11应用生物教育A班 杨万坤 114120238
摘要：植物组织培养之父哈勃兰特早在1902年就提出植物细胞具有全能性的理论，经历了半个世纪由斯图尔德等人证实【1】，既然植物细胞具有全能性，那么动物细胞呢？直到动物细胞全能性研究先驱——格登证实动物细胞同样具有全能性，再到山中伸弥，动物细胞全能性研究经历了从核移植到核转录因子转移的历程。研究动物细胞全能性对细胞发育、疾病，克隆、生活等问题息息相关。 引言：细胞全能性是在多细胞生物中每个体细胞的细胞核具有个体发育的全部基因，只要条件许可，都可发育成完整的个体。被誉为“植物组织培养之父方正s230”的德国著名植物生理学家和植物学家哈勃兰特早在1902年就提出植物细胞具有全能性的理论，此后, 经各国科学家近百年的辛勤探索, 最终发现几乎所有植物的根、茎、叶、花、果实和种子等不同器官、组织都能被离体培养, 并发育成新的植株【2】cri. 成功的例子不胜枚举, 其中, 最重要的是在 1958 年, 由
美国植物学家斯图尔德(Steward)等人用胡萝卜根韧皮部的细胞进行培养, 得到了完整植株, 并开花结实, 首次证实了哈伯兰特在50多年前关于细胞全能性的预言【1】。而动物细胞的全能性研究是从何开始的呢？英国著名发育生物学家约翰·波特兰mla
·格登爵士（John· B. Gurdon）规律的特点
在1962年发现细胞的专门化是可逆的，利用两栖动物（非洲爪蟾）为模型进行细胞核移植，取得成功，证明低等动物细胞具有全能性【3】。再到1997年克隆羊“多利”的诞生首次证明了哺乳动物细胞也有全能性【3】。山中伸弥（Shinya Yamanaka）于2006年用核转录因子转基因方法首次使体细胞转变为诱导多能干细胞，进一步证明分化细胞全能性潜能，补充了从核移植到核转录因子转移的历程【4】。约翰·波特兰·格登爵士和山中伸弥也因“成熟细胞可以重编程为多能性细胞的发现”而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖上海冶金矿山机械厂。 正文：
早在很久以前，人们就发现了种子可以长出新的植株，壁虎可以断尾重生，蚯蚓可以断体重生……生活中许多动物都可以断肢再生，究竟是什么原因让这些动物能够断肢再生？随着科学知识的进步和发展，人们逐渐认识到细胞具有全能性，即一个细胞可以发育为一个新个体。人们研究细胞增殖，研究无性繁殖算是人们对细胞全能性的最初认识吧。对于低
等动物细胞及其组织全能性认识而言，人们发现水螅，海鞘可以出芽生殖，海参、涡虫等的组织团块可以发育为新个体，切断的水蛭可以生成新个体，这可以理解为这些组织中可能存在某种全能性细胞，这些细胞可能与无性生殖有关，这些组织特定体细胞在受损伤时能够重新分化并持续分裂【5】。由此可见低等动物除生殖细胞以外，其组织已经表现了全能性，这些主要体现在无性生殖和再生方面。
对于高等动物来说，说到细胞全能性人们往往仅从生殖细胞、干细胞、肿瘤细胞来认识细胞的全能性。1938年，德国胚胎学家诺贝尔生理学或医学奖得主施佩曼(Hans Spemann) 就提出细胞核移植的想法来实现动物克隆( 即无性生殖的方式产生后代) 的思想。早在20世纪50年代初，布里格斯（Robert Briggs）和金（Thomas King）就完成了美洲豹蛙的核移植，他们将囊胚期的细胞核移入去核的卵细胞中，该卵细胞最终发育到蝌蚪阶段，然而应用体细胞进行核移植却遭到失败，因此而得出结论，细胞在分化过程中遗传物质发生了不可逆变化，不再拥有知道细胞发育未完整个体的能力【3】。20世纪 50年代，其他科学家先后使用蝾螈、蟾蜍、青蛙和爪蛙等动物为材料实现了核移植，证明了这种技术的可行性，而格登也决定沿着这方面的研究，他选择非洲爪蟾作为研究对象，并获得成功。
ips细胞
格登的成功得益于两个方面，一是实验室拥有进行卵细胞去核操作的紫外显微镜; 二是他的同事发现了爪蟾的遗传标记物，据此标志物可判断嵌合细胞的细胞核来自于供体细胞还是自身细胞核残留。而且非洲爪蟾性成熟期较短，且产卵能力强，因此很容易获得足够数量卵细胞用于核移植实验。格登将带有遗传标记的爪蟾肠上皮细胞的细胞核取出，然后移植到未带遗传标志物的去核卵细胞，随后对这种嵌合细胞进行培养，结果在后代发育的胚胎中鉴定出遗传标记物的存在，这意味着已分化肠上皮细胞的细胞核也可指导胚胎发育过程，说明分化细胞未完全丧失全能性。1962 年，格登又进一步应用完全分化的成年爪蟾肠上皮细胞为材料进行核移植，结果获得大量与提供上皮细胞的爪蟾遗传物质完全一致的蝌蚪，这个结果进一步证明爪蟾肠上皮细胞的全能性，从而否定了细胞在分化过程中全能性逐渐丧失的观点。1962 年，格登发表了自己论文【6】，立刻引起了科学界巨大轰动，同时也招来了大量质疑。1962年实验仅使嵌合细胞发育到蝌蚪阶段，而未能继续发育出成年爪蟾，距离证实分化细胞完全的全能性尚有一定距离，因此格登继续优化实验条件，并更换材料，使用蝌蚪的肠上皮细胞作为核供体，最终于1966年实现了该目标，并且发育成的爪蟾可进一步产生成熟的精子和卵子，这些精子和卵子结合形成的受精卵最终也可发育成健康成年爪蟾，最终证实分化细胞的全能性【7】。由于核移植技术未经过精卵结合的有性
生殖过程，所获得动物遗传物质完全来自供体细胞，因此实现了动物克隆过程。最为轰动的是1997年苏格兰罗斯林研究所坎贝尔(Keith Campbell) 和威尔穆特(Ian Wilmut ) 利用细胞核移植技术实现了羊的克隆得到“多利羊”，使人们接受了分化细胞的全能性理论，同时也为随后哺乳动物克隆热奠定了基础!
科学研究者发现随着细胞分化越高级越难以表现其全能性，而核移植技术过程中必须利用卵细胞，而该技术在应用于实际生活（特别是临床）会造成许多伦理问题，因此避开卵细胞而直接将分化细胞转化成全能细胞则具有重要意义。随着转基因技术的不断完善发展，胚胎干细胞的发现，能否利用转基因技术使细胞转变为干细胞从而恢复全能性成为一大挑战，山中伸弥（Shinya Yamanaka）则首次使这一想法在实验室实现，将老鼠体内完整成熟的细胞重新编程成为未成熟的干细胞。
山中伸弥（Shinya Yamanaka）认为利用转基因技术将分化体细胞直接逆转为干细胞是一个重要方向，为了实现该目标，首要解决的问题是鉴定出具有诱导干细胞能力的基因，因此提出假说：“具有诱导干细胞生成能力的基因应是干细胞自身特异表达。”随后他与同事从数据库中筛选了大量符合条件的基因，并进一步根据基因功能筛除大部分基因，只将其中
的 24 个基因作为候选对象，山中伸弥选择小鼠成纤维细胞作为材料，同时建立了干细胞筛选体系，该筛选体系只允许干细胞生存，因此未诱导成干细胞的成纤维细胞会被淘汰。首先，山中伸弥等将24 个基因单独转入成纤维细胞，结果未观察到干细胞存在，说明单个基因均不具有诱导能力。随后，山中伸弥等又将 24个基因同时转入成纤维细胞，结果在培养体系中获得了干细胞，证实这 24个基因是干细胞诱导所必需。由于24个基因同时转入在技术上是一个巨大挑战，将极大阻碍推广和应用，因此山中伸弥考虑24个基因中是否存在诱导非必需的基因，可以将它们去除，以实现转基因的简介性.接下来，山中伸弥小组逐渐减少转基因的数量，结果发现部分基因的缺失并不影响干细胞生成，但有四种转录因子 Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc 的缺失则造成无阳性结果的出现，从而说明这四种因子可能是干细胞诱导成功的关键.在随后实验中，山中伸弥只将这四个基因转入成纤维细胞，结果也获得了干细胞，而且这些育成的干细胞被注入免疫缺陷小鼠体内后可发育出神经"软骨和肌肉等组织，意味着它们具有着潜在的全能性，山中伸弥小组将这些细胞称为iPS细胞，更为重要的是当将iPS细胞注入小鼠正常囊胚，最终获得了包含细胞来源的嵌合体胚胎。2006年山中伸弥报道了小鼠诱导干细胞，引起科学界轰动，2007年，他在人的细胞中同样实现了细胞命运的逆转。iPS细胞的研究成为生命科学领域的热点之一，并取得了许多具有
代表性成果 。2009年，我国科学家进一步又使iPS 细胞最终发育为拥有正常繁殖能力的小鼠，至此，iPS 细胞的全能性得到了有效证明【4】!
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