今天的主角-Juan Carlos Izpisua Belmonte(圖片來源 STAT)

57歲的Izpisua Belmonte教授，出生在西班牙一個農(nóng)民家庭，由于生活貧困， Belmonte八歲的時候就輟學去田里干活了，他的母親沒有讀過書。16歲時Belmonte才有機會重新入學，然后他很快就趕上了學習進度，老師鼓勵他去西班牙巴倫西亞大學(University of Valencia)。

巴倫西亞大學藥學院(圖片來源 Valencia)

當時年少的他對科學毫無興趣，一門心思都在哲學上。但在他前往哲學系的路上，一座美麗的建筑吸引了他，一時興起，他就進了藥學院。(原來選專業(yè)還能這樣操作，開來Belmonte也是任性boy)

然后，Belmonte在意大利讀博期間做脂肪組織研究，但是關(guān)于肥胖的課題讓他覺得厭倦。之后他搬到了德國海德堡的一個實驗室，幫助開展胚胎基因?qū)W的開創(chuàng)性研究時，Belmonte才發(fā)現(xiàn)這就是他想要的。

1993年，Belmonte加入了全球最著名的生物醫(yī)學研究所之一，Salk研究所。不久后，胚胎干細胞的研究開始興起，Belmonte看到了它的潛力。2003年，西班牙通過了一項批準干細胞研究的法規(guī)，他幫助建立了巴塞羅那再生醫(yī)學中心以便開展干細胞研究工作。與此同時，這也讓他成為了西班牙干細胞研究的重量級大咖。

實驗動物(圖片來源 Izpisúa Belmonte Lab)

但是在美國和西班牙的實驗室，Belmonte教授并不滿足于研究胚胎學的標準實驗動物(雞和老鼠)，他曾表示，自己的實驗室就像一個動物園。

1全球首批人獸嵌合體

2015年，Belmonte在西班牙(圖片來源 californiastemcellreport.blogspot.co.uk)

此外，Belmonte的腦中還一直存在著關(guān)于“嵌合體”的想法，經(jīng)過多項研究的開展，他的研究團隊最終選擇建立“人豬”嵌合體。但是，讓人類細胞在豬體內(nèi)生長遠比他們想象的困難得多。

右一：吳軍博士(圖片來源 STAT)

最后，這項研究花了4年時間，Belmonte實驗室的吳軍博士作為該項目主要研究人員，表示他們已經(jīng)不抱有什么希望了。坦白來講，這就是一項不可能完成的任務(wù)！但是他們做到了，盡管成功率很低。該研究團隊通過在豬胚胎里注入人類干細胞，實現(xiàn)了10萬個人類細胞中有1個能夠在豬胚胎里存活！

在4周大的嵌合豬胚胎中，人類細胞呈綠色顯示在這顆發(fā)育中的心臟(圖片來源 STAT)

但顯而易見，在豬身上培育人體器官還有很長很長的路要走。而這一切在CRISPR的“橫空出世”之后，研究似乎變得明朗起來。2017年1月，該研究團隊在《Cell》雜志上發(fā)文稱，將人類干細胞注入超過2000個豬胚胎中，并使這些胚胎在母豬體內(nèi)生長4周，豬胚胎開始發(fā)育出含有人類細胞的器官。

視頻來源 Salk研究所

嵌合生物體研究

當然這些人豬“嵌合體”在胚胎期就被銷毀了，但是該實驗說明這項技術(shù)最終可用于培育供移植的人體器官，從而彌補移植器官供體的短缺。

是的，沒錯!-特朗普

(圖片來源 cdn.theatlantic.com)

與此同時，因為倫理道德問題，該研究也引來了無數(shù)爭議。但據(jù)斯坦福大學的 Greely 預測，與此有關(guān)的倫理爭論將會終止。他曾表示，在美國，想要對付生物倫理學家，最好的王牌就是特朗普。你只要從這個角度出發(fā)(比如說嵌合體可以為瀕死的患者提供移植器官)，那么在政治上，你已立于不敗之地?！?/p>

2 CRISPR首次編輯不分裂細胞

2016年11 月，四川大學華西醫(yī)院開展全球首例CRISPR人體試驗的熱度還未消退，Belmonte帶領(lǐng)的研究團隊在基因編輯領(lǐng)域又搞了個大新聞，新CRISPR技術(shù)竟然治療失明！相關(guān)研究發(fā)表在《Nature》雜志上。

從左至右: Jun Wu(吳軍)、ReynaHernandez-Benitez、Keiichiro Suzuki 和Belmonte(圖片來源 salk.edu)

之所以重磅，是因為包括CRISPR-Cas9在內(nèi)的多種基因編輯技術(shù)都具有“局限性”，只能在分裂能力強、不成熟的細胞內(nèi)進行基因編輯，而無法在腦細胞、眼部細胞和神經(jīng)元細胞等成熟的、非分裂細胞中進行準確地修復基因。

視頻來源 Salk研究所

新的基因編輯技術(shù)可以部分恢復盲鼠的視力

在此次研究中，科學家首次證實了基于CRIPSR的技術(shù)能夠?qū)NA插入到非分裂細胞的靶向位置。他們靶向了一個DNA修復的細胞通路—NHEJ(非同源性末端接合)，它可以修復常規(guī)的DNA斷裂。然后他們設(shè)計了一個針對NHEJ的“核酸靶向插入系統(tǒng)(HITI)”，利用腺病毒做載體，讓它們進入神經(jīng)元中，通過CRISPR-Cas9技術(shù)將其中攜帶的基因敲入缺失的特定位點。之后，研究人員在色素性視網(wǎng)膜炎(RP)小鼠模型中進行了驗證，將構(gòu)建好的缺失部分的拷貝連接上載體，注射入視網(wǎng)膜下。在治療5周后發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)全盲的小鼠們對光照刺激有了反應(yīng)，損傷的視網(wǎng)膜細胞也在逐漸恢復！

除了在成熟細胞中能夠發(fā)揮作用，相對于現(xiàn)有的基因編輯技術(shù)，這項新技術(shù)在不成熟細胞中的編輯效率是要高出10倍！作為該研究的通訊作者，Belmonte表示：“對于這項新發(fā)現(xiàn)，我感到非常興奮，因為這是過去從未做到過的事情，在未來的幾十年里，它將擁有巨大的發(fā)展前景。”

3 首次通過細胞重編程實現(xiàn)返老還童

2006年，日本科學家山中伸彌發(fā)現(xiàn)，只需要提供Myc、Oct3/4、Sox2與 Klf4四個轉(zhuǎn)錄因子，就足以讓成熟細胞穿越“時光隧道”，變回胚胎干細胞。2012年，山中伸彌教授也因此獲得了的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

受此影響，Izpisua Belmonte教授萌生了一個奇妙的想法：如果成熟細胞在這四個轉(zhuǎn)錄因子的作用下，能夠變回最初干細胞的模樣，那么倘若我們降低這幾個轉(zhuǎn)錄因子的濃度，是否就能讓細胞變成幾年前的樣子呢？如果可以，這或許意味著生物能夠返老還童？

事實證明，確實可行！

Belmonte教授研究團隊(圖片來源 Salk研究所)

2016年12月，Belmonte團隊在《Cell》期刊上發(fā)文，宣布一種新的基因療法能夠使得早衰小鼠的壽命延長了30%。

在該項研究中，科學家將Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc四種能夠誘導干細胞產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄因子注射到了早衰的小鼠體內(nèi)。幾個月后的實驗結(jié)果卻相當令人驚訝！接受注射的小鼠平均壽命從18周延長到了24周，足足延長了三分之一。這些小鼠的脾臟、皮膚、腎臟、血管和胃部無論從外觀，還是從功能上看，都變得更為年輕。這些器官也能夠重新產(chǎn)生新的細胞，進行自我更新。而且值得注意的是，在正常衰老的小鼠中，這四個轉(zhuǎn)錄因子也同樣起到了“返老還童”的作用。

細胞重編程提高了老年小白鼠肌肉恢復能力，(左)老年小白鼠損傷的肌肉恢復后(右)經(jīng)過細胞重編程的老年小白鼠損傷的肌肉恢復后(圖片來源 Cell)

一時間，眾多領(lǐng)域大咖對這項研究贊譽有加，并認為它“太不可思議了”！被評為2016年度十大科學突破榜單TOP4。

4 利用CRISPR成功修復人類胚胎中的基因缺陷

將一種基因修復酶和一名攜帶某基因突變(可導致肥厚型心肌病)的捐贈者的精子一同注射后，所生成的胚胎的發(fā)展變化(圖片來源 俄勒岡健康與科學大學)

2017年7月，由俄勒岡健康與科學大學、Salk生物學研究所和韓國基礎(chǔ)科學研究所牽頭的一項研究表明，他們通過CRISPR技術(shù)，成功的改寫了單細胞胚胎信息，完成首個“美國制造”的編輯人類胚胎，證明人類可以通過基因編輯技術(shù)，高效安全的對胚胎DNA進行編輯。值得注意的是，深圳華大基因也參與了這項工作，主要負責胚胎全基因組測序數(shù)據(jù)的驗證工作。

主要研究人員：salk生物學研究所的Belmonte、俄勒岡健康與科學大學胚胎細胞和基因治療中心的項目負責人Shoukhrat Mitalipov博士、韓國基礎(chǔ)科學研究所的Jin-Soo Kim

2017年8月，這一重磅研究公開發(fā)表在《Nature》雜志上，研究人員稱，他們利用CRISPR-Cas9基因編輯工具，修復了58個胚胎中42個胚胎的可導致肥厚型心肌病的基因突變，成功率為72.4%。除一個胚胎外，他們還成功消除了其他所有胚胎中的嵌合現(xiàn)象。(肥厚型心肌病是導致年輕運動員心臟性猝死的常見殺手，估計每500人中就有1人患有此病。研究使用的胚胎由捐獻者的卵子和精子結(jié)合而成，其中捐卵者身體健康，而捐精的那位成年男性不僅攜帶肥厚型心肌病的基因突變，還有該疾病的家族史)

5 無需切割DNA的新CRISPR技術(shù)可治療多種疾病

眾所周知，CRISPR基因編輯技術(shù)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就因其簡便的操作、精準的 DNA 靶向及剪切功能，迅速風靡整個生命科學領(lǐng)域。被稱之為“上帝的剪刀”，顧名思義，科學家對CRISPR技術(shù)的鐘愛大部分都是集中在，利用其進行插入或刪除基因以修復致病突變。但直接通過切斷DNA雙鏈發(fā)揮作用，就相當于是將遺傳信息的赤裸裸的暴露在毫無保護措施的情況下，從而面臨著無法預料的錯誤剪切或插入等問題，或?qū)е虏豢赡娴膫Α?/p>

視頻來源 Salk研究所

新CRISPR技術(shù)

為了避免引發(fā)以上技術(shù)痛點，Belmonte教授的實驗室開發(fā)出了無需切割DNA的新CRISPR-Cas9技術(shù)，首次證明在保持DNA完整性的同時，利用表觀遺傳編輯技術(shù)能夠改變動物的表型。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在權(quán)威學術(shù)期刊《Cell》上。

從左至右：Hsin-Kai (Ken) Liao、Belmonte 和Fumiyuki Hatanaka (圖片來源Salk研究所)

作為論文的通訊作者，Belmonte教授表示：“切割DNA或許會引入新的突變以至于得不償失，這是遺傳學領(lǐng)域的一個重要瓶頸?！?/p>

Belmonte實驗室開發(fā)基于Cas9的表觀遺傳基因活化系統(tǒng)與對照(左)相比，在經(jīng)處理的小鼠(右)中增強骨骼肌質(zhì)量(頂部)和肌肉纖維生長(底部)(圖片來源于Salk研究所)

在此次研究中，科學家首次將以表觀遺傳為靶向的 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)應(yīng)用于小鼠的沉默基因激活、遺傳缺陷修正及細胞功能類型誘導分化上，結(jié)果表明，針對小鼠的 I 型糖尿病、腎損傷及杜氏肌營養(yǎng)不良(DMD)均有顯著的治療效果。

通常情況下，CRISPR-Cas9 由指揮者gRNA 和剪刀手Cas9這兩個重要部分組成行使基因編輯的功能。不同于大多數(shù)CRISPR-Cas9技術(shù)使用的由20個核苷酸組成的sgRNA相，該研究團隊開發(fā)的新技術(shù)中使用的是只有14個核苷酸“dgRNA”。雖然仍舊可以使 Cas9 定位在特定序列，但卻阻止了Cas9切割DNA的行動。

更令人高興的是，研究人員在多種疾病小鼠模型中對這項新技術(shù)的功能進行驗證，發(fā)現(xiàn)效果十分顯著，能夠逆轉(zhuǎn)多種疾病進展。而且除了I 型糖尿病、腎損傷及杜氏肌營養(yǎng)不良(DMD)之外，Belmonte還將基于表觀遺傳修飾的 CRISPR-Cas9技術(shù)視為治療諸如阿爾茲海默病及和帕金森病等神經(jīng)障礙疾病等的有效工具。

此外，值得一提的是，Izpisua Belmonte教授還擔任了由深圳國家基因庫承建的國內(nèi)首個高通量基因組測序與合成編輯應(yīng)用省級重點實驗室的學術(shù)參謀。

綜上，從全球首批人獸嵌合體、利用CRISPR新技術(shù)首次編輯不分裂細胞、首次通過細胞重編程實現(xiàn)返老還童、完成首個“美國制造”的編輯人類胚胎到首次開發(fā)出無需切割DNA的新CRISPR技術(shù)，Belmonte教授團隊一直在挑戰(zhàn)著不可能，做著別人不敢想、不敢做的事。在不久的將來，我們也期待著看到這些新技術(shù)做到真正意義上的改變?nèi)祟愥t(yī)學。

參考出處：

http://belmonte.salk.edu/index.php

The creator of the pig-human chimera keeps proving other scientists wrong

http://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-crispr-gene-expression-20171207-story.html

New gene-editing technology partially restores vision in blind animals

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31752-4

New findings highlight promise of chimeric organisms for science and medicine

來源：基因藥物

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