2019年，這9大科研突破正在影響世界
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每一年，生命科學領(lǐng)域都涌現(xiàn)出一大批具有突出意義的進展，它們極大地推動了人類探索生物的結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，繼而創(chuàng)造出新的技術(shù)來改善人類與生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的進程。
2019年的生命科學同樣獲得了豐碩的成果。DNA顯微鏡的出現(xiàn)，CRISPR基因編輯的持續(xù)發(fā)力，從頭設(shè)計的開關(guān)蛋白，全球最大人體腸道細菌基因組集研究成果的發(fā)布……
國際基因組學大會顧問委員會首次對年度組學事件進行了盤點，并甄選出2019組學9大事件。
1、科學家新擴充了生命的遺傳密碼：ZPSB
眾所周知，所有生命體的遺傳信息都儲存在腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)這四種關(guān)鍵化學物質(zhì)中，這四種化學物質(zhì)的組合排列信息也構(gòu)成了基因組學研究的基礎(chǔ)。不過今年，科學家全新擴充了生命的遺傳密碼。
北京時間2月22日，國際頂級學術(shù)期刊Science雜志在線發(fā)表了一項最新成果?？茖W家通過將四種合成核苷酸與核酸中天然存在的四種核苷酸結(jié)合，突破性地創(chuàng)造出具有八個字母的DNA分子，命名為“Hachimoji（日語‘八’和‘字母’）DNA”。這項研究首次系統(tǒng)性地證明，互補的非自然堿基能夠相互識別并結(jié)合，它們形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)能保持穩(wěn)定，這也為科學家探索生命遺傳密碼帶來的新的方向。
2、全球最大人體腸道細菌基因組集研究成果+人類微生物組整合計劃（iHMP）
在微生物研究領(lǐng)域，2019年有兩項重磅成果。一項是全球最大人體腸道細菌基因組集研究成果。這項研究于2019年2月5日在Nature Biotechnology上發(fā)表。研究提供了1500多條高質(zhì)量的人體腸道細菌基因組，為腸道微生物組研究提供了大量全新的參考基因組數(shù)據(jù)，同時將腸道菌群的功能分析提升到新維度，這也是首次通過大規(guī)模培養(yǎng)的技術(shù)手段獲得如此多數(shù)量的高質(zhì)量細菌基因組數(shù)據(jù)。
另一項是Nature及其子刊Nature Medicine以多篇報道公布了人類微生物組整合計劃（iHMP），分別探尋了三種情況下——炎癥性腸病，糖尿病前期，懷孕和早產(chǎn)——人體微生物組出現(xiàn)哪些變化。這些新發(fā)現(xiàn)將有助于我們理解疾病特征，并有望促進疾病治療。
3、最新技術(shù)開啟新時代：DNA顯微鏡
我們傳統(tǒng)的顯微鏡技術(shù)主要分為兩大類，一類是光學顯微鏡?；跇悠钒l(fā)射光子或電子的原理，光學成像可以提供亞細胞結(jié)構(gòu)和行為的復(fù)雜成像；第二類是基于解剖的顯微鏡，這類顯微鏡借助計算機程序，將每個解剖的片段拼接成完整樣本，可以為科學家提供更為微觀的遺傳信息。
今年6月，Cell雜志發(fā)表了一種非傳統(tǒng)的成像方法，他們將其稱為“DNA顯微鏡（DNA microscopy），每個細胞都有獨特的DNA字母或基因型組成。DNA顯微鏡直接從被研究的分子中捕獲信息，可以構(gòu)建細胞圖像，積累大量的基因組信息，開辟了一種將基因型與表型聯(lián)系起來的新方法。
4、新型CRISPR編輯技術(shù)——RESCUE+世界首例基于基因編輯干細胞治療艾滋病和白血病
CRISPR編輯技術(shù)對于大眾而言十分神秘。實際上，CRISPR編輯技術(shù)是基于細菌特有的名叫“CRISPR ”的免疫系統(tǒng)而發(fā)展出的基因編輯技術(shù)，是當前人類探索重大疾病解決方案的重要技術(shù)手段。
2019年CRISPR基因編輯持續(xù)發(fā)力，在多個領(lǐng)域獲得突破性進展。一是張鋒（Feng Zhang）及其團隊開發(fā)出一種稱為RESCUE（RNA Editing for Specific C to U Exchange, C→U交換特異性的RNA編輯）的策略，并免費提供給人們用于開展學術(shù)研究。
另一項是關(guān)于CRISPR技術(shù)應(yīng)用的重要進展。研究團隊使用CRISPR-Cas9技術(shù)編輯造血干細胞和祖細胞，成功移植到一名27歲、同時患有艾滋病（感染HIV-1）和急性淋巴細胞白血病（ALL）的男性身上。這項研究的意義不僅限于艾滋病領(lǐng)域，對于CRISPR領(lǐng)域是“向前邁出了一大步”，為基因編輯技術(shù)在臨床應(yīng)用的前景帶來了新的應(yīng)用場景。
5、一種從頭設(shè)計的開關(guān)蛋白
細胞免疫治療作為一種安全而有效的治療手段，在臨床治療中的作用越來越突出，被譽為“未來醫(yī)學的第三大支柱”。通過將正?；蛏锕こ谈脑爝^的人體細胞移植或輸入患者體內(nèi)，新輸入的細胞可以替代受損細胞、或者具有更強的免疫殺傷功能，從而達到治療疾病的目的。
今年，Nature雜志兩連發(fā)《從頭設(shè)計開關(guān)蛋白》的成果文章，為細胞治療帶來新思路。研究人員開發(fā)的從頭設(shè)計的開關(guān)蛋白，可以在細胞中通過明確的細胞信號打開和關(guān)閉，而不是模糊的匹配信號。這種開關(guān)可以用于對活細胞進行編程，為合成生物學和細胞重編程開辟了新的道路。
6、有史以來最大規(guī)模古代DNA研究+首次僅憑借蛋白質(zhì)鑒定出古人類
在過去20年，隨著分子生物學和生物信息科學的發(fā)展，古DNA研究已經(jīng)成為研究古人類起源、遷徙和混合的重要手段。當前，古基因組數(shù)據(jù)在人類起源、大型絕滅哺乳動物的遷移演化、動植物家養(yǎng)馴化過程及其對人類社會生活模式的啟示、生物與環(huán)境的相互關(guān)系等諸多方面發(fā)揮了獨特作用。
2019年，古DNA研究重大突破：一是研究人員分析了524名從未研究過的古代個體的基因組，為有史以來最大規(guī)模古代DNA研究。
另外一項研究首次僅憑借蛋白質(zhì)鑒定出古人類，這是古蛋白質(zhì)組學（palaeoproteomics）這個新興領(lǐng)域迄今為止最引人注目的發(fā)現(xiàn)之一。
7、癌細胞會偽裝成神經(jīng)細胞形成突觸，促進惡性生長
今年，Nature雜志一口氣發(fā)表了三篇關(guān)于癌癥的研究，并揭露了一個令人驚訝的事實：很多癌細胞竟然會偽裝成神經(jīng)細胞，并與真正的神經(jīng)細胞形成一種特殊的突觸結(jié)構(gòu)。
在其中的一項研究里，科學家們將人類的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞注射到了小鼠的腦子里。電子顯微鏡下，這些膠質(zhì)瘤細胞形成了明顯的突觸結(jié)構(gòu)，周邊還能觀察到不少裝有神經(jīng)遞質(zhì)的小囊泡。另一項研究，也同樣觀察到了膠質(zhì)瘤細胞與神經(jīng)細胞之間形成的突觸結(jié)構(gòu)。這兩支團隊也揭示了背后的分子機制：原來在一些膠質(zhì)瘤細胞中，和突觸形成有關(guān)的基因得到了激活，這和正常的神經(jīng)細胞非常類似。
Nature雜志對這三項研究給予了很高的評價，評論作者指出這些研究結(jié)果表明“腦腫瘤會和神經(jīng)細胞形成突觸連接”。利用與正常突觸類似的運作機理，鈣離子濃度的上升會“促進腫瘤的增殖，讓癌癥變得具有致命性”。這些引人入勝的研究結(jié)果，有望讓相關(guān)的受體成為潛在的藥物靶點，緩解腦腫瘤的進展。
8、表型組學：從基因型到表型
表型組學主要研究某一生物的物理和化學性狀隨著基因突變及環(huán)境變化而變化的規(guī)律。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)今表型組學已在各個領(lǐng)域獲得了重大突破，尤其是在醫(yī)學領(lǐng)域已經(jīng)從疾病的研究走向了臨床的應(yīng)用，包括外科、腫瘤、營養(yǎng)等專業(yè)學科。
今年，Science雜志發(fā)布了《從基因型到表型》（Genotype to Phenotype）特刊，擴展了我們對基因型和表型的認知，并探索了在理解人類表型發(fā)展的影響因素方面的最新進展。
在本期特刊的四篇綜述文章中，十余位全球頂尖研究人員展示包括單細胞基因組學分析、GWAS在內(nèi)的多種方法。這些方法將共同增進了我們對基因型和表現(xiàn)型之間復(fù)雜關(guān)系的理解，這將對人類對健康的探索提供了重要參考方向。
9、在單細胞中同時進行RNA測序和ATAC測序
單細胞多組學研究是當前組學研究領(lǐng)域的熱點方向，借助于近年來興起的單細胞表達譜測序技術(shù)（single cell RNA-seq），結(jié)合表觀遺傳學的分析，將極大地推動了人們對于大腦功能的認識。而如何將當前不同測序方法結(jié)合，完成對不同細胞類型轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄輸出進行同步研究，成為了單細胞多組學研究的重要方向。
10月15日，Nature Biotechnology雜志發(fā)表了基于微滴平臺的SNARE-seq技術(shù)。利用精巧的分子生物學策略，實現(xiàn)了在每個單細胞中同時進行RNA-seq和ATAC-seq。該技術(shù)的原理是將ATAC-seq插入基因組的接頭序列（adapter）轉(zhuǎn)換成了可以被mRNA測序引物識別的多聚A尾 （poly A tail），從而可以利用已有的單細胞測序手段同時檢測基因表達和染色質(zhì)可接近性。該技術(shù)由于不依賴于手工單獨分離單細胞中的各個組學的成分，可以實現(xiàn)大規(guī)模的單細胞多組學高通量測序。
注：本文轉(zhuǎn)載自深圳國家基因庫。
