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科学时报年终专稿之生命科学篇 裴钢:风景这边更好

时间:2008-01-02 12:25来源:科学时报 作者:bioguider 阅读:
编者的话

  

对于科学和技术的重大进展来说,一年并不是一个很长的时间。然而科学与技术的任何进步,都是科学家在日常工作中留下的一个个脚印。刚刚过去的2007年,科学与技术的各个领域可谓异彩纷呈。为了让读者对此有全景式的了解,本报特别约请各领域专家梳理并点评了科学与技术发展的亮点,并展望令人期待的2008年。

  

生命科学:风景这边更好

今天,我们迎来了2008年。回首2007年的生命科学研究可谓是风景这边更好,尽管艾滋病疫苗研究的失败令我们感到惋惜,但2007年中不断涌现出来的生命科学研究的最新成果,却带给了我们更多的鼓舞和信心。

  

打下“半壁江山”

  

英国《自然》杂志12月20日公布了其评选出来的2007年重要科技新闻,人体皮肤细胞“仿制”干细胞研究位列榜首。日、美两国科学家利用2006年才发表的诱导多能干细胞(iPS)技术,成功地将人体皮肤细胞诱导成了多能干细胞。科学界普遍认为,这项研究成果具有划时代的意义,它不仅成功地避开了利用胚胎干细胞研究可能引发的伦理之争,而且将极大地推动用干细胞治疗疾病的研究的进一步深入。此外,糖尿病治疗药物文迪雅的安全性受到质疑、人类破译个体完整基因组和灵长类动物细胞首次被克隆等也榜上有名。《自然》评出的2007年重要科技新闻中,有近半数与生命科学研究有关。

  

在12月21日美国《科学》杂志评出的2007年十大科技进展中,生命科学研究打下“半壁江山”。5项与生命科学有关的研究分别是人类基因组差异研究、用人类皮肤细胞制造诱导性多能干细胞、测定肾上腺素受体结构、机体内抵御病毒和肿瘤的T细胞有“立刻保护”和“长期保护”的分工,以及记忆和想象可能源自于大脑的海马区。

  

而在此之前最新一期美国《时代》杂志评选出了2007年科学十大发现,iPS技术也名列榜首,成为2007年最重要的科学发现。首份个人版全基因组图谱问世、南极海域发现多种奇异的深海生物、英国科学家成功地利用骨髓干细胞培育出了人体心脏瓣膜组织、找到人类走出非洲的证据、发现世界上最长寿的动物等,都向人们展示了生命科学研究的勃勃生机。

  

在2007年生命科学研究中,我国科学家也作出了重要贡献。例如,我国科学家经过两年多的研究确认:2005年4月在我国内蒙古二连盆地晚白垩世二连组地层中发现的一具巨型兽脚类恐龙化石,是当今世界上最大的似鸟恐龙化石。6月14日出版的《自然》杂志发表了这一研究成果。这一发现,丰富了人们对于恐龙向鸟类演化过程的理解,说明在向鸟类演化的过程中,不同恐龙类群的特征演化模式和潜在的发育机制是不同的,表明了鸟类特征演化的复杂性。该成果位列《时代》榜单第七位。

  

《自然》、《科学》、《时代》杂志相继评选出的十大科学进展都表明,2007年生命科学发展迅猛,生命科学引领着科学前进的潮流。

  

技术突破引领科学创新

  

2007年生命科学研究之所以能在几个关键点上取得高水平的成果,主要得益于技术创新带动理论创新。

  

以iPS技术为例,2007年11月20日,《细胞》和《科学》杂志分别发表文章,介绍了研究人员是如何利用人体皮肤细胞诱导分化出类胚胎干细胞的,iPS技术被评价为具有里程碑意义的创新之举。干细胞与克隆技术的研究及应用几乎涉及了所有的生命科学和生物医药学领域,尽管人们对干细胞研究的前景一直充满期待,但是胚胎干细胞研究由于存在复杂的伦理问题而在有些国家变得举步维艰,美国总统布什曾两度否决放宽联邦政府资助胚胎干细胞研究的法案。

  

成体细胞能否转化成多能或全能干细胞是一个重大的理论问题。但解决这个理论问题则需要靠实践、靠技术发展和创新。早在2006年,日本科学家就已率先用iPS技术,成功完成了将老鼠成体细胞重编程和转化为类胚胎干细胞的多能干细胞研究,可谓独辟蹊径。2007年,iPS技术最成功之处在于实现了人的体细胞的逆转,从鼠到人细胞的进展速度之快超出预料。iPS技术的突破,不仅彻底解决了上述理论问题,也为科学家们获取多能干细胞增加了一个新的途径,并且避开了胚胎干细胞研究的伦理之争,因此,这一技术一经公布便立刻得到了科学界和社会的普遍认同,具有重大理论意义和实用价值。

  

同时,iPS技术也为研究发育与生殖、疾病发生发展机制、基因、蛋白质、RNA功能等提供了一个非常重要的实验模型。但应当看到的是,iPS技术的突破将使那些原来限制胚胎干细胞研究的国家从此放开手脚,迅速大规模增加人员和经费投入,这无疑将会给我们带来很大的压力。

  

2007年5月,诺贝尔奖获得者、被誉为“DNA之父”的美国著名科学家詹姆斯·沃森得到了他本人的完整基因组图谱;9月,美国科学家克雷格·文特尔和他的研究小组又公布了文特尔本人的双倍体基因序列,即遗传自父体和母体两套染色体的完整版基因序列,这是人类首份个人版全基因组图谱,个人基因图谱的问世同样得益于技术的创新。

  

曾经是“天价”的基因组测序,随着技术的改进由此开始成为一项与生命健康密切相关的实用技术。尽管依靠现有的技术水平和能力,还无法仅仅凭借一张图来完全解释或预测一个人一生所有的疾病,但随着测序技术的普及和测序费用的大幅度降低,在不久的将来,个人基因组图谱将有望广泛用于疾病预测预防、诊断预后和治疗指导以及个体化治疗。

  

水不到  渠难成

  

2007年11月,美国科学家经过长达十几年的研究,终于测定了人类Beta2-肾上腺素受体的结构。受体是位于细胞膜或细胞内的一类特殊的蛋白质,可特异地识别信号分子,从而启动细胞内一系列信号转导和反应。G蛋白偶联受体是一类最大的细胞膜受体家族,具有非常重要的功能,在哺乳动物中已发现几百种这类受体。新确定结构的Beta2-肾上腺素受体是一个重要的G蛋白偶联受体,它调控许多重要的生理功能,从抗组胺剂到Beta受体阻断剂等一系列药物都是以该受体为靶向,了解受体结构有助于研发新的药物。

  

对Beta2-肾上腺素受体结构的解析可谓“十年磨一剑”,是科学家们知难而进、长期努力、不断积累、不懈追求的结果。从iPS技术到细胞膜受体结构解析,越来越多的实践证明,生命科学研究需要有耐心、要有足够的积累,水到才能渠成。

  

一个值得我们注意的现象是,2007年生命科学研究中取得了一系列的高水平成果,大都是来自于一些小规模的实验室,而并非大集团作战,这也是符合基础研究规律的。这说明小的科学家团队的独创性和创新性需要给予稳定的、长期的支持,保持一定数量的精干科学家和小规模的基础实验室,坚持下去,总会有好的结果出来。Beta2-肾上腺素受体结构的解析过程虽然漫长,但意义重大,它将为我们今后的疾病治疗、寻找新的药物靶点、进行药物设计、筛选新药提供更多的帮助。

  

2007年,艾滋病疫苗研究的失败令人感到遗憾。尽管原因是多方面的,但也说明我们目前对艾滋病的认识和了解还是不充分的,没有足够的基础研究成果的支持,应用性研究的成功概率不会很大。科学研究是一个长时间的积累过程,需要不懈地努力,不会一蹴而就。水不到,渠难成。美国尼克松时代攻克癌症神话的破灭,同样是因为没有坚实的基础研究做支撑。

  

期待新的突破

  

美国国立卫生研究院(NIH)于2007年利用由“路标计划”(Roadmap  Plan)管理的新基金,启动了表观基因组学研究计划,其目的是要促进开发出能够明显改善表观遗传研究途径的创新型新工具,并将致力于开发人类胚胎干细胞、人类分化和分化细胞、细胞系和组织的参考表观基因组。

  

表观遗传学是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化,如DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质构象变化以及RNA调控等。表观基因组学是在基因组和全细胞水平上对表观遗传学变化进行研究。

  

从遗传的角度来看,一个人身体各种不同组织的细胞都是同一个基因组。但是不同的细胞有不同的状态,有多能的、全能的,分化成不同的组织细胞,它们的表观遗传学是不同的。因此,表观遗传学的变化决定了各种细胞的状态,也可能决定了正常的生理状态和异常的疾病状态。NIH表观遗传组学研究计划的启动受到国际科学界的广泛关注,无疑将成为今后生命科学研究领域角逐的热点之一并将会不断有所突破。

  

2008年生命科学研究仍将表现得十分活跃、异彩纷呈。借助iPS技术的东风,干细胞研究领域将会继续有大的进展和新的突破,非编码RNA和微RNA等研究也将进一步向前发展。在美国《科学》杂志预测的2008年值得关注的7个科研热点中,与生命科学有关的就有5个,它们分别是微RNA、人造微生物、古基因组学、人类微生物组和大脑神经回路。

  

《科学》杂志认为,2007年科学家共发表了约800篇与微RNA研究有关的论文,内容涉及微RNA与癌症、心脏疾病和干细胞分化等的关系。2008年,科学家将开始研究如何利用微RNA揭开一些疾病的发病机理,并有望深入了解微RNA是如何起作用的。美国国立卫生研究院和欧盟等都计划在2008年开展有关人类微生物组的研究,科学家有望绘出人体内约200种微生物的基因组,并开始着手对人内脏、皮肤、口腔和生殖道内的微生物群落展开广泛调查。

  

2008年,人造微生物也已不再遥不可及。初步的尼安德特人基因组草图也有望于2008年年底前绘成,通过进行更多的尼安德特人和智人基因的比较研究,将增进人们对已灭绝的尼安德特人的了解;得益于更廉价、更便捷的技术,科学家将绘出更多灭绝物种的基因组图谱。此外,借助一些新方法,2008年科学家有望开始了解大脑神经细胞回路是如何处理信息和调控行为的。

  

生命科学研究成果的应用将成为现代科学发展的主要动力之一,2008年,前沿科学研究和应用研究将结合得更为紧密,政府和工业界也将对此给予更多的关注和投入,一项新技术的诞生将带动一个产业的发展。

  

除上述热点以外,2008年生物质能源、生物纳米技术等生物技术及重大疾病防治都将是各国生命科学发展的重点。生命的复杂性决定了生命科学研究的复杂性,艾滋病疫苗失败的事实再次告诉我们,生命科学研究同样充满着风险和挑战。尽管如此,21世纪面临的人口健康问题、环境问题、农业问题、生态问题和能源问题等,都需要生命科学研究给出答案。(责任编辑:泉水)
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