“終末分化”概述了這種舊觀念——皮膚細胞、肌肉細胞等成熟細胞不能經過誘導獲得一種顯著不同的“命運”。10年前，這種觀念開始搖搖欲墜，當時，日本京都大學細胞生物學家山中伸彌證實導入幾個基因能夠將成熟纖維原細胞（結締組織細胞）轉化為誘導性多能干細胞（iPS細胞）。類似于胚胎干細胞，iPS細胞能分化為任何一種類型的細胞，這一性質被稱作為多能性。不同于胚胎干細胞的是，iPS細胞也能無限增殖。

 

僅僅在山中伸彌取得該發現幾年后，研究人員就已開始發現改變細胞類型的捷徑，他們稱之為“直接重編程”。一種類型的成熟細胞經誘導后能直接變成另一種類型的成熟細胞，而不需要借助iPS細胞這一中間階段。研究人員已了解到如何將皮膚細胞轉化為神經元或心臟細胞，如何將胃細胞轉化為分泌胰島素的β細胞。德國美因茲古藤堡大學科學家Benedikt Berninger說：“就在你的眼前看到這些細胞改變身份是非常神奇的。”Berninger的研究利用直接重編程產生神經元。

 

相對于iPS細胞研究，直接重編程研究還處于更初始階段，但是它正激發人們對再生醫學的興趣。直接重編程的細胞可能比通過iPS細胞中間階段產生的細胞更加**，因為后者可能具有與腫瘤細胞一樣的廣泛增殖能力，這會使得它們或許潛在地導致癌癥產生。

 

基于iPS細胞的臨床介入必需謹慎開展，以便確保沒有多能性細胞與完全成熟的細胞一起移植。瑞典隆德大學神經生物學家Malin Parmar說：“風險就是你可能失去對這些細胞的控制，它們在移植后開始不受控制地增殖。但是，如果你繞過iPS細胞產生階段，那么它將更加快速和更加**。”Parmar希望利用直接重編程逆轉帕金森病患者大腦中的神經元丟失。

 

改變遺傳

 

重寫細胞身份首先需要理解這些身份是如何建立的。每個細胞都能追蹤其祖先到單個起源：受精卵。當胚胎細胞分裂和成熟時，它們的命運是由發育過程中特異性基因開啟和關閉所確定的。被稱作轉錄因子的蛋白首先結合到基因組中的某些DNA序列，隨后激活或抑制附近的基因，從而調節這一過程。控制細胞命運的轉錄因子經常被稱作“主調節因子”，這是因為它們控制著一連串復雜的基因活性。

 

美國哈佛干細胞研究所細胞生物學家Qiao Zhou說，“這些主調節因子基本上都是根據它們在胚胎發生時產生某些細胞類型中的關鍵性作用決定的。一個祖細胞可能變成細胞A、B或C，但是如果你迫使它表達某種主調節因子，它將*終變成細胞A。”

 

證實主調節因子能用于直接重編程的研究可追溯到1987年，當時來自弗雷德-哈金森癌癥研究中心的Harold Weintraub、Andrew Lassar和同事證實誘導成纖維細胞表達某一DNA片段能夠讓它進入變成肌肉細胞的發育途徑；他們隨后發現導致這種變化的單個基因編碼轉錄因子MyoD。加州大學舊金山分校格拉斯通心血管**研究所心臟發育研究員Deepak Srivastava說：“這在當時是一項顛覆性的發現。”

 

但事情并非這么簡單。尋找單個能啟動重編程的主調節因子遭遇滑鐵盧，直到山中伸彌揭示出有效重編程的秘密并不是單個因子，而是多種基因的組合。隨著研究人員混合和搭配不同的主調節因子組合，成功才開始出現。

 

2008年，哈佛大學科學家Douglas Melton團隊將一種類型的胰腺細胞轉化為β細胞，該細胞是很多糖尿病患者所需要的。作為團隊一員，Zhou說，“結論是你僅需3種主調節因子實現這一點。”2010年，斯坦福大學干細胞科學家Marius Wernig團隊也利用3種基因將成纖維細胞轉化為神經元。

 

迄今為止，大多數開創性的直接重編程發現都是在體外培養的細胞中實現的。但如果能在體內促進細胞轉化，很多研究人員就會對再生醫學抱有更大希望。在一種器官中相對豐富的細胞群體或能轉化為更迫切需要的其他類型的成熟細胞。迄今為止，研究人員已在動物實驗中取得一些成就。比如，Parmar團隊發現通過將攜帶編碼重編程因子的基因的病毒載體注射進小鼠大腦中，能將神經膠質細胞轉化為功能性神經元。Srivastava也類似地在心臟內將小鼠成纖維細胞轉化為跳動的心肌細胞，這一策略可能提供一種**心臟病發作導致的心臟損傷的方法。但迄今為止，沒有人在人體內嘗試過直接重編程。

 

身份危機

 

到目前為止，大多數研究著重關注確保重編程過程成功。研究人員不僅需要找出啟動這些基因的主調節因子組合，也不得不發現盡可能*小的組合。這是因為迫使一種細胞表達主調節基因的*可靠方法是運送這些基因的額外拷貝到這種細胞中，而相對于運送僅僅幾種基因，運送很多種基因到細胞中更困難。找出*小的主調節基因組合需要一番艱苦跋涉：通常，潛在的組合名單比較巨大，**的篩選方法是系統性地逐一測試。比如，Parmar團隊以12種候選基因開展產生多巴胺的神經元的研究，經過一番篩選后，*終縮小到兩種基因。

 

一些研究人員已開始設計專門用于直接重編程的軟件。一個橫跨三大洲的團隊已開發出一種被稱作Mogrify的實驗規劃工具，這個工具將來自眾多細胞類型的大量基因表達數據與不同主調節因子控制的基因網絡方面的規則匯集在一起。基于這些數據和規則，Mogrify可預測導致所需細胞身份變化的重編程因子組合。

 

但提供有活性的主調節基因并不足以確保完全的重編程：這些主調節基因可能成功地將細胞設置在一個發育途徑上，但會讓它處于一種未成熟的前體細胞狀態。因此接下來的任務就是鑒定出哪些基因必須處于活性狀態完成這一發育過程。

 

然而，真正重要的細胞身份測試是重編程細胞是否在功能上能夠替換自然分化的細胞。美國得州大學西南醫學中心神經生物學家Chun-Li Zhang說：“如果它們看起來像是神經元，而且它們的基因表達也類似于神經元，這并不意味著它們是真正的神經元。”令人信服的證據需要接受一系列評估，比如利用電生理學測量證實一種新形成的神經元是否放電，因而是否能夠激活與它通過突觸連接在一起的其他神經元。Zhou表示，沒有一種特征性的評估方法能夠獨自提供具有足夠說服力的證據。

 

通往臨床之路

 

這些方法在人體測試之前還有很多障礙要克服。一般而言，已證實相比于小鼠細胞，人細胞在進行直接重編程時更加充滿挑戰：它們傾向于花費更長時間經歷這個重編程過程，雖然一些轉錄因子足以在動物實驗中實現直接重編程，但是人細胞經常需要額外的轉錄因子。基因轉運也帶來巨大挑戰，特別是將基因轉運進大腦等器官中。

 

另外，還會存在拆了東墻補西墻的問題。在大腦中，將神經膠質細胞轉化為神經元會降低那里的神經膠質細胞數量，而這本身就可能產生風險。

 

心臟**很可能*接近于臨床應用。Srivastava團隊已開始研究將豬心臟內的成纖維細胞轉化為心肌細胞。他說：“我們有初步的概念驗證：即便在像我們這樣大的心臟中也能夠實現轉化的效果。”如今，這個團隊正在開展**性研究，并優化基因運送方法。

 

Zhou團隊努力將體外培養的人胃腸道細胞直接轉化為β細胞，并且也正在努力在診所中開展應用。這些腸道細胞很容易通過活組織檢查獲得，而且在體外培養和重編程后，在理論上，它們能夠移植到患有糖尿病的志愿者的胰腺中。

 

無論如何，直接重編程正開始獲得產業界的關注，不過生物技術公司和制藥公司并沒有準備好投入其中。Zhou說，“迄今為止，還沒有同等數量的資源和人力投入到這種方法中。但是這個領域正在快速趕上，我迫不及待地想看到它將會如何發展。”