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中国生命科学领域10大进展

《科技生活》周刊||热度 ( )

文/记者 吕浩然 黄珊

  生物学的发展关乎存在于地球上的每一种生物生命奥秘的破解,尽管现今就人类科技的发展程度来说,许多生物谜题依然停留在“未知解”的阶段。但这并不妨碍科学家们卧薪尝胆,继续探寻生命的奥秘。

  3月19日,由中国科协生命科学学会联合体评选的2015年度“中国生命科学领域十大进展”的部分获奖者在中国科技馆举行了报告会。清华大学施一公教授等获奖者首次集体面对公众,详细解说各自的研究及工作原理。下面就让我们来看看,2015年生物学家们都干了哪些重要的事。

  [研究者]施一公 中国科学院院士,美国科学院、美国艺术与科学院外籍院士,结构生物学家

  探索生命“中心法则”最后的谜底—剪接体

  包括真核生物在内,生命过程的根本规则被称为“中心法则”,是“DNA被转录成RNA,RNA被翻译成蛋白质”,蛋白质来执行具体的功能。而在具体遗传过程中,“中心法则”坚持“三步走”:第一步转录、第二步剪接和第三步翻译。第一步与第三步中,关键催化机器RNA聚合酶与核糖体的结构解析已分别被授予2006年和2009年的诺贝尔化学奖。

  但是,在基因表达的第二步,其中的关键分子机器剪接体的原子结构解析却因其复杂性难度巨大,20年来全世界许多一流实验室都在攻坚,却无突破。“剪接体”是人类细胞中必不可少的“分子机器”之一,但人类对其工作机理的了解,一直缺乏结构生物学的证据。

  业界的普遍观点是,对于的“剪接体”结构的解析将意味着揭开了“中心法则”最后的谜底。

  在2015年,施一公带领他的团队揭开了剪接体诸多神秘面纱中的一层,首次解析了剪接体高分辨率的三维结构,并阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的工作机理,对人类进一步理解生命、揭示与剪接体相关遗传病的发病机理提供了结构基础和理论指导。

  目前,施一公团队完成的是几个主要剪接体的共同部分,下一步希望能够看清楚它们之间的不同,继续向这一充满挑战的课题攀登。

  这一研究成果2015年9月在《Science》杂志以两篇“背靠背”的长文发表。

  [研究者]匡廷云 中国科学院院士,国际欧亚科学院院士

  解密利用太阳能的“劳模”—植物光系统I膜蛋白超分子复合物

  光合作用对光能的利用拥有着“双驱动”,即位于光合膜上具有一定分子排列和空间构象的色素蛋白复合物光系统II(PSII)和光系统I(PSI)。

  其中,起关键作用的一种物质就是PSI中光合膜蛋白超分子复合物PSI-LHCI,它能高效吸收太阳光能并帮助将其转化成化学能,其量子转化效率几乎为100%。然而,这位高效的“劳模”在原子水平的高分辨率结构一直未获得解析。

  2015年,匡廷云、沈建仁的研究团队在原子水平分辨率的高等植物光系统I-捕光天线(PSI-LHCI)晶体结构,成功解析了高等植物PSI-LHCI的精细结构。

  这一研究成果为揭示高等植物PSI高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础,对于阐明光合作用机理具有重大的理论意义;为开辟太阳能利用、开发清洁能源、解决人类社会可持续发展所面临的能源、粮食和环境等问题都具有重大战略意义。

  该研究成果在2015年5月《Science》杂志以长文的形式并作为封面文章发表。

  [研究者]邹全明 第三军医大学国家免疫生物制品工程技术研究中心主任、教授、博导

  研发打赢“保胃战”的新武器—幽门螺杆菌疫苗

  幽门螺杆菌可不是普通的细菌,世界卫生组织将其确定为胃癌的1级危险因子。因此,幽门螺杆菌疫苗是控制其感染传播、预防相关胃肠疾病发生的有效手段,但国外迄今未能成功研制。

  2015年将因为幽门螺杆菌疫苗的问世而成为人类“保胃史”上关键的一年。在这一年,第三军医大学邹全明,中国食品药品检定研究院曾明和江苏省疾病预防控制中心朱凤才三位教授经过10多年的不懈努力开发出口服重组幽门螺杆菌疫苗,为慢性胃炎和胃癌的防治提供了新的手段。

  邹全明教授团队历时15年,完成了幽门螺杆菌疫苗5000余人参加的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床试验,结果表明:安全、有效,保护率达71.8%;成功研发了具有完全自主知识产权的世界首个幽门螺杆菌疫苗,获国家1.1 类新药证书。

  该团队发明了“幽门螺杆菌分子内佐剂粘膜疫苗”设计原理和安全高效的首个人用分子内粘膜免疫佐剂;研究出国际上首个幽门螺杆菌疫苗生产与检定质量标准。目前,口服重组幽门螺杆菌疫苗的相关技术已成功转让企业,企业已完成幽门螺杆菌疫苗产业化设施建设和试生产,正在报批生产批件,即将上市。

  研究成果于2015年6月30日发布于《柳叶刀》上。

  [研究者]韩家淮 中国科学院院士,厦门大学生命科学学院教授、长江学者、千人计划入选者,中国科学院大学教授,中国科学院植物所研究员

  揪出细胞炎性坏死的“杀手”—蛋白质GSDMD

  在成年人的身体里,每天大约有500-700亿个细胞死亡。这些细胞大部分是通过细胞主动“自杀”实现的,是清除各种微生物病原体感染的重要手段。

  但是,细胞“自杀”也有“不理性”的时候。其中非常重要的一类叫细胞炎性坏死。当人体中由于遗传突变发生不正常的细胞炎性坏死时,会导致诸如痛风等多种自身性炎症或自身免疫性疾病。同时,过度细胞炎性坏死也是细菌感染导致内毒素休克和败血症的最本质原因。

  细胞炎性坏死(细胞焦亡,pyroptosis)是机体的重要免疫防御反应,在清除病原感染和内源危险信号中均发挥重要作用。细胞焦亡由炎性蛋白酶caspase(caspase-1和caspase-4/5/11)介导,但具体机制完全不清楚。

  2015年,北京生命科学研究所邵峰团队和厦门大学韩家淮团队分别独立鉴定出全新的GSDMD蛋白,并证明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物,其切割对于caspase激活细胞焦亡既是必要的也是充分的。

  这些工作揭示细胞焦亡的关键分子机制,为多种自身炎症性疾病和内毒素诱导的败血症提供了全新的药物靶点。

  邵峰和韩家淮论文分别于《Nature》(2015年10月)和《Cell Research》(2015年12月)上发表。

  [研究者]种康 中国科学院大学教授,中国科学院植物所研究员

  揭秘水稻的“冷暖自知”—水稻感受和抵御低温的机制研究

  水稻是我国的主要粮食作物,遍及全国各地。然而你可能不知道的是,水稻在我国还分为两个派系:南方主籼米,北方主粳米。两者具有一定的区别:籼米产量大且相对较大,但是在口感上却没有粳米软糯,而抗寒性上也有所差异,可能一场低温就会将一茬水稻全部冻死!

  且水稻作为一种植物,在解释如何感知冷暖的过程中总是缺少关键的机制原理,只有了解了感知和抵御低温的机制才能在分子设计上加以修饰,提高水稻,尤其是我国北方主产粳稻的御寒能力。

  近年来,全球气候变化导致的异常气温频发,直接威胁水稻的生产。了解水稻如何感知和适应低温环境将有助于国家粮食安全。中国科学院植物研究所种康研究组与中国水稻所钱前研究员等合作发现水稻感受低温的关键基因COLD1,为解释水稻如何感知低温并加以抵御的机制提供了依据。

  该基因编码一个九次跨膜的 G- 蛋白信号调节因子,定位于细胞质膜和内质网。

  遇冷时COLD1与G-蛋白α亚基 RGA1 互作,激活 Ca2+ 通道、触发下游耐寒防御反应。

  这是国际上首次报道的植物低温感受器,揭示了人工驯化赋予粳稻耐寒性的生物学机制,对于水稻耐寒性的分子设计改良有重要的指导意义和潜在的应用前景。

  本研究成果在 2015 年 7 月《Cell》杂志上以封面论文发表。

  [研究者]宋保亮 武汉大学生命科学学院院长,国家重大科学研究计划首席科学家

  揭秘胆固醇的“快递”方式—细胞内胆固醇运输的新机制

  胆固醇,一种人体血脂中存在且必不可少的脂类物质。这东西多了不行,少了也不行!胆固醇偏高,高胆固醇血症、动脉粥样硬化、胆结石等病就可能随之而来;胆固醇偏低,细胞膜的稳定性就会降低,并易导致其它疾病的发生。人体每日在摄取胆固醇的同时,自身也会合成胆固醇,且一般自身合成的胆固醇要比饮食摄入的胆固醇还要多。

  如果在身体内胆固醇的运输出现问题,就会导致体内胆固醇的堆积,造成局部代谢异常,最严重的就是尼曼皮克C疾病——细胞内有大量胆固醇堆积,患者在青春期前就会夭折。但是过去有一个问题是:胆固醇不溶于水,其在细胞内的运输机制并不清楚,那么攻克尼曼皮克C疾病的基础就无法建立。

  武汉大学宋保亮团队研究发现,细胞内过氧化物酶体上的脂质分子PI(4,5)P2 与溶酶体SytVII 蛋白之间相互作用而产生动态接触。通过这一接触,胆固醇由溶酶体运输至过氧化物酶体,揭示了胆固醇堆积是过氧化物酶体紊乱疾病的发病原因之一。这项研究发现了细胞内胆固醇运输的新机制,揭示了过氧化物酶体细胞器的新功能,同时为治疗胆固醇代谢异常相关疾病提供了新的线索和思路。

  研究成果在 2015 年 4 月《Cell》上发表。

  [研究者]张传溪 浙江大学教授

  害虫翅膀大小的决定因素—可塑性发育的分子“开关”

  提到农业害虫,人们可能第一个想到的是蝗虫。各种科教纪录片内“蝗沙”飞过寸草不生的景象几乎每一个人都有所了解,但是你可能不知道的是,现今世界农业害虫的“头把交椅”却并不是蝗虫,而是一种更小的虫子:稻飞虱。

  稻飞虱的分布区域要比蝗虫还要广,后者的灾害性爆发主要集中在非洲北部等地,而基本上有水稻的地方就有稻飞虱的身影,我国仅黑龙江地区还未发现。这种仅有芝麻粒儿大的小虫会聚集在水稻接近地面的部分,吸食水稻茎内的汁液,造成水稻大面积枯萎,人们将此形象地比喻为“虱烧”。

  而研究人员还发现,稻飞虱的若虫可以选择性地发育成两种成虫:长翅稻飞虱和短翅稻飞虱。长翅的稻飞虱善于飞行,扩大受害面积;而短翅稻飞虱则具有更强的繁殖力,加深受害程度。这种可塑性发育是该虫成为毁灭性大害虫的重要原因。

  浙江大学张传溪教授带领的团队研究发现,稻飞虱翅芽的两个胰岛素受体在长、短翅分化中作用相反,起着分子“开关”作用,影响翅膀长短的发育。此次张传溪团队的发现有效地解释了稻飞虱长、短翅的发育机制,为进一步了解稻飞虱并针对性防止提供了理论基础,并被认为“是多型现象分子机理研究的一个里程碑”,在稻飞虱防治上具有重要价值。

  本研究成果在 2015 年 3 月《Nature》杂志上发表。

  [研究者]谢灿 北京大学生命科学学院教授

  发现生物“指南针”的原料——磁受体蛋白MagR

  每年,无数的金斑黑纹蝶会在春季由墨西哥米却肯州出发向北迁徙,途中经过3代的繁衍并最终到达加拿大南部,而在加拿大即将进入冬季之时再集体向南迁徙,回到墨西哥米却肯州,回归地点丝毫不差,堪称自带“指南针”。

  同样,信鸽同很多候鸟、海龟、洄游鱼类一样,在没有指南针和GPS的帮助下,都能回到原来的驻地。然而这些动物并没有像人类一样发达的大脑,却能感知方向、位置,过去的假象是生物能够感知地球的磁场,但是这一机制却并没有解释清楚。

  研究磁感应、动物迁徙和生物导航的分子机理,如动物对地球磁场的感知,地磁信号如何被动物应用于迁徙、导航,以及方位感的来源和结构色彩、纳米自组装和生物隐形的分子机制等问题一直是生物学家努力攻关的方向。生物能否感知及如何感受地球磁场的存在是生命科学中的未解之谜。此次,北京大学谢灿实验室及合作者发现普遍存在于动物中的磁受体基因,其编码的磁受体蛋白MagR 具备内源磁性,能识别外界磁场,据此提出一个新的“生物指南针”分子模型。

  这项工作可能有助于分析动物迁徙和生物导航,同时也有可能用于操纵细胞活性和动物行为以及开发新型磁性生物材料。

  本研究成果在2015 年11 月《Nature Materials》杂志上发表。

  [研究者]邓宏魁 北京大学干细胞研究中心主任,清华—北大生命科学联合中心成员

  让细胞回归“生命之初”—体细胞重编程技术

  哺乳动物的细胞只有在胚胎的早期发育阶段具有分化为各种类型组织和器官的“多潜能性”,而随着生长发育为成体细胞,这一特性会逐渐丧失。

  而“体细胞重编程”技术这可以将这个过程逆转“本末倒置”,将已经分化和特化的体细胞诱导逆转成为“生命之初”的多潜能干细胞。

  2015年,邓宏魁的研究团队在2013年小分子化合物诱导的体细胞重编程技术(化学重编程)的基础上,发现了化学重编程的一个中间状态,其基因表达谱、体内发育能力和重编程能力均类似于胚外内胚层(XEN)细胞。

  这一发现表明,化学重编程是一个分子路径上完全不同于转基因诱导体细胞重编程的全新途径,为进一步改进化学重编程体系提供了一个关键的分子路标;并将大幅提升化学诱导的多潜能干细胞(CiPS细胞)的诱导效率。这一成果体现了小分子化合物调控细胞命运的特点和优势。

  在未来,如果邓宏魁团队在小鼠身上的实验结果能在人体成功实现,人类自身的成体细胞即可逆生长并分化为肝脏、肾脏、心脏等器官,异体器官捐献将不再需要,为再生医学提供新的可能;此外还可通过为人体植入相应细胞治疗糖尿病、心肌梗塞、白血病等疾病。

  该研究成果于2015年12月在《Cell》杂志上发表。

  [研究者]汤富酬 北京大学生命科学学院教授

  人类原始生殖细胞基因表达网络的表观遗传调控

  人类原始生殖细胞产生于胚胎发育的早期,是发育为成熟的精子和卵细胞的前体细胞,精卵结合后会发育成新的个体,并将遗传物质传递给下一代以维持种族的延续。人类原始生殖细胞基因表达特征及其表观遗传学调控影响着生殖细胞的发育。

  基因组DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰方式,是调控细胞分化发育过程中基因表达的主要机制之一,它并不改变基因序列,但是可以遗传给后代,容易受外界环境的影响而发生改变,在胚胎发育、干细胞分化、癌症发生等方面发挥着重要的作用。

  DNA甲基化在基因表达调控、基因印记的维持、X染色体失活状态的维持等方面都有非常重要的作用。北京大学汤富酬研究团队与北京大学第三附属医院乔杰研究团队紧密合作,采用单细胞转录组高通量测序等一系列关键技术,解析了人类原始生殖细胞多个发育阶段的转录组和DNA 甲基化组的动态变化,揭示了人类原始生殖细胞基因表达调控的一系列关键独特特征。该项研究有助于更好地理解人类生殖细胞和早期胚胎发育的根本规律,并对未来辅助生殖技术安全性评估,以及临床上生殖、发育异常相关疾病诊断具有重要意义。

  该研究成果 2015 年 6 月在《Cell》期刊发表。

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