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2006年后，科学家对细胞重编的兴趣迅速上扬，他们发现仅通过引入 4 个基因就能改编成年老鼠细胞，产生所谓的诱导多能干（iPS）细胞。该方法十分简单，几乎所有实验室都能实现，并且科学家每年能发表 1000 多篇相关论文。人们希望这种多能细胞能被用于修复受损害或病变组织，近年来一些目标已经变为现实，科学家将衍生自 iPS 细胞的视网膜细胞移植到一位眼病患者身上，这是首次将重新编程的细胞移植到人体内。
破译细胞重编
但没有人知道它是如何发生的。科学家知道已分化细胞参与进来，多能细胞在另一端出现，但这之间发生了什么，是生物学上一个令人费解的黑匣子。“ 这是令人困惑的过程，它非常复杂。” 日本京都大学 iPS 细胞研究和应用中心分子生物学家 Knut Woltjen 说。
干细胞生物学家表示，其中一个问题是，他们开始时使用一种细胞混合物，每个分子的状态略有不同。目前的 iPS 细胞制备过程十分低效和多变：只有很少的部分最终能完全重编，而且这些也可能与另一些有微小但重要的不同。此外，由于细胞生长条件等环境的不同可能会改变重编路径。这使得比较实验结果非常困难，而且将不充分特征化的细胞用于临床也会增加安全隐患。
但新技术正开始让这一过程变得清晰。通过进行单个细胞的细致分析和积累大量的详细分子数据，生物学家正在识别细胞重编过程中发生的重大事件。近日，规模最大的此类项目 ——“ 宏大计划 ”（Project Grandiose）公布了其成果。该项目团队使用一系列测验，拍摄下细胞重编过程每个阶段的精密尺度快照，并揭示出多能性存在可选择情况。“ 这是针对细胞形态随时间变化的首个高分辨率分析。我可以毫不夸张地说它是宏大的。” 该项目负责人、加拿大多伦多市西奈山医院干细胞生物学家 Andras Nagy 说。
但如果科学家希望能很好地控制这一过程并熟练地制备治疗细胞，则还有很长的路要走。“ 是的，我们能制作 iPS 细胞，我们也能区分它们，但我认为，我们感到无法控制它们。” 以色列魏茨曼科学研究学院干细胞生物学家 Jacob Hanna 说，“ 随意控制细胞行为非常酷。而且，做到这些的前提是非常详细地理解它们的分子生物学特性。”
细胞核移植
Gurdon和 Wilmut 在重编青蛙和羊的细胞时，分别通过将一个已分化的原子核移植到被剥去 DNA 的卵子内。科学家已经知道卵子中的一些东西能够重编原子核，例如，那些与皮肤细胞有关的基因将被切断，而与多能性有关的基因被开启，并触发一系列下降流事件。在接下来的 10 年里，研究人员开发出各种细胞重编新方法 —— 向受精卵和胚胎干细胞中添加原子核，但这些方法无法解答是细胞中的什么进行了重编工作，并且该过程是如何工作的。
当京都大学的山中伸弥和 Kazutoshi Takahashi 制备 iPS 细胞时，情况发生了变化。他们发现，在能够重编为成体细胞的早期胚胎或胚胎干细胞里，只有 4 个蛋白质出现了表达。而且，重要的是，他们还提供了用于研究在培养皿中进行重编的工具。目前，干细胞生物学家确信在引入这些蛋白质（有时名为山中因子）后，会发生一阵强烈且大部分能预测的基因表达。不过，几天后，这些细胞会进入一个神秘状态，它们会分化，但出现失速，最终不能进一步重编。大约一周后，非常少的细胞（1/1000）会变成多能细胞。
这个过程不可预测，因此也难以在开始的时候就预知哪些细胞将会重编。但某些方面是可以预知的。“ 德国、日本和美国的研究人员可能会在同一时间、以相同的速率获得 iPS 细胞。我们知道这不是魔法，这里存在一个机制。这是好消息，说明我们能找到它。” 美国哈佛大学的 Alexander Meissner 说。不过，Meissner也提到，多少年来几乎没有进展，“ 令人很失望 ”。
从细胞角度而言，克服完全分化状态是一个巨大挑战。例如，科学家经常从皮肤中提取纤维母细胞，并试着重编。在一个很长的过程中，它们获得了其特性，这些细胞的 DNA 被印上了 “ 后生 ” 标记 —— 添加甲基原子团或改变组蛋白等化学修饰。这些能确保只有与纤维母细胞有关的基因能被表达。但他们无法让皮肤细胞像一个正在分化的干细胞，因为这可能是癌症等疾病的路径。
现在，科学家能很好地控制头 48 小时发生的事情。在胚胎干细胞里，山中因子能激活处于 “ 多能性网络 ” 的基因，它们能使细胞无限增殖。但当被放入纤维母细胞等分化细胞中时，这些因子的活动方式并不同。宾夕法尼亚大学细胞生物学家 Ken Zaret 绘制出了在人类纤维母细胞重编的最初两天里这些因子的位置图。他发现，它们被 “ 物理封闭 ”，染色体构象阻止其到达常规目标基因。
相反，这些蛋白质会进入染色体可进入区域。有时，它们会激活促使细胞自杀的基因；或束缚在名为增强剂的遥控区域上 —— 这会促使与重编过程相关的基因激活。干细胞科学家 Rudolf Jaenisch 将这种山中因子的广泛束缚称为 “ 杂乱的 ”。
研究人员现在正试着分类一些细胞类型，让它们离开黑匣子，并努力修补重编技术，以便阻止它们偏离路线。“ 宏大计划 ” 也认为，重编过程存在的可变性正在产生完全不同的细胞。该项目启动于 2010 年，8家研究机构的约 30 位资深科学家参与其中，Nagy的打开黑匣子愿望驱动了这个项目。“ 我希望找出黑匣子里面是什么。” 他说。通过利用山中因子触发细胞重编，该团队在 1 个月里每天收集 1 亿个细胞，然后定期分析它们的蛋白质和 RNA 产量以及甲基化状态改变等。
自成一系
最大的发现是一类新型多能细胞，名为 F 级细胞，它们会形成外观毛茸茸的群落。略微改变 iPS 细胞制备秘方就能制出这些细胞：与在数日后停止表达重编因子不同，研究人员持续提供这类因子。“ 这就通向一个分歧点。”Nagy说。
F级细胞与 iPS 细胞不同，因为它们在多能性的一个最严格的测试中表现不合格：当被注入小鼠胚胎后，它们未能促成嵌合体老鼠组织的形成。因此，一些批评者认为，F级细胞可能是其他科学家口中的 “ 部分重编 ” 细胞。但 Nagy 指出，这些细胞拥有其他的多能特性，例如，它们能形成包含一系列分化细胞类型的畸胎瘤。（来源：中国科学报）
