2012年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉—新聞—科學網

北京時間10月8日下午5點30分，2012年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，英國科學家約翰·戈登（John B. Gurdon）和日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）獲獎，獲獎理由為「發現成熟細胞可被重編程變為多能性」。

 

John B. Gurdon

，1933年出生於英國的Dippenhall。1960年他從牛津大學獲得博士學位，曾在加州理工學院做博士後。他於1972年加入劍橋大學，成為細胞生物學教授。目前他供職於劍橋Gurdon研究所。

 

Shinya Yamanaka

，1962年出生於日本大阪。1987年他從神戶大學獲得MD。在轉向基礎研究之前，他曾受訓為整形外科醫生。1993年他從大阪市立大學獲得博士學位，之後他曾供職於美國舊金山Gladstone研究所和日本奈良先端科學技術大學院大學。目前他於日本京都大學擔任教授。

 

今年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給兩位發現「成熟、特化的細胞能夠被重編程為可發育成身體組織的非成熟細胞」的科學家。他們的發現革新了我們對細胞和有機生命體發育的理解。

 

1962年，約翰·戈登發現細胞的特化（specialisation）是可逆轉的。在一項經典實驗中，他將一個青蛙卵細胞的細胞核替換為成熟腸細胞的細胞核。這個改變了的卵細胞發育成為一隻正常的蝌蚪。該成熟細胞的DNA仍含有發育成青蛙所需的全部信息。

 

40多年後，山中伸彌在2006年發現了小鼠的完整成熟細胞是如何能夠被重編程為非成熟幹細胞。令人驚訝的是，通過導入僅僅少量的基因，就可以將成熟細胞重編程為多能幹細胞，即可發育成為身體各種組織的非成熟細胞。

 

這兩項突破性的發現徹底改變了我們對於發育和細胞特化的看法。現在，我們知道成熟細胞並不需要永遠局限在它的特化功能裡。歷史被改寫，新的研究領域產生。通過重編程人體細胞，疾病研究的新機遇獲得實現，診斷與治療的新方法獲得發展。

 

生命——一次不斷特化的旅程

 

我們所有人都是由受精卵細胞發育而來。在受精後的第一天裡，這些組成胚胎的非成熟細胞，每一個都具有發育成成熟生命體中各種細胞類型的能力，這一類細胞被稱為多能幹細胞。隨著胚胎的進一步發育，這些細胞發育成神經細胞、肌肉細胞、肝臟細胞以及其他各類細胞——每一種細胞都肩負起成熟身體內的一項特定使命。之前，這趟從非成熟細胞到特化細胞的旅程被認為是單一方向的。人們曾以為，細胞在成熟過程中是以這樣的方式發生著改變，不可能回到非成熟、多能的階段。

 

青蛙的逆發育

 

特化細胞功能的不可逆轉一度被當成是教條，約翰·戈登向它發出挑戰。他曾假設，細胞的基因組或許仍然含有其發育成生命體各種類型的細胞的所需要的全部信息。1962年，為了驗證他的這種假設，他用蝌蚪腸道的成熟特化細胞的細胞核替換掉青蛙卵細胞的細胞核。該卵細胞發育成一隻功能完全的克隆蝌蚪並最終長成如同實驗培養出的成體青蛙。成熟細胞的細胞核並未丟失功能完全的生命體發育所需的能力。

 

戈登這次裡程碑式的發現一開始是受到質疑的，但經過其他科學家的確認，人們接受了他的發現。這項發現引起研究熱潮，相關技術獲得進一步發展，最終發展到哺乳動物的克隆。戈登的研究告訴我們，一個成熟特化細胞的細胞核是可以被逆轉到非成熟、多能化的狀態。但是他的實驗是將一些細胞的細胞核抽出，然後引入另外一些細胞的細胞核。有沒有可能讓一個完整的細胞回退到多能幹細胞呢？

 

往返旅程——成熟細胞返回幹細胞狀態

 

在戈登的發現40餘年後，山中伸彌在一項突破性的研究中回答了這個問題。他的研究有關胚胎幹細胞，分離自胚胎並在實驗室中培養的誘導多能幹細胞。這些幹細胞最初是由Martin Evans（2007年諾獎得主）從小鼠身上分離得到。山中伸彌試圖發現保持它們未成熟的基因。當幾個這樣的基因被鑑別出來後，他進行了測試，以確定它們是否能夠重編程成熟細胞變成多能幹細胞。

 

山中伸彌與合作者用不同的組合方式向成熟細胞中引入了這些基因，這些成熟細胞來自於結締組織和纖維原細胞。他們在顯微鏡下檢測了結果，最終發現其中的一個組合起作用，而其「處方」是驚人的簡單。通過同時引入四個基因，他們可以重編程纖維原細胞變成未成熟幹細胞！

 

由此得到的誘導多能幹細胞（iPS細胞）能夠發育成多種成熟細胞，例如纖維原細胞、神經細胞以及腸細胞等。完整、成熟的細胞可被重編程成多能幹細胞這一發現在2006年一經發表，立即被認為是一個重大的突破。

 

從驚人發現到醫學應用

 

戈登和山中伸彌的發現顯示，在某種情況下，特化的細胞能夠回撥發育的時鐘。雖然它們的基因組在發育中經受了修改，但這些修改並不是不可逆的。我們就此獲得了對於細胞和有機體發育的一種新觀點。

 

近年的研究顯示，iPS細胞能夠生成機體所有不同種類的細胞。這些發現也為全球科學家提供了新工具，使得他們在醫學的許多領域做出了非凡的成就。iPS細胞也能從人體細胞中獲得。

 

例如，可從罹患各種疾病的病人身上獲得皮膚細胞，進行重編程，並在實驗室進行檢測以確定它們與健康人體細胞的不同。這些細胞對於理解疾病機制提供了無價的工具，從而為開發醫學療法提供了新機會。