六、发育生物学——生物学皇冠上的明珠

个体发育，编程与重编程

发育生物学起始于两个观点：先成论认为成体微小雏形在受精卵中预先存在，待发育时则逐渐长大；而渐成论认为受精卵中不存在胚胎结构，在发育过程中从简单到复杂逐渐发育出各种组织和器官。

19世纪中期显微镜技术的发展推翻了先成论，认可了渐成论的观点，而这个从简单到复杂、定时定点定向的发育过程，被称为编程。

1972年英国科学家约翰·格登（John Gurdon）将青蛙成体细胞核移植到去核的卵母细胞中，从而将成体细胞逆转为原始状态的胚胎细胞，并进一步发育为健康的青蛙，证明发育终末的成体细胞可以被重编程，颠覆了生命科学的传统观念。

1997年，伊恩·维尔穆特（Ian Wilmut）将成年羊乳腺细胞核移植到去核卵母细胞中，得到克隆羊多利，首次在哺乳动物中实现重编程。克隆羊轰动了世界，体细胞克隆牛、小鼠、猪、兔和大鼠等相继出现，克隆技术在医疗中展示出广阔的应用前景。例如结合干细胞技术，将一个心脏病患者的皮肤细胞重编程为胚胎状态——多能干细胞，再诱导分化为心脏细胞，移植到患者的心脏，从而治疗那些无药可治的遗传病。但是这种技术的应用存在很大的局限性，一是需要高超的核移植技术，二是需要珍贵的人类卵子，牵涉到复杂的伦理问题，三是核移植的成功率相当低。

iPS细胞——逆转生命时钟

2007年，日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）将四个转录因子Oct4、Sox2、Klf4和c Myc的组合转入成人皮肤细胞，在体外培养后成功得到人类诱导性多能干细胞（iPS细胞），这一过程不需要复杂的体细胞核移植操作和珍贵的人类卵子，又避免了人类胚胎干细胞用于治疗的伦理问题和免疫排斥问题。2012年，山中伸弥和约翰·格登共同获得诺贝尔生理学或医学奖。

人类iPS细胞在临床上被寄予厚望，发展十分迅速。科学家一方面致力于提高诱导效率并改善安全性，例如用mRNA、蛋白甚至化学物质代替经典的逆转录病毒载体来提高安全性；另一方面是治疗方面的研究，包括针对小鼠疾病模型和人类临床的研究。

2007年，将镰状细胞贫血疾病小鼠模型的皮肤细胞诱导为iPS细胞，通过体外基因打靶技术对致病突变基因进行修正，再在体外诱导分化为造血祖细胞，回输到疾病小鼠的体内，症状得到改善。2008年，iPS细胞被用于治疗帕金森综合征。2009年，中国科学家周琪和曾凡一等通过四倍体注射技术获得纯iPS细胞来源的活体小鼠，首次证明了iPS细胞的全能性。

在临床实验中，2014年日本科学家从自体的诱导性多能干细胞获得视网膜色素上皮细胞，并植入70岁高龄女性患者右眼中，完成首例临床试验。虽然，iPS应用于临床还在初始阶段，安全性和有效性有待进一步考察，但是毫无疑问，它为过去被视为不治之症的遗传病和退行性疾病提供了非常有希望的治疗方向。

○摘编自《科学》2012年第6期
（曾凡一）