Science評2018年度十大科學突破，「基因編輯」入負面事件

圖片來源：Science

12月21日，頂級期刊Science評選出「2018年度十大科學突破」，其中7項成果與生物醫學領域相關，而「追蹤單細胞發育譜系」（Development cell by cell）榮登年度突破之首。

這份榜單末尾，有一個特殊版塊——「負面事件」（BREAKDOWNS），上月爭議得沸沸揚揚的「首例基因編輯嬰兒」事件因為道德、倫理擔憂而被納入其中。

單個細胞的發育過程

一個受精卵究竟是如何產生構成完整身體的多種細胞類型、組織和器官的？這是生物學領域最大的謎題之一。如今，結合單細胞測序技術和新型計算工具，來自哈佛大學、Broad研究所等機構的科學家們提供了關於這一過程最詳細的圖片。4月26日，Science雜誌用3篇論文報道了這一突破性成果。

A zebrafish embryo at an early stage of development. Fluorescent markers highlight cells expressing genes that help determine the type of cell they will become. (JEFFREY FARRELL, SCHIER LAB/HARVARD UNIVERSITY)

我們知道， DNA是協調細胞增殖、分化的基礎。所以，靶向單細胞內的基因（何時表達、誘導細胞分化），最終能夠拼湊出胚胎髮育的細節。

具體而言，這一探究過程分成了「三部曲」：首先，研究團隊從生物體中分離出數千個完整的細胞；隨後，對每個細胞的遺傳物質進行有效的測序；最後，利用計算機或細胞標記工具，重建這些細胞的時間與空間關係。

How one cell gives rise to an entire body（視頻地址：https://v.qq.com/x/page/o0638d3wb5n.html）

得益於這一系列技術，科學家們描繪出胚胎髮育的驚人細節，以前所未有的清晰度，看清單個細胞的發育過程。他們已弄清楚扁蟲、青蛙、斑馬魚等多種動物的發育過程，證實斑馬魚最初的單細胞胚胎能夠產生25種主要的細胞類型。

發育生物學家曾經認為，一旦一個細胞開始沿著一個方向發展（如發育成一個肌肉細胞），那它就不會「偏離」這個方向。然而，這項新研究發現，一些斑馬魚細胞會在「半路」轉向另一個發展方向。

科學家們認為，這部「樂章」將改變未來10年的生物學研究。而單細胞革命才剛剛開始。

首個基因沉默藥物獲批上市（Gene-silencing drug approved）

今年8月，FDA宣布批准第一款基於RNA干擾（RNAi）技術的治療藥物——patisiran，適用於一種損傷心臟、神經功能的罕見病。

Short RNA molecules attach to messenger RNA (blue), preventing translation into proteins. (VAL ALTOUNIAN/SCIENCE)

Patisiran由Alnylam公司研發，通過沉默與罕見疾病——遺傳性轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性（hereditary transthyretin amyloidosis）有關的基因，阻止突變的轉甲狀腺素蛋白（TTR）在體內積累，進而防止心臟和神經功能受損。

1998年，科學家們首次在線蟲體內證實RNA干擾沉默基因的成果。2002年，Alnylam成立。4年後，RNAi領域的兩位傑出科學家——斯坦福大學醫學院的Andrew Fire、馬薩諸塞大學醫學院的Craig Mello榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。

這是自20年前RNAi技術（可以針對性沉默與疾病相關的特定基因，從而阻止致病蛋白的表達）被發現以來，首個被證實有臨床價值並獲批上市的RNAi藥物。

分子「CT」（Molecular structures made simple）

2018年10月，兩個研究團隊同時發表論文，揭示了一種新的方法，可以在短短几分鐘內確定小有機化合物的分子結構，打破了傳統方法要求的幾天、幾周或幾個月的「時間界限」。

Structures can now be gleaned from micrometer-size crystals (black), seen here on an electron microscope slide. (GONEN LAB)

他們向微小的3D晶體發射電子束，並跟蹤每次輕微旋轉時衍射圖案的變化情況，從而能夠在幾分鐘內生成3D晶體的分子結構。這項技術非常適用於繪製激素和潛在藥物的小分子結構。

學界評價說：這是小分子化學結構鑒定的顛覆性突破，對於未來藥物的研發、分子探針的設計以及疾病病理的解析都有著重要意義。

古老的人類「混血兒」（An archaic human 『hybrid』）

今年，來自於德國馬克斯?普朗克人類演化研究所的研究團隊發表了一項重要成果：他們發現了一塊非凡的古代混血遺骸——其父親是尼安德特人，母親是丹尼索瓦人。他們大約生活在90000年前，都是早已滅絕的人類。

A bone fragment found in a cave in the Denisova valley in Russia. (THOMAS HIGHAM, UNIVERSITY OF OXFORD)

其中，尼安德特人主要居住在歐洲，丹尼索瓦人曾遍布亞洲。而這塊骨骼的擁有者被證實是丹尼索瓦人和尼安德特人的第一代混血後代。

一位遺傳學家評價道：「在諸多接受了基因組測序的人類中，她可能是有史以來最令人著迷的。」

法醫系譜學走向成熟（Forensic genealogy comes of age）

Joseph James DeAngelo是一名臭名昭著的罪犯，在上世紀70年代和80年代共犯下12起謀殺案、45起強姦案和120起入室行竊案。但是，警察們卻無法確定嫌疑犯，因為這名兇手被稱為暗夜尾隨者和「金州殺手」(Golden State Killer)。

Joseph James DeAngelo, the alleged Golden State Killer. (PAUL KITAGAKI JR./THE SACRAMENTO BEE VIA AP/POOL)

為了捉到他，警察們求助了一項強大「武器」——通過遺傳系譜來識別罪犯。通過將犯罪現場的DNA檔案上傳到GED match（系譜學家共享的公共資料庫）上。隨後，他們找到了兇手的第三代或第四代表親，並建立了兇手的家譜，最終鎖定兇手。

藉助於「法醫系譜學」，執法機構已經成功解決了約20起之前難以破解的謎案。

雖然關於這一策略背後的侵犯隱私問題一直存在爭議，但是「金州殺手」案件讓大家達成一致，至少系譜學可以用於鑒定暴力型罪犯。

原始世界的分子窗口（Molecular windows into primeval worlds）

今年9月，Science期刊發表了一篇文章揭示，在一塊距今6.35-5.41億年前 億年前生物化石（狄更遜水母，Dickinsonia）中發現了膽固醇分子，這是動物生命的標誌。科學家們確認，這種生物是地球上已知最古老的動物之一。

A fossil of Dickinsonia contained traces of cholesterol-like molecules, a signature of animal life. (D. GRAZHDANKIN)

隨後的10月，另一研究團隊在來自6.6-6.35億年前的岩石中發現了一種僅由海綿構成的分子痕迹。這意味著，海綿這種形式的動物生命形式，可能比已有最古老的化石早進化了一億年。

細胞內的「相分離」（How cells marshal their contents）

細胞是構成生命體的基礎單位，其內的各組分是如何協調，以確保在正確的時間、地點行使生理功能的？科學家們發現，這與細胞內的液滴（Liquid droplet）有關。最新研究發現，液滴在細胞中無處不在。

Liquid droplets formed from protein and RNA are emerging as a new form of cellular organization. (E.M. LANGDON ET AL., SCIENCE 2018)

從2009年開始，科學家們就已發現，細胞內的許多蛋白質能夠分離或濃縮成離散的液滴。

這種「液-液相分離」類似於油和醋在醬汁中的「分離」是細胞生物學中最熱門的話題之一，因為有證據表明，這種分離促進了關鍵的生化反應，似乎是細胞的基本組織原理。

今年，Science期刊上的3篇論文表明，這種「相分離」負責驅動DNA轉錄為RNA。

負面事件：基因編輯嬰兒

值得一提的是，在前兩日Nature期刊推出的「2018年度十大人物」榜單中，因為「首例基因編輯嬰兒」事件在整個學界乃至全球掀起爭議的賀建奎名列其中。

In vitro fertilization, the first step in gene editing. (MEDICALRF/SCIENCE SOURCE)

Science認為，這是一個充滿倫理爭議的主張。

人類重寫自己的遺傳密碼是一項不小的成就。另一方面，在不同的環境下，種系基因編輯很有可能成為今年科學的突破。但是「編輯嬰兒」明顯打破了生物倫理的底線。

事件公開後，賀建奎只在第二屆人類基因組編輯國際峰會上露過一次面，至今毫無消息。

賀建奎用一種被稱為CRISPR的基因編輯技術改變了嬰兒的基因組，目的是為了保護孩子不受HIV感染。但事實上，業界權威人士認為，賀建奎的試驗沒有任何意義，而且是不道德的、不應該做的。

學界認為，他的「冒進」打破了關於生殖細胞試驗的共識，也違反了嚴重違反了中國相關法規、規定和指南（絕不應開展和資助此類研究）。

寫在最後

這一評選是Science每年的傳統，他們會邀請記者、編輯和業界人士推選年度「最佳突破」成就或科學發現，並讓廣大讀者進行投票。

所以，這一榜單也被認為是「the People"s Choice—along with Science"s choice」。

在今年的「投票環節中」，單細胞發育、基因沉默藥物分別以35%、30%的佔比贏得了第一、二名。

2018年已接近尾聲，這些科學成就還只是一個個新的開始，未來，它們終將在生命醫學史上留下更多的印記……

查看完整榜單請點擊：2018 BREAKTHROUGH of the YEAR

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