這些原始創(chuàng)新走在生命科學(xué)前沿

文／本刊記者 侯 靜

近日，中國科協(xié)生命科學(xué)學(xué)會聯(lián)合體公布2021年度“中國生命科學(xué)十大進(jìn)展”評選結(jié)果，最終確定8個(gè)知識創(chuàng)新類和2個(gè)技術(shù)創(chuàng)新類項(xiàng)目成果為2021年度“中國生命科學(xué)十大進(jìn)展”。

從二氧化碳到淀粉的人工合成

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合大連化物所等單位，抽提自然光合作用的化學(xué)本質(zhì)，從頭設(shè)計(jì)創(chuàng)建了從二氧化碳到淀粉合成的非自然途徑，解決了途徑代謝流從頭計(jì)算、關(guān)鍵酶元件設(shè)計(jì)組裝、生化途徑精確調(diào)控等科學(xué)問題，以生物催化與化學(xué)催化耦合的11步反應(yīng)，顛覆了自然光合作用固定二氧化碳合成淀粉的復(fù)雜生化過程，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的人工全合成，能效和速率超越玉米等農(nóng)作物，突破了自然光合作用局限，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子提供了新思路。

脊椎動物從水生到陸生演化的遺傳創(chuàng)新機(jī)制

4億多年前脊椎動物從水生到陸生是包括人類在內(nèi)的陸生脊椎動物演化史上的重大事件，但長期以來對這一重大事件的遺傳創(chuàng)新機(jī)制知之甚少。西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院王文、王堃團(tuán)隊(duì)與中科院水生生物研究所何舜平和昆明動物所張國捷等團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)硬骨魚祖先已進(jìn)化出了陸生適應(yīng)性相關(guān)的初步遺傳基礎(chǔ)，在肺魚代表的肉鰭魚內(nèi)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，到四足動物最終完善而成功登上了陸地?！犊茖W(xué)》報(bào)道該成果揭示了“隱藏在現(xiàn)生魚類中水生到陸生演化的遺傳奧秘”。

新型冠狀病毒逃逸宿主天然免疫和抗病毒藥物的機(jī)制

清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授課題組，在國際上首次發(fā)現(xiàn)和重構(gòu)了新冠病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制機(jī)器的完整組成形式。以此為基礎(chǔ)，首次明確了病毒mRNA“加帽”成熟的關(guān)鍵酶分子，回答了冠狀病毒研究中近30年來懸而未決的問題，并且該分子在各突變株中高度保守，在人體中沒有同源物，為發(fā)展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點(diǎn)。同時(shí)，他們還首次發(fā)現(xiàn)病毒以“反式回溯”的方式對錯(cuò)配堿基和抗病毒藥物進(jìn)行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機(jī)制，為優(yōu)化針對聚合酶的抗病毒藥物提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

轉(zhuǎn)錄起始超級復(fù)合物組裝機(jī)制

復(fù)旦大學(xué)徐彥輝團(tuán)隊(duì)解析轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物PIC及其與Mediator（中介體）組成的轉(zhuǎn)錄起始超級復(fù)合物結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地展示轉(zhuǎn)錄機(jī)器識別不同類型啟動子并完成組裝的全過程，揭示了轉(zhuǎn)錄為何發(fā)生在幾乎所有基因的啟動子上，顛覆了關(guān)于啟動子識別和轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物組裝的傳統(tǒng)認(rèn)識，闡明了Mediator促進(jìn)PIC組裝和轉(zhuǎn)錄激活的機(jī)制。

提高中晚期鼻咽癌療效的高效低毒治療新模式

針對放療后的鼻咽癌患者對傳統(tǒng)化療的耐受性問題，中山大學(xué)腫瘤防治中心馬駿研究團(tuán)隊(duì)提出了小劑量、長時(shí)間口服細(xì)胞毒藥物卡培他濱的節(jié)拍化療模式，其可通過抗血管生成、殺傷腫瘤干細(xì)胞等機(jī)制持續(xù)抑制腫瘤，同時(shí)提高機(jī)體耐受性。馬駿教授研究發(fā)現(xiàn)，在放療后使用“卡培他濱節(jié)拍化療”可將失敗風(fēng)險(xiǎn)顯著降低45%，且嚴(yán)重毒副作用發(fā)生率減少了3/5，完成率達(dá)74%。同時(shí)卡培他濱口服用藥方便可及，易于推廣。該研究打破了傳統(tǒng)化療的療效瓶頸，建立了鼻咽癌國際領(lǐng)先、高效低毒且簡單易行的治療新標(biāo)準(zhǔn)。

異源四倍體野生稻快速從頭馴化

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊(duì)首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，對應(yīng)對未來糧食危機(jī)提供了新的可行路徑，開辟了全新的育種方向。該項(xiàng)目篩選出一份四倍體高稈野生稻資源，建立了高效的組培再生、遺傳轉(zhuǎn)化與基因編輯體系，組裝了高質(zhì)量參考基因組，并成功創(chuàng)制了改良落粒性、芒性、株高、粒長、莖稈粗度、生育期等不同類型的四倍體水稻新材料，突破了全部技術(shù)瓶頸，證明異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略高度可行。未來四倍體水稻新作物的成功培育將有望對世界糧食生產(chǎn)帶來顛覆性的革命。

冠狀病毒的跨種識別和分子機(jī)制

中國科學(xué)院微生物研究所高福院士團(tuán)隊(duì)建立了高效評估冠狀病毒跨種識別能力的方法，利用這些方法對蝙蝠源性冠狀病毒RaTG13和穿山甲源性冠狀病毒GD/1/2019和GX/P2V/2017的跨種傳播潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并闡明其跨種識別的分子機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)上述三種冠狀病毒存在跨種傳播的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提示我們要持續(xù)對動物源性冠狀病毒進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)防新的冠狀病毒引發(fā)疫情，同時(shí)為理解病毒進(jìn)化提供分子基礎(chǔ)。

揭開鳥類長距離遷徙之謎

鳥類遷徙是最受關(guān)注的自然奇觀之一。中國科學(xué)院動物研究所詹祥江團(tuán)隊(duì)歷時(shí)12年，通過整合多年衛(wèi)星追蹤數(shù)據(jù)和種群基因組信息，建立了一套大陸尺度的北極游隼遷徙研究系統(tǒng)。研究人員闡明了氣候變化在鳥類遷徙路線形成、維持及未來變化趨勢中的驅(qū)動作用，發(fā)現(xiàn)一個(gè)和記憶能力相關(guān)的基因ADCY8在遷徙距離更長的游隼種群中受到正選擇，揭示了長時(shí)記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎(chǔ)。

干涉單分子定位顯微鏡

細(xì)胞的生理過程是由納米尺度的生物分子執(zhí)行的，因此對生命活動更深入的理解需要納米分辨率的成像技術(shù)。中國科學(xué)院生物物理研究所徐濤院士組和紀(jì)偉研究組組成的技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，一直聚焦于突破光學(xué)顯微成像分辨率的研究，前期發(fā)展的ROSE顯微鏡把側(cè)向（X-Y）分辨率提高到納米水平，基于干涉定位創(chuàng)新原理又研制出ROSE-Z顯微鏡，進(jìn)一步突破了軸向（Z）分辨率，可解析納米尺度的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，為生命科學(xué)研究提供了有力工具。該研究表明光學(xué)顯微鏡已經(jīng)步入納米分辨率時(shí)代，我國科學(xué)家在該領(lǐng)域具備多學(xué)科交叉技術(shù)創(chuàng)新能力，研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型超分辨成像設(shè)備處于國際領(lǐng)先地位。

全腦單神經(jīng)元多樣性研究及信息學(xué)大數(shù)據(jù)平臺

東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院彭漢川、顧忠澤、謝維團(tuán)隊(duì)，建立了世界上首個(gè)完整的全腦單神經(jīng)元分辨率大數(shù)據(jù)和信息學(xué)平臺，并應(yīng)用于全鼠腦研究。針對神經(jīng)元的全腦三維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行高通量神經(jīng)元重建，全腦映射以及智能數(shù)據(jù)挖掘，并基于此平臺生產(chǎn)了目前世界上數(shù)目最大的單細(xì)胞神經(jīng)元形態(tài)數(shù)據(jù)集，首次揭示了長程投射規(guī)則和分子水平基礎(chǔ)上的神經(jīng)元形態(tài)亞類多樣性，對研究大腦細(xì)胞分型和功能、腦連接環(huán)路、全腦大規(guī)模模擬、類腦計(jì)算、基于生物腦的新型人工智能算法和系統(tǒng)等會持續(xù)產(chǎn)生重要作用。本成果實(shí)現(xiàn)了首個(gè)軟硬件結(jié)合的PB級超大規(guī)模腦大數(shù)據(jù)平臺和首個(gè)完整的單細(xì)胞形態(tài)數(shù)據(jù)生產(chǎn)流水線，定量證明了完整單細(xì)胞解剖學(xué)分析對神經(jīng)細(xì)胞類型鑒定至關(guān)重要。