关于诱导多功能干细胞的介绍和思考

关于诱导多功能干细胞的介绍和思考

——2012年诺贝尔生理学或医学奖解读班级：生物技术基地姓名：林立梅学号：0131122635

【摘要】John B. Gurdon和Shinya Yamanaka获得2012年诺贝尔生理学或医学奖，他们的相继研究成果证明，成熟、分化的细胞可以被重新组装或诱导重新编程，变成未成熟的干细胞，能够发育成机体内所有种类的组织。

【关键字】重新编程干细胞诱导定向分化临床医学

【内容】

（一）两位科学家的实验概述

（1）约翰.格登：用“细胞核重编程”克隆出新动物

所谓“细胞核重编程”，就是将已经分化了的成年体细胞进行诱导，让其重新回到发育早期多能性干细胞状态，重新获得发育成各种类型细胞的能力。通俗一点讲，就是在细胞层面实现“返老还童”。

1962年，格登做了一个划时代的实验：他假设：这些细胞的基因组仍然包含着驱动它发育成机体所有不同类型的细胞所需的信息。并进行相关实验，将非洲爪蟾（Xenopus，一种蛙）卵细胞内不成熟的细胞核移除，然后把非洲爪蟾的成熟肠细胞的细胞核注入其中。在此过程中，他采用核标记技术（Elsdale et al，1960），将标记的供体细胞核移植到未标记的受体卵。在实验中，控制由囊胚或原肠胚（简称胚胎细胞核）穿插与转让肠细胞核。移植的胚胎中，所有那些超出了囊胚期的细胞中包含明显的被标记的核，可以证明它们来源于核移植而不是从卵核。核标记只出现在渡过了囊胚期胚胎中。整个实验的目的很简单，就是想看看这个卵子最终会变成什么。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，可以继续发育成为爪蟾。

(2)山中伸弥：用基因技术制造出“诱导多能干细胞”

2006年Shinya Yamanaka教授从数据库中筛选出大约100个有可能在ES细胞中特别活跃的基因。再经过近4年的紧张工作，从这100个基因中筛选出24个活跃

的可能与细胞初始化有关的基因，并一次性将这24个候选基因全部导入成人的皮肤细胞中，结果梦寐以求的干细胞出现了。此后，又逐个检验这24个基因。每次扣留一个基因，将其余23个导入细胞中，看看是否对初始化有影响。如果扣留的基因有作用，那么细胞就不会发生初始化。就这样淘汰了对于初始化不是必需的20个基因，最终将目标锁定在4个基因身上，它们分别是“Oct3/4”、“Sox2”、“Klf4”和“c-Myc”。其中，Klf/4和c-Myc的作用是使纤维芽细胞的分裂变得不受限制，转变成类似癌细胞的细胞。Oct3/4和Sox2的作用则是使细胞获得能够进行多种分化的能力而失去癌细胞那样的增殖性质。Shinya Yamanaka等科学家把4个关键基因通过逆转录病毒载体转入小鼠的成纤维细胞，使其变成多功能干细胞。这就是第一批的诱导多能干细胞——iPS细胞。

(二)实验所证明的事实和意义

John B. Gurdon 在1962 年发现细胞的特化是可逆的。在一个经典的试验中，他将成熟的小肠细胞的细胞核注入去核的未成熟的蛙卵细胞。这个修饰过的卵细胞发育成一个正常的蝌蚪。成熟细胞的DNA 还具备发育出蛙的所有细胞的信息。Shinya Yamanaka 在2006 年发现，小鼠体内完整的成熟细胞可以被重编程为未

成熟的干细胞。令人惊讶的是，通过导入几个基因，他可将成熟细胞重编程为全能干细胞，即可发育为机体所有细胞类型的未成熟细胞。

（1）格登的实验说明：

处于高度分化状态的体细胞可以通过重编程手段发生逆向的转变，回到早期胚胎的未分化状态，且具有发育为整个成体动物个体的潜能。这一发现对当时科学界关于细胞命运不能逆转的传统认知产生了挑战，是细胞重编程领域的里程碑成果。格登的发现，也开创了一项重要克隆技术的先河——体细胞核转移技术( Somatic nuclear transfer,简称SNT)。科学家可以用这一技术，将体细胞核转入卵细胞，使得该细胞具有重新转化为具有多能性细胞的潜能。核移植技术本质上是一种把成年的细胞变成有多种分化能力的细胞的过程，戈登等人的工作告诉我们：既然一个普普通通的乳腺细胞或者上皮细胞都可以发育成为一个完整的个体。那么可以想象，一定存在某种途径可以让这个细胞通过连续的分化有让它变成心肌细胞、骨骼细胞、牙齿细胞或者其它那些身体所拥有的细胞。这对任何医生可都是一个巨大的诱惑——想象一下，只需要将一个细胞经过一段时间的培

养，就可以获得大量各种心、肝、脾、肺等身体的组织，这些组织可以任意用在损伤的器官修复上面。更加美妙的是，这些细胞都可以是患者本人的！医生再也不需要考虑来自其他人的细胞或者器官所带来的可能致命的免疫排斥作用——一副美妙的画卷展现在了人类的面前。可惜实际操作并没有那么简单，早在上个世纪30年代，斯佩曼早就发现，一种细胞要转化为另外一种细胞，需要的是周围细胞的诱导。斯佩曼发现，如果你想把一个胚胎细胞培养成眼睛的晶状体，那只有在周围存在视杯细胞的情况才能发育出来。而如果你想获得视杯细胞，必须在周围有神经外胚层细胞才可以发育出来……总之，如果你想获得一个有功能的肾脏，那么肾脏周围的各种器官组织一个也不能少！这可太邪恶了。也就是说，你得让一个完成的胎儿各种器官都发育出来了你才能够得到这个肾脏。而从一个发育完整的胎儿身上取下一个肾脏，则无异于杀人了。

（2）山中伸弥等人的实验证明：

日本科学家山中在戈登的工作40年之后终于发现，我们也许不需要一个完整的胎儿就能够获得我们想要的各种细胞。2006年，山中伸弥通过一系列艰苦的努力（山中的工作也许需要另外一篇长文来介绍，他把日本人的吃苦耐劳的精神在细胞生物学上发挥到了极致）找到了四个基因，他发现当这四个基因重新在细胞内开始表达的时候，这个细胞就具有了类似干细胞的可诱导分化的能力，于是我们可以用更安全的方法用这样一些细胞来修复体内潜在的受损的器官或者组织。可以将人的体细胞转变成类似胚胎干细胞的多能性干细胞。这项研究预示着，我们将可能利用诱导多能干细胞技术进行人类疾病研究和再生医学研究。至此，人类在将体细胞转变为干细胞的道路上实现了第一次突破。

（三）一个美好期待---细胞核重编程技术早日用于临床诱导多能干细胞技术最终必将成为临床上的一项常规技术，人们既可以通过它来获取患者的完整遗传信息，也可以直接制备出患者个人的组织器官，还可以在用药前先利用诱导多能干细胞对药物进行筛选和检测，也能利用诱导多能干细胞检测患者患上某种疾病或癌症的易感性和风险性。甚至还能利用诱导多能干细胞预测某项疾病预防措施对患者可能带来的效果，因而影响患者的生活方式。有科学家表示，基于诱导多能干细胞的疗法正朝临床迈进。