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科學(xué)雜志評2017年度十大成就！生命科學(xué)領(lǐng)域引關(guān)注

[2018/1/3]

    2017年已經(jīng)結(jié)束，回首展望，在過去的一年中，新的科技成就正將我國從崛起引領(lǐng)至復(fù)興。這些突出的科技成果，既是工業(yè)4.0時代與未來與他國競爭中的利器，也是提升國民辛福感和生活質(zhì)量的保障基礎(chǔ)。
　　
　　引力波：當(dāng)之無愧的頭號突破
　　
　　2017年8月，全世界科學(xué)家目睹了從未見過的“奇觀”：在1.3億光年之外，兩顆中子星在一場壯觀的爆發(fā)中相互螺旋上升。這次爆發(fā)證實了幾個重要的天體物理學(xué)模型，揭示了許多重金屬的誕生地，并對廣義相對論進行了前所未有的測試。這是人們第一次觀察到中子星的合并，而它所揭示的科學(xué)成果，也成為《科學(xué)》評選出的2017年突破之一。
　　
　　美國“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)和歐洲“處女座”引力波探測器兩個項目組在一份聲明中說，最新的引力波信號于2017年8月14日被探測到，與前3次類似，均由雙黑洞合并產(chǎn)生。
　　
　　引力波是由黑洞、中子星等碰撞產(chǎn)生的一種時空漣漪，宛如石頭丟進水里產(chǎn)生的波紋。一百年前，愛因斯坦廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，但直到2016年年初，科學(xué)家才宣布于2015年首次發(fā)現(xiàn)引力波。
　　
　　“引力波是一個不斷產(chǎn)生驚喜的禮物！薄犊茖W(xué)》新聞編輯蒂姆·阿彭策勒解釋道，“觀測到此類劇烈事件的完整圖景有望帶來天體物理學(xué)的變革。正是這一點，令這個觀測成為無可爭議的2017年頭號突破！
　　
　　引力波觀測從來都是典型的大科學(xué)工程項目，美國在過去幾十年為此累計投入11億美元，這篇論文僅署名作者就有3674人，他們來自全球953個機構(gòu)。美國引力波項目資助方、美國國家科學(xué)基金會主席France Cordova在一份聲明中說，相隔萬里的探測器首次共同探測到引力波，這對旨在破解宇宙奧秘的國際科學(xué)探索是一個“令人激動的里程碑”。
　　
　　冷凍電鏡：窺見原子尺度生命
　　
　　科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往建立在對肉眼看不見的微觀世界進行成功顯像的基礎(chǔ)上，但在很長時間里，已有的顯微技術(shù)無法充分展示分子生命周期全過程，在生物化學(xué)圖譜上留下很多空白，而低溫冷凍電子顯微鏡(Cryo-EM)將生物化學(xué)帶入了一個新時代。
　　
　　2017年諾貝爾化學(xué)獎授予Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson，以表彰他們研發(fā)出能對生物分子進行三維成像的冷凍電子顯微鏡技術(shù)，評選委員會如是說。
　　
　　在科學(xué)史上，冷凍電子顯微鏡是一項十分罕見的技術(shù)創(chuàng)新，憑借近原子水平的高清分辨率，冷凍電子顯微鏡技術(shù)帶來了對許多關(guān)鍵生命分子的新認識，快速重塑結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。
　　
　　冷凍電子顯微鏡就是應(yīng)用冷凍固定術(shù)，在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)。冷凍電子顯微鏡是重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法，是獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的重要手段。這項技術(shù)本身仍處在高速發(fā)展的階段，其影響力還在持續(xù)高速增長。
　　
　　通過展現(xiàn)科學(xué)家從未見過的原子級結(jié)構(gòu)，冷凍電子顯微鏡幫助解釋了生物化學(xué)和遺傳學(xué)數(shù)十年的觀察結(jié)果。2017年，該技術(shù)給了研究者了解剪接體功能以及洞察DNA斷裂修復(fù)酶的新方法。這項技術(shù)還能制作高分辨率模型，反映在阿爾茨海默病患者的大腦中積累的纏結(jié)和空斑形成纖維，并能展示基因編輯技術(shù)CRISPR如何捕捉和操縱DNA。
　　
　　研究人員還提高了冷凍電子顯微鏡處理大小分子的能力，弄清了紅藻巨大的捕光復(fù)合體以及之前無法觸及的諸多小蛋白質(zhì)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。2016年拉丁美洲暴發(fā)寨卡疫情，研究者利用冷凍電子顯微鏡技術(shù)，成功觀測到寨卡病毒的結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)電子顯微鏡無法做到的。
　　
　　便攜式中微子探測器：最小的粒子探測器
　　
　　2017年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了最難以捉摸的亞原子粒子 ——中微子，開始以一種新方式偵測原子核。這一成就的背后是長達40年的探索，而它不需要通常用于檢測中微子的大型硬件。取而代之的是，研究人員用一種便攜式探測器就完成了這項壯舉，它的重量和微波爐差不多。
　　
　　在特定的核過程中，中微子與其他物質(zhì)的相互作用非常罕見。然而，中微子偶爾會在原子核中撞擊一個中子，把它變成一個質(zhì)子，而它自身也會變成一個可檢測的粒子，比如電子；蛘咚鼤唵蔚乇毁|(zhì)子或中子反彈，并使原子核飛起來。這兩種相互作用都非常罕見，探測器必須包含大量的目標物——物理學(xué)家已經(jīng)使用了各種材料，但也僅發(fā)現(xiàn)其中的一小部分。
　　
　　實際上，1974年，理論物理學(xué)家提出了中微子—原子核相干性彈性散射理論，認為中微子和其他粒子一樣具有波粒二象性。當(dāng)處于高能狀態(tài)時，中微子會與某個質(zhì)子或中子發(fā)生相互作用;而處于低能狀態(tài)時，中微子就會從原子核彈回，從而發(fā)出可以檢測到的信號。
　　
　　2017年，來自4個國家20多個機構(gòu)的80余名科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)了長期以來一直尋求的相干散射。他們使用的是一臺14.6千克的探測器，由一種含鈉碘化銫的大晶體制成，當(dāng)原子核內(nèi)出現(xiàn)反作用時，它就會閃光。
　　
　　這樣的中子探測器也許有一天會幫助人們監(jiān)測核反應(yīng)堆、尋找更難捉摸的“惰性中微子”，或者幫助物理學(xué)家用一種新方法探測核結(jié)構(gòu)。
　　
　　30萬年前的智人化石：人類新起源
　　
　　在摩洛哥的一個山洞里，一塊長期被忽視的頭骨，打破了人類化石紀錄，并激發(fā)了科學(xué)家對現(xiàn)代人類起源的研究。研究人員確定，該智人化石距今有30萬年，把人類的起源向前推進了約10萬年。
　　
　　智人是生物學(xué)分類中“人屬”中的一個“種”，是目前全人類共有的生物學(xué)名稱。學(xué)術(shù)界一直無法確定智人出現(xiàn)的確切地點和時間。很長一段時間以來，被歸為智人的最古老化石來自東非，約有20萬年歷史。因此，不少觀點認為人類起源于東非。
　　
　　在1961年被礦工發(fā)現(xiàn)的這塊頭骨，長期以來被認為屬于非洲尼安德特人，因為它有一些在尼安德特人和其他古人屬中發(fā)現(xiàn)的原始特征。但它也有一些現(xiàn)代的特征，比如面孔在頭骨下收攏而不是向前突出，這引起了德國萊比錫馬普學(xué)會進化人類學(xué)研究所古人類學(xué)家Jean-Jacques Hublin的好奇，他想知道它是否屬于智人的早期成員。
　　
　　最終，研究結(jié)果顯示，這些化石可以追溯到距今31.5萬年前，至少來自5個智人個體，他們的面部及下頜形態(tài)與現(xiàn)代人類非常相似，腦部大小也較為接近，但頭骨相對更平、更長。研究人員認為，新發(fā)現(xiàn)揭示了智人進化的早期階段。
　　
　　這一發(fā)現(xiàn)并不意味著智人起源于北非地區(qū)。它表明早期智人的進化實際上遍布了整個非洲大陸。
　　
　　新剪刀：精確的基因編輯
　　
　　超過6萬個遺傳畸變與人類疾病有關(guān)，其中有近3.5萬個是由最微小的錯誤造成的： DNA只有一個特定位點發(fā)生突變。2017年，研究人員宣布了一項名為“堿基編輯”的新技術(shù)，可以糾正DNA和RNA中的這種突變。未來，這項技術(shù)可能會在醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
　　
　　基因是DNA上的片段，而DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)由4種化學(xué)堿基組成，即腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，其中鳥嘌呤和胞嘧啶配對，腺嘌呤和胸腺嘧啶配對。
　　
　　由美國哈佛大學(xué)化學(xué)家David Liu開創(chuàng)的堿基編輯技術(shù)借鑒了“分子剪刀”CRISPR的特點。CRISPR擅長在特定位點切割DNA，并引入關(guān)閉基因的錯誤。而Liu團隊修改了CRISPR的工具箱，創(chuàng)建了一個堿基編輯器，該編輯器可以在不斷開DNA雙鏈的情況下，將A·T堿基對轉(zhuǎn)換成G·C堿基對，也就是說能實現(xiàn)高效、可選擇性地在基因中替換堿基。
　　
　　此外，美國布羅德研究所張鋒團隊報告說，他們在CRISPR工具基礎(chǔ)上開發(fā)出了REPAIR編輯系統(tǒng)，其基本元件是一種特定酶和一種特定蛋白質(zhì)，能高效修改與疾病相關(guān)的RNA單個堿基。
　　
　　2017年，憑借單堿基基因編輯技術(shù)，中國科學(xué)家首次在人體胚胎中修復(fù)單個突變堿基。這種新堿基編輯器的效率約為50%，高于任何其他基因組編輯方法的效率，而且?guī)缀鯖]有副作用。
　　
　　生物學(xué)預(yù)印本興起：先發(fā)表了再說
　　
　　2017年，生物學(xué)預(yù)印本開始興起，數(shù)千名生物學(xué)家在預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)表了他們未經(jīng)審閱的學(xué)術(shù)論文。4年前，美國紐約冷泉港實驗室(CSHL)推出免費生物預(yù)印本服務(wù)器bioRxiv。在2017年年初，美國和英國的一些機構(gòu)和組織發(fā)布了鼓勵印前分享的政策，使得生物學(xué)預(yù)印本的發(fā)展得到了極大的推動。
　　
　　上世紀60年代，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)向一群生物學(xué)家發(fā)送論文手稿的影印本。這個短命的項目啟發(fā)物理學(xué)家在1991年成立arXiv。這是一個如今位于康奈爾大學(xué)的非營利性預(yù)印本服務(wù)器。1999年，諾貝爾獎獲得者、NIH時任院長Harold Varmus提議為生物學(xué)領(lǐng)域設(shè)立類似服務(wù)器，但期刊出版商認為這是一個威脅。不過，2003年，arXiv開設(shè)了定量生物學(xué)專區(qū)。
　　
　　這一概念真正獲得廣泛關(guān)注是在2013年11月。當(dāng)時，CSHL發(fā)起bioRxiv，將其作為一種促進科學(xué)交流的方法。2017年，bioRxiv獲得財力雄厚的陳—扎克伯格計劃(CZI)的支持。其他該領(lǐng)域服務(wù)器也如雨后春筍般出現(xiàn)。
　　
　　bioRxiv擁有1.1萬余名通訊作者，其中56%來自美國以外的國家。上百名生命科學(xué)家在其他免費的非營利性以及PeerJ預(yù)印本等商業(yè)服務(wù)器上發(fā)表文章。諸如生物信息學(xué)、基因組學(xué)等計算領(lǐng)域的研究人員是bioRxiv的早期采用者。
　　
　　預(yù)印本的一個優(yōu)勢是你能在論文被同行評議的期刊接受的數(shù)月甚至幾年前，便將其和同行分享。而且，為最新發(fā)現(xiàn)獲得時間戳記也形成了部分吸引力。諸如bioRxiv、PeerJ預(yù)印本等服務(wù)器會為提交的論文提供發(fā)表日期和數(shù)字對象標識符，本質(zhì)上是為建立優(yōu)先級樹立一面旗幟。此外，預(yù)印本會促進健康的競爭和合作。
　　
　　廣譜抗癌藥：將癌細胞“一網(wǎng)打盡”
　　
　　2017年，美國第一次基于基因突變類型而不是腫瘤組織來源批準藥物，實現(xiàn)一種藥物治療多種實體瘤。
　　
　　人們一直期待有這樣一種治療癌癥的藥物：它不是針對某個特定的癌癥發(fā)病的器官，而是根據(jù)癌細胞的DNA，無差別地進行治療。
　　
　　2017年5月，美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準了一種名為帕姆單抗的藥物。此前，該藥物已被批準用于治療黑色素瘤和少數(shù)幾種其他腫瘤;現(xiàn)在，它已經(jīng)可以治療兒童和成人的任何包含錯配修復(fù)缺陷的晚期實體腫瘤。
　　
　　這意味著，對于胰腺、結(jié)腸、甲狀腺，或其他十幾個組織中的任何一個細胞癌變，藥物帕姆單抗都能根據(jù)突變的DNA鎖定包含錯配修復(fù)缺陷的癌細胞，并進行治療。
　　
　　FDA的這項批準對于癌癥治療領(lǐng)域意義非凡。這是因為不同器官產(chǎn)生的腫瘤可能比生長在同一部位的腫瘤更常見，但將這些知識轉(zhuǎn)化為治療并不容易：人們對于癌癥的治療還局限在發(fā)病器官上，哪里出現(xiàn)癌癥，就對哪里進行治療。
　　
　　2015年，約翰斯·霍普金斯大學(xué)的Luis Diaz及同事用帕姆單抗治療結(jié)腸癌患者，結(jié)果13名患者中有8位錯配修復(fù)缺陷患者接受治療后，腫瘤減小，但另外4名患者無反應(yīng)。另外一項試驗也印證了這一結(jié)果，無錯配修復(fù)缺陷的結(jié)腸癌患者對帕姆單抗治療無反應(yīng)。于是研究者發(fā)現(xiàn)，攜帶有這些缺陷往往能夠增強免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的識別，進而對其進行殺傷。
　　
　　新種類人猿：90年后再添新成員
　　
　　2017年11月，科學(xué)家在印度尼西亞的蘇門答臘島發(fā)現(xiàn)了一個新的猩猩物種——打巴努里猩猩，這是時隔近90年后人類再次發(fā)現(xiàn)新類人猿物種。
　　
　　類人猿是靈長目中智力較高的動物，主要生活在非洲和東南亞的熱帶森林中。多年來，研究人員確認了兩種生活在印度尼西亞的猩猩：婆羅洲猩猩和蘇門達臘猩猩。打巴努里猩猩是第三個猩猩物種，同時是第七個非人類的類人猿。2013年，研究人員得到了被人類殺死的一頭成年雄性打巴努里猩猩的骨骼。研究人員將打巴努里猩猩和33只其他猩猩的頭骨和牙齒進行了比較，結(jié)果顯示打巴努里猩猩的頭骨比其他兩個物種小。同時，它的上牙和下牙都比蘇門答臘猩猩寬很多。
　　
　　雄性打巴努里猩猩會發(fā)出在1公里外都能聽到的“長長的叫聲”。這能趕走競爭對手并且吸引雌性。它們“長長的叫聲”比婆羅洲猩猩長21秒;和蘇門答臘猩猩相比，則以更高的最大頻率傳遞。
　　
　　這種猩猩生活在印度尼西亞北蘇門答臘省巴當(dāng)托魯。研究人員表示，巴當(dāng)托魯?shù)男尚墒菑膩喼薮箨戇w徙過來猩猩的后代，但打巴努里猩猩直到一兩萬年前才徹底獨立出來。目前，打巴努里猩猩只剩下大約800只，并且面臨失去棲息地和人類狩獵的威脅，使得這個物種成為面臨最大滅絕威脅的類人猿。
　　
　　270萬年前的地球氣候：藏身冰雪氣泡
　　
　　冰封在世界底部的是通往另一段時光的入口，即擁有古代地球空氣的氣泡。
　　
　　2017年8月，美國普林斯頓大學(xué)和緬因大學(xué)研究人員宣布，他們挖掘出了在南極冰封270萬年之久的冰塊。這次發(fā)掘的冰塊比之前的冰雪樣本古老170萬年，這也將直接的氣候記錄向前推進到一個對地球歷史非常重要的時期。
　　
　　這塊冰來自于南極艾倫山，這是一個荒涼的地區(qū)，強風(fēng)把雪和冰剝開，露出密集的、有光澤的古代冰層。早在2015年，科學(xué)家就發(fā)掘出最古老的冰芯，它形成于最初的幾次冰河世紀期間，那時的冰河世紀每4萬年發(fā)生一次，而不是像現(xiàn)代每10萬年發(fā)生一次。
　　
　　為了追尋氣候變化產(chǎn)生的線索，研究人員測量了冰芯中的氣體。但解釋這樣的氣體記錄極具挑戰(zhàn)性：不像傳統(tǒng)的南極冰芯具有層狀結(jié)構(gòu)，這些樣本則更加混亂。前期的分析表明，在冰河期開始時，百萬分之一二氧化碳的含量保持在300ppm(百萬分之一)以下，遠低于今天的400 ppm。
　　
　　但這個結(jié)論與來自那個時代的間接記錄存在矛盾，后者顯示二氧化碳的比例應(yīng)該更高。但這一分析結(jié)果驗證了氣候模型的預(yù)測：只有這樣的低濃度才能使地球進入冰河期的周期循環(huán)。
　　
　　科學(xué)家希望能重新研究艾倫山，以鉆探更多的巖心，他們希望最終能在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)500萬年前的冰川，那時地球上的溫室氣體環(huán)境可能與今天一樣。
　　
　　基因療法勝利：為治療神經(jīng)退行性疾病帶來希望
　　
　　2017年，一項小型臨床試驗取得了巨大成功，使基因治療領(lǐng)域受到鼓舞。
　　
　　研究人員通過在脊髓神經(jīng)元中添加一個缺失的基因，挽救了身患I型脊髓性肌萎縮癥的嬰兒的生命。脊髓性肌萎縮癥是一類由于以脊髓前角神經(jīng)細胞為主的變性導(dǎo)致肌無力和肌萎縮的神經(jīng)退行性疾病。
　　
　　研究人員先在實驗室制備了一種攜帶能編碼正常運動神經(jīng)元生存蛋白基因的腺相關(guān)病毒亞型9(AAV9)，然后醫(yī)生將經(jīng)過改造的AAV9靜脈注射到15名患者體內(nèi)，所有患者都表現(xiàn)出不同程度的改善，生存期都超過了20個月。
　　
　　同時，該基因可以突破血腦屏障到達中樞神經(jīng)，這對于用基因療法治療其他退行性神經(jīng)疾病具有開創(chuàng)性和里程碑式的意義。
　　
　　此外，3種基因療法在美國獲批投入使用。8月，美國政府批準一種基于改造患者自身免疫細胞的療法治療白血病，這是第一種在美國獲得批準的基因療法，開辟了癌癥治療的新篇章。新療法是一種嵌合抗原受體T細胞(CAR-T)療法，它先從患者自身采集在免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用的T細胞，然后重新“編程”，所得T細胞含有嵌合抗原受體，能識別并攻擊癌變細胞，因此可重新注入患者體內(nèi)用于治療。
　　
　　一個多月后，美國風(fēng)箏制藥公司的Yescarta基因療法獲批上市。該療法用于治療對至少兩種治療方案無響應(yīng)或治療后復(fù)發(fā)的特定類型成人大B細胞淋巴瘤患者。
　　
　　美國食品藥品監(jiān)督管理局去年12月宣布，已批準火花基因療法公司的Luxturna基因療法，用于治療特定遺傳性眼疾的兒童和成人患者。這是第一種治療遺傳性疾病的基因療法在美國獲準上市。