新浪科技讯 北京时间12月21日消息,据国外媒体报道,目前,《科学》杂志最新评选出2018年十大科学突破。

1、单细胞尺度细胞谱系追踪技术

从古希腊医学之父希波克拉底时代开始,生物学家就被一个细胞如何发育成拥有多个器官和数十亿人细胞的成年动物所迷惑,这位伟大的医学家曾假设,母亲的呼吸有助于婴儿成长,但现在我们知道,最终还是DNA促进细胞增生和分生。

目前,生物学家在单细胞尺度上揭晓了每个基因何时启动并诱导细胞分化。他们指出,推动这些技术进步的是将数千个完整细胞从生物体中分离出来的技术,有效地对每个细胞中表达的遗传物质进行测序,并使用计算机对细胞进行标记,从而重建它们在时间尺度上的关系。

分离数千个细胞以及对每个细胞遗传物质进行排序的能力,能够让研究人员对每个细胞中正在产生的RNA形成快照。由于RNA序列是特定于产生它的基因,研究人员可以看到活跃基因,这些活跃基因决定了细胞功能。

这种被称为“单细胞RNA-seq”的组合技术已在过去几年时间里得到了发展,但是2017年出现了一个转折点,当时有两组研究人员获得了新发现,其中一组使用单细胞RNA-seq技术,测量了从果蝇胚胎中一次性提取的8000个细胞的基因活性。大约在同一时间,另一组对秀丽隐杆线虫幼虫阶段的5万个细胞的基因活性进行分析,该数据表明,被称为转录因子的蛋白质正在引导细胞分化成为特殊类型。

2018年,研究人员和其他人对脊椎动物胚胎进行更广泛的研究分析。他们使用各种复杂的计算方法,将在不同时间点采集的单细胞RNA-seq数据关联起来,从而揭示决定这些更复杂生物体形成细胞的一系列基因开关机制。一项研究显示一个受精斑马鱼受精卵如何变成25种细胞,另一项研究分析了青蛙器官形成早期阶段,并确定一些细胞进入特殊变化阶段早于之前的预期。哈佛大学干细胞生物学家伦纳德?索恩(Leonard Zon)称,这些技术已经回答了胚胎学的基本问题。

对一些动物如果再生肢体或者整体身体的研究也开始关注“单细胞RNA-seq”技术,两支研究小组研究了水栖扁虫被切成碎片后的基因表达模式,水栖扁虫是生物学上最成功的再生生物之一。科学家发现它们体内新的细胞类型的生长轨迹,表明每个碎片能够再生为完整个体。另一组研究人员观察分析了失去前肢蝾螈的基因,他们发现一些成熟肢体组织可以恢复至胚胎未分化状态,之后进行细胞和分子的重新编程,从而构建一个新的肢体。

因为细胞必须从生物体中移除再进行单细胞测序,仅凭借这项技术无法显示这些细胞如何与邻近组织发生交互作用,也无法跟踪这些细胞的后代。但是通过将标记物植入早期胚胎细胞,研究人员目前能够跟踪活生物体的分子和分子后代。至少有一个研究小组将早期胚胎暴露在携带不同颜色荧光标记基因的可移动遗传元素中,这些荧光标记会随机进入细胞,为每个细胞谱系赋予不同的颜色。其他研究小组利用一种叫做“CRISPR”的基因编辑技术,采用独特的条形码标识符标记单个细胞的基因组,然后将这些标识符传递给它们的所有后代。基因编辑器可以保留原有突变的同时,在子代细胞中产生新的变异,从而使科学家能够跟踪谱系如何分支形成新的细胞类型。

通过将这些技术与单细胞RNA-seq结合在一起,研究人员既能够监测单个细胞行为,又可以观察它们如何适应生物体的演变架构。利用这种方法,一支研究小组确定了斑马鱼大脑中100多种细胞类型之间的关系,他们使用CRISPR标记早期胚胎细胞,然后在不同时间点分离并测序6万个细胞,从而有效跟踪鱼类胚胎发展过程中的基因活性。

2、遥远星系的“信使”

埋在南极冰层之下球状探测器DOMs能够探测到遥远恒星释放的中微子与原子碰撞事件,并观测到碰撞过程释放的微弱光爆。此前很少有来自遥远宇宙的“信使”将望远镜观测到的光子结合在一起,从而揭晓光线无法呈现的现象。近年来,天文学家使用宇宙射线和引力波的高速粒子对宇宙进行观测,这些粒子是时空中的涟漪,首次在2015年被探测到,被列入2016年年度《科学》杂志重大科学突破之一,2018年,另一位“信使”也加入到这个行列——中微子,这是一种微小、几乎没有质量的粒子,非常难以探测。

捕捉到这些星系外“小精灵”需要在地球钻探体积1千立方米的冰层,冰层之上放置光探测器,从而记录中微子触发的微弱闪光,这是一种非常罕见的闪光。一个叫做“冰立方”的大型探测器之前曾记录过许多中微子,其中一些来自银河系之外,但没有任何中微子被确定具体的宇宙来源。2017年9月22日,一个中微子与冰层中的一个原子核发生碰撞,光传感器能够很好地确定它的来源方向。

美国宇航局费米伽马射线太空望远镜发现一种叫做“耀变体”超强明亮光源,中微子似乎就是从那里产生的。耀变体位于星系中心区域,它的引力会加热环绕它周围的气体,导致该物质发出明亮的光芒,并从漩涡中喷射出粒子。

研究人员非常确定,探测到炽热耀变体正在中微子的来源,这是科学家使用中微子望远镜首次在银河系外发现中微子,这一发现表明,产生伽马射线和中微子的耀变体也会产生其它高能粒子,例如:质子。这些超高能量宇宙射线不断地轰击地球,但是它们的来源仍是一个未知之谜。现在耀变体被证实是产生中微子的宇宙来源。“冰立方”研究小组期待发现更多稍纵即逝的银河系外“信使”。

3、简单快速地确定分子结构

2018年10月,两支研究小组同时发表论文声称,发现一种新方法可以在短短几分钟之内确定小型有机化合物的分子结构,而不是传统技术要求几天、几周,甚至几个月时间。几十年来,分子绘图的黄金标准一直是X射线晶体技术,它是将一束X射线射向包含数百万个分子的晶体,这些分子排列在一个共同定向上。然而,研究人员跟踪X射线在晶体上的反弹方式,从而识别单个原子,并在分子中分配它们的位置。分子结构对于科学家理解生物分子的行为,以及药物如何与分子发生相互作用是非常重要的。但是这项技术需要一粒沙子大小的晶体,这对于科学家而言是一个很大的技术障碍。

近年来,研究人员用电子束代替X射线,从而改进了衍射技术,电子束瞄准目标生物分子(通常是蛋白质)的片状2D晶体。但在某些情况下,这些薄片相互叠加在一起,形成了一种三维晶体,该晶体对普通电子衍射不起作用,而且对于X射线衍射而言太小了。

两支研究小组,一支在美国,另一支在德国和瑞士,他们向旋转台上微小3D晶体上发射电子束,并跟踪分析每次轻微旋转产生的衍射图像变化情况,这项技术在几分钟之内就能生成分子结构,但是显微晶体分子非常小,仅能适用于X射线研究。

这种最新技术非常适合绘制小分子(例如:激素和潜在的药物),它对新药合成和发现,以及设计研究追踪疾病的分子探测器具有深远影响。

4、冰河时期大型碰撞事件

科学家最新研究显示,冰河时期曾有一颗小行星像连环核弹一样撞击在现今格陵兰岛西北部,陨石瞬间蒸发,并在整个北极地区引发冲击波,现今留下明显的疤痕——一个直径31公里的“希亚瓦萨”碰撞陨坑,其面积大于华盛顿地区。2018年11月,科学家使用飞机雷达发现隐藏在这个千米冰层之下的陨坑。“希亚瓦萨”陨坑是地球上最大的25个陨坑之一,虽然不像0.66亿年前墨西哥境内恐龙灭绝的陨石事件那样具有灾难性,但是此次陨石碰撞事件对全球气候产生了显著影响。碰撞之后的冰融水涌入北大西洋,可能阻止了欧洲西北部来自的温暖洋流传送带,从而导致了冰河时期之后气候骤降。该事件可能有助于解释“新仙女木”事件,即冰河时期之后一次持续千年的降温事件。

雷达图像表明,“希亚瓦萨”碰撞陨坑形成不久,陨坑深度冰层扰动情况显示,一颗小行星可能在1.3万年前碰撞地球,这与“新仙女木事件”可以联系在一起。“新仙女木事件”是一次具有千年时间的全球骤冷事件,始于上一个冰河世纪,当时全球正在解冻。这项研究将对富有争议的“新仙女木事件”提供支持证据,十年前,他们提出地外撞击可以解释考古和地质记录中的混乱迹象,但他们并未指向这个碰撞陨坑。

小行星的碰撞影响还尚未确定,格陵兰岛其他地方的冰芯记录了过去10万年的历史变化,并未发现任何碰撞碎片残骸。一个确切答案将取决于艰辛的工作梳理从冰下扫过微小矿物晶体中的放射性时钟的日期。

如果他们证明“希亚瓦萨”碰撞陨坑确实发生在1.3万年前,那么它可能发生在人类穿越新大陆时期,当时早期人类正在北美洲追逐猎杀乳齿象。当时他们抬头可能看到灼热的小行星进入大气层时异常明亮,其亮度是太阳的4倍。

5、一直被忽视的女性性骚扰现象出现好转

直到近年,科学界对性骚扰事件的报道非常少,而且基本上被忽视,但是从今年开始这一现象出现了好转迹象。今年6月,美国国家科学、工程和医学研究所发表了一份里程碑意义的研究报告,文中对科学、工程和医学领域女性性骚扰现象进行了分析,报告表明,超过50%的女教师职工和20-50%的女学生,曾遭受到性骚扰,其中包括最普遍的形式——语言和非语言的性别歧视。然而,2018年一些机构采取了行动,该现象得到了扭转。2018年9月,美国科学促进会(AAAS)通过了一项政策,一旦科学促进会研究员被确定为性骚扰者,将被剥夺其终身荣誉。

今年5月,美国国家科学院的院长们承诺,将研究如何把那些已被证实是性骚扰者的人驱逐出科学院。

对于批判者而言,改革的步伐仍远不够快。美国范德比尔特大学神经系统科学家贝萨恩?麦克劳克林(BethAnn McLaughlin)指出,美国国立卫生研究院不要求大学通报因性骚扰而接受调查的嫌疑人,甚至不要求大学对其进行纪律处分。今年麦克劳克林发表公开演讲,演讲以46秒沉默为开始,她说:“美国国立卫生研究院每年向科学家和医生提供资金,却不询问他们是否违反了第九条立法。”1972年,美国教育部门颁布了第九条立法,宣称性骚扰学生是违法行为。她表示,公开演讲最开始的46秒沉默是为了向数百名被迫离开教育领域的受害女性致敬。

6、古人类“混血儿”

一块来自5万多年前的女性骨骼碎片揭示了两个已灭绝古人类分支之间的惊人联系。2012年,考古学家在西伯利亚一个洞穴里发现的这个骨骼提取DNA表明,该女性的母亲是尼安德特人,父亲是丹尼索瓦人。研究人员知道丹尼索瓦人、尼安德特人和现代人类至少在冰河时代的欧洲和亚洲地区曾发生过杂交。这两种古人类分支的基因也存在于现今的亚洲人和欧洲人,西伯利亚洞穴发现的骨骼化石表明,这三个古人类分支曾生活在不同时期,但是他们的确存在过亲密接触,并且丹尼索瓦人与尼安德特人杂交繁衍后代。

德国马克斯普朗克进化人类学研究所研究人员对这块骨骼化石的DNA进行测序发现,它来自于一位女性,她的基因组与丹尼索瓦人和尼安德特人的基因组大致相近,很可能是因为她的父母本身就是杂交混血儿。但是她的染色体对包含了不同变体——杂合等位基因(heterozygous alleles),占接近一半的基因,这表明她的母亲和父亲染色体来自不同人类物种。她的线粒体DNA几乎完全遗传自母亲,属于尼安德特人,因此研究人员得出结论称,她是丹尼索瓦人男性和尼安德特人女性的第一代混血后裔。同时,研究人员对她的基因组深入研究表明,她的父亲也有一些尼安德特人基因。

在另一项引人瞩目的发现中,这位女性的尼安德特人基因更接近于在克罗地亚发现的尼安德特人基因,而不是在丹尼索瓦人洞穴里生活的较早期尼安德特人。研究人员称,这项研究表明不同的尼安德特人群体曾多次在西欧和西伯利亚之间往返迁徙。很显然,这一时期他们将自己的基因传播给了其他人类分支。

为什么丹尼索瓦人和尼安德特人在基因存在差异呢?专家认为地理障碍可能具有一定的作用,但是研究人员需要从不同地点获得更多的古人类DNA,才能真正地了解其深远影响性。

7、法医系谱学日趋成熟

2018年4月,美国警方宣称逮捕了一名重大嫌疑犯,他是约瑟夫·詹姆斯·迪安杰洛,他是上世纪70-80年代在加州轰动一时的系列强奸和谋杀案主凶,被称为“金州杀手”。据悉,警方利用犯罪现场采取的DNA,通过公共家谱DNA数据库锁定了“金州杀手”的亲属,之后警方利用这种成熟的法医系谱技术破获了大约20多起重大案件,开创了新的技术领域——法医系谱学。

像Ancestry和23andMe这个的私人DNA网站包含了数以百万计的个人资料,这些资料可用于从共享DNA片段中找到某个人的亲属,但是警方仍需要法庭判令搜捕他们。在“金州杀手案”中,官方求助于一个叫做GEDMatch的公开、简单在线数据库,任何人都可以向该数据库提交DNA检测结果。据悉,GEDMatch数据库由美国德克萨斯州和佛罗里达州的两位业余系谱学家运营。调查人员上传这位臭名昭著强奸嫌疑犯DNA档案至数据库中,发现了嫌疑人的几个远亲亲属。随后,他们与一位系谱学家建立合作,利用公共记录建立庞大的家庭谱系图,最终将目标锁定在73岁的约瑟夫·詹姆斯·迪安杰洛。测试结果显示,犯罪现场DNA与迪安杰洛汽车门把和丢弃纸巾上的DNA完全吻合时,最终破获了这起几十年前重大案件。

今年秋季,遗传学家表示,60%的欧洲血统美国居民将在一个拥有百万样本的数据库中找到三代之内的表亲,或者更接近匹配的亲缘关系。这个数据库与GEDMatch的规模相近,一旦数据库达到300万份档案,90%以上的白人可以采用类似的方法被找到,即使他们从来没有做过任何DNA测试。成熟先进的法医系谱技术让一些伦理学家和遗传学家感到不安,他们认为这些家族关系搜索是对人们隐私的侵犯,也可能会导致对嫌疑人的误解。

8、基因沉默药物获批

今年 ,一种基于基因沉默机制的“RNA干扰”药物获得了监管机构的批准,这一举措可能预示着一种针对致病基因的新型药物的诞生。

20年前,两位美国遗传学家发现短RNA分子可以附着在信使RNA上,携带基因信息至细胞的蛋白质制造机制,从而破坏基因表达,这一进展为他们赢得了诺贝尔奖,但将其转化为药物的努力很快遇到了障碍。科学家试图保持这些脆弱RNA分子的完整性,并将其引导至正确的组织。2008年,美国阿尔尼拉姆制药公司的研究人员认为他们找到了一个解决方案——一种脂质纳米颗粒,可以保护基因沉默RNA,并将它们运送到肝脏组织。他们希望通过阻止产生错误折叠的蛋白质,从而治疗一种罕见的疾病,这种蛋白质会导致心脏和神经损伤。

阿尔尼拉姆制药公司总裁阿克沙伊?维什瑙(Akshay Vaishnaw)说:“我们抱着热忱和激情,对脂质纳米颗粒满怀期望,但是这种新型纳米颗粒并没有释放足够的RNA到肝细胞中,无法消除患者体内的问题基因。”一种更有效的配方在人体试验中发挥了作用,并形成了静脉注射药物Onpattro,该药物今年获得了美国和欧盟监管机构的批准。

美国波士顿贝斯?伊斯雷尔女执事医学中心的发育生物学家弗兰克?斯莱克(Frank Slack)说:“静脉注射药物Onpattro的批准,以及2016年批准的另一种基于RNA的药物,对该领域注入了活力。”许多RNA研究人员正在将注意力转移到一种新型传递方法——将化学稳定的RNA与糖分子结合在一起,这种糖分子位于肝脏中。阿尔尼拉姆制药公司现已开发出一种类似的方法,可以针对肝脏以外组织,例如:眼睛和中枢神经系统。斯莱克称,让RNA在某些组织(包括心脏)中积累是一个重大挑战,但是我们公司的成功才刚刚开始。

9、原始世界的分子窗口

今年,科学家5亿多年前的远古生物化石上发现了分子痕迹,从而使他们对神秘的远古世界认识更加清晰,远古世界曾孕育了地球上最早的动物,从而使得分子古生物学追溯至几亿年前。同时,科学家在一些已知的最奇怪化石中也发现了脂肪分子特征,这些远古生物被称为“埃迪卡拉纪生物”,发现海绵这种形式的生物可能比之前预想的进化时间早1亿年。

70多年以来,科学家们一直对埃迪卡纪化石的外形感到迷惑不解,它们有些像树叶或者蕨叶,还有一些生物化石看上去并不像地球任何生物。它们是远古海洋植物还是动物?或者是一些完全独立的灭绝生命形式?

澳大利亚国立大学研究人员想知道,他们能否从一些特殊化石中提取出重要化学线索。虽然这些化石有5.5亿年的历史,但仍然保存着一层看似有机物质的薄膜,这些化石来自俄罗斯北部白海岸边的一个悬崖,该区域的岩石逃脱了可以抹去这些分子痕迹的高温高压环境。

研究人员首先在叫做Beltanelliformis的小型埃迪卡拉纪圆形化石上获得了验证,他们从岩石样本上移除薄膜,进行溶解,同时使用气相色谱和质谱法寻找保存下来的有机分子。他们在今年1月份发表的研究报告中称,他们发现了高浓度藿烷类化合物,这种分子表明这些小球是蓝藻细菌聚集区。这一成功实验让他们有信心在一种叫做Dickinsonia的化石上进行这技术实验,该化石是著名的埃迪卡拉纪物种之一,该化石呈现椭圆形,长度大约0.5米,非常像一块棉絮浴垫。今年9月份,研究小组称,Dickinsonia化石中含有胆固醇类分子的痕迹,这是动物生命的标志。这与其他证据相吻合,该证据表明至少埃迪卡拉纪物种是地球上最早的动物之一。

今年10月,另一支研究小组在6.6-6.35亿年前的岩层中发现仅由海绵构成的分子痕迹,该发现表明海绵这种形式的生物可能比之前预想的进化时间早1亿年。

10、细胞如何对内含物质进行整理

细胞内部的各个组成部分是如何协调的,如何在正确的时间和位置发挥功能?科学家最新研究发现,这个问题的关键是液滴(liquid droplets)。2018年,科学家发表研究报告称,细胞中碰撞的数百万个RNA分子以特定的形状相互识别和浓缩,液相分离发挥着更大的作用,驱动DNA转录为RNA蛋白质,浓缩成为附着在DNA上的液滴,它们揭示了一项基本的生命活动奥秘——基因选择性表达作用。

从2009年开始,研究人员发现许多蛋白质分离或者浓缩形成离散液滴,浓缩它们的物质成分,特别是当细胞对压力做出反应时,这种“液体-液相分离”类似于油和醋在调料中的分层效果。现在这是细胞生物学中最热门的话题之一,因为有证据表明,这种分离促进了关键的生化反应,并且似乎是细胞的基本组织 原理。

2017年《自然》杂志发表的两篇论文显示,细胞核中的液体蛋白质滴有助于缩小基因组的某些区域,从而抑制了其中的基因。今年,《科学》杂志的3篇研究报告指出,相位分离发挥着更大的作用,他们展示了驱动了基因代码从DNA转移至RNA,这是制造新蛋白质的第一步,可以凝结成附着DNA上的液滴。其中的细节亟待进一步研究,但是这些研究揭晓了相分离在生命演变过程中的一个基本秘密——基因选择性表达具有重要作用。

生物物理学家正在研究这些液滴是如何形成的,某些类型的蛋白质痕迹像意大利面条,蛋白质尾迹相互作用触发凝结。但是当这个过程出现错误时,原本是液体的物质就会变成凝胶,随后出现凝固,形成神经退行性疾病(例如肌萎缩性侧索硬化症)中常见的聚合物。今年3月份,《科学》杂志报道称,当蛋白质被不恰当地从细胞核中排除时,就会发生类似的情况。今年4月份,《科学》杂志发表4篇论文揭示了溶解这些有毒物质的方法,一些实验室正试图利用该方法研制治疗神经退行性疾病的药物。

据悉,除了年度科学突破事件之外,《科学》杂志还评选出了3个“年度负面事件”。

第一个是全球气候变暖事件,该现象导致灾难性气候频繁发生,但是全球各国的应对政策不利;

第二个是具有200年历史的巴西自然博物馆在今年9月焚毁;

第三个是今年11月贺建奎利用基因编辑技术培育出抵抗HIV病毒的双胞胎女婴。(叶倾城)

网络编辑:小熊

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