我們所有人都是從受精卵發育而來的。在受精后的最初幾天，胚胎由未成熟的細胞組成，每一個細胞都有能力發育成構成成年有機體的所有細胞類型。這樣的細胞被稱為多能干細胞。隨著胚胎的進一步發育，這些細胞產生了神經細胞、肌肉細胞、肝細胞和其他所有細胞類型——它們每一個都特化為在成年體內執行特定的任務。以前，人們認為從未成熟到特化細胞的這個旅程是單向的。人們認為細胞在成熟過程中會發生變化，以至于它再也無法回到未成熟、多能的階段。

約翰·伯特蘭·格登挑戰了特化細胞不可逆地決定其命運的教條。他假設，該細胞的基因組可能仍然包含驅動其發育成生物體所有不同細胞類型所需的所有信息。

1962年，他通過將一個蝌蚪的卵細胞的細胞核替換為一個成熟的、特化的細胞的細胞核（這個細胞來自蝌蚪的腸道）來驗證這個假設。這個卵細胞發育成了一個功能齊全的克隆蝌蚪，后續重復的實驗產生了成年青蛙。這個成熟細胞的細胞核并沒有失去其驅動發育為功能齊全生物體的能力。

格登的里程碑式的發現剛開始受到了懷疑，但后來被其他科學家證實并接受。這引發了熱烈的研究，該技術得到了進一步發展，最終促成了哺乳動物的克隆。格登的研究讓我們了解到，一個成熟、特化的細胞的細胞核可以被恢復到未成熟、多能的狀態。但他的實驗涉及使用吸管移除細胞核，然后將它們引入其他細胞。是否有可能將完整的細胞重新轉化為多能干細胞呢？

格登實驗室主要研究核重編程和從成年組織中生成胚胎細胞。“我們進行這項基礎研究的主要模型系統是非洲爪蟾（Xenopus laevis）的卵子和發育中的卵母細胞，"約翰·格登的同事之一理查德·哈利-斯托特博士說，"這些卵和卵母細胞都是非常出色的細胞，其中最重要的原因是它們的體積很大，這使我們能夠用立體顯微鏡在相對較低的放大倍率下進行核移植--相比之下，哺乳動物的核移植需要非常高的放大倍率。這些顯微鏡的使用--比如約翰辦公室里的這臺--是實驗室大部分工作的核心。照片：© Wellcome Trust

山中伸彌在格登發現這一問題40多年后，通過一項科學突破解答了這個問題。他的研究涉及胚胎干細胞，即從胚胎中分離并在實驗室中培養的多能干細胞。這種干細胞最初由馬丁·埃文斯（2007年諾貝爾獎獲得者）從小鼠中分離出來，而山中試圖找到保持它們未成熟狀態的基因。在識別出其中的幾個基因后，他測試了它們是否能夠將成熟細胞重編程為多能干細胞。

山中伸彌和他的同事將這些基因以不同的組合方式導入到來自結締組織的成熟細胞（成纖維細胞）中，并在顯微鏡下觀察結果。他們最終找到了一種有效的組合，而這個“配方"卻出人意料地簡單。通過一起引入四個基因，他們能夠將成纖維細胞重新編程為未成熟的干細胞！

產生的誘導多能干細胞（iPS細胞）可以發育成成熟的細胞類型，如成纖維細胞、神經細胞和腸細胞。關于完整、成熟的細胞可以被重新編程為多能干細胞的發現于2006年發表，并立即被視為一項重大突破。

視頻：山中伸彌介紹誘導多能干細胞

格登和山中伸彌的發現表明，在某些情況下，特化的細胞可以逆轉發育的時鐘。雖然它們的基因組在發育過程中會發生變化，但這些變化并不是不可逆的。我們對細胞和生物的發育有了新的認識。

近年來的研究表明，iPS細胞可以產生身體所有不同類型的細胞。這些發現也為世界各地的科學家提供了新的工具，并在醫學的許多領域取得了顯著進展。iPS細胞也可以從人類細胞中制備。

例如，可以從患有各種疾病的患者身上獲取皮膚細胞，進行重編程，并在實驗室中進行檢查，以確定它們與健康個體的細胞有何不同。這些細胞是研究疾病機制的重要工具，因此為開發醫療療法提供了新的機會。

京都大學iPS細胞研究與應用中心（CiRA）