2018年度十大科學(xué)突破事件:“單細(xì)胞水平細(xì)胞譜系追蹤技術(shù)”奪得突破桂冠

《科學(xué)》雜志每年會(huì)評(píng)出在即將過去的一年里最為重要的十大科學(xué)突破（Science Breakthrough）。今年，奪得年度突破桂冠的是“單細(xì)胞水平細(xì)胞譜系追蹤技術(shù)”，幫助破獲多起懸案的法醫(yī)系譜技術(shù)、#MeToo 運(yùn)動(dòng)等也榜上有名。值得一提的是，賀建奎前幾天被《自然》雜志評(píng)為年度人物后，其主導(dǎo)的基因編輯嬰兒事件也進(jìn)入了《科學(xué)》雜志的榜單，被認(rèn)為是年度“科學(xué)的崩壞”（Science Breakdown）。

1. 追蹤單細(xì)胞發(fā)育譜系

斑馬魚胚胎細(xì)胞譜系

從希波克拉底時(shí)代開始，生物學(xué)家就困惑于單細(xì)胞胚胎是如何發(fā)育成擁有多種器官和億萬細(xì)胞的成體?，F(xiàn)在，通過結(jié)合多種技術(shù)，生物學(xué)家可在單細(xì)胞尺度上揭示各個(gè)基因何時(shí)啟動(dòng)并誘導(dǎo)細(xì)胞分化。首先，研究者從活體中分離出數(shù)千個(gè)完整細(xì)胞；之后，使用測序技術(shù)獲得各個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)情況；最后，利用計(jì)算機(jī)或細(xì)胞標(biāo)簽，重建這些細(xì)胞的時(shí)間與空間關(guān)系。這些技術(shù)能夠無比細(xì)致地為我們呈現(xiàn)生物體和器官是如何發(fā)育的。德國柏林馬克斯·德爾布呂克（ Max Delbrück ）分子醫(yī)學(xué)中心的系統(tǒng)生物學(xué)家尼古勞斯.拉杰夫斯基（Nikolaus Rajewsky）說，這項(xiàng) “三部曲” 技術(shù) “將改變接下來十年的研究”。 如今，世界各地的研究團(tuán)隊(duì)正在應(yīng)用這些技術(shù)研究人體細(xì)胞如何在發(fā)育過程中成熟，組織如何再生，以及細(xì)胞在疾病中發(fā)生哪些變化。

2. 冰河時(shí)代的“沖擊”

墜落在格陵蘭島的隕石碎片，計(jì)算機(jī)模擬圖

2018年11月，科學(xué)家使用飛機(jī)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)封存在千米厚的冰蓋下方一個(gè) 31 公里寬的隕石坑希亞瓦沙（Hiawatha）。希亞瓦沙火山口是地球上最大的25個(gè)隕石坑之一。雖然不像6600萬年前在墨西哥滅絕恐龍的隕石?？颂K魯伯（Chicxulub）一樣具有災(zāi)難性，但 希亞瓦沙可能對(duì)全球氣候產(chǎn)生了巨大的影響：它突然爆發(fā)，融化的冰川水將會(huì)涌入北大西洋，可能會(huì)阻礙通往歐洲西北部的暖流，從而使溫度驟降。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能為新仙女木事件（Younger Dryas），即在冰河世紀(jì)后的一次持續(xù)千年的降溫事件，提供了新的啟示。

3. 古人類的混血兒

在俄羅斯丹尼索瓦谷的洞穴中發(fā)現(xiàn)的骨碎片

一塊來自生活在5萬多年前女性的骨頭碎片，揭示了兩個(gè)已滅絕的人種之間的驚人聯(lián)系：在西伯利亞的一個(gè)洞穴中，研究者從發(fā)現(xiàn)的骨骼中提取古DNA，顯示該女性的母親是尼安德特人，而她的父親則是一丹尼索瓦人。此前，研究人員知道尼安德特人、丹尼索瓦人和現(xiàn)代人類，至少偶爾會(huì)在冰河時(shí)代的歐洲和亞洲進(jìn)行雜交，這一最新的發(fā)現(xiàn)，是尼安德特人和丹尼索瓦人之間相遇的親密見證。

4. 細(xì)胞如何對(duì)內(nèi)含物進(jìn)行管理

蛋白質(zhì)-RNA 液滴

細(xì)胞內(nèi)的各組分是如何協(xié)調(diào)的，以至于能夠在正確的時(shí)間和地點(diǎn)行使功能？科學(xué)家逐漸意識(shí)到，這個(gè)問題的關(guān)鍵是液滴（Liquid droplet）。從2009年開始，研究人員發(fā)現(xiàn)許多蛋白質(zhì)能夠分離或濃縮成離散的液滴，特別是當(dāng)細(xì)胞對(duì)壓力作出反應(yīng)時(shí)。此前的研究顯示，細(xì)胞核中的蛋白質(zhì)液滴能夠沉默特定的染色體區(qū)域。2018年，《科學(xué)》雜志的三篇論文指出了這種液相分離的更大作用：驅(qū)動(dòng) DNA 轉(zhuǎn)錄為 RNA 的蛋白質(zhì)，可濃縮成附著在DNA上的液滴，它們揭示了一項(xiàng)基本的生命活動(dòng)奧秘：基因的選擇性表達(dá)作用。當(dāng)相分離過程出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，蛋白質(zhì)液滴可變成固化的凝膠，從而形成神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缂∥s側(cè)索硬化癥）中出現(xiàn)的各種聚集體。

5. 法醫(yī)系譜學(xué)走向成熟

法醫(yī)系譜學(xué)使得罪犯落網(wǎng)

2018年4月，美國警方宣布他們逮捕了一名史上最撲朔迷離懸案的嫌疑人。金州殺人案（Golden State Killer）是上世紀(jì)七八十年代在加利福尼亞州發(fā)生的一系列強(qiáng)奸和謀殺事件。警方利用犯罪現(xiàn)場回收的DNA，通過公共家譜 DNA 數(shù)據(jù)庫鎖定了金州殺手的親屬。此后，警方利用這一策略破解了 20 余起其他懸案，開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域：法醫(yī)系譜學(xué)（Forensic genealogy）。在金州殺人案中，當(dāng)局使用了一個(gè)公共的、簡潔的在線 DNA 數(shù)據(jù)庫：GEDMatch。它由德克薩斯州和佛羅里達(dá)州的兩個(gè)業(yè)余系譜學(xué)家運(yùn)行，任何人都可以提交DNA測試結(jié)果。調(diào)查人員將犯罪現(xiàn)場的 DNA 圖譜上傳到數(shù)據(jù)庫后，找到了嫌疑人的幾個(gè)遠(yuǎn)房親屬。于是他們與一位系譜學(xué)家合作，使用公共記錄建造大型家庭樹，最終將證據(jù)指向了73歲的約瑟夫·詹姆斯·德安吉洛（Joseph James DeAngelo）。他的年齡和位置與部分罪行相匹配，并且測序顯示犯罪現(xiàn)場 DNA 與德安吉洛的車門把手的DNA相匹配。有學(xué)者表示，大約有60％擁有歐洲血統(tǒng)的美國人在數(shù)據(jù)庫中有表親或血緣關(guān)系更近的親屬匹配。一旦數(shù)據(jù)庫擁有300萬個(gè)用戶資料，即使他們從未測過DNA，就可用類似的方法找到超過90％的白人。

6. 原始世界的分子窗口

含有膽固醇樣分子痕跡的狄更遜水母化石

2018年9月，來自澳大利亞國立大學(xué)的研究人員利用氣相色譜及質(zhì)譜等方法在震旦紀(jì)（又名埃迪卡拉紀(jì)，距今6.35-5.41億年前)的狄更遜水母(Dickinsonia)化石中找到了膽固醇樣分子的痕跡，這是動(dòng)物生命的標(biāo)志，表明至少一部分震旦紀(jì)生物是地球上最早的動(dòng)物之一。10月，另一研究團(tuán)隊(duì)在來自6.6億到6.35億年前的巖石中發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)今只有海綿制造的分子，這表明海綿這種形式的動(dòng)物可能比已有最古老的化石早進(jìn)化了一億年。

7. 基因沉默藥物獲批上市

RNA 干擾

一種基于RNA干擾（RNAi）技術(shù)讓基因沉默機(jī)制的藥物，2018年獲得了美國FDA批準(zhǔn)。早在20多年前，RNAi技術(shù)就已被發(fā)明，但 RNA分子過于脆弱，且難以將它們引導(dǎo)到正確的組織中，因此難以轉(zhuǎn)化為藥物。直到2008年，總部位于馬薩諸塞州劍橋市的 Alnylam Pharmaceuticals 公司提出了解決方案：一種脂質(zhì)納米顆粒，可保護(hù)基因沉默的RNA 并將其運(yùn)送至肝臟。他們希望它可通過阻止因蛋白質(zhì)折疊錯(cuò)誤，來治療一種被稱為遺傳性轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見疾病，該蛋白質(zhì)的累積會(huì)導(dǎo)致心臟和神經(jīng)損傷。改進(jìn)后的配方在人體試驗(yàn)中起了作用，并成為靜脈注射藥物 Onpattro，2018年贏得了美國和歐盟監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，并以每年45萬美元的定價(jià)進(jìn)入市場。

8. 新技術(shù)數(shù)分鐘內(nèi)可確定分子結(jié)構(gòu)

用電鏡獲取微米級(jí)顆粒的分子結(jié)構(gòu)

2018年10月，兩個(gè)研究小組同時(shí)發(fā)表論文，揭示了在幾分鐘內(nèi)確定小有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的新方法。研究人員通過用電子束替換 X 射線來改進(jìn)衍射技術(shù)，電子束瞄準(zhǔn)目標(biāo)生物大分子的片狀2D晶體堆疊而成的微小3D晶體。他們向旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的微小3D晶體發(fā)射電子束，并跟蹤每次輕微旋轉(zhuǎn)時(shí)衍射圖案的變化情況。該技術(shù)可在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生來自微觀晶體的分子結(jié)構(gòu)。新技術(shù)非常適合用于繪制激素和潛在藥物等小分子結(jié)構(gòu)，將對(duì)新藥的合成和發(fā)現(xiàn)、分子探針設(shè)計(jì)，以及研究和追蹤疾病等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

9. 遙遠(yuǎn)星系的信使

南極冰層下的探測器記錄了由中微子觸發(fā)的罕見閃光

近年來，多信使天文學(xué)開始使用稱為宇宙射線和引力波的高速粒子對(duì)宇宙進(jìn)行觀測。而今年，另一位“信使”加入了這個(gè)行列：中微子，一種微小、幾乎沒有質(zhì)量的粒子，非常難以觀測。為了捕獲這種系外粒子，研究人員在南極下方制造了一塊一立方公里的冰塊，用光探測器裝飾，以記錄由中微子引發(fā)的微弱閃光。這個(gè)巨大的探測器被稱為冰立方（ Ice-Cube），之前已記錄了許多中微子。2017年9月22日，中微子與冰中的核相撞，光傳感器很好地確定了它來自的方向。2018年7月，研究人員報(bào)道，美國宇航局的費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡在檢測到中微子的幾天后，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常明亮的耀變體。這是中微子望遠(yuǎn)鏡第一次檢測到中微子的星系外來源。

10. #MeToo 大有作為

美國反性騷擾運(yùn)動(dòng)#MeToo

直到最近，科學(xué)中的性騷擾一直被低估并且在很大程度上被忽視。6月，美國國家科學(xué)院、工程和醫(yī)學(xué)院發(fā)布了一份關(guān)于科學(xué)、工程學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域女性性騷擾報(bào)告。報(bào)告表明，超過50％的女教職員工以及20％-50％的學(xué)生，曾遭受性騷擾，包括最普遍的形式——語言和非語言的性別歧視。2018年，一些機(jī)構(gòu)采取了行動(dòng)。9月，美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)表示，大學(xué)必須告知資助者在騷擾調(diào)查期間或被判犯有性騷擾罪，可能會(huì)得到來自NSF 的 “有針對(duì)性的嚴(yán)重后果”。同月，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)也通過了一項(xiàng)政策，根據(jù)該政策，AAAS研究員一旦被確認(rèn)是性騷擾者，將會(huì)剝奪這一終身榮譽(yù)。

“科學(xué)崩壞”事件之一——基因編輯嬰兒

“基因編輯嬰兒”事件被曝光后，引起國際社會(huì)強(qiáng)烈關(guān)注

除了年度突破，《科學(xué)》雜志還評(píng)選出2018年“科學(xué)崩壞”事件。

第一個(gè)損害科學(xué)的事件是全球氣候變暖，災(zāi)難性天氣頻發(fā)，但遺憾的是，世界各國政策應(yīng)對(duì)不利，行動(dòng)遲緩。

第二個(gè)，在面臨缺少資金、遭到當(dāng)局忽視的多年后，有著200年歷史的巴西自然博物館在今年9月焚毀，成為很多研究者的傷痛。

最后一個(gè)是基因編輯嬰兒事件。

《科學(xué)》雜志介紹，今年11月，賀建奎宣稱利用基因編輯技術(shù)讓一對(duì)夫婦生出能抵抗HIV病毒的雙胞胎女嬰。目前還不清楚這些修改是否真的能保護(hù)她們免受HIV病毒感染，也不清楚有什么潛在的好處值得他們冒這些風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫€有其它已經(jīng)過驗(yàn)證的預(yù)防HIV病毒感染的方法。這項(xiàng)試驗(yàn)不僅倫理審查有問題，而且也隱藏在秘密之中進(jìn)行，只是在有計(jì)劃的公關(guān)失敗后，消息泄露而被外界熟知。此舉不僅打破了胚胎試驗(yàn)的國際共識(shí)，也違反了中國的法規(guī)。正是由于這些原因，該事件被評(píng)為2018年年度“科學(xué)崩壞”事件。