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划时代的论文与划时代的问题

2010-08-14
划时代的论文与划时代的问题

科学研究之所有有趣,就是因为有无穷无尽的问题可以研究。在这林林总总的问题中,有些问题重要,有些次要。一篇论文,一般都是回答了一个问题,同时又提出了许多新的问题。一篇划时代的论文,总是解决了一个划时代的问题,同时又提出了新的重要问题。
沃森和...

划时代的论文与划时代的问题 z唐凌峰的博客

科学研究之所有有趣,就是因为有无穷无尽的问题可以研究。在这林林总总的问题中,有些问题重要,有些次要。一篇论文,一般都是回答了一个问题,同时又提出了许多新的问题。一篇划时代的论文,总是解决了一个划时代的问题,同时又提出了新的重要问题。

沃森和克里克于1953年发表于nature上的那篇短短的论文(Watson and Crick, 1953),就解决了这样一个伟大的问题:DNA的结构是怎样的?DNA几乎控制着一切生命活动,可以说是生命的中枢,是细胞里面的“国王”。所以,DNA的结构怎样,就成为一个极端重要的问题。在沃森和克里克之前,已经有人提出过许多模型,例如大化学家鲍林就提出过三螺旋模型。沃森和克里克基用别人的实验资料,经过自己的仔细分析,提出了双螺旋模型。这篇文章虽然不到两页,只有一副图,但却开启了分子生物学的新纪元。毫无疑问,这是一篇划时代的论文。此文发表后9年(1962年),二人因此而获得诺贝尔奖。此时,沃森34岁,克里克46岁。

可是,沃森和克里克却忽略了这样一个问题:DNA在体内是怎样合成的?他们想当然地以为是单个碱基通过与模板链互补自然而然地形成了新的DNA链。但事实上,生物体内几乎一切生命活动都离不开酶。酶学专家阿瑟.科恩伯格(Arthur Kornberg)早在沃森和克里克的论文发表之前就意识到了“DNA是怎样复制的”这个重要问题。经过不懈的研究,1956年他发现了DNA聚合酶这个为细胞里的国王“传宗接代”所必须的蛋白质。3年后,科恩伯格因此发现获得诺贝尔生理医学奖(崔学军等译, 2006)。

胚胎干细胞因为具有极大的临床应用价值而在本世纪初成为科学家们竞相研究的对象。可是,要想获得人体胚胎干细胞,一般都需要从发育到一定阶段(桑椹胚)的受精卵中提取。很多人认为受精卵也是生命,从受精卵中提取干细胞,需要破坏受精卵,也就等于扼杀了一条新的生命。他们认为这样做不合伦理,因而坚决反对人体干细胞的研究。于是,干细胞研究者们面临的最大问题之一就是伦理学的制约。怎样才能避开伦理问题获得人体胚胎干细胞?这个问题成为一个极端重要的问题。

问题即是机遇。年轻的日本科学家Shinya Yamanaka发现了这个问题,并提出了一种全新的解决方法:通过逆转录病毒向成体细胞中转入四个维持胚胎干细胞多能性的转录因子,从而把已经分化的细胞“重编程”为类似胚胎干细胞的细胞,即“诱导多能干细胞(induced pluriopotent stem cells, iPS)”,也就是大众俗称 的“万能干细胞”。这种方法避开了毁坏受精卵这一步骤,可以从普通的人体细胞,例如皮肤细胞通过重编程获得跟胚胎干细胞非常类似的细胞,免除了伦理学问题,从而为干细胞的研究指出了一条康庄大道。Yamanaka首先在小鼠中实验成功,文章发表于2006年7月的《Cell》(Takahashi and Yamanaka, 2006)。一年之后,又用同样的方法在重编程人体细胞成功,文章发表于2007年11月的《Cell》(Takahashi et al., 2007)(同时发表类似结果的还有华人科学家俞君英(Yu et al., 2007))。毫无疑问,这两篇论文,尤其是Yamanaka的第一篇论文,绝对是划时代的论文。这篇文章解决了人类干细胞研究中的伦理问题。iPS的研究迅速成为国际生命科学最热门的研究领域,Yamanaka本人则被预言将来一定会获得诺贝尔生理医学奖。2009年,Yamanaka获得有“美国诺贝尔奖”之称的拉斯克奖 http://www.laskerfoundation.org/awards/2009basic.htm

但是,新的问题随之提出:通过逆转录病毒转入基因可能导入插入突变。如果突变了一个对防止肿瘤发生起关键作用的基因,例如P53,那么就可能导致癌变。如果插入突变了其它重要基因,也会产生相应的严重后果。此外,转入的四个转录因子中有些可以增加肿瘤的发病率。所以,安全问题就成为这篇论文提出的第一个重要问题。第二个问题是重编程的效率问题。一万个成纤维细胞经过逆转录病毒转染,才有可能产生两个诱导多能干细胞。这样的效率,显然不能满足研究和临床应用的需要。所以,效率问题就是这篇论文提出的第二个重要问题。

如果说沃森和克里克那篇文章暗含的问题还不是那么容易被人发现,那么,Yamanaka这篇论文提出的这两个问题却是尽人皆知。但是,发现问题是一回事,解决问题又是另外一回事。针对安全问题,不同的研究者尝试了许多种方法。例如:减少转录因子的个数,尤其是去掉容易引发癌变的基因;利用非逆转录病毒的载体例如质粒来重编程,从而避免插入突变;利用小分子物质代替转录因子诱导重编程等等。我想到的解决方法是导入基因编码产物例如mRNA或者蛋白质代替导入基因,从而避免插入突变,诱导成功之后就不再导入mRNA或者蛋白质,所以降低了癌变风险。应该承认,这样的想法不难想到,估计有很多人都能提出来。2008年的时候,我对干细胞,尤其是iPS非常感兴趣。当时正在申请出国留学,陶瓷了一些干细胞研究领域的大牛例如MIT白头研究所的Rudolf Jaenisch(2008.9.11)。在我发给他们的email中,就写到了这个想法。但是,不知道是什么原因(也许是觉得可行性不够,也许他们根本就没看我邮件的具体内容),他们选择了其他方法。Jaenisch用的一个方法,是把四个转录因子放到一个病毒上,从而将病毒载体的数量从四个减少到一个,降低了风险(Carey et al., 2009)。无数个研究小组就这个问题的研究展开了激烈的竞争,在CNS上灌了许多文章。其中的佼佼者,是华裔科学家,美国圣地亚哥Scripps研究所的丁胜博士。他成功地实现了通过蛋白诱导多能干细胞的目标,基本上解决了安全问题(Zhou et al., 2009)。同时,丁胜在小分子诱导多能干细胞研究方向上领先全球。丁胜的蛋白诱导技术被The Scientist评为“年度最佳创新技术”,同时,丁胜也被The Scientist评选为“2009年度全球生命科学领域5强人物”之一。见《领军iPS技术 “闯入”干细胞领域的丁胜博士》 http://www.ebiotrade.com/newsf/2010-1/2010114164055400.htm

诱导效率问题相对于安全问题来说要次要一些,我关注的不多,所以就无法详述。后来,我意识到要做冷门的研究,见博文《冷门研究是中国科研的希望》 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=227184从此不再关注iPS领域,后来的进展也就无从谈起了。

诺贝尔奖医学奖得主梅达沃曾经说过:任何科研人员,无论年龄大小,如果想做出重大成就,就必须研究重要问题。怎样才能发现重要问题?从划时代论文的衍生问题中去寻找,便是方法之一。

参考文献:

Carey, B.W., Markoulaki, S., Hanna, J., Saha, K., Gao, Q., Mitalipova, M., and Jaenisch, R. (2009). Reprogramming of murine and human somatic cells using a single polycistronic vector. Proc Natl Acad Sci U S A 106, 157-162.
Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., and Yamanaka, S. (2007). Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 131, 861-872.
Takahashi, K., and Yamanaka, S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126, 663-676.
Watson, J.D., and Crick, F.H.C. (1953). MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS - A STRUCTURE FOR DEOXYRIBOSE NUCLEIC ACID. Nature 171, 737-738.
Yu, J.Y., Vodyanik, M.A., Smuga-Otto, K., Antosiewicz-Bourget, J., Frane, J.L., Tian, S., Nie, J., Jonsdottir, G.A., Ruotti, V., Stewart, R., et al. (2007). Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science 318, 1917-1920.
Zhou, H.Y., Wu, S.L., Joo, J.Y., Zhu, S.Y., Han, D.W., Lin, T.X., Trauger, S., Bien, G., Yao, S., Zhu, Y., et al. (2009). Generation of Induced Pluripotent Stem Cells Using Recombinant Proteins. Cell Stem Cell 4, 381-384.
崔学军等译, 美.阿.科. (2006). 酶的情人:一位生物化学家的奥德赛 (上海科学技术出版社).
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