2013年生命科学、生物技术研究动态

赵贵英，张树庸



2013年生命科学、生物技术研究动态

赵贵英，张树庸

100050 北京，中国医学科学院医药生物技术研究所（赵贵英）；100012 北京实验动物研究中心（张树庸）

2013 年生命科学和生物技术领域基础研究、应用研究不断深入，由于篇幅有限，笔者仅就世界各国对热门的脑科学研究、干细胞研究、基因组测序、基因研究和其他一些方面的研究进行最简单的介绍，供读者参考。

1 “脑科学研究”火热兴起

欧盟委员会表示，欧洲很多人患上与脑有关的疾病，为此一定要加强脑科学研究。另外，脑科学研究不但可以揭开大脑高智能、高效率、低耗能之谜，对人工智能、基因组学、细胞生物学、生理学、生物信息学、解剖学、行为科学、信息技术、纳米技术和营养学都有重要的拉动作用。此外，脑科学研究还会催生一系列新产品、新服务，推动经济和社会发展。至此，欧盟委员会在 2013 年 1 月份宣布人脑工程入选欧盟“未来新兴旗舰技术项目”并设立专项研发计划，该项计划将在未来 10 年内分别拨 10 亿欧元经费。揭示大脑奥秘，了解神经疾病及药物作用，用超级计算机建立最详细的人类大脑模型。美国于 2013 年 4月份也公布了一项可同“人类基因组计划”相提并论的“脑计划”。探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图，试图对无法治愈的大脑疾病开发出新的疗法。日本也制定了“脑科学时代”计划。发达国家出现了脑科学研究热，各国都在抢占制高点。

另外，在神经科学研究方面，科学家首次用钙传感染料在脊椎动物（斑马鱼幼仔）大脑中得到神经细胞放电的图像。“透明（clarity）”及化学处理方法可使不透明的组织变得清晰，无需大脑切片就可以显示神经回路，大大推动了绘制大脑构造的进展[1]。首张超高分辨率的 3D 人脑图谱“大脑（BigBrain）”让研究人员了解脑细胞之间的连接以及如何产生复杂的行为。使用光刺激老鼠大脑海马体内经过基因修改的神经细胞可以引入错误的记忆，这表明，对神经信号进行精确地控制为期不远。

研究人员通过老鼠研究发现，大脑有一个独特的“垃圾处理系统”，睡眠时这个系统能够高效清除代谢废物，这一突破性的研究成果证明了睡眠是大脑自我“大扫除”，清除废物的过程[2]。

2 干细胞研究蓬勃开展

我国科学家实现了体细胞重编程技术的重大突破。2012 年，日本科学家山中伸弥因将 4 个基因引入体细胞，体细胞变成了多功能干细胞（ips 细胞）而获得诺贝尔医学和生理学奖。2013 年，我国科学家完成了一种将体细胞变成 ips 细胞更简单的方法。他们仅用 4 个小分子化合物的组合对体细胞进行处理，成功地用小分子化合物替代了3 个基因，仅使用 Oct4 这一个基因就完成了体细胞重编程，使之变成 ips 细胞。科学家表示，人类未来有可能通过使用小分子化合物直接在体内改变细胞命运。这样，治疗疾病所需要的细胞功能或许可直接通过小分子化合物来重塑。如果这一目标能实现，许多疑难病的治疗将会得到全新的解决，整个再生医学将会发生革命性的变化。

美国科学家采用培育“多利羊”的核移植技术，从一个患有遗传病的婴儿身上提取了皮肤细胞，并和一个捐献的卵子融合，采用化学和电击法刺激卵子，卵子开始分裂形成了人类胚胎，从中提取了干细胞。科学家表示，这是一个技术上的突破进展，目的不是要克隆人，是向培育用于疾病的替代组织迈出了重要的一步。因为干细胞可以制造身体的其他组织和器官，科学家们希望借助这一方法治疗各种疑难病[3]。

科学家们 2013 年在体外用干细胞培育出与人类类似的“迷你（mini）”器官。如日美研究人员在实验室利用人类多功能干细胞构建出了微小的肝芽；又如澳大利亚学者使用人体皮肤细胞制造出了一小块功能性的“迷你肾脏”；奥地利科学家通过人体干细胞培育出了一个直径仅有 4 mm 的微型大脑。这些迷你型的人类器官作为研究人类疾病的模型要比实验动物模型好的多[4]。

2013 年干细胞研究不断向临床应用研究推进。例如，日本研究人员打算招募视网膜黄斑变性患者，将用多功能干细胞生成的视网膜色素上皮细胞注入眼内来治疗该病。11 月份，日本政府通过了一项再生医学法案。加速支持 ips 细胞相关研究的治疗。意大利政府也首次批准了一项从前禁止和未经证实的治疗绝症患者的疗法（通过注射从骨髓中提取的干细胞），并向一项临床试验提供了资金。

美国科学家用遗传性心脏病患者的皮肤细胞培育出了心脏细胞，并在实验中诱导出心脏模型，出现了心脏病发作时的主要特征，这将有助于更好地研究心脏病，开辟新的治疗方法。

美国科学家成功地将人体干细胞转化成功能性的肺细胞和呼吸道细胞。这将帮助科学家们研究肺部发育，构建肺病模型，筛选药物并最终制造出可供移植的肺部器官。

3 基因组测序

美国科学家开发出一种改良基因组组装工艺流程，生成的读取片段达到数万个核苷酸长度，最终的组装序列准确率大于 99.999%。以往的桑格测序法只有 700 个核苷酸。新工艺大大提高了测序组装和分析的成本效益，科学家表示，当今新一代基因测序技术迅猛发展，致使一周就可以测大约 30 人次的人类基因组重复序列，而且每人次的价格已经下降到 5000 ~ 6000 美元。以前测序都集中在单个基因，而现在能考虑到整体的影响。因为单独靠调整一两个基因很可能不起效果，只有打破单个因素对疾病影响的局限，才能对疾病的治疗产生突破。

我国科学家完成了卵细胞的高精度全基因组测序。这一方法能够帮助医生诊断出来自母亲卵子或父亲精子的遗传病。另外，采用极体单细胞基因组测序技术可以提高体外受精的成活率，特别是对高龄以及反复流产的妇女。

美国国家卫生研究院宣布，将在未来 5 年总共投入 2500 万美元，用于资助研究为新生儿进行基因组测序的前景与伦理问题，使基因组测序技术向大规模应用迈出重要一步。加利福尼亚大学旧金山分校及北卡罗来纳大学的两个研究组则针对新生儿的“外显子组”测序展开研究，以确认该技术能否与现有新生儿筛查方法结合使用，外显子组是指基因组中蛋白质编码区域，仅占人类整个基因组序列的百分之一。目前，美国已对新生儿进行了几十年的足跟血筛查，旨在早期诊断遗传代谢疾病，但这种筛查仅能诊断几十种疾病，而现在已明确与单个基因缺陷有关的疾病约有 7000 种。基因组测序成本快速下降，使其推广应用成为可能。目前，个人全基因组测序成本约为 5000 美元，而全部外显子组测序只需 1000 美元。

美国科学家采用能从单个细胞中捕获基因组的自动化技术，从一家医院的下水管生物膜上收集了 TM6 细菌，使用 DNA 拼接法成功重建了该细菌的基因组，进行测序，结果表明，这种细菌无法制造氨基酸，可能需要寄居在生物膜中或者单细胞微生物内部。目前，还不知道 TM6 细菌是否对人体有害，该研究成果有助于培养和研究类似微生物，从而进一步了解它们的生态特征和功能。研究报告发表在美国《国家科学院院报》上。

科学家表示，通过基因组分析表明，现代人、尼安德特人、丹尼索瓦人以及一种未知的来自亚洲的人类祖先曾相互杂交。DNA 分析持续揭示了与人类有关的线索。2013 年11 月，科学家们在东西伯利亚贝加尔湖畔发现了一具死于 2.4 万年前的小男孩的尸体，其 DNA 与西欧人一致，且跟当代印第安人的吻合比例约 25%，这表明，美洲印第安人有欧洲血统。

美国科学家进行了微生物“暗物质”研究，他们用单细胞 DNA 测序技术对多种微生物的基因组进行测序后发现，微生物远比我们知道的要丰富多样，研究同时揭示了不同物种间令人惊奇的关联。

4 基因研究

研究人员发现，细菌具备一种有高度适应性的免疫系统，使它们能发现并击退噬菌体的多次进攻。细菌用这一策略探测并剪切外来的 DNA。剪切外来 DNA 的酶Cas9 会在一个 RNA 引导序列的帮助下发现目标。据此，科学家发明了 CRISPR 技术，对基因进行剪切，形成一套基因编辑系统。或许将来治病可以选择“基因手术”。使用 CRISPR基因技术将有害的变异基因切除，植入健康的 DNA 来治病。2013 年 CRISPR 技术从实验室走向市场。已超过12 个研究团队用它来操控多个植物、动物和人类细胞的基因组[5]。2013 年 11 月美国计算生物学家报告称，通过 DNA 数据库中的信息，与公开信息进行交叉比对，不需要这些人的 DNA 样本，就可以确定贡献 DNA 样本者的身份，这一发现震惊了科学界。

加拿大和德国科学家共同在德国《应用化学》国际版上发表文章，经过 50 多年的研究证明 RNA 也是双螺旋结构。研究人员表示，这一发现将对生物纳米材料和超分子化学的研究具有十分重要的作用。核酸具有惊人的自我识别特性，将其作为基础材料或可构建出生物纳米机械——利用合成生物学制成的纳米级器件。生物纳米机械的优势在于体积非常小、生产成本低、便于修改。许多生物纳米机械已经影响到我们的日常生活，如酶、传感器、生物材料和医学防治（如艾滋病的治疗、帮助组织再生等方面）。

澳大利亚科学家已经确认了一种基因 Mc1-1，它对于维系抗体生成细胞的存活十分关键。抗体生成细胞也被称为浆细胞，存在于骨髓中，可使抗体为人体提供长期的抗病毒和抗细菌防护。浆细胞会在接种疫苗或是感染后产生。浆细胞依赖于 Mc1-1 基因生存，如果没有基因 Mc1-1，它们将在 2 天内死亡。浆细胞对于免疫至关重要，它需要受到 Mc1-1 基因的严格控制，当失控时就会持续制造抗体，抗体多了，它们将攻击和破坏人体自有的组织，这一发现有助于开创骨髓瘤和慢性免疫性失调等疾病的治疗新方法。相关研究发表在 2013 年 2 月3 日出版的《自然·免疫学》杂志上。

德国科学家研究表明，衰老导致的心脏细胞减少和心脏功能减退是引发心血管疾病的重要原因，一个被称为“miR-34a”的短 RNA 片段在这个过程中起重要作用。动物实验显示，如果实验鼠由于遗传因素缺少这种片段，由衰老引起的心脏细胞死亡数量会减少，且心脏病发作后的心脏机能恢复也快。原因是这种短 RNA 片段会抑制一种名为 PNUTS 的蛋白质，而这种蛋白质在保护心脏细胞免受损伤，减少程序性细胞死亡发挥着重要作用，这一成果有望为心血管疾病的防治开发出新的疗法。该文发表在英国《自然》杂志上。

美国科学家通过降低单个基因的表达，让一群小鼠的平均寿命延长 20%。和人相比，相当于延寿16 年。该研究小组的研究是针对一个名为 mToR 的基因，该基因参与物质代谢和能量平衡。研究人员利用基因工程技术抑制小鼠体内 mToR 蛋白质的产生，使这些小鼠体内 mToR 蛋白质水平仅为正常小鼠的25%，或者说小鼠中仅含有生存所需的最低量的 mToR。该基因工程小鼠除体型上略小，和普通小鼠相比并无差别。在迷宫和平衡能力测试中，基因工程小鼠优于普通小鼠，它们比普通小鼠有更好的记忆力和平衡能力，在肌肉力量上也优于普通小鼠。专家表示，此项成果可能有助于阿尔茨海默症等与老龄化相关疾病的治疗。

美国怀特黑德生物医学研究所的Richard Young 是人类胚胎干细胞调节通路的先驱，也是世界知名的基因组研究专家。2013 年 4 月，Richard Young 领导的研究小组发现了一个强大的调控因子控制了小鼠和人类细胞状态和特性，并将它们命名为“超级增强子”，研究人员发现只有数百个的超级增强子控制了赋予每个细胞特性和功能的大多数关键基因，并且在发育过程中这些超级增强子会特别迅速地发生改变，使细胞的身份发生变化。研究人员表示，这些超级增强子能够对大量的人类细胞类型起作用，并富集在与广泛疾病密切相关的基因组突变区，这表明它们有可能在疾病诊断和治疗中起作用。研究报告发表在《细胞》杂志上[6]。

科学家在实验室造出人工基因调控系统。人体细胞大约含有 2 万个基因，会产生大量蛋白质，很多基因也会影响到其他基因的活动。如能理解这些基因之间的相互作用，就能从整体上提高生物医学的研究水平。但在天然系统中，基因之间的相互作用极其复杂。美国杜克大学研究人员模仿人体细胞内复杂的基因调控过程，在实验室制造出一种人工系统，能再现多种蛋白质是怎样相互作用打开一个基因的，这种新系统能帮助那些基础研究人员，作为他们检查基因“打开”或“关闭”效果的一种工具，并为开发新的基因疗法，促进合成生物学的研究发挥重要作用，相关研究论文发表在英国《自然·方法学》杂志上。

美国研究人员最新研究表明，人类基因组中的“垃圾 DNA”可能决定着人的相貌。所谓“垃圾 DNA”是指人类基因组中曾被认为毫无用处的部分，在基因组中所占比例高达 98%。研究发现“垃圾 DNA”中有一些序列片段，可以像开关或放大器一样影响着脸部基因的作用。眼睛的大小、鼻子的挺拔、头颅的形状等可能与这些被称为“增强子”的序列片段有关系。人类基因组中可能有成千上万个增强子，它们在某种程度上影响着脸型。为验证他们的发现，研究人员培育了缺少 3 个已知增强子的转基因小鼠，接着用计算机断层成像来获取这些小鼠 8 周时的头颅三维图像。结果与所预料的一样，转基因小鼠的头颅比普通小鼠的头颅要长或短些，或显得更窄或更宽些。研究论文发表在美国《科学》杂志上。

美国华盛顿大学和莱斯大学研究人员合作开发出一种荧光 DNA 探测分子，能检查出一段目标 DNA链中单个碱基的变化，而这些微小的变化可能是造成某些疾病的根源。不同的 DNA 序列为不同生物设定了独特的基因标记。这种探测分子经过专门设计，把含有两种序列的分子在盐水试管中混合，如果两条链的碱基都是完好的，它们自然地匹配在一起，探测分子会发生荧光，如果不发光，则意味着上面的碱基对发生了突变。现代基因组学研究表明，仅一个碱基对的变化就足以引起严重的生物后果，可能决定了一种疾病能否被治愈，也解释了疾病的突发或某些疾病对常规抗生素治疗无效的原因。例如引发肺结核的细菌有很强的耐药性，通常是由于基因序列中的少量突变。这一科研成果有助于诊断和治疗像癌症、肺结核这类的疾病。相关论文发表在 2013 年 7 月 28 日英国出版的《自然·化学》杂志网站上。

美国耶鲁大学和哈佛大学的科学家合作，为一种细菌重新编写了完整的基因组编码，并提高了抗病毒的能力。研究人员的基本构想是改变生物学的基本规则，探索能否替换自然生物的某些密码子或整个基因组字母，然后再引入全新字母创造出自然界没有的氨基酸。具体实验，研究人员替换了大肠杆菌的一个密码子，删除了其本身固有的停止标记，该停止标记可终止蛋白质合成。他们将停止密码子进行了修改，使之编码了一种新型氨基酸，并将之插入到基因组中。新基因组能产生一种蛋白质，限制病毒感染细胞，从而让细菌拥有了抵抗病毒的感染能力。科学家表示，本研究标志着人们首次改变一个生物整个基因组的全部基因编码。这将能以生物制造方式创造出新型生物，制造出“特异”的蛋白质和高分子聚合物，而这些新型分子为新一代材料设计、纳米结构、疾病的治疗以及药物传递打下基础。由于基因编码是通用的，本研究也可为重新编码其他生物的基因组带来广泛的前景，这将对生物技术带来巨大影响，有可能开辟出全新的研究与应用之路，提高人们改造自然的能力。相关论文刊登在 2013 年 10 月 18 日美国出版的《科学》杂志上[7]。

美国科研人员找到 60 个可作为“阿司匹林响应标记”的基因。阿司匹林作为一种稀释血液的药物，已广泛应用于心脏病和中风患者，但是不一定对每个人都起作用。美国杜克大学医学院的研究人员找到了60 个可以作为“阿司匹林响应标记”的基因，并开发出血液的基因活性检测，这不仅能够准确地检测出阿司匹林对患者是否具有疗效，还可以作为强大的预报器预测其心脏病发作的风险，相关论文发表在 2013 年 7月 3 日《美国心脏病学会杂志》网络版上。

短的单链 DNA 分子也叫寡核苷酸，它们是研究人员的基本工具，在许多科学领域发挥着重要作用。当今，基因和分子生物学研究开发领域取得很多新进展，如生物基因组快速扫描技术必须依靠寡核苷酸，另外，DNA 纳米技术以及开发由 DNA 片段组成的药物都需要产生更纯更廉价的寡核苷酸片段。而现有的人工合成的寡核苷酸片段，会随着DNA 序列长度的增加而加大错误的复制数量。瑞典卡罗琳斯卡研究所和美国哈佛大学合作开发出一种制造寡核苷酸的新方法。制造寡核苷酸的生产过程是用生物生产，通过所用的细菌来复制 DNA 序列，以低成本大量地制造 DNA 副本。研究人员表示，已经通过酶催化的生产方法造出一个系统，不仅能提高寡核苷酸制造的质量，而且利用细菌廉价生产大量的 DNA 复制品，也使扩大生产规模成为可能。这将为生物技术快速发展奠定基础。

抑制一种基因或许使人吃不胖，日本研究人员发现一种名为“ARIA”的基因具有妨碍脂肪燃烧的功能。在实验鼠实验中发现，“ARIA”基因表达被抑制的实验鼠不变胖，它们与正常鼠一起连续 14 周喂食高脂肪食物，其皮下和内脏脂肪的量也只有正常鼠的三分之一或二分之一。在喂食普通食物的实验中发现，两组实验鼠的体重差别不大，但“ARIA”基因表达受抑制的实验鼠血糖上升受到抑制，研究人员认为它们不易患糖尿病。如果能研发出抑制这种基因作用的新药，就有可能开发出治疗肥胖症的新疗法。

英国科学家在人体细胞中发现四螺旋结构。物理学家在过去数十年中已经证明四螺旋 DNA 能够在试管内形成，但这种结构被认为无法在自然界中发现。英国剑桥大学的科学家首次发现四螺旋 DNA 在人类活体细胞中也能形成。研究显示，四螺旋结构可能存在于某些特殊细胞中，或者说细胞处于某种紊乱的环境才会产生该结构的 DNA。确切地说，四螺旋结构更可能出现在癌细胞等快速分裂的细胞中，该结构或许是开发选择抑制癌细胞增殖的新方法，在人体细胞中确认它们的存在是一个里程碑事件。而利用这种结构作为标靶，可为未来癌症个性化治疗提供可能。相关论文发表在 2013 年 1 月的《自然·化学》杂志上。

加拿大麦吉尔大学的研究人员用 DNA 短链创建了 DNA“立方笼”，用于传递小分子药物，当受到特定刺激后将药物释放出来。这标志着利用生物纳米结构将药物输送到患者的病患细胞上又迈进了一步，同时也为设计 DNA 为基础的纳米材料开辟了新的可能。专家表示，DNA 纳米结构在被用作体内输送药物的合成材料上具有很多优势。DNA 结构可以非常精确地被构建，能生物降解，也能调整其大小、形状和性能。许多病变细胞，如肿瘤细胞，会过度地表达某些基因，在未来的应用中，DNA“立方笼”可携带药物到达病变细胞的环境中，从而触发药物释放。这将会减少药物的毒副作用，研究人员目前正和有关医院合作进行细胞和动物研究，以评估该方法对慢性淋巴细胞白血病和前列腺癌的适用性。研究报告发表在《自然·化学》杂志上。

5 其他方面的研究

法国科学家发现了一个巨大病毒，其长度为 1 μm，其 DNA 共有 2500 个基因（大部分病毒只有 10 个基因左右），取名为“潘多拉病毒”。令人震惊的是巨病毒的基因序列与地球上的病毒相似度较低，似乎是另一类。科学家仅对其7% 的基因序列有所了解，剩下的 93% 完全陌生。科学家们认为也可能是另一种生命形式的存在。该病毒的发现也显示人类对地球上的微生物了解得还不全面。

2013 年科学家对数万亿以人类身体为家的细菌所做的研究已弄清楚了这些微生物对我们有多大的影响。“个性化”药物研究需要将这些寄生在体内的微生物考虑在内才有效[8]。

2013 年，中美科学家利用结构生物学技术对常见的儿童呼吸道病毒——呼吸道合胞病毒进行操控，设计出一种免疫原——这是疫苗中的主要成分，该病毒每年会导致数百万儿童住院。这是首次依据结构生物学设计出的如此强有力的对抗疾病的工具[9]。

综上所述，可以看出2013 年世界各发达国家都高度重视脑科学研究，出现脑科学研究热，为阿尔茨海默症、帕金森症等无法治愈的神经系统疾病快速发展研究迈出了重要步伐；基因组测序技术迅速前进，预示着基因测序技术的大规模应用已为期不远，将为疾病的“个体化”治疗指明方向；用干细胞制造人体一些组织和器官，进行器官移植治疗各种疑难病将指日可待；细菌重编程研究工作的完成，标志着人类能够改变一个生物整个基因组的全部基因编码，这将为生物合成、为人类开辟全新的研究与应用之路，为人们改造自然打下坚实的基础。

[1] 2013 Runners-Up. CLARITY makes it perfectly clear. Science, 2013, 342(6165):1434-1435.

[2] 2013 Runners-Up. To sleep, perchance to clean. Science, 2013, 342(6165):1440.

[3] 2013 Runners-Up. Human cloning at last. Science, 2013, 342(6165): 1436.

[4] 2013 Runners-Up. Dishing up mini-organs. Science, 2013, 342(6165): 1436-1437.

[5] 2013 Runners-Up. Genetic microsurgery for the masses. Science, 2013, 342(6165):1434-1435.

[6] Hnisz D, Abraham BJ, Lee TI, et al. Super-enhancers in the control of cell identity and disease. Cell, 2013, 55(4):934-947.

[7] Lajoie MJ, Rovner AJ, Goodman DB, et al. Genomically recoded organisms expand biological functions. Science, 2013, 342(6156): 357-360.

[8] 2013 Runners-Up. Your microbes, your health. Science, 2013, 342(6165):1440-1441.

[9] 2013 Runners-Up. In vaccine design, looks do matter. Science, 2013, 342(6165):1442-1443.

赵贵英，Email：guiying_zhao@163.com

2014-03-03

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2014.03.016