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谈谈生物物理（7）--- 细胞的七十二变
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父亲嗜书，家中的藏书多而杂。从我还小的时候，就零碎的读了原版的四大名著，儒林外史等古典小说。也读了量子力学史话等科普读物，现在还记得坐在大象上的家伙拿着一支猎枪，正在瞄准五六头晃来晃去的量子老虎。说实话，那时候并没有读懂，读书你固然可以贪多求快，但要真正明白的话还需要你的阅历。《红楼梦》还是后来才越读越欢喜，觉得真正是“天下第一才子佳人书”。读《西游记》的时候，对那只天不怕、地不怕而且神通广大的猴子佩服得五体投地。念小学的时候经常参加作文比赛，也常读别人的文章。记得有个家伙的开场白第一句就是：“我姓孙，
孙悟空的孙”。于是将其引以为同志。最神奇的是，孙猴子喜欢跟人打仗，偶尔打不过的时候便拔下一把猴毛，变出一大捆小猴子来给他帮忙。猴毛如何能变成猴子，真是吴公丰富的想象力。并且孙悟空还可以七十二变，变成各种各样的人物来折磨他那贪吃贪睡的八戒师弟。时至今日，书中的诸多神奇本领，比如千里眼、顺风耳已经成为现实，一个筋斗十万八千里也已不在话下，但这个七十二变还颇让人费脑筋。比如，普通的肌肉细胞可以变成心脏细胞么？肝细胞可以变成胰岛细胞么？皮肤细胞可以变成脑细胞么？随着现代分子生物学逐渐揭示生命的本质，人们发现细胞和细胞之间的差异，并不像过去想象的那样大。同一生物体的不同细胞，有相同的原始DNA基因编码。只是在胚胎发育时期，不同的基因被打开或锁定，脑细胞只表达脑细胞传导信号所需要的基因，心脏细胞只表达周期性收缩和舒张的基因等等。为了如何解释相同的基因编码，最后能形成千奇百怪的独特功能的细胞，Waddinton提出了Gene Landscape的类比来解释。
Waddinton 的“Gene Landscape”理论
fig. 1 Waddinton's Gene Landscape
Waddinton借助物理中的势能理论来解释由受精卵分裂形成的万能干细胞（pluripotent stem cell），是如何逐渐分化形成其他细胞的。万能干细胞就好像山顶上的一个小球，由向下滚动的趋势。然而基因组合就像实际的山脉那样有山脊和山沟，当基因的锁定和表达跨越一道分界线以后，便不能回头，只能在这一方向上继续分化，于是干细胞分化成造血干细胞，肌肉干细胞，神经干细胞等等。然后造血干细胞继续分化成为红细胞与白细胞。同样，人体中的肌肉细胞，神经细胞，骨细胞等等，都是由不同的干细胞形成的。
Fig. 2 Development of stem cells
Fig. 2 Development of stem cells
Yamanaka的诱导干细胞和Melton的细胞直接演变
就像自然界中的物体总是向势能减少的方向运动那样，通常人们认为细胞只能从干细胞分化成为功能细胞，反之则不然。由于干细胞有这样千变万化的神奇功能，利用干细胞对衰老甚至病坏的功能细胞进行更新换代，成为现代医学发展的一个热点。但是，由于胚胎干细胞的来源备受争议，人们尝试有别的手段来获得干细胞。Yamanaka在去年2007年11月的发现，是干细胞研究里程碑的进展。他和美国University of Wisconsin-Madison的James Thomson 同时发现，如果使用某种手段使四种胚胎时期大量存在的控制基因（transcription factors），Oct3/4, Sox2, Klf4, and c-Myc重新激活并在细胞中大量表达的话，这可以使人体皮肤干细胞回到万能干细胞的状态。这一研究，立刻引起了全世界的关注。因为举一个例子，如果我们可以通过提取病人的皮肤组织培养成为胰岛细胞，再植入人体。这样不但病人可以告别人工注射胰岛素，恢复到重新自主分泌，并且这没有任何免疫带来的不良反应。中国目前有四千万糖尿病患者，并以每年百分之五的速度增长。如果该疗法成功，其后果非同小可。正因以为如此，日本政府破天荒地为这一项研究通过一个特别提案，将科研经费从2007年度的两百五十万美元，提高到2008年度的两千三百万美元，并预计在未来五年中投入一亿美元的经费。黄庆当时在日本，见证了日本政府这一违反常规的快速反应，并有博文如下。
然而Yamanaka的研究还有一个小纰漏，在他使用的四个控制基因当中有一个癌症诱导基因Oncogene。因此不保证，由此得到的万能干细胞有癌变的可能。在后来的研究中，Yamanaka排除了这一癌症诱导基因，只使用三个基因实现了到万能干细胞的转变。而Max Planck的一个小组，进一步的尝试将三个基因减少到了两个。
正像Merton指出的那样，科学上的大变革正是由于实验中出现了以往理论所不能解释的新发现。人工诱导万能干细胞(iPS)的出现，使得Waddinton借助物理中的势能理论的解释不能成立。如果新的解释可能成立的话，从生物物理的角度考虑，新的细胞发育理论至少应该解决以下三个问题：
第一，从分化细胞恢复到万能干细胞，显然细胞的熵是减少的。正常的细胞发育分化过程总是熵增的，促使iPS熵减的推动力是什么？
第二，实际上iPS的成功率是非常低的。使用四个控制基因，成功转化为万能干细胞只有2%左右，当使用三个控制基因时转化率降低，当使用两个基因时转化率只有0.2%。为什么大部分细胞会在转化的中途受阻，形成没有任何生理功能的基因表达模式，而导致最终死亡？
第三，虽然Yamanaka在新一轮的研究中去除了癌症诱导基因，但是众所周知的是，癌细胞之所以疯长，正是因为其在错误的时间和错误的地点，错误的使用了细胞在胚胎发育时期具有的Gene programm。我们可以确认，iPS不会比正常细胞有更高的癌变可能吗?
Fig. 3 Melton's direct Cell programming
当人们还在为Yamanaka的发现感叹的时候，哈佛的Melton小组作出了一项更令人震惊的发现（这篇Nature文章的第一作者是中国人：Qiao Zhou）。他们通过重新激活并在pancreatic exocrine cells中大量表达三种基因（Ngn3 ，Pdx1 and Mafa），将胰腺中的组织细胞（pancreatic exocrine cells），不经由干细胞（这一点他们不是很肯定），直接转化为能够分泌胰岛素的beta-cells。如果这研究一方向能够应用到其他类型的细胞的话，可以肯定地讲，这将是本年度最为激动人心的发现，其重要性将丝毫不亚于Yamanaka去年的发现。因为这在
“分化细胞 => 万能干细胞=>分化细胞”的基础上更进一步，证明直接从“分化细胞甲=>分化细胞乙”是可能的。同样，考虑到中国的四千万糖尿病患者，Melton小组有两项明显的优势：
第一，目前这种细胞直接演变的方法，成功率提高到了20%。
第二，由于绕开了分化活跃的万能干细胞阶段，癌变的可能性也大为降低。当然，目前的结果还不能说是可能性为零。
如果能提出新的理论，来解释细胞直接演变的话，这将是未来生物物理教科书中，所必不可少的内容。
对新一代的生命科学家，革命尚未成功
Fig. 4 Road map for Life science
然而，即使我们能够提出一个完美的理论来解释细胞直接演变，这还仅仅是冰山的一角。Waston和Crick的发现之所以重要，并不是单单因为他们发现了DNA这一解释生命奥秘最重要的分子结构，更重要的是他们的后继研究揭示了生命自我复制和DNA到Protein的转变机制，如图所示的第一步和第二步。可以说，DNA发现以后的三十年基本是延续了这一研究，而几乎完美而详尽的完成了的第一步和第二步。目前正在进行中，还没有解决的问题是第三步：给定蛋白质的基因序列GCTTTA…, 我们是否能预测其空间结构？得到蛋白质的空间结构，我们是否可以理解和预测其作为Enzyme的功能？
Fig. 5 A new Gene landscape theory ( from Ingber, Harvard)
对新一代生命科学家而言，真正最具有挑战性的，使这张图的最后一步：如何由基因、蛋白质相互作用网络，可以由此理解和预测整个细胞的生理功能？这点之所始重要有两点原因：
第一，上周Science中已经有Stephen Turner等提出了比目前快30，000倍的基因测序方法。因此在不远的将来，个人的基因测序，会像个人电脑一样走入人们的生活。然而，绝大部分的基因功能不是简单的一对一的线性关系，而是一张极其复杂的基因控制网络。如何由个人的基因测序的结果，来揭示细胞的生理功能可能的变化，进而诊断人可能的疾病和提出与该基因组对应的治疗方法，这将是未来生命科学未来50年的使命。
第二，MIT的iGEM大赛表明，即使在目前没有任何基因控制网络成熟理论的时候，已经有人捋起袖子大干起来了。即目前还没有找到如何设计基因和基因相互作用关系的一般性原则，但人们已经在使用E. Coli插入新的基因，尝试性的设计出新的细胞功能。这很可能将重复上一世纪初飞机的发明，即流体力学还没有证明任何人造飞行器能飞起来，莱特兄弟已经在海滩上飞行了。但是等到人们想了解和设计细胞象制造波音和空客的时候，没有成熟的基因控制网络理论是不可以想象的。
回头望去，Waston的时代已经渐行渐远，一个生命科学发展的新时代正脚步匆匆。
Reference:
[1] Qiao Zhou, Juliana Brown, Andrew Kanarek, Jayaraj Rajagopal, Douglas A Melton, In vivo reprogramming of adult pancreatic exocrine cells to β-cells，Nature, 27 August 2008
[2] John J. Tyson1, Kathy Chen1 & Bela Novak, Network dynamics and cell physiology, Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 908-916 (December 2001) | doi:10.1038/35103078
[3] Kazutoshi Takahashi, Shinya Yamanaka, Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors, Cell (8 August 2006)
[4] Stephen Turner at. el., Real-Time DNA Sequencing from Single Polymerase Molecules, Science DOI: 10.1126/science.1162986
[5] iGEM 2008，http://2008.igem.org
<07 END>
https://blog.sciencenet.cn/blog-3468-49173.html
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