NATURE重大突破：世界首例长寿基因编辑猴模型在中科院诞生

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NATURE重大突破：世界首例长寿基因编辑猴模型在中科院诞生
4 C+ W# V7 Q( }- ?1 W来源：生物谷 2018-08-23 10:09
! a1 |5 `- t& Q0 c& q5 Q! h* j: L衰老是机体生理功能随时间逐渐退化的过程，是神经退行性疾病、动脉粥样硬化、糖尿病和恶性肿瘤等慢性疾病的最大风险因素。衰老进程由遗传和表观遗传因素共同调控，因此理解衰老的遗传和表观遗传基础是延缓衰老和防治衰老相关疾病的重要前提。
5 J$ H+ T$ n1 j( @早在1999年，人们就发现Sir2基因具有延长酿酒酵母寿命的作用，因此被称为"长寿基因"。在啮齿类动物中，Sir2的同源基因SIRT6也被认为参与了衰老及寿命的调控：过量表达SIRT6能够延长雄性小鼠的寿命，而敲除SIRT6则会使小鼠表现出皮下脂肪减少、脊柱弯曲和变形、骨密度降低、肠道上皮受损、端粒缩短等加速衰老的表型，且小鼠寿命缩短至约1个月。由于SIRT6在功能上链接着表观遗传稳态、基因组稳定性和代谢调控，因此SIRT6被认为是经典的"长寿蛋白"，并成为人们试图延缓衰老的重要靶标。然而，迄今为止几乎所有SIRT6作为"长寿蛋白"的证据均来源于小鼠和其他低等模式生物，而SIRT6能否在灵长类动物中发挥类似的功能尚不清楚。0 k: |1 o, J2 Q( @5 `! X& S, o. k$ n

3 u6 B/ e' E& D) @: `$ G# H9 V* ?图1， 利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得SIRT6全身敲除的食蟹猴
4 v8 P% L$ x+ s8 B) _中国科学院干细胞与再生创新研究院等研究团队联合攻关，经过三年的不懈努力，首次实现了SIRT6在非人灵长类动物中的全身敲除，获得了世界上首例特定长寿基因敲除的食蟹猴模型。与SIRT6敲除小鼠表现的加速衰老表型明显不同，SIRT6敲除的食蟹猴在出生数小时内即死亡。多项分析结果显示，SIRT6敲除的食蟹猴未见加速衰老表型，却表现出严重的全身发育迟缓。新生SIRT6敲除猴的脑及多种其他器官组织均表现出明显的胚胎期未成熟的细胞和分子特征。此外，利用人类干细胞模型开展的研究表明，SIRT6缺乏也可阻滞人类神经干细胞向神经元的分化。进一步的分子机制研究发现，SIRT6可以通过介导长链非编码核糖核酸H19印记调控区的组蛋白去乙酰化来反式抑制H19的表达，而SIRT6的缺乏则会在灵长类动物神经前体细胞中引起H19表达的异常上调，进而导致脑发育迟缓。8 O, E' x( J6 Q6 r

2 H+ I2 Z! k4 \+ a, }! a  m图2， SIRT6缺失导致lncRNA H19表达上调，从而延缓脑发育。2 j/ `( ]$ L6 y8 I6 e* p/ v
该成果在2018年8月23日在线发表于国际顶尖学术期刊Nature。该研究首次结合非人灵长类动物模型、人类干细胞模型及基因编辑技术揭示了可调控灵长类动物出生前发育程序的关键分子开关，为研究人类出生前发育迟缓综合征提供了重要的模型体系。此外，该研究首次揭示了灵长类和啮齿类动物在衰老调节通路方面的差异，为开展人类发育和衰老的机制研究，以及相关疾病的干预奠定了重要的基础。
% S! X: C' j! i7 H0 ^# x. ^该研究工作由中国科学院生物物理研究所、中国科学院动物研究所、首都医科大学宣武医院、北京大学附属第一医院、和中山大学等机构合作完成。中国科学院生物物理研究所刘光慧研究员、中国科学院动物研究所李伟研究员和胡宝洋研究员为论文的共同通讯作者。中国科学院生物物理研究所张维绮研究员，中国科学院动物研究所万海峰助理研究员、冯桂海副研究员和曲静研究员为共同第一作者。周琪院士对工作的开展给予了重要的指导和支持。该研究受到中科院"器官重建与制造"战略科技先导专项及科技部、基金委等项目的资助。; Y: e! T/ Q, C% k0 y
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图3，研究团队合影
) U6 j. `& b* D, _1 F通讯作者简介
1 U# a' _% z; k; K刘光慧，中国科学院生物物理所研究员
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- ?* z$ ^# c: b) _' {【简历】国家杰出青年科学基金获得者，国家重大科学研究计划（973）项目首席科学家，现任中国细胞生物学会衰老细胞生物学分会会长，中国生物物理学会衰老生物学分会副理事长兼秘书长，中国老年医学学会基础与转化医学分会副会长，中国老年医学研究机构联盟副主任委员，中国老年学和老年医学学会抗衰老分会副主任委员，中国抗衰老促进会再生医学专业委员会副主任委员，中国细胞生物学会再生细胞生物学分会副会长，Protein &Cell杂志副主编，Stem Cell Research & Therapy 杂志副主编。曾获"首届老年医学杰出贡献奖"， "树兰医学青年奖"，"中国科学院青年科学家奖"，"中国细胞生物学会青年研究员奖"，"贝时璋青年生物物理学家奖"，"盖茨基金会2015青年科学家奖"，"干细胞青年研究员奖"等。近年来在人类衰老和再生医学领域取得了系列原创性研究成果，在Nature（X2），Cell，Science，Cell Stem Cell，Cell Res（X3）和Nat Commun（X2）等刊物发表通讯作者文章数十篇。授权和申请发明专利18项，研究成果受到Nature， Science， Cell，《时代周刊》、《华盛顿邮报》、及《CCTV》等积极评价和报道。应邀在CSHL、GRC、ISSCR等重要国际学术会议报告20余次，并多次担任会议（分会场）主席。应邀同美国科学院、俄罗斯科学院、加拿大衰老研究学会、德国洪堡基金会、日本领军人才计划（作为Future Leader 2017）等专家进行学术交流；受到Nature杂志（News）和BioTechniques网站的登访。5 h4 Y9 ^* z; p8 g: ~
【代表性科研成果】（1）利用诱导多能干细胞（iPSC）技术阐明儿童早衰症患者血管细胞退行的分子机理（Nature 2011）；（2）利用HDAdV介导的基因编辑技术实现儿童早衰症患者iPSC中致病突变基因的靶向矫正（Cell Stem Cell 2011）；（3）利用全基因组测序证明HDAdV和TALEN两种基因靶向矫正工具的安全性，并发展高效的基因编辑/矫正工具telHDAdV（Cell Stem Cell 2014）；（4）利用基因编辑技术建立人成年早衰症干细胞模型，揭示异染色质高级结构失序在人类衰老中的驱动作用（Science 2015）；（5）揭示长寿基因SIRT6通过激活NRF2调节人干细胞衰老和稳态的新机制（Cell Res 2016）；（6）利用基因编辑技术建立帕金森病的人类多能干细胞模型，揭示帕金森病的神经干细胞病变，发现干预帕金森病神经干细胞表型的候选化合物（Nature 2012）；（7）产生范可尼贫血症iPSC，利用基因编辑实现其致病基因靶向矫正，筛得改善范可尼贫血症造血前体细胞活力的候选化合物（Nat Commun 2014）；（8）利用基因编辑技术发展人类神经胶质母细胞瘤干细胞模型，筛得可精准杀伤PTEN缺失胶质母细胞瘤干细胞的候选化合物（Nat Commun 2015）；（9）利用基因编辑建立儿童早衰症干细胞研究体系，揭示FDA批准的NRF2激动剂奥替普拉可抑制儿童早衰症干细胞的加速衰老（Cell 2016）；（10）发展染色质三维动态成像工具TTALE，揭示核仁区rDNA重复序列的减损是人类衰老的新型分子标记物（Cell Res 2017）；（11）在渐冻人ipsC中实现SOD1和FUS基因的靶向矫正，揭示渐冻人运动神经元退行的早期分子标记物（Protein Cell 2017）；（12）利用基因编辑技术实现人类干细胞的遗传增强，获得同时抵抗细胞衰老、外界应激及瘤性转化的优质干细胞（Cell Res 2017）；（13）利用基因编辑技术产生内质网应激转录因子ATF6敲除的人干细胞，揭示ATF6在多细胞器稳态维持和人干细胞衰老中的关键作用（Cell Discovery 2018）；（14）利用基因编辑产生增强型儿童早衰症干细胞，揭示不同类型人类早衰症干细胞衰老的动力学差异（Protein Cell 2018）；（15）利用人类早衰症干细胞模型对天然化合物进行通量筛选，首次揭示槲皮素对人类干细胞的衰老保护作用（Protein Cell 2018）；（16）利用CRISPR/Cas8产生首例SIRT6全身敲除猴模型，揭示灵长类和啮齿类动物在发育和衰老调节通路方面的差异（Nature 2018）。; j9 W7 ?1 d3 m4 [- U  Y8 [3 j
李伟，中国科学院动物研究所研究员
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【简历】李伟，博士，研究员，中国科学院动物研究所干细胞与细胞周期调控研究组组长，干细胞与生殖生物学国家重点实验室副主任。2006年毕业于武汉大学获学士学位，2012年毕业于中国科学院动物研究所获博士学位。主要从事干细胞和基因组稳定性研究，在干细胞的建立和应用，以及动物基因工程方面取得多项进展，相关成果以第一或通讯作者发表在Nature，Cell， Nature Biotechnology等刊物，共发表SCI论文50余篇。入选"万人计划青年拔尖人才计划"、中国科学院首批"卓越青年科学家"；获得"日本实验动物学会国际奖"、"中国科学院杰出科技成就（集体奖）"、"盖茨基金会-青年科学家"、中源协和生命医学奖创新突破奖、中国科学院杰出青年等奖项和荣誉；获国家重大科学研究计划、基金委优秀青年基金等项目支持。/ x0 C3 {2 g/ D( K  `
【研究领域】干细胞基因组稳定性和倍性调控的机制与方法，以及基因组修饰技术的开发与应用。
& p+ W- D& b3 r: E6 m( f0 O2 ~4 N【社会任职】2014.1- 中国动物学会生殖生物学分会理事；2014.1- 中国科学院青年创新促进会会员；2013.1- 中国遗传学会青年委员会委员；2013.1- 国际干细胞研究协会（ISSCR）会员1 T" Q& d" Z  u4 f# l* |; |; x
【承担科研项目情况】国家重大基础研究计划项目，国家自然科学基金委员会优秀青年基金项目、面上项目，中国科学院前沿科学重点研究项目等。
/ ~5 ?; S( H6 [# B- g% U% M+ J胡宝洋，中国科学院动物研究所研究员9 M) q8 [- C1 p5 g) d. C
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【简历】胡宝洋，男，1973年4月出生。博士、研究员、博士研究生导师，中国科学院"百人计划"入选者。干细胞与生殖生物学国家重点实验室副主任，中国科学院大学医学院常务副院长，国家重大研发计划干细胞与转化研究重点专项专家组副组长，中国细胞生物学学会干细胞分会委员。2004年获复旦大学博士学位，2005年赴美国威斯康星大学（University of Wisconsin-Madison）从事博士后研究，2009年任该校助理科学家（Assistant Scientist），2011年1月加入中国科学院动物研究所。围绕干细胞研究及医学转化，重点研究神经分化的机制、人脑发育的特点、干细胞及转分化来源功能细胞的系统化评估等科学问题。目前承担国家重大科学计划，"973"计划、国家自然科学基金、中国科学院重点部署项目、中国科学院战略性先导科技专项等课题。建立了人多能干细胞定向分化至特定细胞的系统，指导人胚干细胞、iPS细胞定向分化为神经系统的多种神经和胶质细胞，并发现人胚干细胞和ips细胞神经分化的特点。研究成果发表于Cell Stem Cell， PNAS， Cell Research， Development等期刊，获美国专利2项。这些成果在解答生命科学基础问题的同时，在医学和药学领域有广阔的应用前景。目前在读研究生和联合培养研究生20名，已出站博士后3名，毕业博士研究生2名，硕士研究生4名。
4 j% J. v3 S/ T: M! Q【研究领域】主要从事干细胞与再生医学领域的研究，重点研究全能干细胞向神经系的分化机制、人类干细胞生物学的独特性以及干细胞医药学应用的系统化评估等科学问题。1. 神经分化机制。用多能干细胞定向分化和细胞重编程为模型，研究神经分化中细胞外信号、转录程序、转录前后表观遗传学因素如何协同指导多能干细胞向某一特定类型细胞分化。借助小鼠等动物模型和遗传学手段在体内进一步验证。2. 人类发育和细胞分化的独特性。以人多能干细胞神经定向分化系统为基础，综合利用多种手段发掘决定人类高级功能和独特性状的调控元件及调控机制。3. 干细胞医学转化。以定向分化为基础，完善规模化细胞分化和体细胞直接转分化为特定细胞类型的方法。与相关领域合作，建立细胞产品应用于细胞替代和药物筛选的标准评估体系。( t5 U1 T. w/ C4 g  y- `: r: A* m
【社会任职】中国细胞生物学学会干细胞分会理事，国际干细胞研究学会（ISSCR）会员，美国神经科学学会（SfN）会员。0 k! Y1 d0 G7 v! l* r
【获奖及荣誉】"百人计划"引进国外杰出人才（2011）7 n* f& O" `1 G+ J
【承担科研项目】国家重大科学研究计划项目，中国科学院重点部署项目，中国科学院战略性先导科技专项，国家自然科学基金项目等。* o& y- _+ ~& P! D" F