關于作者
朱欽士，四川省成都市人。1968年畢業(yè)于北京大學生物學系生物化學專業(yè)。1984年獲得荷蘭阿姆斯特丹大學生物化學博士學位。1984年至1986年在中國科學院生物物理研究所酶學和生物能學實驗室工作，同時任碩士研究生導師。1986年到美國西弗吉尼亞大學醫(yī)學院生物化學系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉磯兒童醫(yī)院從事基礎醫(yī)學研究。1991年至2009年在美國南加州大學從事研究工作。退休前為南加州大學醫(yī)學院生物化學和分子生物學系副教授。
研究領域包括生物能，酶的結構和功能，蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運，癌癥與染色體，神經(jīng)遞質(zhì)，基因表達的調(diào)控機制，以及肝臟解毒系統(tǒng)。
干細胞是從哪里來的？
朱欽士
2014年05月06日
現(xiàn)在“干細胞”已經(jīng)成為一個熱門詞匯?！案杉毎芯俊保案杉毎尾 边@樣的說法經(jīng)?？梢月牭?。由于干細胞研究的時間還不長，有人會覺得干細胞是什么新東西。其實干細胞在地球上的多細胞生物形成時，就同時出現(xiàn)了，并且干細胞還是多細胞生物出現(xiàn)的必要條件。為什么這么說呢？這就和單細胞生物進化到多細胞生物的過程有關。
地球上的生命大約是在35億年前出現(xiàn)的。最初的生物都是“單細胞生物”，也就是每個生物體只由一個細胞構成?，F(xiàn)在還有許多生物以單細胞生物的形式存在，例如細菌和酵母菌。但是我們的眼睛能夠看見的，基本上都是“多細胞生物”?！岸嗉毎铩?，顧名思義，就是生物體由多個細胞組成，而且絕大多數(shù)多細胞生物是由不同類型的細胞組成的，這些細胞分別執(zhí)行不同的任務。我們在這里談的多細胞生物，也是指細胞之間有分工的生物。最初的多細胞生物產(chǎn)生時，一個優(yōu)越性就是“個頭”比原來的單細胞生物大。個頭一大，被別的生物吃掉的可能性就降低了。所以多細胞生物的出現(xiàn)是進化過程的必然?，F(xiàn)在地球上最古老的多細胞生物的樣品，是在加拿大北極地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一種有12億年歷史的紅藻化石。它的細胞連成枝狀，有基盤供植物附著在巖石上。它能形成孢子和配子，所以能同時進行有性生殖和無性生殖。這說明多細胞生物至少已經(jīng)有12億年的歷史了。
單細胞生物是怎樣變成多細胞生物的呢？理論上有兩種方式。一種方式是不同類型的細胞聚合在一起，彼此依賴，就像現(xiàn)在生物之間的共生關系，不過這是在細胞水平上的，而且不像菌膜那樣沒有固定的組成和結構，而是有特定結構的。另一種方式是同類細胞聚合到一起，形成最初的多細胞生物，然后這些細胞再進行分化，有的負責營養(yǎng)，有的負責生殖等。這兩種途徑從表面上看都行得通，但是如果從遺傳物質(zhì)的傳遞給下一代的方式來看，還是后一種途徑比較合理。
每種生物都有自己的遺傳物質(zhì)（脫氧核糖核酸，英文縮寫為DNA），即生物的“設計手冊”。它規(guī)定每種生物的身體如何建造，而且可以把這種信息傳給下一代。單細胞生物的繁殖方式比較簡單，就是“一分為二”，一個細胞分裂為兩個。在細胞分裂前，“設計手冊”先進行復制。細胞分裂時，每個“子”細胞各得到一本“設計手冊”，繁殖任務就完成了。而多細胞生物含有不同類型的細胞，這樣的生物如何把遺傳信息傳給下一代呢？
如果多細胞生物是由不同類型的細胞聚集在一起形成的，每種細胞都有自己特有的遺傳物質(zhì)，這樣的多細胞生物繁殖時，就必須每種細胞各自繁殖，因為每種細胞都不能替其它種類的細胞把遺傳物質(zhì)傳下去。這樣繁殖出來的不同類型的細胞再“組裝”在一起，形成多細胞生物。也許在多細胞生物形成的早期，生物曾經(jīng)有過這樣的嘗試。但是這樣做需要細胞的重新組合。身體越復雜，重新“組裝”成有比較固定結構的生物體越困難，而且勢必還有身體“不成形”的階段，易受別的生物的攻擊。所以這條途徑是不切實際的，現(xiàn)在地球上也沒有這樣繁殖的多細胞生物。
另一個辦法是多細胞生物體內(nèi)所有類型的細胞都具有相同的“設計手冊”。由于“設計手冊”只有一種，多細胞生物就可以把自己的全部遺傳信息通過單個細胞傳給后代，再由這個細胞“變”成不同類型的細胞?，F(xiàn)在地球上所有的多細胞生物都是這樣做的。無論是無性生殖中使用的生殖細胞（例如“孢子”），還是有性生殖中精子和卵子結合成的受精卵，都只是一個細胞，由它們發(fā)育成含有多種細胞的生物體。
現(xiàn)在地球上最簡單的，具有細胞分工的多細胞生物的例子就是團藻。它由幾百到幾千個同樣類型的細胞包圍成的球形囊泡，里面裝有粘液。這些細胞有鞭毛，可以用來游泳。它們含有葉綠體，可以進行光合作用以制造營養(yǎng)，所以是“營養(yǎng)細胞”。這些營養(yǎng)細胞還含有“眼點”，可以感知光線，使得團藻可以向光線強的地方游泳。位于營養(yǎng)細胞內(nèi)面的是16個和營養(yǎng)細胞摸樣不同的細胞。它們的個頭比營養(yǎng)細胞大得多，但是沒有鞭毛，沒有葉綠體，也沒有眼點。它們的唯一任務就是繁殖。生殖細胞進行分裂，生成新的團藻。這些新生的團藻位于原來團藻的內(nèi)部，也有營養(yǎng)細胞和生殖細胞。新生的團藻形成后，原來的團藻破裂，釋放出新生的團藻，原來的營養(yǎng)細胞都死亡，團藻就完成一次繁殖任務了。因此，團藻是有細胞分工的多細胞生物，而且一個生殖細胞就可以繁殖出一個新的團藻。
團藻的營養(yǎng)細胞非常像單細胞生物“衣藻”。衣藻的大小和團藻的營養(yǎng)細胞差不多，也具有鞭毛、葉綠體和眼點。從這個相似性，人們自然會猜想團藻最初也許是獨立生活的衣藻聚集在一起形成的。但是在實際觀察團藻的繁殖過程時，發(fā)現(xiàn)生殖細胞在分裂時，先分化成生殖類型的細胞和營養(yǎng)類型的細胞。在形成營養(yǎng)細胞時，細胞多次分裂，但是分裂形成的細胞并不像單細胞生物繁殖時那樣彼此分開，成為獨立的個體，而是仍然聚集在一起，成為群體。細胞膜也沒有完全分開，細胞之間還通過細胞質(zhì)的細管相連?？茖W家認為，這也許是多細胞生物最初形成的方式，即細胞分裂，但是“子”細胞并不分開。因為這只需要細胞分裂的最后一步進行不完全就可以了，是最簡單的方式。
多細胞生物形成的機制解決了，但是還有一個難題。就是一個細胞如何變成兩種不同類型的細胞。由于團藻的營養(yǎng)細胞和生殖細胞含有同樣的DNA，也就是有同樣的“設計手冊”，接收到這本“設計手冊”的生殖細胞就必須用同一本“設計手冊”建造出兩種不同的細胞來。這就像工廠里要用同樣一本設計手冊造出不同的產(chǎn)品來。這個難題到底有多難，我們可以從生物解決它所用的時間看出一些端倪。地球上的生命是在約35億年出現(xiàn)的，而最古老的多細胞生物化石只有12億年的歷史。這說明生物為了解決這個難題，花了大約23億年的時間！這個問題的最終解決，其意義不亞于當初生命在地球上形成，因為它使得多細胞生物的出現(xiàn)成為可能，也才有現(xiàn)在的人類。
看到這里，你一定已經(jīng)急著想知道，生物是怎樣解決這個難題的了。其實解決這個問題的原理并不復雜。就是單細胞生物，在其一生當中也會處于不同的狀態(tài)的。它們用大部分時間來獲得營養(yǎng)，這個時候用于繁殖的基因就暫時被“關閉”。等到細胞長到一定大小了，可以分裂了，獲得營養(yǎng)的過程就減慢或停止，用于繁殖的基因就活躍起來了。這就是說，單細胞生物的基因不是在任何時候都是全部“打開”的。這就像在不同的生活階段“閱讀”“設計手冊”的不同頁面。如果生殖細胞分裂時，有一種機制讓形成的“子”細胞閱讀“設計手冊”的不同部分，不是就可以形成不同類型的細胞了嗎？團藻正是這樣做的。團藻的生殖細胞分裂時，一個叫做glsA的基因讓生殖細胞分裂成一大一小兩個細胞。在小的子細胞中，一個叫做regA的基因讓獲取營養(yǎng)的基因被打開，同時關閉與繁殖有關的基因，所以小的細胞就繁殖成營養(yǎng)細胞。在大的子細胞中，一個叫l(wèi)ag的基因讓與繁殖有關的基因被打開，同時關閉與獲得營養(yǎng)有關的基因。這樣，同一份DNA就可以指導不同類型細胞的形成。這就像現(xiàn)在的手機既能夠打電話，又能夠照相，所以手機的“設計手冊”中電話和相機的“設計”（相當于基因）都有。如果我們用這本“設計手冊”來生產(chǎn)兩種“簡化”產(chǎn)品，一種只打電話，另一種只照相，不是就可以用同一種手冊生產(chǎn)不同的產(chǎn)品了嗎？
在對“設計手冊”中的基因選擇性地打開和關閉的基礎上，“設計手冊”就可“變出”越來越多類型的細胞。例如簡單的多細胞生物水螅就已經(jīng)具有神經(jīng)細胞，生殖細胞也可以分化為卵子和精子，所以水螅也可以進行有性繁殖。這樣，多細胞生物體內(nèi)的細胞種類就會越來越多，功能越來越復雜，最后形成像人這樣的智慧生物。人體是高度復雜的有機體，有200多種不同類型的細胞，但也是由一個細胞（受精卵）“變”來的。受精卵一邊分裂，一邊分化，最后形成我們身體里面各種細胞。這個過程很像一棵樹的成長：先是有主干，然后從主干分支，枝干又再分支，最后在細枝上長出樹葉。分支的過程就類似于細胞的分裂和分化?？茖W家借助這個比喻，把能夠分化成多種細胞的細胞稱為“樹干細胞”，簡稱“干細胞”。無性繁殖的生物的孢子和有性繁殖的生物的受精卵，就是最初的干細胞。現(xiàn)在研究的“胚胎干細胞”和“成體干細胞”，都是由受精卵衍生而來的。
所以干細胞并不新奇，是所有的多細胞生物與生俱來的東西。只要有多細胞生物，就必須有干細胞。由于干細胞能夠分化成身體里面的各種細胞，所以有希望被用來替代我們身體里面生病或者已經(jīng)死亡的細胞、組織、器官，治療疾病、克隆動物?，F(xiàn)在，科學家還可以用“細胞核轉(zhuǎn)移”和“誘導”等手段，人工培養(yǎng)出干細胞。對于干細胞的研究已經(jīng)成為當前生命科學的重要任務之一。
地球上的生命大約是在35億年前出現(xiàn)的。最初的生物都是“單細胞生物”，也就是每個生物體只由一個細胞構成?，F(xiàn)在還有許多生物以單細胞生物的形式存在，例如細菌和酵母菌。但是我們的眼睛能夠看見的，基本上都是“多細胞生物”?！岸嗉毎铩?，顧名思義，就是生物體由多個細胞組成，而且絕大多數(shù)多細胞生物是由不同類型的細胞組成的，這些細胞分別執(zhí)行不同的任務。我們在這里談的多細胞生物，也是指細胞之間有分工的生物。最初的多細胞生物產(chǎn)生時，一個優(yōu)越性就是“個頭”比原來的單細胞生物大。個頭一大，被別的生物吃掉的可能性就降低了。所以多細胞生物的出現(xiàn)是進化過程的必然?，F(xiàn)在地球上最古老的多細胞生物的樣品，是在加拿大北極地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一種有12億年歷史的紅藻化石。它的細胞連成枝狀，有基盤供植物附著在巖石上。它能形成孢子和配子，所以能同時進行有性生殖和無性生殖。這說明多細胞生物至少已經(jīng)有12億年的歷史了。
單細胞生物是怎樣變成多細胞生物的呢？理論上有兩種方式。一種方式是不同類型的細胞聚合在一起，彼此依賴，就像現(xiàn)在生物之間的共生關系，不過這是在細胞水平上的，而且不像菌膜那樣沒有固定的組成和結構，而是有特定結構的。另一種方式是同類細胞聚合到一起，形成最初的多細胞生物，然后這些細胞再進行分化，有的負責營養(yǎng)，有的負責生殖等。這兩種途徑從表面上看都行得通，但是如果從遺傳物質(zhì)的傳遞給下一代的方式來看，還是后一種途徑比較合理。
每種生物都有自己的遺傳物質(zhì)（脫氧核糖核酸，英文縮寫為DNA），即生物的“設計手冊”。它規(guī)定每種生物的身體如何建造，而且可以把這種信息傳給下一代。單細胞生物的繁殖方式比較簡單，就是“一分為二”，一個細胞分裂為兩個。在細胞分裂前，“設計手冊”先進行復制。細胞分裂時，每個“子”細胞各得到一本“設計手冊”，繁殖任務就完成了。而多細胞生物含有不同類型的細胞，這樣的生物如何把遺傳信息傳給下一代呢？
如果多細胞生物是由不同類型的細胞聚集在一起形成的，每種細胞都有自己特有的遺傳物質(zhì)，這樣的多細胞生物繁殖時，就必須每種細胞各自繁殖，因為每種細胞都不能替其它種類的細胞把遺傳物質(zhì)傳下去。這樣繁殖出來的不同類型的細胞再“組裝”在一起，形成多細胞生物。也許在多細胞生物形成的早期，生物曾經(jīng)有過這樣的嘗試。但是這樣做需要細胞的重新組合。身體越復雜，重新“組裝”成有比較固定結構的生物體越困難，而且勢必還有身體“不成形”的階段，易受別的生物的攻擊。所以這條途徑是不切實際的，現(xiàn)在地球上也沒有這樣繁殖的多細胞生物。
另一個辦法是多細胞生物體內(nèi)所有類型的細胞都具有相同的“設計手冊”。由于“設計手冊”只有一種，多細胞生物就可以把自己的全部遺傳信息通過單個細胞傳給后代，再由這個細胞“變”成不同類型的細胞?，F(xiàn)在地球上所有的多細胞生物都是這樣做的。無論是無性生殖中使用的生殖細胞（例如“孢子”），還是有性生殖中精子和卵子結合成的受精卵，都只是一個細胞，由它們發(fā)育成含有多種細胞的生物體。
現(xiàn)在地球上最簡單的，具有細胞分工的多細胞生物的例子就是團藻。它由幾百到幾千個同樣類型的細胞包圍成的球形囊泡，里面裝有粘液。這些細胞有鞭毛，可以用來游泳。它們含有葉綠體，可以進行光合作用以制造營養(yǎng)，所以是“營養(yǎng)細胞”。這些營養(yǎng)細胞還含有“眼點”，可以感知光線，使得團藻可以向光線強的地方游泳。位于營養(yǎng)細胞內(nèi)面的是16個和營養(yǎng)細胞摸樣不同的細胞。它們的個頭比營養(yǎng)細胞大得多，但是沒有鞭毛，沒有葉綠體，也沒有眼點。它們的唯一任務就是繁殖。生殖細胞進行分裂，生成新的團藻。這些新生的團藻位于原來團藻的內(nèi)部，也有營養(yǎng)細胞和生殖細胞。新生的團藻形成后，原來的團藻破裂，釋放出新生的團藻，原來的營養(yǎng)細胞都死亡，團藻就完成一次繁殖任務了。因此，團藻是有細胞分工的多細胞生物，而且一個生殖細胞就可以繁殖出一個新的團藻。
團藻的營養(yǎng)細胞非常像單細胞生物“衣藻”。衣藻的大小和團藻的營養(yǎng)細胞差不多，也具有鞭毛、葉綠體和眼點。從這個相似性，人們自然會猜想團藻最初也許是獨立生活的衣藻聚集在一起形成的。但是在實際觀察團藻的繁殖過程時，發(fā)現(xiàn)生殖細胞在分裂時，先分化成生殖類型的細胞和營養(yǎng)類型的細胞。在形成營養(yǎng)細胞時，細胞多次分裂，但是分裂形成的細胞并不像單細胞生物繁殖時那樣彼此分開，成為獨立的個體，而是仍然聚集在一起，成為群體。細胞膜也沒有完全分開，細胞之間還通過細胞質(zhì)的細管相連?？茖W家認為，這也許是多細胞生物最初形成的方式，即細胞分裂，但是“子”細胞并不分開。因為這只需要細胞分裂的最后一步進行不完全就可以了，是最簡單的方式。
多細胞生物形成的機制解決了，但是還有一個難題。就是一個細胞如何變成兩種不同類型的細胞。由于團藻的營養(yǎng)細胞和生殖細胞含有同樣的DNA，也就是有同樣的“設計手冊”，接收到這本“設計手冊”的生殖細胞就必須用同一本“設計手冊”建造出兩種不同的細胞來。這就像工廠里要用同樣一本設計手冊造出不同的產(chǎn)品來。這個難題到底有多難，我們可以從生物解決它所用的時間看出一些端倪。地球上的生命是在約35億年出現(xiàn)的，而最古老的多細胞生物化石只有12億年的歷史。這說明生物為了解決這個難題，花了大約23億年的時間！這個問題的最終解決，其意義不亞于當初生命在地球上形成，因為它使得多細胞生物的出現(xiàn)成為可能，也才有現(xiàn)在的人類。
看到這里，你一定已經(jīng)急著想知道，生物是怎樣解決這個難題的了。其實解決這個問題的原理并不復雜。就是單細胞生物，在其一生當中也會處于不同的狀態(tài)的。它們用大部分時間來獲得營養(yǎng)，這個時候用于繁殖的基因就暫時被“關閉”。等到細胞長到一定大小了，可以分裂了，獲得營養(yǎng)的過程就減慢或停止，用于繁殖的基因就活躍起來了。這就是說，單細胞生物的基因不是在任何時候都是全部“打開”的。這就像在不同的生活階段“閱讀”“設計手冊”的不同頁面。如果生殖細胞分裂時，有一種機制讓形成的“子”細胞閱讀“設計手冊”的不同部分，不是就可以形成不同類型的細胞了嗎？團藻正是這樣做的。團藻的生殖細胞分裂時，一個叫做glsA的基因讓生殖細胞分裂成一大一小兩個細胞。在小的子細胞中，一個叫做regA的基因讓獲取營養(yǎng)的基因被打開，同時關閉與繁殖有關的基因，所以小的細胞就繁殖成營養(yǎng)細胞。在大的子細胞中，一個叫l(wèi)ag的基因讓與繁殖有關的基因被打開，同時關閉與獲得營養(yǎng)有關的基因。這樣，同一份DNA就可以指導不同類型細胞的形成。這就像現(xiàn)在的手機既能夠打電話，又能夠照相，所以手機的“設計手冊”中電話和相機的“設計”（相當于基因）都有。如果我們用這本“設計手冊”來生產(chǎn)兩種“簡化”產(chǎn)品，一種只打電話，另一種只照相，不是就可以用同一種手冊生產(chǎn)不同的產(chǎn)品了嗎？
在對“設計手冊”中的基因選擇性地打開和關閉的基礎上，“設計手冊”就可“變出”越來越多類型的細胞。例如簡單的多細胞生物水螅就已經(jīng)具有神經(jīng)細胞，生殖細胞也可以分化為卵子和精子，所以水螅也可以進行有性繁殖。這樣，多細胞生物體內(nèi)的細胞種類就會越來越多，功能越來越復雜，最后形成像人這樣的智慧生物。人體是高度復雜的有機體，有200多種不同類型的細胞，但也是由一個細胞（受精卵）“變”來的。受精卵一邊分裂，一邊分化，最后形成我們身體里面各種細胞。這個過程很像一棵樹的成長：先是有主干，然后從主干分支，枝干又再分支，最后在細枝上長出樹葉。分支的過程就類似于細胞的分裂和分化?？茖W家借助這個比喻，把能夠分化成多種細胞的細胞稱為“樹干細胞”，簡稱“干細胞”。無性繁殖的生物的孢子和有性繁殖的生物的受精卵，就是最初的干細胞。現(xiàn)在研究的“胚胎干細胞”和“成體干細胞”，都是由受精卵衍生而來的。
所以干細胞并不新奇，是所有的多細胞生物與生俱來的東西。只要有多細胞生物，就必須有干細胞。由于干細胞能夠分化成身體里面的各種細胞，所以有希望被用來替代我們身體里面生病或者已經(jīng)死亡的細胞、組織、器官，治療疾病、克隆動物?，F(xiàn)在，科學家還可以用“細胞核轉(zhuǎn)移”和“誘導”等手段，人工培養(yǎng)出干細胞。對于干細胞的研究已經(jīng)成為當前生命科學的重要任務之一。