通过插入基因来"反转"细胞发育时钟的办法，科学家们对疾病以及细胞如何决定它命运的问题有了更深刻的理解。
今年，科学家们在"细胞炼金术"上取得了长久以来所追求的巨大成功。他们从多种病人的身上提取皮肤细胞，并将这些细胞"重编程"为干细胞。这些干细胞在实验室里生长，分化，并成为一种新的工具，有利于科学家们研究引发疾病的细胞是如何发育的。将疾病分解到病人的细胞层面进行研究是一个漫长的道路，而这个成就则可看成是其中重要的一步。
这个成功的诀窍是一个遗传学上的小把戏，2年前就被提出来并首先作用于小鼠的身上。科学家们将细胞发育的"记忆"抹去使其返回到原始的萌芽状态，并重新生长到其他的状态。2008年在细胞的重编程上，研究人员到达了另外一个里程碑：在一个精心设计的活小鼠实验中，他们促使细胞从一种成熟的状态直接跳跃到另一种状态，打破了"细胞的发育就像公路的单行线"的传统观念。这些成就与其他赋予细胞新身份的"妙计"一起，使得细胞重编程这个新兴的领域进入了《科学》年度科技大突破的名单之列。
今年的科技大突破在很大程度上消除了人们关于3年前爆发的那次巨大的科技丑闻的记忆。在那次丑闻中，韩国的科学家们声称使用体细胞核迁移技术——一种曾经在克隆羊多莉的身上使用过的技术——从1型糖尿病人，脊髓损伤和先天性免疫缺陷症的病人身上制造出干细胞。这个事件的爆发对相关领域的研究来说是一次巨大的倒退，而与特定疾病相关的干细胞在当时似乎变成了遥不可及的目标。
这次的科技新进展建立于之前的科技突破的基础上。10年前的上个月，威斯康星的科学家们宣布成功培养出了人类胚胎干细胞(human embryonic stem, hES)，这种细胞能够生长成为人体任意一种类型的细胞。这种被称为"多能性"(pluripotency)的细胞开启了发育生物学和相关医学研究的新纪元，但是障碍依旧存在：分离这种细胞往往以毁灭一个胚胎为代价，这招致了有关生物伦理的激烈争论。在很多国家(包括美国)，来自政治的阻力限制了科学家们对人类胚胎干细胞进行的研究。
2006年，日本的科学家们找到了一个可能的办法来绕过对于人类胚胎干细胞的实际和伦理障碍。他们只是将4种基因植入到培养于实验室培养皿里的老鼠尾细胞，便得到了与人类胚胎干细胞非常类似的细胞，并称之为"植入多能干细胞"，简称为iPS细胞(induced pluripotent stem)。在去年被列为2007十大科技进展亚军的研究中，该研究团队与另外两个美国的团队们将这种可编程技术扩展到人类的细胞上。这项技术为新的研究热潮开启了大门。
细胞重整
近十年来，研究干细胞的生物学家们一直在寻找从患有顽疾的病人身上获得长寿命的细胞系(cell line)的办法(细胞系指从原代培养物经传代培养后得来的一群不均一的细胞，可以长期连续传代——译者注)。(大多数成熟细胞在实验室培养条件下难以存活，因此从病人身上直接抽取感兴趣的细胞是不可行的。)而在今年，2个研究团队达到了上述目标。其中的一个研究小组从一位患有肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, 又称为Lou Gehrig's disease, 一种攻击运动神经元的萎缩性疾病，能逐渐导致瘫痪)的82岁老妇人皮肤细胞中提取了iPS细胞系。之后，科学家们将它们培育受该疾病影响最大的两种细胞——神经元和神经胶质。
仅仅1周之后，另外一个研究小组便成功地培育出10种与不同疾病相关的iPS细胞系，这些疾病包括肌肉萎缩，1类糖尿病和唐氏综合症(Down syndrome)。其中的许多疾病在动物模型上进行研究非常困难，有的甚至根本不可能，而这些"重编程"的细胞成为科学家们研究这些疾病的分子基础的一个新的工具，并有可能在相关新药的研制上发挥作用。最终这些技术也许会允许科学家们在实验室的培养皿中修正细胞遗传上的缺陷，并用矫正后的细胞来治疗病人。
今年发表的另一篇文章则认为，细胞"重编程"没有必要使细胞退回到胚胎状态，而是直接跳跃到另外一种成熟的状态。美国的科学家在小鼠的身上将一种被称为"外分泌细胞"(exocrine)的胰腺细胞直接"重编程"为beta细胞，这种beta细胞在胰腺中分泌胰岛素，并1类糖尿病所摧毁。研究人员将混有3种病毒的"鸡尾酒"注入到成年小鼠的胰腺中，这3种病毒主要感染外分泌细胞，并且各自携带在beta细胞发育阶段起作用的不同的基因。在几天之内，实验小鼠体内产生了能分泌胰岛素的细胞——从外表和行为来看都是真的beta细胞。
这个结果是令人惊讶的，因为在这生物活体内，具有专一功能的细胞几乎从不改变它的角色，不会从肌肉细胞变成肺细胞。然而，这种直接的"重编程"技术在治疗疾病上比使用多能细胞更简单，也更安全。于此同时，该技术也允许科学家们加速所需种类细胞的实验室生产过程——通过事先设定的遗传因子来将某类型的培养细胞直接变成另一类型的细胞。
需要更多的突破
尽管在2008年研究者们取得了令人难忘的进展，但要使得细胞"重编程"开始治愈第一例疾病，我们仍需要更多的突破。为了让细胞"重编程"在细胞疗法中变得足够安全，科学家们必须寻找一种高效且可靠的办法来激活它。与此同时，科学家们需要精确地地了解它是如何工作的。尽管许多实验室已经开始使用这项技术，它仍然是一个黑盒子，我们无法知晓里面究竟发生了什么；并且，似乎是一系列偶然的事件决定了哪些稀有的细胞中在"重编程"的过程中终止。一个主流理论认为，"重编程"的某些因子有助于DNA从细胞核的束缚中挣脱出来以便于唤醒那些沉睡的基因；接着，其他的因子帮助细胞关闭蛋白质信号链，从而给予了细胞新的身份。
原始的细胞"重编程"方法依靠病毒将重编程基因插入到被感染细胞的基因组中，从而永久地改变DNA序列。科学家们对这个办法非常慎重，原因是多方面的：首先，插入的DNA有可能打乱原有的基因 (例如，打乱那些预防癌症的基因有可能使得细胞变成肿瘤)。并且，尽管看起来插入的基因在"重编程"结束之后就被关闭以让细胞原有的基因开始作用，科学家仍然担心这些插入的基因被重新激活或对细胞产生其他微妙的影响。
有鉴于此，全世界的实验室们如今都在寻找其他能激活细胞"重编程"的办法，并且在今年取得了快速的进展。好几个研究小组发现可以使用化学物质来代替插入基因，而另外一个实验室则发现腺病毒(adenovirus)也可以做同样的事情，至少在老鼠细胞上是这样。腺病毒是一种引发普通感冒的病毒，它并不会将自己插入到基因组中，而是将自己的基因表达足够长的时间以对细胞进行"重编程"。然而随着细胞的分化，腺病毒被"稀释"以至于无法检测，因此被"重编程"的细胞和它们原有的基因组都保持了不变。但是，这种替代的办法比原有的办法效率更低，并且绝大多数没有在被认为比老鼠细胞更难"重编程"的人类细胞上进行过试验。
细胞"重编程"也必须大大提高效率以变得更有用：大多数细胞"重编程"实验仅在10000个细胞中的不到1个细胞上取得成功。然而今年两个研究小组在这方面非常幸运地取得了突破：他们发现一种被称为"角化细胞"(keratinocytes)的皮肤细胞特别容易被重编程——研究者们对大约1%的角化细胞进行了"重编程"，并且整个过程仅耗时10天，远小于其他细胞所需要的几周的时间。毛囊里含有丰富的角化细胞，因此来自加利福尼亚和西班牙的研究者们说，他们可以基于从头皮拔下来的一根头发中提取的细胞高效地培养出此人专属的细胞系出来——与切割一块表皮相比，这是更容易获得的细胞资源。
最后，细胞"重编程"需要更好的质量控制。今年，一个来自美国的研究小组在这方面取得了大的进展。在他们培育的细胞中，"重编程"的基因可以通过加入抗生素"脱氧土霉素"(doxycycline)来进行激活。接着，他们使用这些"重编程"的细胞来培育几乎一模一样的"第二代"iPS细胞，每个细胞都含有同样的病毒插入DNA。这些细胞使得科学家们第一次在标准条件下研究"重编程"的过程，并有助于揭示允许成年细胞从类似"单行线"的发育中跳出来的生化进程。
尽管如此，透彻地了解细胞"重编程"的过程是不够的。在发现人类胚胎干细胞的十年之后，科学家们仍致力于研究将多能细胞"哄骗"成为成熟组织细胞的标准过程。这是一个关键问题：在治疗过程当中，偏离正常发育的多能细胞有可能引发危险的肿瘤。并且，即使科学家们能轻易地在实验室培养皿中将多能细胞变成心脏细胞，没有人能想出一个完美的办法将这些细胞融合到体内以替代生病的部分。但是，研究者们正在发现的高速公路上以许多人从未想过的，或是不敢想像的更高的速度向前进。
