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李劲松 :逆转生命的程序
《华东科技》     发布时间:2014-05-26 15:48:21.0    
探究细胞的秘密

细胞、胚胎、个体发育与种系发生一直是一个笼罩着哲学和文化色彩的生物学问题。从古希腊的那些哲人科学家受条件所限的形而上的探究,到十九世纪中期科学家应用二栖类动物作“模式生物”的实证,再到达尔文历经航海辗转多个岛屿之后终于提出了进化论的理论,种系发生的奥秘似乎已被揭开。但更让人着迷的,涉及细胞的编程、胚胎个体如何有序地发育成一个由千百万种不同细胞组成的成体的秘密,却至今仍然同生命究竟如何起源一样困惑着我们。

时间荏苒绵延到了2012年,这个生物学中最激动人心的研究领域又一次成为万众瞩目的焦点——这一年的诺贝尔医学奖,授予了约翰•戈登和山中伸弥。他们获奖是因为在细胞重构方面的工作,将成年细胞变回胚胎状态。值得一提的是,获奖者之一,约翰•戈登教授撰写的一篇最新综述文章中对一篇来自中国的创新成果进行了大篇幅的描述,这篇论文的作者,就是在刚刚颁发的2012年度上海市科学技术奖中获得了以青年群体为对象的上海最高科技奖项——青年科技杰出贡献奖的李劲松。

作为中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所的研究组长,李劲松的求学和研究历程,自始至终都和细胞息息相关。2002年从中国科学院获得理学博士学位毕业后,他马不停蹄地远赴大洋彼岸,在美国洛克菲勒大学继续从事相关的博士后研究,2007年的7月,在又一次以优异的成绩毕业后,他选择了回到祖国,在中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所继续他探究细胞与生命奥秘的职业生涯。

对大多数人来说,李劲松的研究领域显得既陌生又神秘,他主要从事细胞重编程与胚胎发育等学科方向的前沿领域研究,是围绕体细胞重编程存在效率低、重编程细胞发育能力低和重编程机制不清等关键问题进行攻关,探讨了核移植诱导细胞发生重编程的相关机制、优化核移植诱导细胞重编程的体系、研究核移植与iPSC技术诱导体细胞重编程的共性规律。

——这听起来有些飘渺,离我们日常生活似乎很远。但实际上,这不仅是项高深的前沿研究,应用前景也格外迫切和影响深远。所谓“体细胞重编程”,指的是分化的体细胞在特定的条件下被逆转后恢复到全能性状态,或者形成胚胎干细胞系,或者进一步发育成一个新的个体的过程。诱导体细胞重编程的方法有许多,如核移植、细胞融合、细胞提取物诱导、化学诱导以及分子调控诱导等。但到目前为止,唯一能诱导体细胞产生有功能个体的重编程的方法只有核移植,其他的方法只能在细胞、分子或生化水平上产生诱导。体细胞重编程有着非常广泛的应用前景,不仅在基础理论研究中,而且在应用研究中,例如家畜繁殖、动物保护以及人口健康等领域都有着重要的作用。因此,研究体细胞重编程的机制,提高重编程的效率以及开展体细胞重编程的应用研究显得尤为必要和紧迫。


十五年的千锤百炼

然而,这项可以被称为“逆转生命的程序”的研究,道路却一直并不平坦。纵然体细胞重编程技术在动物保护、家畜育种、再生医学等领域具有重要的应用前景,但目前体细胞重编程技术存在效率低下、机制不清楚以及重编程细胞体内发育能力差等问题,大大限制了重编程技术的应用。自1997年开始,李劲松已经在他的体细胞重编程的研究领域里扎根,并发展相关研究体系,针对这些令人头疼的“拦路虎”,他开展了三方面的研究:一是优化核移植诱导细胞重编程的体系以提高重编程的效率;二是探讨核移植诱导体细胞重编程的相关机制;三是通过比较核移植与iPSC技术的异同,促进重编程细胞的体内发育能力。在这十五年中,李劲松的研究经历了一个循序渐进、不断深入、不断拓展的过程,有条不紊地为进一步揭示体细胞重编程的机制提供了新的研究手段和思路,为体细胞重编程技术在再生医学和干细胞领域的应用奠定了重要的基础。

梅花香自苦寒来。在李劲松的不懈努力下,他的研究取得了重要突破:通过合作,揭示了母源因子Tet3蛋白参与受精后雄原核和核移植后假原核的主动去甲基化过程;确证克隆囊胚的滋养外胚层细胞的缺陷是克隆胚胎发育失败的关键原因;建立了小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞,验证这些细胞能够代替精子在注入卵子后产生健康的小鼠;建立了通过完整卵母细胞高效重编程体细胞的核移植研究体系,证明两细胞卵裂球能够重编程雄性配子细胞。研究成果为体细胞重编程技术在再生医学和干细胞领域的应用奠定了基础。

机遇总是青睐有准备的人。迄今为止,李劲松发表了SCI论文35篇,其中国际顶尖杂志《细胞》、 《自然》等7篇,研究成果2011年和2012年两次入选科技部评选的“中国科学十大进展”。2005年,他获得了国家自然科学二等奖,2012年他得到了国家杰出青年基金支持。不仅如此,李劲松还注重实验室科研氛围和科研合作精神的建立和培养,强调科研素质锻炼和思想品格建设,培养的第一批研究生均交出了骄人的成绩单,并继续从事科研工作。2012年获得的中科院优秀博士导师奖、保罗生物科技优秀教师奖、A-IMBN Research Young Investigators Award、礼来优秀博士论文导师奖等就是对此最好的注解。

李劲松也积极主动地参加了各类学术交流活动,他为2011年在多伦多举行的国际干细胞研究学会(ISSCR)第九届年会及2013年在波士顿举行的第十一届年会进行摘要评审、2011年亚洲繁殖生物技术学会(ARBS)第八届年会、2012年亚洲冷泉港会议、2013年2月参加国际转基因技术协会年会和6月国际干细胞学会年会上,都可以见到他侃侃而谈、致力于传播所学专业的身影。


让体细胞重新返回到“生命原点”

求问细胞真相的过程,是一场漫长而艰巨的战役。在相当长的时间里,人们普遍认为哺乳动物高度分化了的细胞核已经永久性地、不可逆地失去了分化上的全能性,直到1996年大家所熟知的轰动的克隆羊“多莉”的诞生,这个认识才被打破;1885年魏斯曼在解释个体分化现象时认为,受精卵每分裂一次都伴随着遗传物质的丢失和减少,因此个体发育只能循单向进行,这一误区也在近年才被彻底否定……在谬误与真理的胶着中,李劲松和他的研究成果,获得的不仅是认识生命规律上的重大突破,也为其在应用上的价值,提供了更具想象力的空间。

就拿热门的iPSC技术来说,从干细胞分化成体细胞,生命的脚步本不该逆转,但诱导多能干细胞 (iPSC)技术的出现,却让生命之旅变成一场“往返跑”。不过,让已分化的体细胞重新变回能分化成各种干细胞的“折返”的同时,也让细胞变得十分不稳定,李劲松浩瀚的研究其中之一,就是找到“一种让体细胞重编程稳定因子”,让这场往返跑变得更加稳定。

在研究中,人们观察到核移植与iPSC技术重编程体细胞后获得的多能干细胞存在体内发育的差异,但是不清楚是什么原因导致了这种差异。为了系统地比较不同重编程方法对重编程产物质量的影响,李劲松建立了可二次诱导获得iPS细胞的实验系统,并获得了遗传背景完全相同的iPS细胞和ntES细胞。通过研究体内发育能力,他发现ntES细胞体内发育潜能比iPS细胞高,这一结果证明,重编程方法本身是导致重编程产物的质量差异的重要原因——这一工作暗示参与核移植诱导体细胞重编程的因子可能对遗传物质的稳定起着重要的作用。为了发现这些因子,李劲松组织实验室建立了一个筛选系统,并发现核移植过程中的重要因子Zscan4能显著提高iPS细胞的形成效率。进一步研究揭示,Zscan4能够快速延长重编程细胞的端粒,并稳定重编程细胞端粒区以及非端粒区遗传物质。深入研究后发现,Zscan4的应用显著地改善了iPS细胞的质量,19株中有11株(58%)通过四倍体囊胚注射能够获得来自iPS细胞的小鼠,而通过诺贝尔奖得主山中伸弥建立的传统方法获得的iPS细胞,11株中只有1株能够获得完全iPS细胞的小鼠。这些结果提示,在细胞重编程过程,除了多能性的建立,细胞遗传物质稳定性的维持也非常重要。这一结果为获得iPS细胞研究注入了新的思路,也为获得更安全iPS细胞应用于再生医学提供了重要的理论依据。

剥开粘合的细胞之书,这些激动人心的发现为再生医学和细胞治疗技术都提供了一个清晰的发展框架。正如李劲松自己所言,他震撼于诱导多能干细胞的理论提出和实现所带来的无限可能,也从未停止他坚定地寻求更好的办法让生命的“往返跑”更稳定的脚步。

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