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为生命重新编程

2012-10-17 15:45 作者:袁越来源:三联生活周刊
北京时间10月8日下午17点30分,2012年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,英国剑桥大学戈登研究所教授约翰·戈登和日本京都大学教授山中伸弥共同获得了这项科学界最引人注目的大奖,获奖理由是两人共同证明了“体细胞可以经过重新编程后转化为可诱导的多能干细胞”。

奠基者戈登

好奇心是推动人类不断探索未知世界的动力。我们从哪里来?生命是谁创造的?生物为什么如此复杂?这些问题祖先们肯定思考了很久,但却毫无头绪,只好把答案一股脑推给了上帝。达尔文最先开始质疑上帝的存在,并用大量证据证明生命完全可以通过自然选择这一过程而变得越来越复杂,直至人类诞生。DNA双螺旋结构是又一个里程碑式的发现,它告诉我们生命是如何被基因所控制的,又是如何一代一代传承下来的。

DNA的发现解开了生命最大的谜团,但又带来了更多的疑问。比如,DNA是如何指导生命体从单细胞发展到多细胞的呢?这是生命进化过程中最为关键的一步,因为多细胞生物不但扩大了生物的体积,而且让细胞有了分工,只有当不同功能的细胞相互合作时,才能共同完成一些复杂的功能,比如思考自身的起源。

细胞分工的过程叫作分化,研究细胞分化的学问叫作发育生物学,这是生物学最具吸引力的领域之一。发育生物学家想要回答的问题很简单:一个受精卵是怎样在不断分裂的过程中指导不同的细胞分化成不同的样子的?动物学家和植物学家对于这个问题有着不同的看法,因为很多植物都可以无性繁殖,取下任意一个植物细胞,在适当的条件下就能够繁殖出一株新的植物来。动物没法做到这一点,似乎动物细胞在分化后就把过去的记忆抹掉了。用专业术语来说,高等动物的细胞分化是一个不可逆的过程。这个结论曾经被写进了教科书,成为生物学基本法则之一,因为迄今为止还没有一个人在自然界观察到任何一个反例。

2012年诺贝尔生理学或医学奖获奖者英国剑桥大学戈登研究所教授约翰·戈登

那么,分化的细胞为什么把自己的过去忘得一干二净了呢?早在1892年就有人提出假说,认为这是因为细胞在分化过程中不断丢失不需要的基因所致。这个假说听上去很有道理,一个上皮细胞根本不需要自己生产血红蛋白,留着血红蛋白基因纯属浪费,没有理由不将其丢掉。与此同时,也有不少人提出了另一个与之相反的假说,那就是基因本身不变,但环境的改变使得一部分基因被关闭,另一部分基因被打开,最终导致细胞分化。

要想验证这两个假说谁对谁错,只需要把两个不同种类的细胞互换一下基因就行了。这个思路非常简单,中学生就能想到,但难在如何去实现它。约翰·戈登(John Gurdon)就是第一个完成这项实验的人,在他之前很多人都曾尝试过,但是失败了。戈登从小就有一股不服输的劲头,正是这股劲头帮助了他。事实上,如果戈登是个性格懦弱的人,他根本就不会走进实验室。他上中学的时候考试成绩不好,虽然上的是英国最有名的伊顿公学,但各门课的成绩几乎都垫底,生物课老师给他的评语是这样写的:

这个孩子的梦想居然是当一名科学家,从他现在的表现来看这事简直太匪夷所思了。无论是对于他本人还是将来那些试图教他的老师而言,这事都纯属浪费时间。这孩子从来不听老师的,总是想以他自己的方式行事。

幸亏戈登的大学老师对他很好,鼓励他投身生物学研究。从牛津大学毕业后他留校攻读博士学位,主攻细胞核移植。正是在此期间,他完成了这项惊世骇俗的实验。后来他在《科学美国人》杂志上写过一篇文章,详细描述了实验的过程。

实验的目的很简单,就是将非洲爪蟾(Xenopus,一种青蛙)的肠上皮细胞的细胞核取出来,移植到一个去掉了细胞核的卵子当中去,看看这个卵子最终会变成什么。之所以选择青蛙,是因为两栖动物的卵细胞不但体积大,而且禁得起手术的折腾。非洲爪蟾的卵细胞核不在细胞的中心,而是靠近细胞膜,从外面就可以看到,便于通过手术取出。

真正的困难在于如何取出小肠表皮细胞的细胞核,再将其注射进去核卵子中而不失去活性。戈登决定用一根玻璃针头来完成这件事,但针头的大小必须恰到好处,太细了容易把细胞核压碎,太粗了则会带进太多的细胞液,对下一步很不利。通过多次实验,戈登发现取出来的细胞核必须保留一层细胞液作为保护层,不能让细胞核与培养液有任何直接的接触,否则细胞核内的DNA就会被破坏掉。这个发现进一步加大了实验的难度。戈登实验了成千上万次才终于把成功率提高到了1.5%,即每做200次细胞核移植只有3个卵子能够成活并开始细胞分裂,而细胞分裂的结果是发育成一个完整的蝌蚪,而不是小肠上皮细胞。这个结果说明前文提到的第一个假说是错的,分化的细胞仍然保留了所有的DNA,即没有丢失,也没有发生任何不可逆转的变化。

这项实验早在1958年就完成了,但戈登需要向世人证明他得到的蝌蚪确实是细胞核移植后的产物。该领域的特殊性决定了造假非常容易,后来发生的黄禹锡造假事件就是明证。戈登幸运地找到了一种爪蟾突变系,其DNA带有明显的标记。他把这个突变品系的爪蟾细胞核移植到正常爪蟾的去核卵子当中,最后发育成的爪蟾全都是突变系的,证明了实验结果的准确性。

这个结果给了他极大的信心,戈登终于决定将论文投给了《胚胎学与实验形态学杂志》(Journa lof Embryology and Experimental Morphology),发表后立即在学术界引起了轰动。严格来说,戈登并没有彻底改写发育生物学教科书,他的这个实验的人为痕迹过重,自然界是不会发生这种事情的。这项实验真正的意义在于从理论上证明了为动物细胞重新编程是完全有可能的,并且为动物克隆实验奠定了基础,大名鼎鼎的多利羊就是依照戈登所创造的方法被克隆出来的。当然多利羊是哺乳动物,实验难度比非洲爪蟾大多了,但毕竟两者的思路是一样的,多利羊从理论上讲并没有太大的突破,这就是为什么多利羊之父伊恩·威尔穆特(Ian Wilmut)教授没有得诺贝尔奖的原因。 

有意思的是,戈登的这篇划时代的论文发表于1962年,山中伸弥正是在这一年出生的,他才是那个真正改写了生物学教科书的人。

登顶者山中伸弥

戈登教授对于发育生物学理论做出了很大贡献,并因此被授予了爵士头衔。但他的研究对于普通老百姓而言意义不大,在公众中的知名度并不高,反而是多利羊之父威尔穆特迅速成为大众明星,因为大家从他的研究中看到了克隆人的希望。

如果说克隆人也不算太现实的话,那么就在多利羊的新闻出现后的第二年,也就是1998年,美国科学家詹姆斯·汤普森(James Thomson)教授成功地从人类胚胎组织中分离出了干细胞,并在体外培养成功。这件事终于让“干细胞”(Stem Cell)这个词一夜之间红遍了全世界,人类梦寐以求的一种包治百病的疗法终于看到了曙光。

俗话说,能修就修,修不好换新的。这套思路在工业化时代已经深入人心,但在医疗领域却一直没人敢这么提,主要障碍就是前文提到的动物发育难题。高等动物的细胞分化在自然状态下是一个不可逆的过程,新部件很难被造出来。

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网络编辑:刘暮彤

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