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《科学》评出今年10大科学突破,基因编辑婴儿被评为“年度负面事件”

       《科学》杂志每年会评出在即将过去的一年里最为重要的十大科学突破(Science Breakthrough)。今年,夺得年度突破桂冠的是“单细胞水平细胞谱系追踪技术”,帮助破获多起悬案的法医系谱技术、#MeToo 运动等也榜上有名。


       值得一提的是,贺建奎前两天被《自然》杂志评为年度人物后,也进入了《科学》杂志的榜单,但基因编辑婴儿事件被评为“年度负面事件”(Science Breakdown)。


1. 追踪单细胞发育谱系


斑马鱼胚胎细胞谱系


       从希波克拉底时代开始,生物学家就困惑于单细胞胚胎是如何发育成拥有多种器官和亿万细胞的成体。现在,通过结合多种技术,生物学家可在单细胞尺度上揭示各个基因何时启动并诱导细胞分化。


       首先,研究者从活体中分离出数千个完整细胞;之后,使用测序技术获得各个细胞的基因表达情况;最后,利用计算机或细胞标签,重建这些细胞的时空关系。这些技术能够无比细致地为我们呈现生物体和器官是如何发育的。


       德国柏林马克斯·德尔布吕克( Max Delbrück )分子医学中心的系统生物学家尼古劳斯.拉杰夫斯基(Nikolaus Rajewsky) 说,这项 “三部曲” 技术 “将改变接下来十年的研究”。 如今,世界各地的研究团队正在应用这些技术研究人体细胞如何在发育过程中成熟,组织如何再生,以及细胞在疾病中发生哪些变化。


2. 冰河时代的“冲击”


坠落在格陵兰岛的陨石碎片,计算机模拟图


       2018年11月,科学家使用飞机雷达发现封存在千米厚的冰盖下方一个 31 公里宽的陨石坑希亚瓦沙(Hiawatha)。希亚瓦沙陨石坑是地球上最大的25个陨石坑之一。


       虽然不像6600万年前在墨西哥灭绝恐龙的陨石希克苏鲁伯(Chicxulub) 一样具有灾难性,但希亚瓦沙可能对全球气候产生了巨大的影响:它造成的爆发,融化的冰川水会涌入北大西洋,可能阻碍了通往欧洲西北部的暖流,从而使温度骤降。


       这项发现可能为新仙女木事件(Younger Dryas),即在冰河世纪后的一次持续千年的降温事件,提供了新的启示。


3. 古人类的混血儿


在俄罗斯丹尼索瓦谷的洞穴中发现的骨碎片


       一块来自生活在5万多年前女性的骨头碎片,揭示了两个已灭绝的人种之间的惊人联系:在西伯利亚的一个洞穴中,研究者从发现的骨骼中提取古DNA,显示该女性的母亲是尼安德特人,而她的父亲则是一丹尼索瓦人。此前,研究人员知道尼安德特人、丹尼索瓦人和现代人类,至少偶尔会在冰河时代的欧洲和亚洲进行杂交,这一最新的发现,是尼安德特人和丹尼索瓦人之间相遇的亲密见证。


4. 细胞如何对内含物进行管理


蛋白质-RNA 液滴


       细胞内的各组分是如何协调的,以至于能够在正确的时间和地点行使功能?科学家逐渐意识到,这个问题的关键是液滴(Liquid droplet)。


       从2009年开始,研究人员发现许多蛋白质能够分离或浓缩成离散的液滴,特别是当细胞对压力作出反应时。此前的研究显示,细胞核中的蛋白质液滴能够沉默特定的染色体区域。


       2018年,《科学》杂志的三篇论文指出了这种液相分离的更大作用:驱动 DNA 转录为 RNA 的蛋白质,可浓缩成附着在DNA上的液滴,它们揭示了一项基本的生命活动奥秘:基因的选择性表达作用。当相分离过程出现错误时,蛋白质液滴可变成固化的凝胶,从而形成神经退行性疾病(如肌萎缩侧索硬化症)中出现的各种聚集体。


5. 法医系谱学走向成熟




法医系谱学使得罪犯落网



       2018年4月,美国警方宣布他们逮捕了一名史上最扑朔迷离悬案的嫌疑人。金州杀人案(Golden State Killer)是上世纪七八十年代在加利福尼亚州发生的一系列强奸和谋杀事件。警方利用犯罪现场回收的DNA,通过公共家谱 DNA 数据库锁定了金州杀手的亲属。此后,警方利用这一策略破解了 20 余起其他悬案,开辟了一个新的领域:法医系谱学(Forensic genealogy)。


       在金州杀人案中,当局使用了一个公共的、简洁的在线 DNA 数据库:GEDMatch。它由德克萨斯州和佛罗里达州的两个业余系谱学家运行,任何人都可以提交DNA测试结果。调查人员将犯罪现场的 DNA 图谱上传到数据库后,找到了嫌疑人的几个远房亲属。


       于是他们与一位系谱学家合作,使用公共记录建造大型家庭树,最终将证据指向了73岁的约瑟夫·詹姆斯·德安吉洛(Joseph James DeAngelo)。他的年龄和位置与部分罪行相匹配,并且测序显示犯罪现场 DNA 与德安吉洛的车门把手的DNA相匹配。


       有学者表示,大约有60%拥有欧洲血统的美国人在数据库中有表亲或血缘关系更近的亲属匹配。一旦数据库拥有300万个用户资料,即使他们从未测过DNA,就可用类似的方法找到超过90%的白人。


6. 原始世界的分子窗口


含有胆固醇样分子痕迹的狄更逊水母化石


       2018年9月,来自澳大利亚国立大学的研究人员利用气相色谱及质谱等方法在震旦纪(又名埃迪卡拉纪,距今6.35-5.41亿年前) 的狄更逊水母 (Dickinsonia) 化石中找到了胆固醇样分子的痕迹,这是动物生命的标志,表明至少一部分震旦纪生物是地球上最早的动物之一。10月,另一研究团队在来自6.6亿到6.35亿年前的岩石中发现了一种现今只有海绵制造的分子,这表明海绵这种形式的动物可能比已有最古老的化石早进化了一亿年。


7. 基因沉默药物获批上市


RNA 干扰


       一种基于RNA干扰(RNAi)技术让基因沉默机制的药物,2018年获得了美国FDA批准。早在20多年前,RNAi技术就已被发明,但 RNA分子过于脆弱,且难以将它们引导到正确的组织中,因此难以转化为药物。


       直到2008年,总部位于马萨诸塞州剑桥市的 Alnylam Pharmaceuticals 公司提出了解决方案:一种脂质纳米颗粒,可保护基因沉默的RNA 并将其运送至肝脏。他们希望它可通过阻止因蛋白质折叠错误,来治疗一种被称为遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性的罕见疾病,该蛋白质的累积会导致心脏和神经损伤。


       改进后的配方在人体试验中起了作用,并成为静脉注射药物 Onpattro,2018年赢得了美国和欧盟监管机构的批准,并以每年45万美元的定价进入市场。


8. 新技术数分钟内可确定分子结构


用电镜获取微米级颗粒的分子结构


       2018年10月,两个研究小组同时发表论文,揭示了在几分钟内确定小有机化合物分子结构的新方法。研究人员通过用电子束替换 X 射线来改进衍射技术,电子束瞄准目标生物大分子的片状2D晶体堆叠而成的微小3D晶体。他们向旋转台上的微小3D晶体发射电子束,并跟踪每次轻微旋转时衍射图案的变化情况。该技术可在几分钟内产生来自微观晶体的分子结构。新技术非常适合用于绘制激素和潜在药物等小分子结构,将对新药的合成和发现、分子探针设计,以及研究和追踪疾病等领域产生深远的影响。


9. 遥远星系的信使


南极冰层下的探测器记录了由中微子触发的罕见闪光


       近年来,多信使天文学开始使用称为宇宙射线和引力波的高速粒子对宇宙进行观测。而今年,另一位“信使”加入了这个行列:中微子,一种微小、几乎没有质量的粒子,非常难以观测。为了捕获这种系外粒子,研究人员在南极下方制造了一块一立方公里的冰块,用光探测器装饰,以记录由中微子引发的微弱闪光。这个巨大的探测器被称为冰立方( Ice-Cube),之前已记录了许多中微子。2017年9月22日,中微子与冰中的核相撞,光传感器很好地确定了它来自的方向。2018年7月,研究人员报道,美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜在检测到中微子的几天后,发现了一个非常明亮的耀变体。这是中微子望远镜第一次检测到中微子的星系外来源。


10. #MeToo 大有作为


  美国反性骚扰运动#MeToo  


       直到最近,科学中的性骚扰一直被低估并且在很大程度上被忽视。6月,美国国家科学院、工程和医学院发布了一份关于科学、工程学和医学领域女性性骚扰报告。


       报告表明,超过50%的女教职员工以及20%-50%的学生,曾遭受性骚扰,包括最普遍的形式——语言和非语言的性别歧视。2018年,一些机构采取了行动。


       9月,美国国家科学基金会 (NSF) 表示,大学必须告知资助者在骚扰调查期间或被判犯有性骚扰罪,可能会得到来自NSF 的 “有针对性的严重后果”。


       同月,美国科学促进会 (AAAS)也通过了一项政策,根据该政策,AAAS研究员一旦被确认是性骚扰者,将会剥夺这一终身荣誉。


“年度负面事件”之一 —— 基因编辑婴儿  


“基因编辑婴儿”事件被曝光后,引起国际社会强烈关注


       除了年度突破,《科学》杂志还评选出3个2018年“年度负面事件”。


       第一个损害科学的事件是全球气候变暖,灾难性天气频发,但遗憾的是,世界各国政策应对不利,行动迟缓。


       第二个,在面临缺少资金、遭到当局忽视的多年后,有着200年历史的巴西自然博物馆在今年9月焚毁,成为很多研究者的伤痛。


       最后一个是基因编辑婴儿事件的发生。


       《科学》杂志介绍,今年11月,贺建奎宣称利用基因编辑技术让一对夫妇生出能抵抗HIV病毒的双胞胎女婴。目前还不清楚这些修改是否真的能保护她们免受HIV病毒感染,也不清楚有什么潜在的好处值得他们冒这些风险,因为还有其它已经过验证的预防HIV病毒感染的方法。这项试验不仅伦理审查有问题,而且也隐藏在秘密之中进行,只是在有计划的公关失败后,消息泄露而被外界熟知。此举不仅打破了胚胎试验的国际共识,也违反了中国的法规。正是由于这些原因,该事件被评为2018年“年度负面事件”(Science Breakdown)。


       ▍来源:知识分子


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