诱导多能性干细胞（iPSC）如何来？何谓重编程？

现在我们来谈谈诱导多能性干细胞。要谈诱导多能性干细胞，首先我们要弄清一个概念，就叫做“重编程”。

重编程：就是将已分化细胞的核基因组恢复其分化前的功能状态。

我们知道，每一个细胞的细胞核都包含有这个生物个体的几乎所有的遗传信息（还有极小的一部分储存在线粒体中），这些遗传信息决定了我们可以发育成什么样的个体，这就叫做“细胞核的全能性”。

对于每一个细胞来说，它们的DNA序列虽然都是一样的，但是它们的DNA、染色体以及核蛋白的模式、结构和修饰（化学修饰，比如甲基化、乙酰化、磷酸化和糖基化等）是不一样的，而这些差异导致了细胞命运的不一样，使它们有的可以分化成多种细胞，有的就只能行使一种功能。

在高等生物发育的过程中，DNA、染色体以及核蛋白的改变基本上是一个不可逆的程序化的过程。就像一个婴儿，出生以后就会不断地长大，长成儿童、少年、然后是青年、成年和老年，不会一会儿是青年一会儿又变成了婴儿，那不就乱套了吗？可是科学家们就是想要它乱套，想要得到“返老还童”的细胞，所以才有了“重编程”这个概念。

最早的重编程是在两栖动物――青蛙上实现的。1952年5月，美国宾夕法尼亚州费城的罗伯特·威廉姆·布里格斯和托马斯·约瑟夫·金在《美国科学院院报》上发表文章，他们成功地把一个青蛙的卵母细胞的核去除后，移入了一个青蛙的成体细胞的细胞核，并将这个卵母细胞培养，使其发育成为了一个完整的个体。这是世界上首次的动物克隆，其后的“多莉”羊也就是在这个工作的基础上完成的，其原理完全一样，不过过程要复杂艰巨得多。越是高等的动物，这个过程也就越麻烦。

但是这种核移植的重编程方法非常麻烦，需要很精密的专业设备和非常娴熟的技术人员，最麻烦的还是需要有卵子做受体。所以科学家们总是在动脑筋，怎么才可以不用卵子、不进行核移植就让细胞重编程呢？

在科学家们的不懈努力下，2006年，第一次培养成功了小鼠的“诱导多能性干细胞”，首次实现了体细胞的非核移植的重编程，这是一个划时代的发现。

诱导多能性干细胞的前世今生

2006年，日本的大帅哥科学家山中伸弥和他的同事高桥一俊首次在体外培养成功了小鼠的“诱导多能性干细胞”。

他的这个工作的设计说起来非常简单，就是选择了24个在胚胎干细胞内高表达的基因，用病毒系统来做转基因操作，让它们在成体细胞中特异性的表达，然后看它们会导致细胞有什么变化。然后依次去除这些因子的一部分进行转基因操作，最终他们筛选出了4个基因：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，发现把它们一起转入小鼠的成纤维细胞后，可以诱导成纤维细胞重新回到幼稚的胚胎干细胞状态。

但是，说起来容易做起来难，要知道24个基因那就得有多少种排列组合？当然山中伸弥他们不会去试每一种，但也一定尝试了很多种。最重要的是，当时并没有人知道这样做是否能做出什么结果来，也许做了很久什么结果也不会有。

当时最著名的胚胎干细胞实验室美国威斯康星大学的詹姆斯·亚历山大·汤姆森教授的实验室也在做类似的工作，他们也选择了24个基因，也在试哪些排列组合可以得到什么样的结果，只不过他们是在人类细胞中进行，而山中伸弥他们是在小鼠细胞中进行。在这种情况下，一个小实验室的工作人员会很容易产生这样的念头：那些大科学家都在做，我们能做得过他们吗？不知道山中伸弥这样想过没有，不过重要的是无论他想了没有，最终他坚持下来了，还获得了成功。

生物科学到目前为止还主要是一门实验科学，所以经常是“只有做不到，没有想不到”，想法人人都能有，但是是否能做出来，除了靠努力外，还有运气的成份。不过，不去做那就绝对不会成功。对于这样一个前途渺然，工作量又极大的工作，山中伸弥他们可以投入那么大的精力去做，而且还最终把它们做了出来，不能不叫人佩服。

这不是说山中伸弥他们靠的是运气，因为他们之后又不断的发表文章，2007年又与詹姆斯·亚历山大·汤姆森同时发表了人的诱导多能性干细胞的形成，之后又有多篇高质量文章面世，说明他们实验室的整体实力是非常强的，第一篇文章并非幸致。

两组神奇的四剑客

被山中伸弥用来诱导诱导多能性干细胞的四个因子现在被称为亚玛纳卡因子，它们后来又被用来在人的细胞中表达，也成功的获得了人的诱导多能性干细胞。这组因子就是Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，是第一组神奇的四剑客。

我们前面讲过，在山中伸弥在小鼠身上使劲时，詹姆斯·亚历山大·汤姆森他们也正在用人的细胞做着同样的尝试。当山中伸弥在小鼠上的成果发表后，他们倍感压力，但还是坚持了自己的研究路子，最后发现了另一组因子Oct4、Sox2、Lin28和Nanog可以将人的成纤维细胞诱导成为诱导多能性干细胞，也就是第二组神奇的四剑客。

这两篇文章同一天发表于《细胞》和《自然》杂志，虽然詹姆斯·亚历山大·汤姆森实验室的结果要较早一点做出来。这也许是两个杂志协商后的结果，人们都猜测是因为这种轰动性的研究成果是有可能获得诺贝尔奖的。

值得一提的是，在詹姆斯·亚历山大·汤姆森实验室主要做这个实验的，是一位来自中国的年轻女科学家――俞君英。在此之后，她又接受挑战，研究无基因插入的诱导多能性干细胞的建立，并成功的得到了用质粒介导的诱导多能性干细胞，这也是诱导多能性干细胞研究中一个里程碑式的成果。作为一个年轻的科学家，可以预见，俞君英在未来还将在这一领域做出更多更好的工作，再创辉煌。

这两组神奇的四因子都有一个共同的特点：除了Lin28以外，它们都是转录因子。

那什么是转录因子呢？让我们先说说什么是转录。我们知道，大部分生物的遗传信息都储存在DNA中，但真正行使功能的却主要是蛋白质，在DNA和蛋白质之间还有一个媒介，就是RNA。简单的说就是DNA“转录”成RNA，RNA再“翻译”成蛋白质。而转录因子呢？就是一类可以促进DNA转录成RNA的蛋白质。

在生物体中，转录是一个非常复杂的过程，所有蛋白的转录都受到着严密的调控，转录因子可以特异性的结合在特异的DNA序列上，保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达特定的蛋白质分子。

所以每一个转录因子都是一系列蛋白表达的开关，而无论是山中伸弥还是汤姆森的四因子，都是这样的开关，每个因子都会调控一系列的蛋白，而且它们之间还会有相互作用，最终导致一系列的生化反应，最终把细胞带上重编程之路。

亚玛纳卡四因子包括：Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4；汤姆森的四因子则包括：Oct4、Sox2、Nanog和Lin28。

由此我们可以看出，这两组神奇的四因子中Oct4和Sox2比较重要。事实上Oct4是其中最重要的一个，目前已经有多个实验室在不同种类的细胞中实现只用Oct4就诱导成功诱导多能性干细胞的。不过这都是在小鼠上，人的诱导多能性干细胞的诱导要复杂得多也困难得多。

四剑客的分道扬镳

具有神奇功能的6个因子，并非都是“全优生”，c-Myc根本就是个原癌基因，Nanog、Klf4都是候选原癌基因，Oct4和Sox2也在肿瘤中有表达，只有Lin28似乎好一点，但它又是所有这6个因子中研究得最少的一个。

所以，摆在科学家面前的问题就是：如何用更少的因子做出同样的事情来？

首先被淘汰的，当然就是“最不好”的c-Myc了，谁叫它是原癌基因呢？但同时它又是提高诱导多能性干细胞诱导效率的主要因素，诱导多能性干细胞的诱导效率本来就不高，去除c-Myc后又会低不止一个数量级，所以要淘汰c-Myc，就要提高诱导多能性干细胞的诱导效率。小鼠细胞增殖快，易于培养，所以在经典的诱导多能性干细胞问世不久，就有人做出了没有c-Myc的细胞，但是人的和其他动物，特别是灵长类的动物的无c-Myc的诱导多能性干细胞的诱导至今还是困难重重。

Nanog和Klf4是一对可以相互影响的因子，它们在诱导多能性干细胞的诱导中有着微妙的作用，可谓“增一分则太长，减一分则太短”，但并非完全不可或缺。特别是Klf4，不但在许多成体细胞中有表达，而且可以在多种刺激下诱导表达。目前已经有人做出来，用磷酸二酯酶的促进剂来调控Klf4的表达，大幅度的提高了诱导多能性干细胞的形成效率；同时也有人利用本身就高表达klf4的成体细胞诱导成功诱导多能性干细胞的例子。

Lin28是一个翻译加速器，翻译水平上调控蛋白质合成的一个因子，它的作用也并非不可或缺，实际上在我们的研究中，貌似Klf4也有类似的作用。

最后，就是Oct4和Sox2了，其中又以Oct4更为重要，虽然很早就有人做出来组蛋白甲基转移酶G9a的抑制剂BIX-01294可替代Oct4在诱导多能性干细胞的诱导中起作用，但这种化合物毒性极大，作用却不强，实际上并不能替代Oct4在诱导多能性干细胞的诱导中起作用。倒是Sox2在神经系统的干细胞、祖细胞等中都有表达，它又是通过保持Oct4的适当表达水平稳定胚胎干细胞的多能性的，所以在没有Sox2的情况下，也可以诱导出来诱导多能性干细胞。

就这样，四剑客分道扬镳了：Oct4是“八风吹不动，稳坐紫莲台”无可或缺；c-Myc则是“弃你没商量”，能不用就不用；Klf4和Sox2可以“自力更生”，用药物诱导；而Nanog和Lin28则是诱导多能性干细胞这出大戏的“配角”，可以被替换的。

原本神奇的亚玛纳卡四因子选出了它们当然的“王”——Oct4。