干细胞与干细胞治疗（二）：逆转发育的时钟——山中伸弥和诱导性多能干细胞

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非常非常抱歉我们上周五漏了一期节目，因为我们最近真的是非常非常忙，我自己的时间也是被分割的很厉害，所以有的时候很难抽出整段的时间来准备节目。

创业公司么，总是有很多事情需要亲自去处理，但是我们还是仍然会坚持做这个节目，也希望大家能够多多支持。

言归正题，上一期节目呢，我跟大家聊了聊干细胞的一些基础知识，那这期节目里呢，我们重点来分享一下诱导性多能干细胞也就是iPS细胞。

首先的一个问题是，什么是诱导性多能干细胞呢？这是个啥东西呢？

我们在上一期的时候讲过干细胞分为全能性干细胞、多能性干细胞和专能性干细胞。 所谓全能性干细胞就是受精卵发育成的前八个细胞，它们具有分化成任何细胞的能力。

而多能性干细胞能指的就是胚胎干细胞，可以分化成除了胎盘脐带之外的所有成体类型细胞。

专能干细胞呢，则只能分化成特定类型的细胞。所以所谓诱导性多能干细胞就是在一定的诱导下由其他的成体细胞变成的干细胞。

那这里我们提出一个问题，就是干细胞能分化成其他类型的细胞，那其他类型的细胞，比如普通的皮肤细胞能变成干细胞吗？

也就是说，这个过程是可逆的吗？那这个问题一眼看上去像是瞎扯一样，我们的直觉告诉我们，这是不可能的。

事实上也是如此。1957年，英国著名的博物学家，以及发育生物学家，康拉德•沃丁顿就提出一个表观遗传学的隐喻，也就是所谓的沃丁顿球。

这个比喻非常有意思。他这个框架的大意是说，人体的细胞发育过程就像是一个带有不同沟槽的小山丘，处于这个山丘顶端的是合子，也就是全能型干细胞。

当这些细胞顺着这个山坡下滑，最终会掉入各个沟槽成为不同类型的细胞。如果没有其他外力发生，这些细胞就会呆在自己的沟槽里，既不会跳到别的沟槽变成其他的细胞，也不会爬上山坡，变成全能性干细胞。

大家注意我们这里说的是，如果没有外力作用的话，成体细胞不会逆转成为干细胞，但是如果有合适的外力作用呢？这种外力究竟会是什么呢？

被称为诱导性多能干细胞之父山中伸弥就一直在追问这个问题。

山中教授现在已经是干细胞领域中鼎鼎有名的人物了，不但得了诺贝尔奖，还是日本京都大学iPS细胞研究所的所长。

但是在研发出iPS细胞之前，他也是做了很多很多年的冷板凳。

山中伸弥在大学里学的是临床医学，但是大学快要毕业的时候呢，他发现自己根本做不好手术，完全不是做医生的料。

于是，他索性就去做基础医学了。从大阪市立大学博士毕业后，山中伸弥又去加州大学旧金山分校做了博士后。

几年之后，山中伸弥回国，辗转到了奈良先端科学技术大学院大学当上了副教授。就是在这里呢，山中伸弥开启了他的iPS细胞的巅峰研究。

当时，在干细胞研究领域，主流方向还是研究怎么把胚胎干细胞分化成各种不同类型的细胞，用这些分化的细胞来代替受损或导致疾病的细胞。

山中伸弥那时候还是一位名不见经传的年轻教授，他自认为没有办法跟那些大牛们在这个赛道上去竞争，那不如反其道而行之，研究怎么从分化的细胞逆转为干细胞。

当然，这个想法本身是非常疯狂的。于是，带着这个想法，山中伸弥带着自己的学生开始了非常艰难的探索。

一开始，他们在不断地寻找在胚胎干细胞中特异性表达的基因，这些基因就是维持干细胞多能性的关键因子。

经过很多次的尝试之后，山中团队构建了一种特殊的基因敲除小鼠，这就给他后来筛选诱导性多能干细胞提供了良好的筛选系统。

2004年，山中伸弥进入京都大学，在这里呢，诱导性多能干细胞诞生了。

这项工作主要是由山中伸弥和他的学生高桥和敏联合开展的。 他们选择了小鼠胚胎成纤维细胞作为实验材料，同时选择了24个基因开始试验。

成纤维细胞是组成结缔组织的主要细胞，包括皮肤在内的所有器官中都可以找到，而且这些细胞很容易提取和培养，因此是非常好的实验材料。

另外呢，他们还给小鼠的细胞添加了新霉素抗性基因（neoR）。

它就相当于一个标志物，在已分化的成纤维细胞中，新霉素抗性基因是不表达的，而只有在细胞获得多能性的时候，这个基因才会表达。

所以呢，只要在细胞的培养基中添加致死剂量的新霉素，如果成纤维细胞变回到未分化的胚胎干细胞状态呢，那么这些细胞就能存活并继续保持生长。

反之，如果实验不成功，细胞就会死亡。山中教授和高桥博士把这24个基因通过慢病毒载体带入到成纤维细胞中，一旦进入细胞，这些基因就会被激活。

他们惊喜地发现，有一小部分细胞在新霉素培养基上活了下来，这就意味着这些细胞的新霉素抗性基因被激活了，也就是说，细胞具备了全能性。

那么，要想让成纤维细胞返回到干细胞状态，这24个基因都是必须的吗？这是一个非常重要的问题。

于是，山中教授和他的团队就每次去掉一个基因，把剩下的23个基因通过载体再导入到成纤维细胞中去。

尝试过各种组合后，山中教授和高桥博士最终确定，只需要4个基因，就足够让成纤维细胞获得新霉素抗性，逆转为多能干细胞。那这4个基因呢，后来就被叫做“山中因子”。

这种多能干细胞不仅获得了新霉素抗性，而且在细胞形态上也跟胚胎干细胞一样。

这样的研究结果真的是太让人兴奋了。不过，为了保证结果的可靠性，山中教授和高桥博士又拿成年小鼠的成纤维细胞进行了验证，得到了同样的结果。

2006年6月，山中伸弥就参加了在加拿大多伦多召开的国际干细胞研究协会的年会，他在这个会上就首次提出了“诱导性多功能干细胞（iPSCs）”的概念。

此语一出，就震惊四座啊！

大家都不相信有这样神奇的细胞，而且他们普遍怀疑山中教授得到的是假阳性结果。 尽管如此，在会议结束6周之后，《细胞》杂志就刊登了山中教授和高桥博士的研究成果。

就在一大片的质疑声中呢，也有一些科学家对这样的结果表示极大的兴趣，这些科学家中有一位就是，非常非常重磅的基因工程领域的科学家，麻省理工学院的鲁道夫•耶尼施。

他表示支持山中教授的试验，而且表示要在自己的实验室中，对山中伸弥的部分工作进行重复，验证结果的可信性。

事实证明，耶尼施教授是非常具备学术眼光的。2007年4月，在美国科罗拉多举行的学术会议上，耶尼施教授宣布他重复了山中的实验，结果是正确的，山中教授去制造诱导性多能干细胞的方法是可行的。

有了大牛的支持，就让整个干细胞领域马上陷入了疯狂状态。干细胞领域中的几乎大型实验室都开始使用山中的技术去制造诱导性多能干细胞。

2007年11月的时候呢，山中教授和威斯康辛-麦迪逊大学的詹姆斯•汤姆森，也就是我们之前提到的最先成功分离培养人类胚胎干细胞的教授，分别在《细胞》和《科学》上发表了两篇重磅的研究。

在这项研究中呢，他们指出他们采用这项技术把人的皮肤细胞成功地变成了多能性干细胞。

大家听好了，是把我们人类的皮肤细胞成功地变成了多能性干细胞。

这两篇论文的发表，让整个科学界沸腾了，大家想想看，这个事情意味着什么？

它意味着我们人体细胞的发育是可以逆转的，这个原本由上帝操控的时钟被我们人类找到了逆转的开关，这件事情对未来整个医学的研究意义太深远了。

后面的节目中我们会讲到在诱导性多能干细胞诞生之后出现的一系列研究，包括给人类器官移植带来的新的解决方案。

当然，山中伸弥因此在科学界成为了鼎鼎有名的大人物。2012年，他还因此获得了诺贝尔生理学和医学奖。

好了，关于诱导性多能干细胞，我们今天就分享到这里。 明天的节目中我会跟大家分享更多的干细胞领域中的研究，欢迎大家继续收听。

如果大家觉得我们的节目不错呢，欢迎大家也分享给周边的朋友，我们下期见。