从蹩脚外科医生到细胞炼金术师
Dec 14, 2012昨天看了今年诺贝尔生理学或医学奖得主之一的山中伸弥（Shinya Yamanaka）的诺贝尔演讲，山中同学机智幽默又饱含深情的讲了自己的科学家之路，大家一定要去瞻仰。
山中同学最早是学医的，但他当了两年的外科医生之后，发现自己完全不是那块料，于是去了大坂市立大学读PhD。他的导师 Katsuyuki Miura，给了他一个简单的课题，按山中的话说，难度十分适合“失败的外科医生”。结果他做的结果大出导师的意料。但他导师鼓励他继续研究下去，然后就没有然后了（演讲里没有提）。。
博士毕业后山中同学到美国 Gladstone Institute of Cardiovascular Disease 做博士后，导师 Tom Innerarity 交给他一个课题，在小鼠里过量表达 APOBEC1，一个与脂肪代谢通路相关的基因，他们猜想 APOBEC1 会降低胆固醇含量，因此可能用于治疗心血管疾病。山中同学没日没夜的工作，终于让小鼠过量表达了这个基因。一天凌晨，实验室的技术员找到山中同学说：你的老鼠好像都怀孕了！山中同学说：好吧，但是，他们都是公的啊。后来发现，原来那些老鼠全都得了肝癌。
导师 Tom 先是很失望，别说治疗心脏病了，病人全都得癌症了。但是又鼓励山中同学继续进行小鼠肝癌的研究。于是山中同学成了这个心血管疾病研究所里唯一一位研究癌症的。
山中同学回到了日本，患病数年，病因是 PAD (Post America Depression) （好冷的笑话 — azalea注）。原因没有详叙，大概是美国科研条件太好了。但是柳暗花明，山中同学在他37岁那年，在日本奈良科技研究所当上了PI（俗称实验室老板）。他于是给自己的实验室设定了研究目标：要把分化成熟的体细胞转化成干细胞。
干细胞，拗口滴说就是未分化且具有分化成各种不同类型细胞能力的细胞。1998年 James Thomson 从人类胚胎中提取出胚胎干细胞 (ES cells)，因为胚胎干细胞有分化成各种组织和器官的能力，因此胚胎干细胞的研究有广大的医疗前景。比如可以诱导成心肌细胞，移植到病人体内，治疗心脏病；或者骨髓，治疗白血病。
但是产生人类胚胎干细胞需要破坏胚胎，因此导致了强烈的伦理争议。山中同学于是大胆假设，如果能够把人类体细胞逆转成胚胎干细胞的状态，不仅能终结伦理争议，而且今后用于移植治疗也不会产生排斥反应（因为是用病人自身的体细胞产生的，比如可以把肾衰竭病人的皮肤细胞诱导回干细胞，然后在培养成一个肾，移植回去）。
那是1999年，在当时的很多科学家看来，这个想法很疯狂，从来只见过干细胞分化发育成多种类型的成熟体细胞，没见过成熟细胞自己变回干细胞的。没有人知道要改变多少基因或者表观遗传标记才能完成样的逆转。但是山中乐观的觉得这是可行的，虽然也许需要10年，20年，30年或者更长时间。他的信心来源于前人的研究。
1962年，正是山中同学出生的那年，英国科学家 John Gurdon 把青蛙卵细胞的细胞核破坏 ⓵，用蝌蚪尾巴上的成熟细胞的细胞核代替 ⓶，这个混合的卵细胞发育成了一只正常的青蛙 ⓷。
这说明，成熟细胞的细胞核仍然包含发育成整个青蛙的所需信息，而且可以被转化成干细胞核的状态。这个发现纠正了前人的错误观念，虽然生命由生入死，不可逆转，但是细胞从未分化到分化，却是可以逆转的。John Gurdon也因此与山中同学共享了今年的诺贝尔生理学或医学奖。
在1987年，Harold Weintraub 发现 MyoD 基因能够把成纤维细胞转变成肌细胞。山中于是觉得，既然不同的成熟细胞类型之间可以相互转变，为何不能把成熟细胞转变成干细胞。
于是从1999年，山中同学带领加3个年轻的科研人员，用了6年时间，从24个可能的基因里面，筛选出了4个必不可少的基因，仅仅这4个基因，就可以使细胞命运逆转，回到原始未分化状态，他把逆转后的细胞称为诱导多能干细胞 (iPS cells)。
科学家们惊叹于山中同学的深刻洞察力，因为干细胞和成熟细胞有成百上千的基因表达有差异，而山中同学把这个列表减少到24，发现这24个基因就能完成细胞命运的逆转。他们从这个长度为24的列表里一个一个移除基因，发现最终剩下4个，移除哪一个都不能完成逆转。
George Q. Daley 把山中等人开启的细胞类型转变的研究称为细胞炼金术。我觉得这看起来比炼金术还要神奇。人类的基因组有近2万个基因，而仅仅其中4个就可以把分化细胞转变成干细胞。随后其他科学家的研究发现，仅仅数个其他基因的组合，就可以把一种细胞类型转换成另一种。
时过境迁，与当年的4人团队相对比，现在山中同学在 Center for iPS Cell Research And Application (CiRA), Kyoto 带领着200多人的团队，进行着 iPS 细胞的应用研究。科学家可以从病人体内获得成熟细胞，转化成 iPS 细胞，进而培养成成熟的神经、心脏、肝脏等细胞，用于研究疾病机理或试验新药，将来等技术成熟，可以把分化的细胞和组织移植回患者体内进行治疗。
这个故事告诉我们：
quit 并不可怕。找到你的真爱吧，不然现在就少了个诺奖得主，多了个蹩脚外科医生。
大器晚成并不可怕。山中同学37岁才当上PI（其实也不算特别晚），但是50岁就获得了诺贝尔奖。
好的导师很重要！实验结果不如人意但仍然鼓励学生卖命干活的导师更重要！
科研真的是99%的汗水加上1%的运气（灵感）。山中同学成为PI之前养了好久老鼠不说，之后也养了不知道多少细胞。但是这些也许都是瞎忙，如果没有那1%的灵感。很多实验室都在研究干细胞，但只有山中同学有勇气而且有洞见的一个一个基因的尝试。而且，没有用30年，甚至没有用10年，他们成功了，并且开辟了一个激动人心的新领域。
一定要出生在有重大科学发现的一年，并且以后从事和这个发现相关的研究，这样很可能双双获得诺贝尔奖哦！（这条态度不够严肃，我认错）
p.s. 对演讲的细节也许理解或记忆有误。因为山中同学所有家人都到现场听他演讲，除了他老妈，原因是 “你的英语太差了，我去了也听不懂”。
图片来源:
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演讲幻灯片
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/yamanaka-lecture_slides.pdf
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诺贝尔奖官网信息
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/popular-medicineprize2012.pdf
参考资料：
2. Cellular Alchemy and the Golden Age of Reprogramming. Daley, George Q. Cell 151, 1151-1154 (2012) doi:10.1016/j.cell.2012.11.016
http://www.cell.com/retrieve/pii/S0092867412014018
3. Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Kazutoshi Takahashi and Shinya Yamanaka. Cell 126, 663–676 (2006) doi:10.1016/j.cell.2006.07.024
http://download.cell.com/mmcs/journals/0092-8674/PIIS0092867412014018.mmc1.pdf
4. Direct lineage conversions: unnatural but useful? Thomas Vierbuchen and Marius Wernig. Nature Biotechnology 29, 892–907 (2011) doi:10.1038/nbt.1946