2019年度中國生命科學(xué)領(lǐng)域十大進展

為推動生命科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新性發(fā)展，充分展示和宣傳我國生命科學(xué)領(lǐng)域的重大科研成果，近日，中國科協(xié)生命科學(xué)學(xué)會聯(lián)合體組織18個成員學(xué)會推薦，經(jīng)生命科學(xué)領(lǐng)域同行專家評審及聯(lián)合體主席團評選和審核，向社會公布了2019年度“中國生命科學(xué)領(lǐng)域十大進展”(排名不分先后)。

入選的十大進展為：;磁受體蛋白MagR的發(fā)現(xiàn);細胞內(nèi)膽固醇運輸?shù)男聶C制;細胞炎性壞死機制研究;發(fā)育過程中人類原始生殖細胞基因表達網(wǎng)絡(luò)的表觀遺傳調(diào)控;昆蟲長、短翅可塑性發(fā)育的分子“開關(guān)”;高等植物光系統(tǒng)I光合膜蛋白超分子復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)解析;口服重組幽門螺桿菌疫苗研究;剪接體的三維結(jié)構(gòu)以及RNA剪接的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究;化學(xué)重編程中間狀態(tài)的鑒定和化學(xué)重編程新體系的建立。

水稻感受和抵御低溫的機制研究

水稻起源于熱帶和亞熱帶，對環(huán)境低溫非常敏感，限制了其種植區(qū)域。人工馴化選擇使粳稻種植能延伸到低積溫帶區(qū)域。近年來全球氣候變化導(dǎo)致的異常氣溫頻發(fā)，直接威脅水稻的生產(chǎn)，而植物感知低溫機理知之甚少。中國科學(xué)院植物研究所種康研究組與中國水稻所錢前研究員等合作發(fā)現(xiàn)水稻感受低溫的數(shù)量性狀位點基因COLD1賦予了粳稻的耐寒性。該基因編碼一個九次跨膜的G-蛋白信號調(diào)節(jié)因子，定位于質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。遇冷時COLD1與G-蛋白α亞基RGA1互作，激活Ca2+通道、觸發(fā)下游耐寒防御反應(yīng);COLD1jap基因起源于中國野生稻而賦予粳稻耐寒性。這是國際上首次報道的植物低溫感受器，揭示了人工馴化賦予粳稻耐寒性的分子細胞學(xué)機制。該成果對于水稻耐寒性的分子設(shè)計改良有重要的指導(dǎo)意義和潛在的應(yīng)用前景。本研究成果在2019年7月《Cell》雜志上以封面論文發(fā)表。

細胞內(nèi)膽固醇運輸?shù)男聶C制

膽固醇是細胞不可或缺的脂類物質(zhì)，其代謝異常會引起動脈粥樣硬化和神經(jīng)系統(tǒng)病變。細胞內(nèi)膽固醇運輸?shù)臋C制并不清楚。武漢大學(xué)宋保亮團隊研究發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶體與溶酶體之間可產(chǎn)生動態(tài)接觸，該過程由溶酶體上的SytVII蛋白結(jié)合到過氧化物酶體上的脂質(zhì)分子PI(4,5)P2來介導(dǎo)。膽固醇正是通過這一新型的細胞器的膜接觸，由溶酶體運輸至過氧化物酶體。許多過氧化物酶體基因突變會導(dǎo)致發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，該工作第一次揭示了膽固醇堆積是過氧化物酶體紊亂疾病的發(fā)病原因之一。這項研究不僅發(fā)現(xiàn)了細胞內(nèi)膽固醇運輸?shù)男聶C制，揭示了過氧化物酶體細胞器的新功能，更重要的是為治療膽固醇代謝異常相關(guān)疾病提供了新的線索和思路。研究成果在2019年4月《Cell》上發(fā)表，同期配發(fā)了評述文章。

細胞炎性壞死機制研究

細胞炎性壞死(細胞焦亡，pyroptosis)是機體的重要免疫防御反應(yīng)，在清除病原感染和內(nèi)源危險信號中均發(fā)揮重要作用。細胞焦亡由炎性蛋白酶caspase(caspase-1和caspase-4/5/11)介導(dǎo)，但具體機制完全不清楚。北京生命科學(xué)研究所邵峰團隊和廈門大學(xué)韓家淮團隊分別獨立鑒定出全新的GSDMD蛋白，并證明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，其切割對于caspase激活細胞焦亡既是必要的也是充分的。這些工作揭示細胞焦亡的關(guān)鍵分子機制，為多種自身炎癥性疾病和內(nèi)毒素誘導(dǎo)的敗血癥提供了全新的藥物靶點。邵峰和韓家淮論文分布在《Nature》(2019年10月)和《Cell Research》(2019年12月)上發(fā)表。

口服重組幽門螺桿菌疫苗研究

幽門螺桿菌(Hp)是慢性胃炎、胃及十二指腸潰瘍的致病菌，是胃癌的主要致病因子。我國胃病患者超過1億，每年因胃癌死亡者達20萬人。第三軍醫(yī)大學(xué)鄒全明、中國食品藥品檢定研究院曾明和江蘇省疾病預(yù)防控制中心朱鳳才三位教授聯(lián)合研究，發(fā)明了“Hp分子內(nèi)佐劑粘膜疫苗”設(shè)計原理和安全高效的首個人用分子內(nèi)粘膜免疫佐劑;設(shè)計與*出全新的Hp疫苗組份;研究出國際上首個Hp疫苗生產(chǎn)與檢定質(zhì)量標準。歷時15年，完成了Hp疫苗5000余人參加的臨床試驗，成功研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首個Hp疫苗，并安全、有效，保護率達71.8%，獲國家1.1 類新藥證書。

剪接體的三維結(jié)構(gòu)以及RNA剪接的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究

“中心法則”是分子生物學(xué)中的關(guān)鍵定理，描述了細胞最基礎(chǔ)的生命活動。在真核細胞中，蘊藏在基因組DNA序列中的遺傳信息先傳遞給信使RNA。轉(zhuǎn)錄的RNA需經(jīng)剪接體(Spliceosome)成熟之后再翻譯成蛋白質(zhì)，執(zhí)行生物學(xué)功能。剪接體(Spliceosome)是一個巨大而又復(fù)雜的動態(tài)分子機器，清華大學(xué)施一公課題組創(chuàng)新性地利用酵母細胞內(nèi)源性蛋白提取獲得了性質(zhì)良好的樣品，并利用前沿的單顆粒冷凍電子顯微鏡技術(shù)，首次解析了酵母剪接體近原子水平的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進行了詳細分析，闡述了剪接體對前體信使RNA執(zhí)行剪接的工作機理。這一研究成果2019年9月在《Science》雜志以兩篇“背靠背”的長文發(fā)表。

磁受體蛋白MagR的發(fā)現(xiàn)

生物能否感知及如何感受地球磁場的存在是生命科學(xué)中的未解之謎。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院謝燦實驗室及合作者發(fā)現(xiàn)普遍存在于動物中的磁受體基因，其編碼的磁受體蛋白MagR具備內(nèi)源磁性，能識別外界磁場并順應(yīng)磁場方向排列，據(jù)此提出一個新的“生物指南針”分子模型。這項發(fā)現(xiàn)有助于分析動物遷徙和生物導(dǎo)航之謎，同時也為未來發(fā)展基于磁場進行大分子分離純化，操縱細胞活性和動物行為包括磁遺傳學(xué)，以及新型磁性生物材料的開發(fā)提供了可能。本研究成果在2019年11月《Nature Materials》雜志上發(fā)表。

昆蟲長、短翅可塑性發(fā)育的分子“開關(guān)”

昆蟲長、短翅可變發(fā)育是生物發(fā)育可塑性的典型例子，是昆蟲進化成功的重要特性。稻飛虱是水稻的最重要害蟲，若蟲可以根據(jù)環(huán)境條件變化，選擇性地發(fā)育為能飛行的長翅型成蟲，或發(fā)育為不能飛行但繁殖更強的短翅型，這種可塑性發(fā)育是該蟲成為毀滅性大害蟲的重要原因。浙江大學(xué)張傳溪教授帶領(lǐng)的團隊研究發(fā)現(xiàn)，稻飛虱翅芽的兩個胰島素受體在長、短翅分化中作用相反，起著分子“開關(guān)”作用。抑制胰島素受體I基因和胰島素通路會導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子FOXO進入細胞核，若蟲就發(fā)育為短翅型成蟲;而抑制在翅芽組織中特異表達的胰島素受體II基因就會導(dǎo)致FOXO滯留于翅芽的細胞質(zhì)，若蟲就發(fā)育為長翅型成蟲。本研究成果在2019年3月《Nature》雜志上發(fā)表，被認為“是多型現(xiàn)象分子機理研究的一個里程碑”，在稻飛虱防治上具有重要價值。

高等植物光系統(tǒng)I 光合膜蛋白超分子復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)解析

光系統(tǒng)I(PSI)光合膜蛋白超分子復(fù)合物是光合作用中高效吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的系統(tǒng)，其量子轉(zhuǎn)化效率幾乎為100%。中國科學(xué)院植物研究所匡廷云、沈建仁研究團隊在原子水平分辨率的高等植物光系統(tǒng)I-捕光天線(PSI-LHCI)晶體結(jié)構(gòu)，解析了高等植物PSI-LHCI的精細結(jié)構(gòu)，其中包括16個蛋白亞基和205個輔因子，總分子量約600kDa;揭示光系統(tǒng)I的4個捕光色素蛋白復(fù)合體(Lhca1-4)在天然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系，LHCI全新的色素網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和LHCI紅葉綠素的結(jié)構(gòu)，明確提出LHCI向核心能量傳遞可能的4條途徑。該研究成果對于闡明光合作用機理及提高作物光能利用效率和開辟太陽能利用的新途徑都具有重要的理論和實踐意義。該研究成果在2019年5月《Science》期刊以長文的形式并作為封面文章發(fā)表。

發(fā)育過程中 人類原始生殖細胞基因表達網(wǎng)絡(luò)的表觀遺傳調(diào)控

生殖細胞(*和卵細胞)是人類生命繁衍、維持物種穩(wěn)定和延續(xù)的種子和紐帶，在胚胎發(fā)育過程中來自原始生殖細胞。人類原始生殖細胞基因表達網(wǎng)絡(luò)的特征及其表觀遺傳學(xué)調(diào)控一直是亟待解決的重大發(fā)育生物學(xué)問題。北京大學(xué)湯富酬研究團隊與北京大學(xué)第三附屬醫(yī)院喬杰研究團隊緊密合作，采用單細胞轉(zhuǎn)錄組高通量測序等一系列關(guān)鍵技術(shù)，深入、系統(tǒng)地解析了人類原始生殖細胞多個發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組的動態(tài)變化，揭示了人類原始生殖細胞基因表達調(diào)控的一系列關(guān)鍵獨特特征，這為人們提供了一個深度解析人類原始生殖細胞中基因表達網(wǎng)絡(luò)表觀遺傳調(diào)控的精準坐標系統(tǒng)，有助于更好地理解人類生殖細胞和早期胚胎發(fā)育的根本規(guī)律。該項研究未來對輔助生殖技術(shù)安全性評估、以及臨床上生殖細胞發(fā)育異常相關(guān)疾病機理的解析等可能具有重要意義。該研究成果2019年6月在《Cell》期刊發(fā)表。

化學(xué)重編程中間狀態(tài)的鑒定和化學(xué)重編程新體系的建立

“體細胞重編程”技術(shù)可以將已經(jīng)分化和特化的體細胞誘導(dǎo)逆轉(zhuǎn)成為“生命之初”的多潛能干細胞。北京大學(xué)鄧宏魁的研究團隊在2019年報道小分子化合物誘導(dǎo)的體細胞重編程技術(shù)(化學(xué)重編程)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了化學(xué)重編程的一個中間狀態(tài)，其基因表達譜、體內(nèi)發(fā)育能力和重編程能力均類似于胚外內(nèi)胚層(XEN)細胞。這一發(fā)現(xiàn)表明化學(xué)重編程是一個分子路徑上完全不同于轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)體細胞重編程的全新途徑，為進一步改進化學(xué)重編程體系提供了一個關(guān)鍵的分子路標;并將大幅提升了化學(xué)誘導(dǎo)的多潛能干細胞(CiPS細胞)的誘導(dǎo)效率。這一成果體現(xiàn)了小分子化合物調(diào)控細胞命運的特點和優(yōu)勢，有望在再生醫(yī)療中為獲得病人自體的組織和器官提供理想的細胞來源。該研究成果2019年12月在《Cell》雜志發(fā)表。