致敬Ernest McCulloch和James Edgar Till

来源：BioArt

编者按：如何定义干细胞？或者说干细胞最显著的特征是什么？很多人可能都会回答是：自我更新与分化。那么历史上是哪位或者哪几位科学家定义或者发现了干细胞这一特征呢？今天BioArt就来带大家认识不怎么为人所熟知的两位干细胞研究先驱（甚至有人认为是“干细胞之父”）——Ernest McCulloch和James Edgar Till。

撰文丨秋枫

图1 干细胞研究先驱：McCulloch和Til

1926年4月21日，Ernest Armstrong McCulloch出生于加拿大安大略省的多伦多市。1948年，McCulloch从多伦多大学获得了他的硕士学位。硕士毕业后，McCulloch在英国伦敦的李斯特研究所(Lister Institute)开始了自己的研究生涯，在那里他工作了一年。

1957年，McCulloch加入了多伦多大学新组建的安大略癌症研究所(Ontario Cancer Institute)，在这里他的主要研究方向是正常血液的形成和白血病。当时，美苏冷战正是紧张的时刻，核战威胁着人类的和平，为了保护长时间暴露于核辐射范围的军人的健康，研究电离辐射对哺乳动物细胞的影响成了McCulloch的新的研究方向。为了完成这项研究，McCulloch的医学背景已经不能完全胜任，这时候具有生物物理方向研究经验的Till便成了一名理想的合伙人。

James Edgar Till出生于加拿大艾伯塔省和萨斯喀彻温省交界处的劳埃德明斯特，他在加拿大国家研究委员会(National Research Council)和标准石油公司提供的奖学金的资助下，进入萨斯喀彻温大学学习，并于1952年获得了理学学士的学位，于1954年获得物理学硕士学位。他早期的一些研究是在Harold E. Johns的指导下完成的。

Harold E. Johns是加拿大医用物理学家，1915年出生于中国四川，父母为传教士。Harold E. Johns在中国一直生活到1926年，后来因为政治动荡，Harold E. Johns跟随父母回到了北美。Harold E. Johns在二战结束后应邀加入萨斯喀彻温大学，在这里开始了他的研究方向，即用钴-60作为伽马射线源对癌症进行放射治疗。1956年，Johns开始成为安大略肿瘤研究所的物理系的主任。1957年，Till刚从耶鲁大学获得生物物理专业的博士学位, 便被其在萨斯喀彻温大学时期的老师Johns招入安大略肿瘤研究所做博士后工作。因为不愿意McCulloch教授使用他的高科技机器，Johns便让Till加入Ernest McCulloch的课题组，帮助McCulloch完成课题中需要的辐射部分的工作。从此，McCulloch教授负责实验设计，而Till则负责实验的实际操作。

图2 McCulloch和Till在实验室外

“事实上，从我们开始一起工作，” McCulloch曾经说道：“我们两个人一起干活，而且从那时起我们一直是一起干所有的事。”

McCulloch和Till采用了在当时还处于新兴阶段的骨髓移植技术来检测电离辐射对于小鼠的影响。他们首先测定了骨髓细胞能够承受的电离辐射强度，然后开始不断的重复实验，用电离辐射处理小鼠，之后对他们进行骨髓移植。骨髓移植10天后，他们解剖小鼠进行观察。他们发现，小鼠的脾脏长出了结节，脾结节中有正处于分裂期的细胞，这些细胞正在分化为三种主要的血细胞：红细胞、白细胞、血小板。脾结节的数量与小鼠接受的骨髓移植的细胞的数量存在比例对应关系。小鼠大约接受10,000个骨髓细胞移植，才能长出一个脾结节。McCulloch和Till推测每一个脾结节可能来自于同一个单细胞，并把脾结节称为脾集落(spleen colonies)，这项工作于1960年发表于Radiation Research[1]。

为了确定每一个脾集落是否来自同一个细胞，McCulloch和Till找到了一种可靠的遗传标记。在辐射处理过程中，细胞会有极低的概率产生明显的异常染色体。利用这种现象，McCulloch和Till的研究生Andy Becker分析了来自36个小鼠中的42个集落，终于从上百个细胞中找到了四个携带异常染色体的集落，最终确定，每个脾集落确实来源于同一个单细胞。这项工作于1963年发表于Nature [2]。

还有一个问题，那就是集落形成细胞(colony-forming cells)能否实现自我更新(renew)，产生新的集落，产生新的细胞呢？为了回答这个问题，他们的同事Louis Siminovitch(加拿大分子生物学家)加入了他们的研究队伍，他们将脾结节破碎成细胞，并将其注射到经过辐射处理的小鼠体内，每个小鼠只接收来自同一个集落的细胞，如果这些细胞能在小鼠内复制分裂，那么这些小鼠便能长出集落来。实验最终成功证明了他们的思路，说明这些集落形成细胞确实具有自我更新的功能。这部分工作于1963年发表于Journal of Cellular and Comparative Physiology [3]。

接下来，McCulloch和Till继续着他们的工作，到了70年代，他们证明了单个的骨髓干细胞不仅能够分裂，还能继续分化为三种成熟的血细胞：红细胞、白细胞和血小板。这些特征意味着，这种集落形成细胞是一种新的祖细胞，它们具有足够的增殖潜力以重新形成整个动物体的骨髓，它们也能分化为具有有限寿命的特化细胞，这些特点正是我们今天研究的干细胞具有的特点。

由于他们原创性的工作， Till和McCulloch相继成为加拿大皇家协会的会员，1999年McCulloch还被选为英国皇家协会会员。

图3 McCulloch和Till荣获2005年拉斯克基础医学奖

2005年，McCulloch和Till共同荣获被称为“诺奖风向标”的拉斯克奖。“迄今为止，让我最高兴的一件事就是，经过这么多年，我们一直是最好的朋友，” 在颁奖典礼上，McCulloch说：“我能把任何事都告诉Till，我非常自信并且确定，我们的关系将一直如此，我想Till也是这么想的。”

“是的，”Till擦去眼角的一滴眼泪说道：“我们的工作从来没有影响我们对于彼此的尊重和敬佩！”

遗憾的是，直到2011年McCulloch去世，两人并没有因为干细胞的发现或者说定义而荣获诺贝尔奖，这是McCulloch和Till的遗憾，也是干细胞领域所有研究者的遗憾，更是诺贝尔奖历史上的遗憾！

不过，干细胞的研究从未停止，McCulloch和Till开创的领域必将在人类科学的历史上结出丰硕成果！

制版人：半夏

参考文献

1. McCulloch, E.A., Till, J.E. (1960) The radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells, determined by quantitative marrow transplantation into irradiated mice. Radiation Research 13(1):115–125.

2. Becker, A.J., McCulloch, E.A., Till, J.E. (1963) Cytological demonstration of the clonal nature of spleen colonies derived from transplanted mouse marrow cells. Nature 197:452-4. 

3. Siminovitch, L., McCulloch, E.A., Till, J.E. (1963) The distribution of colony-forming cells among spleen colonies. Journal of Cellular and Comparative Physiology 62:327-36.