2018年十大科學突破出爐 頭號突破或將揭開癌症治療新篇章

又到年終總結時。

12月20日，國際科學界公認的權威刊物美國《科學》雜誌評選出了2018年十大科學突破，這不僅是對這一年科技大事的年終盤點，從中更能看出近些年來科學界的前沿熱點研究方向，具有科學風向標意義。

今年十大科學突破分別是，追蹤單細胞發育譜系、「宇宙信使」中微子、快速發現分子結構、冰河時代的撞擊、科學界反性騷擾運動、古人類「混血兒」、法醫系譜學時代來臨、基因沉默藥物獲批、原始世界的分子窗口、細胞里的隔斷。

其中，追蹤單細胞發育譜系當選為十大科學突破之首，被評為2018年年度科學突破。

在此，我們將《科學》雜誌對追蹤單細胞發育譜系的介紹全文進行了編譯，以饗讀者。

單細胞發育

至少從古希臘醫生希波克拉底時代起，生物學家就一直對一個單細胞如何發育成一個成年動物的奧秘著迷，成年動物擁有眾多器官和數以億計的細胞。

希波克拉底的猜測是，母體呼吸的水分促進了幼體發育成形。

現在我們知道，這一過程的終極奧秘是DNA（脫氧核糖核酸），是DNA編排了細胞的增殖和分化。

正如樂譜決定了弦樂器、銅管樂器、打擊樂器和木管樂器何時合拍來彈奏一曲美妙樂曲一樣，一套技術組合正在揭秘單個細胞的基因是何時打開，並提示細胞扮演其獨特角色的。

這些發現讓人們有能力去追蹤有機體和器官的發育，並且能極其詳細地揭示隨著時間的推移一個個細胞的發育過程。

《科學》雜誌認為，這一技術組合及其推動基礎研究和醫療領域進步的潛力，當選2018年年度科學突破實至名歸。

這一技術組合能把數以千計的完整細胞從活體中隔離出來，在每個細胞中對遺傳物質進行有效排序，並利用電腦或標籤細胞來重構它們的時空關係。

德國Max Delbrück分子醫學中心系統生物學家Nikolaus Rajewsky認為，這一技術組合「將改變下個10年的科學研究」。

僅今年1年，就有詳細闡釋扁蟲、魚、青蛙和其他有機體如何開始形成器官和附器的論文發表。

一些小組正在申請應用這些技術來研究人體細胞如何逐漸發育成熟的，組織是如何再生的，細胞在疾病環境下如何發生改變的。

這一技術組合叫做單細胞RNA測序，近年來一直在進化，但轉折點卻是發生在去年，兩個小組展示了這一測序規模可以做的足夠大，大到可以追蹤到早期發育。

今年，這些研究人員以及其他研究人員對脊椎動物胚胎做了更加詳盡的分析。利用多種複雜計算方法，他們把不同時間點讀取的單細胞RNA測序讀數關聯起來，來揭示基因集的開啟和關閉，這些基因集可界定在這些更加複雜有機體中形成的細胞類型。

「這些技術解答了胚胎學相關的一些基本問題。」美國哈佛大學幹細胞生物學家Leonard Zon說。

由於細胞必須從有機體中移出，才能進行單細胞測序，因此單靠單細胞測序技術本身並不能顯示出這些細胞如何與其相鄰細胞互動的，也無法確定出這些細胞的後代。

然而，通過對早期胚胎細胞進行工程標記，研究人員現在可以追蹤到活的有機體中的細胞及其後代。

其他研究團隊利用名為CRISPR的基因編輯技術，用獨特的條形碼類似標識符來標記單個細胞的基因組，這些標識符隨後會傳給其所有後代。

通過將這些技術與單細胞RNA測序技術結合起來，研究人員既可以監測到單個細胞的行為，也可以看到他們是如何融入到有機體的蔓延結構中的。

利用這種方法，一個研究團隊確定了斑馬魚大腦中100多種細胞類型的關係。

其他小組也在應用類似技術，來追蹤正在發育中的器官、肢體或其他組織發生了什麼，以及追蹤這些過程是如何出現錯誤，導致發生變形或疾病的。

「它就像一個飛行記錄儀，在上面你能看到哪裡出錯了，而不是只看結局那一瞬間。」美國加利福尼亞大學幹細胞生物學家Jonathan Weissman說，「而這在以前是不可能的。」

雖然這些技術不能直接應用於發育中的人體胚胎，但研究人員正在將它們應用於人體組織和類器官中，來一個個細胞地研究基因活性，並鑒別細胞類型。

一項名為「人類細胞圖譜計劃」大型國際合作項目已經啟動2年，旨在確定人類所有細胞類型，每個細胞類型在人體中的位置，以及這些細胞是如何一道形成組織和器官的。

當前，已經有一個項目確定了大多數腎細胞類型，其中包括有致癌傾向的那些細胞類型。

還有一項由歐洲53家機構和60家公司聯合開展的合作項目，該項目名為LifeTime，正提議多管齊下，利用單細胞RNA測序來理解，在組織向癌症、糖尿病和其他疾病進化過程中，各個細胞身上發生了什麼。

關於細胞發育和疾病形成過程的「高清電影」正越來越扣人心弦。一些在線發表的論文已經將發育研究擴展到更加複雜的有機體領域。

研究人員希望將單細胞RNA測序與新的顯微技術結合起來，來觀察每個細胞中其獨特分子活動發生在何處，以及相鄰細胞是如何影響這一活動的。

單細胞革命只是剛剛開始！

原文來源：美國《科學》雜誌

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