部分蝌蚪可以继续发育成为成熟的爪蟾。后来日本京都大学的山 中伸弥在格登等人的研究基础上在24个遗传基因中挨个移除，直到确定了4个 不能缺少的因子，然后利用 iPS 成功将成熟的体细胞诱导成为多功能胚胎干细 胞，并将其分化成不同的细胞。关键词：动物细胞、可逆分化、干细胞、iPS2012 年诺贝尔生理学或医学奖在瑞典斯德哥尔摩揭
2、晓，京都大学物质-细胞 统合系统据点iPS细胞研究中心主任长山中伸弥、英国发育生物学家约翰戈登 因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获奖。所谓细胞核重编程即将成年体细胞重新诱导回早期干细胞状态，以用于形成 各种类型的细胞，应用于临床医学。格登和山中伸弥的研究成果是在前人的基础上取得的。想了解清楚格登和山中伸弥在细胞核重新编程研究领域获得的成果，首先得 弄清楚细胞的分化与多功能干细胞相关的知识。在个体发育中，细胞在形态结构和功能上发生变化的过程称为细胞分化。一 般来说，已分化成熟的细胞保持分化后的状态，直至死亡。从分子水平看，细胞 分化意味着各种细胞内合成了不同的专一蛋白质（如水晶体细胞合成晶
3、体蛋白， 红细胞合成血红蛋白，肌细胞合成肌动蛋白和肌球蛋白等），而专一蛋白质的合 成是通过细胞内一定基因在一定的时期的选择性表达实现的。因此，基因调控是 细胞分化的核心问题。多细胞植物的生长发育之初，只是一团形态相同或相近的 细胞，后来长成由各种形态结构、生理功能各异的细胞组成的个体。这一切都归 功于细胞的分化。植物细胞具有全能性，即每个细胞都具亲本所有的遗传信息， 在一定的内外条件下可发育生长成相同的细胞和个体。动物细胞分化的一个显著特点是分化状态的稳定性，特别是在高等生物中， 分化一旦确立，则分化状态十分稳定。动物细胞分化表现为细胞间产生稳定差异。 细胞分化是稳定的，而且一般是不可逆的，一
4、旦细胞沿一定方向分化，便不会反 分化到原来的状态。虽然大多数动物的体细胞已经“单体化”，不可能也难以分化成其他类型的细 胞。但大量体外实验研究表明，如果将动物细胞的细胞核移植到卵细胞或受精卵 细胞的胞质中时，供体核在受体细胞的胞质中通过重新编程，可以开始新的重构 或者重建胚胎发育的过程，进而发育为一个新的个体。重新编程的实质就是重新 决定细胞分化和发育的潜能。这就说明分化成熟的体细胞结构保持完整的、在一 定条件下可以表达遗传信息，动物细胞同样是具有全能性的细胞核，克隆羊 Dolly 就是利用体细胞核移植技术(SCNT )培育成功的。DrieschMorgan 理论认为：在卵子受精后的卵裂期间，
5、等同的细胞核分布 在异质的细胞质中，因而在胚胎的某些区域，核内的某些基因被激活，而在其他 区域则被抑制。在被激活基因的作用下，胚胎各部分中的细胞质将变得更为不同。 这将会以级联式机制(cascade mecha nism)使基因进一步激活，最后导致细胞的 分化。Waddington(1956)进一步修正并发展了这个理论，他认为：有一类细胞 质基因是在那些已被化学组成不同的细胞质所激活的基因的诱导下产生的，胚胎 分化可被这类细胞质基因所控制。由于细胞质基因相互竞争的结果，一种细胞质 基因可以比别的细胞质基因处于更优势的地位，从而决定胚胎中与之有关的那些 区域的命运。著名比利时胚胎学家Brache
6、t(1974)认为Driesch - Morgan理论仍然是解释 形态发生的最好学说。Driesch - Morgan理论认为，在胚胎早期的卵裂阶段核基 因是被抑制的以后它们将会被激活，并指导持定蛋白质的合成。基因在发育的 待定阶段及特定的区域中被激活，形态发生的变化可因特殊基因的激活而引起。 因此Driesch - Morgan的这种理论可以说是一种由全面抑制到分别激活的学说。另一种发育分化理论 Caplan-Ordahl 分化理论认为发育潜能的缩减可能是 曾经有活性的基因逐渐被抑制的结果，而不是基因被选择性激话的结果；也就是 说，在胚胎早期全部基因都是有活性的或者是能够转录的，发育时的活动
7、会使其 中一些基因受到选择性的不可逆抑制，另一些基因稳定在非抑制状态成为对新建 表型特异的基因。根据这一理论，受精卵基因组的所有基因应该都可以转录，但 是 caplan 等又解释：虽然模型预期受精卵中所有基因都可以转录，但不能预期 一个受精卵中存在着每一个基因的转录物。不过，因为未抑制的基因可以有某种 程度的转录，要是受精卵的量相当多，至少每个基因还应该有一个转录物，在这 一意义上可以把受精卵比作一个大肠杆菌，它至少转录 96的遗传信息，可 是其中大约| / 3的信息每300 - 1000个细胞平均只转录一次。他们的区别在于 Driesch- Morgan 理论认为，在发育过程中基因是由全面
8、抑制走向分别激活，而Caplan-Ordahl理论认为，在发育过程中基因是由全面激 活走向分别抑制。分化细胞的不可逆性也不是绝对的，在一定的生控条件下，已生控分化的细 胞可发生逆转。如组织再生时，有的动物肢体切断后可再生，其残端细胞失去原 有的特点，具有未分化的间充质细胞特性，有的人称此现象为去分化。干细胞是一类具有无限或较长期自我更新能力，产生至少一种高度分化的子 代细胞的“种子”。根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞 (embryonic stem cell , ES细胞)和成体干细胞(somatic stem cell)。ES细胞是一种高度未分化细 胞。它具有发育的全能性，能分化出成体
9、动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。 成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成 体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细 胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和 衰退的动态平衡。而格登和山中伸弥研究的就是如何将已分化成熟的动物细胞诱导成为胚胎 干细胞。在这方面最早的研究应该在1938 年，斯佩曼和他的学生就发现把发育早期 的蝾螈细胞核移植到去除了细胞核的发育晚期蝾螈胚胎中，胚胎细胞可以继续发 育成为一个完整的蝾螈。斯佩曼的工作告诉我们，既然单独的细胞核移植就可以 让生物由一个细胞逐渐分裂分化成为完整的个
10、体，那么这种现象就一定不会仅仅 存在于胚胎中，什么时候成体细胞也可以用类似的技术重新获得发育成一个完整 个体的潜在能力？毕竟胚胎细胞和成体细胞至少在基本结构上没有什么本质性 的区别，都是由细胞核与细胞质构成的。毫无疑问，戈登的工作为这个问题提供 了一个圆满的答案。至此，无数的科学家开始不断把发育到各个阶段的细胞核通 过核转移技术移植到各种胚胎细胞中。当然，这项研究的最高峰则是1997年英国科学家的伊恩威尔穆特(IanWilmut）,他完成了成体细胞的核移植。一头叫做多莉的克隆绵羊诞生了。这头小绵羊实际上是用一头母羊的乳腺细胞核和另外一头羊的去核卵细胞融合发育 而成。实际上,当戈登完成了他的那项
11、划时代的研究的时候,很多人就已经猜到 了：细胞核已经不再神秘,迟早有人会忍不住去把人的细胞核拿来做这一类的实 验。美国Whitehead生物医学研究所Rudolf Jaenisch实验室于2002年用成熟 的 T 细胞作为核供体,进行核移植成功,因为淋巴细胞在成熟过程中发生了不 可逆的重组,这从根本上证明了终端分化的体细胞可以产生一个成年克隆动物。 同时剑桥大学MAzim Surani实验室于1997年通过胚胎生殖细胞和胸腺细胞的 融合,发现胚胎生殖细胞也有去分化的能力。干细胞的用途非常广泛,涉及到医学的多个领域。目前,科学家已经能够在 体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞,并以这样
12、的干细胞为“种 子”,培育出一些人的组织器官。干细胞及其衍生组织器官的广泛临床应用,将产 生一种全新的医疗技术,也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官,从而使人 能够用上自己的或他人的干细胞或由干细胞所衍生出的新的组织器官,来替换自 身病变的或衰老的组织器官。但是胚胎干细胞的使用涉及到很严重的伦理问题,因此国际上禁止破坏新胚 胎来获取胚胎干细胞。格登和山中伸弥的研究为解决这一问题开辟了新途径,运 用ips（即多功能胚胎诱导技术），目前，山中伸弥和其他研究小组已把多种组织 （包括肝、胃和大脑）的细胞,转变成了诱导多功能干细胞,并让诱导多功能干 细胞分化成了皮肤、肌肉、软骨、神经细胞以及可以同步搏
13、动的心脏细胞。这一 伟大发现让全球科学家感到无比兴奋,也给生物医学领域带来了无数可能,但这 位曾经的医生依然非常谦虚和谨慎：“我们还有许多基础性工作要做，比如确保诱 导多功能干细胞的安全性。这不是体育比赛中的国际竞争，而是国际合作。现在， 我们的所有工作都只是一个开始。“格登的成果表明，生命时钟是可以倒拨的，这更新了人们对生命过程的认 识。”同济大学医学院教授、干细胞科学家徐国彤说，“但格登一股脑把细胞核移 了过去，并不知道具体是哪些因子起作用。山中伸弥从24 个遗传基因中挨个移 除，直到确定了 4 个不能缺少的因子。”参考文献1 孙开来主编.人类发育与遗传学.-2 版.北京：科学出版社，20082 叶庆华，曾定，陈振端，朱学艺编著.植物生物学.-厦门：厦门大学出版社，2002.93 许崇任，程红主编.动物生物学.-2 版.北京：北京高等教育出版社，2008.14 李振刚编著.分子遗传学.-3 版.北京：科学出版社，20085 潘振东主编.制造生命的生控原理.-武汉：湖北科学技术出版社，2007.126 陈仁彪，孙岳平主编.细胞与分子生物学基础-2 版.-上海：上海科学技术出版 社，2003.97 韩贻仁主编.分子细胞生物学。-2 版.北京：科学出版社，2001.3
