中國生命科學領域10大進展

生物學的發展關乎存在於地球上的每一種生物生命奧秘的破解，儘管現今就人類科技的發展程度來說，許多生物謎題依然停留在「未知解」的階段。但這並不妨礙科學家們卧薪嘗膽，繼續探尋生命的奧秘。

3月19日，由中國科協生命科學學會聯合體評選的2015年度「中國生命科學領域十大進展」的部分獲獎者在中國科技館舉行了報告會。清華大學施一公教授等獲獎者首次集體面對公眾，詳細解說各自的研究及工作原理。下面就讓我們來看看，2015年生物學家們都幹了哪些重要的事。

[研究者]施一公 中國科學院院士，美國科學院、美國藝術與科學院外籍院士，結構生物學家

探索生命「中心法則」最後的謎底—剪接體

包括真核生物在內，生命過程的根本規則被稱為「中心法則」，是「DNA被轉錄成RNA，RNA被翻譯成蛋白質」，蛋白質來執行具體的功能。而在具體遺傳過程中，「中心法則」堅持「三步走」：第一步轉錄、第二步剪接和第三步翻譯。第一步與第三步中，關鍵催化機器RNA聚合酶與核糖體的結構解析已分別被授予2006年和2009年的諾貝爾化學獎。

但是，在基因表達的第二步，其中的關鍵分子機器剪接體的原子結構解析卻因其複雜性難度巨大，20年來全世界許多一流實驗室都在攻堅，卻無突破。「剪接體」是人類細胞中必不可少的「分子機器」之一，但人類對其工作機理的了解，一直缺乏結構生物學的證據。

業界的普遍觀點是，對於的「剪接體」結構的解析將意味著揭開了「中心法則」最後的謎底。

在2015年，施一公帶領他的團隊揭開了剪接體諸多神秘面紗中的一層，首次解析了剪接體高解析度的三維結構，並闡述了剪接體對前體信使RNA執行剪接的工作機理，對人類進一步理解生命、揭示與剪接體相關遺傳病的發病機理提供了結構基礎和理論指導。

目前，施一公團隊完成的是幾個主要剪接體的共同部分，下一步希望能夠看清楚它們之間的不同，繼續向這一充滿挑戰的課題攀登。

這一研究成果2015年9月在《Science》雜誌以兩篇「背靠背」的長文發表。

[研究者]匡廷雲 中國科學院院士，國際歐亞科學院院士

解密利用太陽能的「勞模」—植物光系統I膜蛋白超分子複合物

光合作用對光能的利用擁有著「雙驅動」，即位於光合膜上具有一定分子排列和空間構象的色素蛋白複合物光系統II(PSII)和光系統I(PSI)。

其中，起關鍵作用的一種物質就是PSI中光合膜蛋白超分子複合物PSI-LHCI，它能高效吸收太陽光能並幫助將其轉化成化學能，其量子轉化效率幾乎為100%。然而，這位高效的「勞模」在原子水平的高解析度結構一直未獲得解析。

2015年，匡廷雲、沈建仁的研究團隊在原子水平解析度的高等植物光系統I-捕光天線(PSI-LHCI)晶體結構，成功解析了高等植物PSI-LHCI的精細結構。

這一研究成果為揭示高等植物PSI高效吸能、傳能和轉能的機理奠定了堅實的結構基礎，對於闡明光合作用機理具有重大的理論意義;為開闢太陽能利用、開發清潔能源、解決人類社會可持續發展所面臨的能源、糧食和環境等問題都具有重大戰略意義。

該研究成果在2015年5月《Science》雜誌以長文的形式並作為封面文章發表。

[研究者]鄒全明 第三軍醫大學國家免疫生物製品工程技術研究中心主任、教授、博導

研發打贏「保胃戰」的新武器—幽門螺桿菌疫苗

幽門螺桿菌可不是普通的細菌，世界衛生組織將其確定為胃癌的1級危險因子。因此，幽門螺桿菌疫苗是控制其感染傳播、預防相關胃腸疾病發生的有效手段，但國外迄今未能成功研製。

2015年將因為幽門螺桿菌疫苗的問世而成為人類「保胃史」上關鍵的一年。在這一年，第三軍醫大學鄒全明，中國食品藥品檢定研究院曾明和江蘇省疾病預防控制中心朱鳳才三位教授經過10多年的不懈努力開發出口服重組幽門螺桿菌疫苗，為慢性胃炎和胃癌的防治提供了新的手段。

鄒全明教授團隊歷時15年，完成了幽門螺桿菌疫苗5000餘人參加的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期臨床試驗，結果表明：安全、有效，保護率達71.8%;成功研發了具有完全自主知識產權的世界首個幽門螺桿菌疫苗，獲國家1.1 類新葯證書。

該團隊發明了「幽門螺桿菌分子內佐劑粘膜疫苗」設計原理和安全高效的首個人用分子內粘膜免疫佐劑;研究出國際上首個幽門螺桿菌疫苗生產與檢定質量標準。目前，口服重組幽門螺桿菌疫苗的相關技術已成功轉讓企業，企業已完成幽門螺桿菌疫苗產業化設施建設和試生產，正在報批生產批件，即將上市。

研究成果於2015年6月30日發佈於《柳葉刀》上。

[研究者]韓家淮 中國科學院院士，廈門大學生命科學學院教授、長江學者、千人計劃入選者，中國科學院大學教授，中國科學院植物所研究員

揪出細胞炎性壞死的「殺手」—蛋白質GSDMD

在成年人的身體里，每天大約有500-700億個細胞死亡。這些細胞大部分是通過細胞主動「自殺」實現的，是清除各種微生物病原體感染的重要手段。

但是，細胞「自殺」也有「不理性」的時候。其中非常重要的一類叫細胞炎性壞死。當人體中由於遺傳突變發生不正常的細胞炎性壞死時，會導致諸如痛風等多種自身性炎症或自身免疫性疾病。同時，過度細胞炎性壞死也是細菌感染導致內毒素休克和敗血症的最本質原因。

細胞炎性壞死(細胞焦亡，pyroptosis)是機體的重要免疫防禦反應，在清除病原感染和內源危險信號中均發揮重要作用。細胞焦亡由炎性蛋白酶caspase(caspase-1和caspase-4/5/11)介導，但具體機制完全不清楚。

2015年，北京生命科學研究所邵峰團隊和廈門大學韓家淮團隊分別獨立鑒定出全新的GSDMD蛋白，並證明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，其切割對於caspase激活細胞焦亡既是必要的也是充分的。

這些工作揭示細胞焦亡的關鍵分子機制，為多種自身炎症性疾病和內毒素誘導的敗血症提供了全新的藥物靶點。

邵峰和韓家淮論文分別於《Nature》(2015年10月)和《Cell Research》(2015年12月)上發表。

[研究者]種康 中國科學院大學教授，中國科學院植物所研究員

揭秘水稻的「冷暖自知」—水稻感受和抵禦低溫的機制研究

水稻是我國的主要糧食作物，遍及全國各地。然而你可能不知道的是，水稻在我國還分為兩個派系：南方主秈米，北方主粳米。兩者具有一定的區別：秈米產量大且相對較大，但是在口感上卻沒有粳米軟糯，而抗寒性上也有所差異，可能一場低溫就會將一茬水稻全部凍死!

且水稻作為一種植物，在解釋如何感知冷暖的過程中總是缺少關鍵的機制原理，只有了解了感知和抵禦低溫的機制才能在分子設計上加以修飾，提高水稻，尤其是我國北方主產粳稻的禦寒能力。

近年來，全球氣候變化導致的異常氣溫頻發，直接威脅水稻的生產。了解水稻如何感知和適應低溫環境將有助於國家糧食安全。中國科學院植物研究所種康研究組與中國水稻所錢前研究員等合作發現水稻感受低溫的關鍵基因COLD1，為解釋水稻如何感知低溫並加以抵禦的機制提供了依據。

該基因編碼一個九次跨膜的 G- 蛋白信號調節因子，定位於細胞質膜和內質網。

遇冷時COLD1與G-蛋白α亞基 RGA1 互作，激活 Ca2+ 通道、觸發下游耐寒防禦反應。

這是國際上首次報道的植物低溫感受器，揭示了人工馴化賦予粳稻耐寒性的生物學機制，對於水稻耐寒性的分子設計改良有重要的指導意義和潛在的應用前景。

本研究成果在 2015 年 7 月《Cell》雜誌上以封面論文發表。

[研究者]宋保亮 武漢大學生命科學學院院長，國家重大科學研究計劃首席科學家

揭秘膽固醇的「快遞」方式—細胞內膽固醇運輸的新機制

膽固醇，一種人體血脂中存在且必不可少的脂類物質。這東西多了不行，少了也不行!膽固醇偏高，高膽固醇血症、動脈粥樣硬化、膽結石等病就可能隨之而來;膽固醇偏低，細胞膜的穩定性就會降低，並易導致其它疾病的發生。人體每日在攝取膽固醇的同時，自身也會合成膽固醇，且一般自身合成的膽固醇要比飲食攝入的膽固醇還要多。

如果在身體內膽固醇的運輸出現問題，就會導致體內膽固醇的堆積，造成局部代謝異常，最嚴重的就是尼曼皮克C疾病——細胞內有大量膽固醇堆積，患者在青春期前就會夭折。但是過去有一個問題是：膽固醇不溶於水，其在細胞內的運輸機制並不清楚，那麼攻克尼曼皮克C疾病的基礎就無法建立。

武漢大學宋保亮團隊研究發現，細胞內過氧化物酶體上的脂質分子PI(4，5)P2 與溶酶體SytVII 蛋白之間相互作用而產生動態接觸。通過這一接觸，膽固醇由溶酶體運輸至過氧化物酶體，揭示了膽固醇堆積是過氧化物酶體紊亂疾病的發病原因之一。這項研究發現了細胞內膽固醇運輸的新機制，揭示了過氧化物酶體細胞器的新功能，同時為治療膽固醇代謝異常相關疾病提供了新的線索和思路。

研究成果在 2015 年 4 月《Cell》上發表。

[研究者]張傳溪 浙江大學教授

害蟲翅膀大小的決定因素—可塑性發育的分子「開關」

提到農業害蟲，人們可能第一個想到的是蝗蟲。各種科教紀錄片內「蝗沙」飛過寸草不生的景象幾乎每一個人都有所了解，但是你可能不知道的是，現今世界農業害蟲的「頭把交椅」卻並不是蝗蟲，而是一種更小的蟲子：稻飛虱。

稻飛虱的分布區域要比蝗蟲還要廣，後者的災害性爆發主要集中在非洲北部等地，而基本上有水稻的地方就有稻飛虱的身影，我國僅黑龍江地區還未發現。這種僅有芝麻粒兒大的小蟲會聚集在水稻接近地面的部分，吸食水稻莖內的汁液，造成水稻大面積枯萎，人們將此形象地比喻為「虱燒」。

而研究人員還發現，稻飛虱的若蟲可以選擇性地發育成兩種成蟲：長翅稻飛虱和短翅稻飛虱。長翅的稻飛虱善於飛行，擴大受害面積;而短翅稻飛虱則具有更強的繁殖力，加深受害程度。這種可塑性發育是該蟲成為毀滅性大害蟲的重要原因。

浙江大學張傳溪教授帶領的團隊研究發現，稻飛虱翅芽的兩個胰島素受體在長、短翅分化中作用相反，起著分子「開關」作用，影響翅膀長短的發育。此次張傳溪團隊的發現有效地解釋了稻飛虱長、短翅的發育機制，為進一步了解稻飛虱並針對性防止提供了理論基礎，並被認為「是多型現象分子機理研究的一個里程碑」，在稻飛虱防治上具有重要價值。

本研究成果在 2015 年 3 月《Nature》雜誌上發表。

[研究者]謝燦 北京大學生命科學學院教授

發現生物「指南針」的原料——磁受體蛋白MagR

每年，無數的金斑黑紋蝶會在春季由墨西哥米卻肯州出發向北遷徙，途中經過3代的繁衍並最終到達加拿大南部，而在加拿大即將進入冬季之時再集體向南遷徙，回到墨西哥米卻肯州，回歸地點絲毫不差，堪稱自帶「指南針」。

同樣，信鴿同很多候鳥、海龜、洄遊魚類一樣，在沒有指南針和GPS的幫助下，都能回到原來的駐地。然而這些動物並沒有像人類一樣發達的大腦，卻能感知方向、位置，過去的假象是生物能夠感知地球的磁場，但是這一機制卻並沒有解釋清楚。

研究磁感應、動物遷徙和生物導航的分子機理，如動物對地球磁場的感知，地磁信號如何被動物應用於遷徙、導航，以及方位感的來源和結構色彩、納米自組裝和生物隱形的分子機制等問題一直是生物學家努力攻關的方向。生物能否感知及如何感受地球磁場的存在是生命科學中的未解之謎。此次，北京大學謝燦實驗室及合作者發現普遍存在於動物中的磁受體基因，其編碼的磁受體蛋白MagR 具備內源磁性，能識別外界磁場，據此提出一個新的「生物指南針」分子模型。

這項工作可能有助於分析動物遷徙和生物導航，同時也有可能用於操縱細胞活性和動物行為以及開發新型磁性生物材料。

本研究成果在2015 年11 月《Nature Materials》雜誌上發表。

[研究者]鄧宏魁 北京大學幹細胞研究中心主任，清華—北大生命科學聯合中心成員

讓細胞回歸「生命之初」—體細胞重編程技術

哺乳動物的細胞只有在胚胎的早期發育階段具有分化為各種類型組織和器官的「多潛能性」，而隨著生長發育為成體細胞，這一特性會逐漸喪失。

而「體細胞重編程」技術這可以將這個過程逆轉「本末倒置」，將已經分化和特化的體細胞誘導逆轉成為「生命之初」的多潛能幹細胞。

2015年，鄧宏魁的研究團隊在2013年小分子化合物誘導的體細胞重編程技術(化學重編程)的基礎上，發現了化學重編程的一個中間狀態，其基因表達譜、體內發育能力和重編程能力均類似於胚外內胚層(XEN)細胞。

這一發現表明，化學重編程是一個分子路徑上完全不同於轉基因誘導體細胞重編程的全新途徑，為進一步改進化學重編程體系提供了一個關鍵的分子路標;並將大幅提升化學誘導的多潛能幹細胞(CiPS細胞)的誘導效率。這一成果體現了小分子化合物調控細胞命運的特點和優勢。

在未來，如果鄧宏魁團隊在小鼠身上的實驗結果能在人體成功實現，人類自身的成體細胞即可逆生長並分化為肝臟、腎臟、心臟等器官，異體器官捐獻將不再需要，為再生醫學提供新的可能;此外還可通過為人體植入相應細胞治療糖尿病、心肌梗塞、白血病等疾病。

該研究成果於2015年12月在《Cell》雜誌上發表。

[研究者]湯富酬 北京大學生命科學學院教授

人類原始生殖細胞基因表達網路的表觀遺傳調控

人類原始生殖細胞產生於胚胎髮育的早期，是發育為成熟的精子和卵細胞的前體細胞，精卵結合後會發育成新的個體，並將遺傳物質傳遞給下一代以維持種族的延續。人類原始生殖細胞基因表達特徵及其表觀遺傳學調控影響著生殖細胞的發育。

基因組DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾方式，是調控細胞分化發育過程中基因表達的主要機制之一，它並不改變基因序列，但是可以遺傳給後代，容易受外界環境的影響而發生改變，在胚胎髮育、幹細胞分化、癌症發生等方面發揮著重要的作用。

DNA甲基化在基因表達調控、基因印記的維持、X染色體失活狀態的維持等方面都有非常重要的作用。北京大學湯富酬研究團隊與北京大學第三附屬醫院喬傑研究團隊緊密合作，採用單細胞轉錄組高通量測序等一系列關鍵技術，解析了人類原始生殖細胞多個發育階段的轉錄組和DNA 甲基化組的動態變化，揭示了人類原始生殖細胞基因表達調控的一系列關鍵獨特特徵。該項研究有助於更好地理解人類生殖細胞和早期胚胎髮育的根本規律，並對未來輔助生殖技術安全性評估，以及臨床上生殖、發育異常相關疾病診斷具有重要意義。

該研究成果 2015 年 6 月在《Cell》期刊發表。

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