人人都深信不疑的那條單行道
在本階段前面，你看著一個多能細胞做出抉擇，透過定型把它鎖定，然後透過分化特化成一個神經元、一根肌纖維、一個皮膚細胞。你也從表觀遺傳那一階段學到了那個關鍵的反轉：一個神經元和一個皮膚細胞攜帶著*完全相同的 DNA*。在走下坡的途中，什麼都沒被刪掉。變的是哪些基因被開啟了，而這又被表觀遺傳標記牢牢固定下來，每次細胞分裂時都被忠實地複製。
最後這個事實，引出了一個讓人無法抗拒的問題。如果一個皮膚細胞仍然*擁有*每一個基因——包括胚胎所使用的全部基因——那麼原則上，重建任何別的細胞類型，並不缺什麼。障礙並不是一本丟失了的說明書；而是一套可拆卸的化學書籤，把大部分章節摁住不讓翻開。那麼，你能不能擦掉這些書籤，把一個已經定型的細胞送回發育的山坡*上面*去呢？在二十世紀的大部分時間裡，誠實的回答似乎是：不能。發育看起來就像一顆彈珠滾進一道又一道越來越深的山谷——往下容易，往回爬出來則顯然不可能。
最初的線索：細胞核仍然記得全部
單行道教條上的第一道裂縫來自青蛙，比任何人說出「重編程」這個詞還要早幾十年。在 1950 和 60 年代，約翰·格登把一個完全分化了的青蛙腸道細胞的核取出來，塞進一顆自身的核已經被移除的青蛙卵裡。有時候——很罕見，但確實發生——那顆卵會發育成一隻完整的、會游泳的蝌蚪。那個本該終生定型的腸道細胞核，顯然保留了一份*完整而可用的*基因組。是卵的細胞質，以某種方式把它哄回了起點。
這個實驗——體細胞核移植，也就是後來製造出多莉羊的同一種方法——證明了某件意義深遠的事，卻把機制留成了一隻黑箱。它表明終點是可達的：一個成體基因組*能夠*被重置。但它依賴的，是一整顆卵裡那些神祕的、尚未被搞清楚的內容物去完成這項工作。沒人知道這顆卵裡究竟是哪些分子在撥動那些開關。這個結果說出了「重編程是可能的」，卻沒有說出「你自己該怎麼去做到它」。
山中的豪賭：只管加上因子
故事就在這裡變得令人瞠目。大約在 2006 年，山中伸彌在京都的實驗室提出了一個大膽、近乎天真的問題：與其用一整顆卵，不如換個法子——會不會*一小撮主控基因*——也就是多能細胞用來保持自己年輕的那些基因——光靠它們自己就能完成這件事？回想一下基因調控那一階段：一個轉錄因子是一種能開啟成批其他基因的蛋白質。這場賭注押的是：細胞的多能性程序，是由少數幾個這樣的主控因子運行的；而強行把它們重新開啟，或許就能把整套程序一起拖回來。
他們從一份在胚胎幹細胞中活躍的 24 個候選基因清單出發，把它們導入普通的小鼠皮膚細胞，然後留心觀察有沒有哪個細胞開始表現得像胚胎細胞。接著是耐心的逐一排除：去掉一個因子，看它是否還管用；如此反覆。這份清單最後坍縮到了僅僅四個轉錄因子——今天人們用簡寫稱它們為 Oct4、Sox2、Klf4 和 c-Myc，常被叫作「山中因子」。被賦予了這四個因子、再耐心等上一兩週的皮膚細胞，偶爾會轉變成一些看起來、行為上都像胚胎幹細胞的集落。他們把這個結果命名為[[induced-pluripotent-stem-cell-cb|誘導多能幹細胞]]，即 iPSC。
adult skin cell (fibroblast)
|
| force ON four master transcription factors
| (Oct4 + Sox2 + Klf4 + c-Myc)
| ... then wait ~2-3 weeks ...
v
iPSC == behaves like an embryonic stem cell
| (self-renews + is pluripotent)
|
| give different signals
v
neuron / heart muscle / liver cell / ... (re-differentiate)這為什麼震動了生物學
請好好體會一下這有多激進。格登證明了一顆卵可以重置一個核，但靠的是卵全套的機器一齊上陣。山中則證明，這次重置可以由一組*明確的、數得過來的*、僅僅四個蛋白質來觸發——少到你能寫在一張便利貼上。剩下的，細胞自己來完成。這就好像一個分化細胞那套精密的、被鎖死的狀態——歷經一生的基因調控才建立起來的——竟然能靠撥動極少數幾個頂層開關就被拆解開來。沃丁頓地形圖裡那些深深的溝壑，原來是可以被重新填平的。
從機制上看，這四個因子充當的是開拓者。它們結合到那些沉默的胚胎基因上，招來那套*擦除關閉標記*的機器——剝掉曾把這些基因摁住的DNA 甲基化，重置那些組蛋白標籤——把多能性網絡重新打開。隨著這個網絡重新甦醒，它開始像一個胚胎幹細胞通常那樣維持*自身*，於是細胞不再需要那股人為的推力了。成體的身份被覆蓋掉，年輕的身份被恢復——靠的不是改動任何一個 DNA 字母，而是重寫了疊在它之上的那一層表觀遺傳。
它對醫學的回報是巨大的，而把這背後的道理直白說清楚，是值得的。胚胎幹細胞很強大，卻帶著兩個沉重的難題：採集它們意味著毀掉一個胚胎；而用別人的胚胎培養出來的細胞，對你而言是異體組織，你的免疫系統可能會排斥它。iPSC 把這兩點都繞開了。你可以取*病人自己的*一小撮皮膚或血液，把它倒帶回多能狀態，再讓它重新分化成那位病人所需要的心肌、神經元，或者會造胰島素的細胞——基因完全匹配，而且取自一個你捨得割捨的細胞。格登與山中因開啟了這扇門，共同獲得了 2012 年的諾貝爾獎。
誠實的侷限——以及一條叫「轉分化」的捷徑
現在說說那些標題略過不提的部分。重編程是真的，但它緩慢、罕見，而且亂糟糟。在一個經典實驗裡，被處理的細胞中只有極小一部分——往往遠低於百分之一——真正走完了回到多能狀態的旅程；其餘的要麼半路卡住，要麼死掉。它還需要幾週，而不是幾分鐘，因為擦除積累了一生的表觀遺傳標記，是一場緩慢的、帶著隨機性的苦戰。「讓時鐘倒轉」作為對那個*終點*的口號是公道的，但這趟旅程更像是一針一針、煞費苦心地把一件毛衣拆開，而不是按一下倒帶鍵。
這裡也有實實在在的安全顧慮。最初的因子之一，c-Myc，是一個著名的與癌相關的基因——把它推得太狠，就會把細胞往腫瘤的方向上拱。更普遍地說，任何把細胞重置回快速分裂、多能狀態的做法，本質上都走在離癌症生物學很近的地方；移植物裡殘留下來的未分化細胞，可能長成雜亂無章的增生物。研究者後來找到了更安全的因子組合、更溫和的遞送方法，以及清除殘餘未分化細胞的辦法。這個領域確實大有希望，也確實有真實的臨床試驗——但「在培養皿裡管用」與「安全的、常規的療法」之間的那道鴻溝，恰恰是最需要誠實的地方。
最後，還有一條誘人的捷徑。何苦一路爬回多能狀態，只為了再爬下來呢？[[transdifferentiation|轉分化]]跳過了那個山頂：恰當的主控因子組合，能把一種特化細胞*直接*轉換成另一種——比方說，把一個胰腺細胞變成會造胰島素的 β 細胞，或者把一個皮膚細胞直接變成神經元——而完全不必經過 iPSC 這一站。它依據的是同一個核心洞見（恰當的轉錄因子能夠重寫一個細胞的身份），只不過把方向橫著對準了地形圖，而不是向上翻過山頂。它更難控制，轉換得到的細胞也並不總是完美的副本，但它暗示著：一個細胞那個「最終的」身份，遠比一代人之前任何人敢於相信的，要更可改寫。
這座時鐘究竟告訴了我們什麼
退後一步，本篇就把本階段開篇打開的那個環給合上了。一個身體之所以能從一個細胞長出來，是因為那個細胞是多能的，而它的後代透過分化逐步收窄了自己的選項。我們長久以來認定，這種收窄是永久的。重編程證明了它並非如此：分化是一個*穩定的*狀態，而不是一個*封死的*狀態，把它摁住的是可逆的標記，而不是任何遺傳資訊的丟失。你出生時所帶的那份基因組，在每一個細胞裡都完好無缺，而正是這份完好，才讓「讓時鐘倒轉」這件事變得可以設想。