2012年诺贝尔生理学或医学奖的背景与评介

作者：饶毅

2012年11月12日  来源：学习时报

　　2012年的诺贝尔生理学或医学奖，肯定了发育生物学基本问题的研究。

　　这是发育生物学第四次获诺贝尔奖。第一次是1935年德国的HansSpemann（因为他发现胚胎诱导现象）、第二次是1986年意大利女科学家RitaLevi-Montalcini（因为她发现神经生长因子）、第三次是1995年德国的女科学家ChristianeNüsslein-Volhard和美国的 EricWieschaus和EdwardLewis（因为他们研究果蝇发育的基因）。百年来，发育生物学的诺奖一半给了德国，是因为德国在19世纪创立了近代发育生物学，并多年领先。

　　我们每个人都是始于一个细胞（受精卵）。这一个细胞分成两个细胞，再分成四、八、十六、三十二、六十四个细胞，如此直至很多很多细胞，而这些细胞的形态和功能都不一样。也就是说，最初的一个细胞，有多种潜能，而最后分化的细胞，只参与一个功能，比如长出头发的细胞、组成眼睛的细胞，不同于脑中、肝脏和肾脏的主要细胞。

　　从发育生物学来说，一个多潜能的细胞，如何变成分化的细胞，这个过程发生了什么变化、是否可逆？

　　从再生医学希望人造器官来说，粗略可以分成两步：第一步把已分化的细胞（如皮肤的细胞）退回多潜能状态的细胞（多能干细胞）；第二步把多能干细胞变成我们需要的细胞（比如肾脏的细胞）。如果可以这样，也许当我们失去眼睛、肾脏、胳膊的时候，我们用自己无关紧要的细胞（如皮肤上刮下一点），重新制造我们失去的细胞、组织、器官，在应用上有着诱人的前景，可惜目前还做不到。

　　约翰 格登（Gurdon）和山中伸弥的工作与第一步有关：约翰 格登研究是否分化的细胞能退回多能细胞，而山中伸弥研究用什么分子可以将分化的细胞退回多能干细胞。有很多人在做第二步（将多能干细胞变成我们希望的分化细胞），但尚需确定高效的、公认的、无副作用的方法。

　　约翰 格登和山中伸弥的工作在目前来说做得相当好，所以得了诺贝尔奖。

　　他们的工作本身有很长的历史背景，可以推到19世纪德国的近代实验胚胎学创始人WilhelmRoux。但简单的是推到1952年，美国费城的科学家RobertBriggs和ThomasKing。他们于1952年发表一篇论文，将原来只在单细胞生物阿米巴做过的核移植技术（nucleartransfer），成功地建立于多细胞生物。他们把蛙的细胞核转移到另外一个去除细胞核的细胞里面，让后者发育生长。他们想检验细胞核在发育过程中是否潜能有所改变。当时，他们只检查了胚胎发育比较早的几个时期细胞核，发现越早成功率越高。

　　1958年，当时在牛津大学的约翰 格登等用Briggs和King同样的方法，换了一种蛙，也能做核移植，而且观察到同样现象，越早的细胞核，越能支持胚胎从开始发育到成熟。晚的细胞核成功率降低。但是，约翰翰格登强调，晚的细胞核竟然还有全能性。1962年，约翰翰格登用蝌蚪肠子的细胞核也获得成功，进一步支持分化的细胞，其细胞核仍有全能性，只是需要和早期的细胞质放在一起。这个工作一方面说明晚期细胞核还有全能性，另外一方面说明早期细胞质有保持或诱导全能性的能力。

　　1996年英国爱丁堡Roslin研究所Wilmut团队把羊胚胎的细胞到体外培养后，取其细胞核移植到早期卵母细胞，可以长成羊。1997年，Wil-mut等从成年羊的乳腺中获得细胞，取细胞核移植到卵母细胞，可以获得羊。克隆羊的实验，证明哺乳类动物分化的细胞，其细胞核可以重新变成具有全能性的胚胎干细胞。

　　所以，核移植与细胞核全能性的工作，突出的是Briggs和King、约翰 格登、Wilmut。不过，Briggs于1983年去世，King于2000年去世。

　　约翰 格登本人为很多人尊敬，有很多人希望他得奖。他是一个非常聪明的人（最近我才听说中学老师认为他生物学很差，不过这不是后来科学家对他的评价，他在1990年代的研究，与我当时的研究是同一领域，我们常感叹他的研究聪明，也曾推荐学生上课要读他1990年代的文章）。在英国有一批科学家，他们做工作很有趣，做科学不是为了吃饭，是为了好玩。美国也许从来没有过绅士科学家，现在英国这样的科学家也不多了，约翰 格登是绅士科学家。

　　日本科学家今年得奖的工作有两个基础，一是核移植显示分化细胞的核未丧失全能性，另一是分子生物学研究细胞命运。研究细胞命运的基因，最重要的工作是德国的 ChristianeNüsslein-Volhard、美国的 EricWieschaus和EdwardLewis，他们发现了很多控制果蝇胚胎发育的基因，于 1995年获诺贝尔奖。他们研究的主要方式是让单个基因突变以后，看胚胎的表型，从而推论某个基因对某个发育过程是必需的。1987年美国西雅图FredHutchison癌症研究中心HaroldWeintraub实验室做了一个很漂亮的实验。他带领研究生和博士后用分子生物学的方法研究一个基因对细胞命运是否起到充分的作用。有一种成纤维细胞，在一种药物处理下，不知为什么，会变成肌肉细胞。Weintraub实验室比较成纤维细胞和肌肉细胞之间表达哪些不同的基因，找到三个差异表达的基因。他们将每一个基因单独转入成纤维细胞，结果其中一个可以将成纤维细胞变成肌肉细胞，他们称这一基因为MyoD（肌肉决定）。其后，他们和多个实验室发现，MyoD可以将好些不同细胞变成肌肉细胞，这是通过单个基因改变细胞命运的里程碑。2012年 Lasker获得者TomManiatis称Weinbraub是他认识的最聪明的生物学家，可惜Weintraub患脑瘤去世了。

　　1995瑞士巴塞尔生物中心的WalterGehring带领实验室发表一篇论文，发现在果蝇中，用一个基因可以诱导眼睛产生，果蝇的这个基因称为eyeless，它在脊椎类动物的类似基因称为Pax6。还在摩尔根时代就知道：没有这个基因，眼睛减小很多。Gehring实验室克隆到这个基因后，发现它平时表达在早期眼睛里，而通过转基因将它表达到身体其他部分，可以在多个部位长出眼睛，如翅膀上、腿上。这表明，通过单个基因可以改变一些细胞的命运导致一个器官的形成，至少在果蝇如此。

　　可惜的是，在脊椎动物、哺乳动物，还没有找到用单个或多个基因制造组织、器官的方法。人造生物器官的梦想还需要努力。

　　多能干细胞也是一种细胞命运。1990年，日本的Okamoto等、德国的Scholer等分别独立发现多能干细胞特异表达的Oct4基因。2003年，山中伸弥实验室和英国的Chambers等独立发现另一个对维持多能干细胞重要的基因 Nanog。Oct4和Nanog可以使少数种类的细胞变成干细胞，但一般来说，它们单独不能将分化的细胞变成干细胞，还需要其他因素。

　　在这些基础上，有了山中伸弥的工作。

　　山中伸弥原来的科学背景较弱，在美国进修时实验室也不是很好，回到日本时的研究条件也不很好。但他坚持不懈，一步一步，沿着自己原来的研究经常问问题，最后做了很好的工作。2003年，他实验室作为发现Nanog的两个实验室之一，首次为较多科学家注意。进一步，他实验室的Takahashi和他选择了多能干细胞与一般细胞不同的基因，他们估计了24个基因，然后把24个基因同时导入分化的细胞，结果能够将后者转化为多能干细胞，他们逐步做减法，减去某一个，最后发现只需要 4个基因（Myc，Oct4，Sox2和Klf4）就足以将分化的细胞变成多能干细胞。他们将由此得到的干细胞称为诱导多能干细胞（iPS）。这一工作立即引起广泛的瞩目。

　　他们2006年的工作是用老鼠细胞做的。2007年，他实验室以及美国迪斯康斯大学汤姆森实验室的俞钧瑛等，独立报道4个基因也可以使人的细胞转化为多能干细胞，两个实验室用的具体4个基因有2个不同。

　　iPS立即为很多实验室使用，并认为有很多应用潜能。不过，iPS的应用还有尚未完全解决的问题。最后用于再生医学的途径和方法，迄今未知，如果最后需要制造干细胞，而且制造干细胞的方法是通过用基因诱导干细胞，那么今年奖山中伸弥是对的。不过，也还有可能：最后应用的方法不用制造干细胞，直接从一种分化的细胞变成另外一种分化的细胞，省略干细胞一步，那么方法就完全是Weintraub等1987年发明的。也可能最后制造应用的方法是目前大家想不到、完全不同于山中伸弥的方法和途径。所以，虽然大家对iPS还在兴奋期间，但工作尚未完成，意义未经长期检验。

　　很多人推崇已经79岁的约翰?格登，把他和山中伸弥合在一起，可能也是山中伸弥 2006年工作出来时间不久就获奖的原因之一。

　　诺贝尔自然科学奖，虽然一般在科学界有相当大的共识，但也会出现不同意见、出现错误。如果将诺贝尔奖奉为神明，就可能夸大一些工作、忽略一些真正重要的工作，不了解科学事实和研究的历史进程，有时误导后来者。

　　如果误以为发了诺贝尔奖就是定论，就可能因为诺贝尔奖而误以为某项工作已经达到顶峰。实际上，有时不是这样。我们在肯定获奖工作正确部分的同时，无需崇拜、不应该被迷惑，有时意识到还有可能另辟蹊径，走不同的道路、做不同的研究，才更有意义。