《科學》2018年度十大科學突破

編譯 方陵生

處于早期發育階段的斑馬魚胚胎。熒光標記突出顯示了決定成熟細胞類型的基因表達

新技術追蹤細胞發育細節

科學家正在通過三種新技術追蹤胚胎發育令人驚訝的細節。

從被稱為“醫學之父”的希臘名醫希波克拉底的時代開始，生物學家就為一個細胞是如何發育成為擁有多個器官和數十億細胞的成年動物而感到非常神奇和困惑。古希臘生物學家曾認為，是母親呼吸時的濕氣幫助細胞成長為嬰兒，但現在我們知道，是DNA導致了細胞的增殖和分化過程。正如弦樂、銅管樂器、打擊樂和木管樂器要依據樂譜來合奏一曲交響樂一樣，如今多種生物技術正在揭示單個細胞是如何協同合奏出這樣的“交響曲”的，包括基因會在何時開啟，并如何提示細胞發揮它們各自的專門功能等等，通過各種新技術，科學家能夠跟蹤生物體和器官隨著時間推移的變化，觀察一個個細胞成長發育過程中的驚人細節。

推動這些進展的多項技術包括從活的生物體中分離出數千個完整細胞，對每個細胞中表達出來的遺傳物質進行有效測序，通過計算機技術或對細胞進行標記來重建它們在空間和時間上的聯系。這三項技術“將改變未來十年的研究”，德國柏林馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心系統生物學家尼古拉斯·拉耶威斯基（Nikolaus Rajewsky）說道。

正是通過這種被稱為單細胞測序（single-cell RNA-seq）的技術組合，細胞發育在過去幾年里取得了顯著的研究進展，并且于2017年出現了一個重要的轉折點，當時有兩組研究人員的研究表明，這項技術可發展到足以追蹤細胞的早期發育。其中一組使用單細胞RNA-seq技術，對從果蠅胚胎中一次性提取的8 000個細胞的基因活性進行了測量；大約在同一時候，另一個研究小組對秀麗隱桿線蟲幼蟲的5萬個細胞的基因活性進行了分析。研究數據表明，被稱為轉錄因子的蛋白質，可引導細胞分化為特定的類型。

2018年，研究人員對脊椎動物胚胎進行了更廣泛的分析。通過使用各種復雜的計算方法，他們將不同發育時間點采集的單細胞RNA-seq數據聯系起來，揭示決定這些更復雜生物體形成不同細胞類型的一系列基因開啟和基因關閉過程。一項研究揭示了斑馬魚的一個受精卵是如何形成25種不同類型細胞的，另一項研究對青蛙器官形成早期階段的發育過程進行了監測，發現一些細胞開始專門化的時間比之前所認為的更早。“通過這些技術，解答了胚胎學中的一些基本問題。”哈佛大學干細胞生物學家倫納德·佐恩（Leonard Zon）說道。

由于細胞必須從生物體中取出才能進行單細胞測序，僅憑這項技術是無法顯示細胞是如何與相鄰細胞相互作用或識別細胞后代的，但結合了將標記物植入早期胚胎細胞的技術，研究人員如今可以追蹤活的生物體中的細胞及其后代的發育過程。一個研究小組成功地為早期胚胎基因中的各種遺傳元素標上了不同顏色的熒光標記，這些熒光標記會隨機進入細胞，為每個細胞譜系賦予不同的顏色。其他研究小組利用CRISPR基因編輯技術，用獨特的條形碼標識符為單個細胞基因組做上標記，這些標識會傳遞給它們所有的后代。基因編輯可以在保留原有突變的同時，在子代細胞中產生新的突變，科學家能夠跟蹤譜系分支和新的細胞類型形成的整個過程。

通過將這些技術與單細胞RNA-seq技術相結合，研究人員可以在監測單個細胞行為的同時，觀察它們是如何融入生物體生長發育和構架演變展開過程的。利用這種方法，一個研究小組確定了斑馬魚大腦中100多種細胞類型之間的關系。研究人員使用CRISPR基因編輯技術標記早期胚胎細胞，分離出處于不同時間點的6萬個細胞，然后對它們進行測序，跟蹤斑馬魚胚胎發育過程中的基因活性。

其他研究小組也在應用類似的技術追蹤器官、四肢或其他組織的發育過程，以及在這個過程中是如何出錯并導致畸形或疾病的。

雖然這些技術不能直接用于人類胚胎發育的研究，但研究人員正在將其應用于人體組織和器官單個細胞基因活性的研究，并對細胞類型的特征進行描述。“人體細胞圖譜”（Human Cell Atlas）計劃在過去兩年里一直致力于人體細胞的研究，識別每一種人體細胞類型，每一種類型在人體中的位置，以及這些細胞在形成組織和器官過程中的協同作用。目前，一項研究已識別出大部分腎臟細胞類型，包括那些容易癌變的細胞類型。另一項研究揭示了妊娠過程中母體和胎兒細胞之間的相互作用。歐洲53家研究機構和60家公司組成了一個名為“Life Time consortium”的組織，該組織提議利用單細胞RNA-seq技術進行多個方向的研究，以進一步理解隨著機體組織向癌癥、糖尿病和其他疾病發展的過程中，一個接一個的細胞究竟發生了什么。

關于細胞發育和疾病形成過程的“高分辨率影片”將越來越引人矚目，網上發表的一些研究論文所涉已擴展到越來越復雜的生物體。研究人員希望未來能將單細胞RNA-seq技術與新的顯微鏡技術結合起來，以更細致地觀察到每個細胞中獨特分子的活動情況，以及鄰近細胞的影響等。

單細胞革命方興未艾，未來令人充滿期待。

來自遙遠星系的信使

來自遙遠宇宙的信使加入了望遠鏡收集到光子的行列中，揭示了光所不能顯示的東西，但這樣的信使很罕見。“多信使天體物理學”始于被稱為宇宙射線和引力波的高速粒子，這些粒子導致產生的時空漣漪，于2015年首次被探測到，并被《科學》雜志列為2016年度突破之首。2018年，另一個信使加入了這個行列：中微子，一種微小的、非常難以探測到的幾乎沒有質量的粒子。

中微子是星系外“將要消失的小精靈”，需要通過安置在南極地底下深處的光探測器來捕捉和記錄中微子觸發的微弱閃光——非常罕見的一種閃光，這個被稱為冰立方的巨大探測器以前記錄到許多中微子，其中一些來自銀河系之外，但沒有一個能確定其來自宇宙何處，2017年9月22日，一個中微子與冰中的一個原子核相撞，光傳感器確定了它所來自的方向。

幾天后，美國宇航局（NASA）的費米伽馬射線太空望遠鏡在中微子來自的方向發現了一種被稱為耀變體的強光源。耀變體是一個以超大質量黑洞為中心的星系的中心，它通過重力加熱環繞它旋轉的氣體，導致其星際物質發出明亮的光芒，并從極度混亂的大漩渦中向外噴射粒子流。

研究人員可以肯定，探測到的爆發的耀變體正是中微子的來源，這是中微子望遠鏡首次發現的銀河系外的中微子來源，這一發現不僅僅是證明了中微子的來源，產生伽馬射線和中微子的耀變體也可能產生其他高能粒子，比如質子。這些超高能量的宇宙射線不時地轟擊地球，但它們的來源一直成謎，現在，耀變體是最有可能的推測對象。

冰立方體團隊正在等待更多稍縱即逝的銀河系外信使的駕臨，在迎來了這第一個星系外訪客之后，該團隊正在為部署一個體積是當前冰立方體10倍的探測器做準備。

確定分子結構變得更簡單易行

電子顯微鏡載片上看到的分子結構。如今科學家可以利用微米大小的晶體（黑色）來確定分子結構

2018年10月，兩個研究團隊同時發表論文，公布了一種可在短短幾分鐘內確定有機小分子化合物結構的方法，傳統方法需要幾天、數周甚至好幾個月的時間。

幾十年來，繪制分子圖譜的標準方法一直是利用一項被稱為X射線晶體學的技術，先將一束X射線射向含有數百萬個向同一個方向排列分子拷貝的晶體，然后，研究人員通過跟蹤X射線從晶體上反彈的路徑，識別單個原子以及在分子中的位置。分子結構對于理解生物分子的行為以及藥物與它們的相互作用，其價值是無可估量的，但這項技術需要讓晶體生長至一粒沙子的大小，對于一些物質來說，這可能是一個很大的障礙。

近年來，研究人員改進了衍射技術，用電子束代替X射線。電子束對準目標生物分子的片狀二維晶體，通常是蛋白質。但在某些情況下，這些薄片會相互疊加在一起，形成一種三維晶體，普通的電子衍射對這樣的晶體不起作用。

兩個研究小組——一個來自美國，另一個來自德國和瑞士——發現他們可以使用這種意外產生的晶體，他們向旋轉臺上一個微小的3D晶體發射了一束電子束，跟蹤衍射模式如何隨著每一個微小的旋轉發生的變化，利用這項技術可在幾分鐘內生成分子結構圖，而其所需要的微小晶體只有X射線所需大小的十億分之一。

這項新技術非常適合繪制一些小分子的結構圖譜，如激素和潛在的藥物，對從新藥發現與合成，到設計用于研究和跟蹤疾病的分子探針等都將產生深遠影響。

冰河時代小行星撞擊對地球氣候的影響

這顆小行星像核彈一樣猛烈撞擊格陵蘭島西北部，瞬間將巖石蒸發，產生的沖擊波波及整個北極地區，在地球上留下一個巨大的“疤痕”：一個被稱為海華沙的31公里寬的撞擊坑。飛機雷達在1公里厚的冰層下發現了這個撞擊坑，2018年11月科學家報告了這一驚人發現。

海華沙是地球上最大的25個隕石坑之一，盡管其威力不能與6 600萬年前殺死恐龍的希克蘇魯伯隕石坑相比，但海華沙隕石的撞擊可能對全球氣候產生了很大影響，撞擊導致大量冰雪融化后涌入北大西洋，阻止了給歐洲西北部帶來溫暖的洋流傳送帶，導致氣溫驟降。

雷達圖像顯示海華沙隕石坑可以是比較新的，可追溯至10萬年前。隕石坑深層冰層的擾動跡象表明，最近估計時間可能在1.3萬年前，這次撞擊與新仙女木事件可能有所聯系，即上一個冰河時代解凍期持續升溫過程中的一次突然降溫，持續了千年之久的一次全球降溫事件。

這次撞擊的具體時間一直未能確定。格陵蘭島其他地方記錄了過去10萬年歷史的冰芯樣本未能發現小行星撞擊留下的碎片。確切答案將取決于更多艱苦卓絕的工作，包括對冰層下的微小礦物晶體中的放射性年代進行普遍廣泛的測量等。

如果借此能證明海華沙隕石撞擊確實發生在13 000年前，那么這一事件與人類橫掃新大陸、追逐北美乳齒象的時期相吻合。可以想象得到，當時的人類仰望天空中灼熱的白色球體發出比太陽還要亮四倍的耀眼光芒時，會是如何的震驚。

小行星碎片落向格陵蘭島的計算機可視化圖像

科學界性騷擾現象引起關注

2018年6月，美國國家科學院、工程院和醫學院發布了一份具有里程碑意義的報告，內容涉及科學、工程和醫學領域內對女性的性騷擾，這份報告或將成為一個分水嶺。根據來自兩所大型高校系統的最新統計數據，該研究得出結論稱，超過50%的女性教職員工和20%至50%的女性學生，其職業生涯的不同階段和所從事的不同的科研領域，都曾遭受過性騷擾，包括最普遍的形式——言語和非言語的性別歧視和敵意：遭到貶低，而不是受到引誘。多個研究機構對此采取了相應的行動。

一些研究機構在新聞事件曝光或受騷擾學生和員工提起正式訴訟的推動之下，有多位知名科學家在經調查證實了對其不當行為的指控后，被解雇或迫使其離開其所在的研究機構，另外一些研究宣布了關于這方面的一些政策變化。

9月，美國國家科學基金會（NSF）主任弗朗西·科爾多瓦（France C ó rdova）表示，在基金受助人接受性騷擾調查或者被發現犯有性騷擾罪期間，高校必須向資助者說明此人何時被暫停工作。同時，受調查者要接受來自NSF的“有針對性的嚴重后果”。

為社會未能保護性騷擾受害者而感到悲哀的科爾多瓦宣稱，“這種對性騷擾極為忽視的現狀必須結束。”同月，美國科學促進會（AAAS）通過了一項政策，根據這項政策，被證實為性騷擾者的美國科學促進會會員將被剝奪終身榮譽。2018年5月，美國國家研究院承諾將研究如何剝奪那些已被證明有騷擾行為者的顯赫地位。

科學界對性騷擾的報道一直很少，而且基本上是被忽視的一個問題，但有跡象表明，這種情況將有所改變

對于批評者來說，改革的步伐還遠遠不夠快。如范德堡大學神經系統科學家貝薩恩·麥克勞林（BethAnn McLaughlin）指出，美國國立衛生研究院（NIH）不要求大學報告因性騷擾而接受調查的受資助人，甚至不要求大學對其進行紀律處分。麥克勞林在一次公開演講之前靜默了46秒鐘，她用這段靜默時間“紀念從我們的領域內被趕出的數百名女性”。她在演講中還指出，NIH每年向科學家和醫生提供資金，卻不詢問他們是否違反了1972年提出的禁止性騷擾學生的相關法律條款。

發現遠古人類“混血兒”

一塊來自一位生活在5萬多年前女性的骨頭碎片揭示了兩種已滅絕古人類之間的驚人聯系。2012年在西伯利亞的一個洞穴中發現的這塊骨頭中提取的古代DNA顯示，這名女子的母親是尼安德特人，父親是丹尼索瓦人。

在俄羅斯丹尼索瓦山谷的一個洞穴里發現的一塊骨頭碎片

德國萊比錫馬克斯·普朗克進化人類學研究所的研究人員對骨頭的DNA進行測序后發現，這塊骨頭來自一名女性，她的基因組中包含了丹尼索瓦人和尼安德特人的基因，有可能因為她的父母本身是混血兒。但她的染色體對中包含了她將近一半基因的不同變體，即所謂的雜合等位基因，表明母系和父系染色體來自不同的人種。她的線粒體DNA幾乎完全遺傳自屬于尼安德特人的母親，因此研究人員得出結論認為，她是男性丹尼索瓦人和女性尼安德特人的第一代雜交后代。對基因組的進一步研究表明，她的父親也有部分尼安德特人祖先的基因。

在另一項有說服力的發現中，這名女性的尼安德特人基因更接近于在克羅地亞發現的尼安德特人的基因，而不是更早居住在丹尼索瓦洞穴的尼安德特人的基因。研究論文的作者認為，這表明不同的尼安德特人群體曾多次在西歐和西伯利亞之間來回遷徙。顯然，通過這樣的遷徙過程，他們將自己的基因傳播到了外界。但為什么丹尼索瓦人和尼安德特人仍然始終保持了他們各自的基因獨特性？地理上的障礙可能起到了一定作用，但研究人員需要從不同地點獲得更多的古代DNA，才能了解史前人類不同人種之間雜交的真正影響。

法醫系譜學時代來臨

2018年4月，美國警方宣布逮捕了歷史上最殘忍的殺人案件之一的金州殺人案的嫌疑人，20世紀70年代至80年代在加州發生的一系列強奸和謀殺事件之謎團終于塵埃落定，懸案告破是取得的一個驚人進展，而調查人員指認“金州殺手”的方式同樣也令人眼界大開。他們將從一個犯罪現場提取的DNA檔案上傳到一個公開的DNA系譜數據庫，通過發現嫌疑人的幾個遠親，最終鎖定了此案罪犯。此后，執法機構利用這一策略破獲了約20起其他懸案，從而開創了一個新的領域：法醫系譜學。

“金州殺手”約瑟夫·詹姆斯·迪安杰洛

像Ancestry和23andMe這樣的私人DNA網站包含了數以百萬計的個人資料，這些資料可以用來從共享的DNA片段中找到某個人的親屬，但警方需要擁有法庭指令才可以搜索這些資料。在“金州殺手”一案中，當局求助于一個名為GEDMatch的簡單公開的在線數據庫，任何人都可以向該數據庫提交DNA檢測結果。GEDMatch由德克薩斯州和佛羅里達州的兩名業余系譜學家運營。調查人員將一份DNA檔案上傳到這個網站的數據庫中，找到了犯罪嫌疑人的幾個遠親，于是他們與一位系譜學家合作，利用公共記錄建立了龐大的家族譜系，最終將目標鎖定在了73歲的約瑟夫·詹姆斯·迪安杰洛（Joseph James DeAngelo）身上。測試顯示犯罪現場的DNA與迪安吉洛留在汽車門把手和丟棄紙巾上的DNA都相匹配，由此鎖定了此案的犯罪嫌疑人。

2018年秋天有遺傳學家的報告稱，60%的歐洲裔美國人在一個擁有100萬個樣本的數據庫中會有一個第三代表親或親緣關系更接近的表親，這個數據庫的規模與GEDMatch差不多大，歐洲裔美國人占了這個網站用戶的大多數。一旦這個數據庫中的檔案樣本達到300萬份，90%以上的白人個體就都可以通過類似的方法被搜索找到，哪怕他們本身從未做過DNA測試。但所有這些也讓一些倫理學家和遺傳學家感到擔憂，他們擔心對家族性遺傳基因的搜索是否會構成對個人隱私的侵犯，甚至有可能會導致對嫌疑人的錯誤指認。

基因沉默藥物獲得批準

2018年，一種基于基因沉默機制的RNA干擾（RNAi）藥物獲得了監管機構的批準，跨出了期待已久的一步，這可能預示著針對致病基因的新一類藥物即將問世。

20年前，兩名美國遺傳學家發現，短RNA分子可以附著在信使RNA上，從而中斷基因的轉換，這一進展為他們贏得了諾貝爾獎，但將其轉化為藥物的努力很快遇到了障礙。科學家們試著要讓這些脆弱的RNA分子保持完整，并將其導向正確的組織，但結果一直不理想。直到2008年，位于馬薩諸塞州坎布里奇的Alnylam制藥公司的研究人員認為他們找到了解決方案：一種脂質納米顆粒可以用來保護基因沉默的RNA并將其運送至肝臟，并有望能在那里通過阻斷錯誤折疊蛋白質的產生來治療一種被稱為遺傳性轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見疾病，這種錯誤折疊蛋白質會導致心臟和神經損傷。

Alnylam研發總裁阿克謝·瓦伊什諾（Akshay Vaishnaw）表示，“我們以極大的熱情迅速開發了這種藥物。”但這種新的納米顆粒未能釋放足夠多的RNA到肝細胞中，沒有達到在所有患者體內有效敲除問題基因的效果。一種更有效的配方在人體試驗中發揮了作用，并開發研制成為靜脈注射藥物Onpattro，該藥物2018年獲得了美國和歐盟監管機構的批準并進入市場。

研究另一種RNA小分子的以色列發育生物學家弗蘭克·斯萊克（Frank Slack）說道，隨著2016年基于基因沉默機制的RNAi藥物的獲批，許多RNAi研究人員現正將研究重心轉移到一種新的藥物傳遞方法上：將化學性能穩定的RNA連接到一種以肝臟為導向目標的糖分子上。Alnylam也已開發出一種類似方法，可針對肝臟以外的組織，如眼睛和中樞神經系統，讓RNA在某些組織（包括心臟）中積累起來是一個挑戰，但Alnylam的成功已為解決這個難題“打開了閘門”，斯萊克說。

短RNA分子附著在信使RNA上，阻止其轉換為蛋白質

進入原始世界的“分子窗口”

狄更遜水母化石中所含有的膽固醇樣分子的痕跡，這種分子是動物生命的標志

2018年，科學家從生活在5億多年前的生物身上發現的分子痕跡，讓他們對孕育了地球上最早的一些動物的神秘世界的埃迪卡拉生物群認識變得更加清晰，并將分子古生物化石的年代向前推進了數億年。他們在一些已知最奇怪的動物化石中發現了脂肪分子的特征，這些神秘的生命形式被稱為埃迪卡拉生物群，并且還發現了出現在化石紀錄之前很久的海綿分子的證據。

70多年來，科學家一直對埃迪卡拉化石的形態感到困惑，它們有的像葉子或葉狀體，有的看起來不像地球上曾經生活過的任何其他生物。這些生活在遠古海洋中的生物是植物？還是動物？或者是消失了的完全不同的一種生命形式呢？

澳大利亞國立大學的研究人員想要知道，他們能否從一些特殊的化石中找到化學上的線索，這些化石雖然有5.5億年的歷史，但仍然保存著一層看上去像是有機物質的薄膜。這些化石來自俄羅斯西北部白海沿岸的一處懸崖，那里的巖石一直沒有受到會抹去這些分子痕跡的高溫高壓環境的影響。

研究人員首先在一組名為Beltanelliformis的埃迪卡拉小型圓形化石上驗證了這一觀點，他們將巖石上的薄膜剝離下來，溶解后用氣相色譜和質譜法尋找保存下來的有機分子。研究人員在2018年1月的報告中稱，他們發現了高濃度的藿烷類化合物，這種分子痕跡的存在表明這些化石小球是曾經的藍藻細菌群落。這一發現給了研究人員更多信心，他們開始嘗試在狄更遜水母化石上使用這項技術，狄更遜水母是埃迪卡拉生物群最著名的物種之一。這塊化石呈橢圓形，長約半米，酷似一塊絮有棉花的浴墊。9月，研究小組報告稱，狄更遜水母化石中含有膽固醇類分子的痕跡，這類分子是動物生命的標志。這一發現與其他一些證據吻合，所有這些證據表明埃迪卡拉生物群中至少有部分生物是最早出現在地球上的動物之一。

2018年10月，另一個研究小組在6.6億至6.35億年前的巖層中發現了今天只有海綿才有的分子痕跡，這一發現表明另一種動物生命形式海綿的進化，可能比發現的最古老的可識別的海綿化石早了1億年。

“液-液相分離”與細胞自我管理

細胞內的各個組成部分是如何協同工作的？如何在正確的時間和地點行使其功能？生物學家逐漸意識到，這些問題的關鍵通常在于由蛋白質和RNA組成的液滴，但直到最近，他們才發現，這樣的液滴在細胞中無處不在，它們組織協調細胞各部分的工作，但有時也會形成膠結狀，導致細胞出現故障。

成千上萬的蛋白質和其他分子聚集在細胞質中，細胞質是圍繞細胞核的一種黏稠液體，它們之間經常相互碰撞，并發生反應，行使生命的任務，從分解營養物質到釋放能量，再到廢物循環等。從2009年開始，研究人員發現，許多蛋白質都會分離出或濃縮成離散的液滴，濃縮它們的含量，尤其是當細胞對壓力做出反應時。這種“液-液相分離”類似于油醋在加醋沙拉醬中的“分層”現象，如今已成為細胞生物學中最熱門的話題之一，越來越多的證據表明，“液-液相分離”促進了關鍵的生化反應，并且似乎是細胞各組成成分如何結合在一起的基本機制。

2017年發表在《自然》上的兩篇論文顯示，細胞核中的液狀蛋白滴讓基因組的某些部分的結構更緊湊，并讓其中的某些基因“沉默”下來。2018年，《科學》上的三篇論文指出，液-液相分離甚至還發揮著更大的作用。他們發現，驅動遺傳密碼從DNA轉變為RNA的蛋白質——制造新蛋白質的第一步——可以濃縮成附著在DNA上的液滴。其中的細節還有待于進一步探究，但這些研究揭示了這種液-液相分離是生命存在的一個基本奧秘，是基因的一種選擇性表達。

由蛋白質和RNA組成的液滴是新發現的一種細胞組織形式

生物物理學家正在研究這些液滴是如何形成的。某些種類的蛋白質尾隨著類似意大利面的尾部，這些尾部相互作用以觸發濃縮反應。但如果這個過程出錯，原本應該是液體的東西會變成凝膠，形成神經退行性疾病（如肌萎縮性側索硬化癥）中常見的那種凝聚體。3月份的一篇科學論文表明，當這些蛋白質被錯誤地從細胞核中排除時，就會發生這種情況。4月的《細胞》（Cell）雜志發表的4篇論文提出了溶解這些有毒物質可采取的一些措施，目前，幾家實驗室正試圖利用這些知識來發現和開發治療神經退行性疾病的藥物。

資料來源 Science