生命科學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿與課程的育人價(jià)值

1、僅供個人參考For personal use only in study and research; not forcommercial use生命科學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿與課程的育人價(jià)值現(xiàn)代生命科學(xué)與生物技術(shù)取得了一系列重要進(jìn)展和重大突破，并正在加速向應(yīng)用領(lǐng)域滲透，在解決人類發(fā)展面臨的環(huán)境、資源和健康等重大問題方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。生命科學(xué)新技術(shù)和新方法的發(fā)展及其與數(shù)理科學(xué)、工程科學(xué)的進(jìn)一步交叉融合，為更深入系統(tǒng)地認(rèn)識生命、 更精準(zhǔn)有效地改造生物體提供了前所未有的機(jī)遇。繼信息技術(shù)之后， 生物技術(shù)日益成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心，在重塑未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局中的重要性不斷增強(qiáng)，作為 21世紀(jì)

2、最重要的創(chuàng)新技術(shù)集群之一，其引領(lǐng)性、突破性、顛覆性特征日益凸顯。今天先來了解2018 國際生命科學(xué)與生物技術(shù)發(fā)展態(tài)勢：隨著以納米孔為標(biāo)志的第三代基因測序技術(shù)迅猛來襲，測序技術(shù)邁向高通量、高精度、低成本與便攜性時(shí)代。 與此同時(shí)， 表觀轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)、單細(xì)胞測序分析技術(shù)與基因編輯技術(shù)加速了人類生命藍(lán)圖的繪制與完善。這些生命科學(xué)手段與生物技術(shù)不斷創(chuàng)新、交叉與融合，廣泛地應(yīng)用到科學(xué)前沿、 臨床應(yīng)用乃至產(chǎn)業(yè)研發(fā)等諸多領(lǐng)域，從而涌現(xiàn)出了越來越多的生命科學(xué)研究：腦 - 機(jī)接口技術(shù)的重大突破，改造生命和創(chuàng)造生命的深入研究，干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)療法的臨床轉(zhuǎn)化， 微生物組與人類健康和疾病的重大關(guān)聯(lián)，乃至細(xì)胞免疫療法的

3、無限潛力，無一不彰顯出生命科學(xué)和生物技術(shù)向個體化、精準(zhǔn)化邁進(jìn)的趨勢。（一）重大研究進(jìn)展1生命組學(xué)研究繼續(xù)推動生命科學(xué)發(fā)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和交叉推動生命組學(xué)研究向更精確的方向發(fā)展。在基因組方面， 韓國首爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院利用PacBio 單分子測序技術(shù)結(jié)合BioNano 單分子光學(xué)圖譜技術(shù)，發(fā)表了最為連續(xù)的人類二倍體基因組組裝結(jié)果。在轉(zhuǎn)錄組方面，德國馬克斯-普朗克學(xué)會（馬普學(xué)會）生物物理化學(xué)研究所開發(fā)了瞬時(shí)轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，繪制了人類瞬時(shí)轉(zhuǎn)錄組圖譜；美國斯克利普斯研究所協(xié)同多家機(jī)構(gòu)完成了大腦單神經(jīng)元轉(zhuǎn)錄組的大規(guī)模評估。在蛋白質(zhì)組方面， 美國系統(tǒng)生物學(xué)研究所和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院合作開發(fā)了人類SRMAtlas

4、分析方法，首次定量檢測了完整的人類蛋白質(zhì)組； 美國多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了大規(guī)模蛋白質(zhì)基因組學(xué)（ proteogenomics ）研究， 探索了驅(qū)動乳腺癌和卵巢癌的關(guān)鍵因子。在免疫組方面， 哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院在一系列免疫細(xì)胞中進(jìn)行了干擾素誘導(dǎo)基因表達(dá)和染色質(zhì)的分析，構(gòu)建了干擾素誘導(dǎo)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)；新一代基因測序技術(shù)推動了免疫組庫分析的臨床應(yīng)用。2腦科學(xué)醞釀全球合作研究，腦-機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破腦科學(xué)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展， 并醞釀全球合作。 在美國、歐洲和中國的腦計(jì)劃不斷推進(jìn)的同時(shí)，全球神經(jīng)科學(xué)家積極探討開展全球協(xié)作，共同解決腦科學(xué)研究三大挑戰(zhàn)。腦科學(xué)研究產(chǎn)出系列成果，尤其是在腦-機(jī)接口技術(shù)上取得了重要突破。技術(shù)進(jìn)步

5、推動基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，美國冷泉港實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的標(biāo)記大腦神經(jīng)元MAP-seq 新技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重大突破； 美國洛克菲勒大學(xué)首次精確定位并定量了哺乳動物大腦中的基因表達(dá)。 腦圖譜繪制方面， 美國加州大學(xué)伯克利分校成功繪制了大腦語義地圖，邁出了解讀人類思想的關(guān)鍵一步；美國華盛頓大學(xué)完成了人類大腦皮層圖譜，97個大腦皮層區(qū)域首次亮相；美國艾倫腦科學(xué)研究院繪制了迄今最完整的數(shù)字版人腦結(jié)構(gòu)圖譜，將成為大腦研究的最新指南。美國俄亥俄州立大學(xué)、瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所分別利用腦-機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了脊髓不得用于商業(yè)用途僅供個人參考損傷后人類和黑猩猩對自身部位而非假肢的控制，標(biāo)志著腦 -機(jī)接口技術(shù)在 201

6、6 年邁出了重要一步。3合成生物學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn)合成生物學(xué)在改造生命和創(chuàng)造生命方面的研究愈發(fā)深入。隨著軟件工具的迅速發(fā)展與大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，美國克雷格· 文特爾研究所等機(jī)構(gòu)在以前工作的基礎(chǔ)上人工合成了目前世界上最小、僅含有473 個基因的“合成細(xì)菌細(xì)胞”Syn3.0；美國哈佛大學(xué)通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出了只包含 57 個密碼子的大腸桿菌基因組，這一事件入選了我國兩院院士投票評選的 2016 年世界十大科技進(jìn)展新聞；美國華盛頓大學(xué)通過計(jì)算、建模、預(yù)測與優(yōu)化，首次人工設(shè)計(jì)出了超級穩(wěn)定的二十面體蛋白，該重大成果入選了2016 年科學(xué)雜志評選的十大科學(xué)突破， 為合成生物學(xué)、藥物裝載提供了良好的

7、工具。此外，人類基因組編寫計(jì)劃日益受到研究人員的關(guān)注； 能夠合成硅 -碳鍵生物體的誕生預(yù)示著合成生物學(xué)未來具有無限可能性。4干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究展現(xiàn)臨床應(yīng)用巨大前景全球各國繼續(xù)大力支持干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究，同時(shí)強(qiáng)化監(jiān)管體系建設(shè)，進(jìn)一步加速了干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)療法的臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)程。干細(xì)胞基礎(chǔ)研究持續(xù)深入，日本九州大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞體外生成成熟卵細(xì)胞，為理解卵子形成進(jìn)程提供了新的藍(lán)圖，該成果入選了2016年科學(xué) 雜志評選的十大科學(xué)突破；美國加州大學(xué)舊金山分校利用化合物把皮膚細(xì)胞成功轉(zhuǎn)化為心肌細(xì)胞與腦細(xì)胞；美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)中心首次利用成人干細(xì)胞修復(fù)新生兒心臟。與此同時(shí)，包括干細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞技術(shù)與組織

8、工程、3D 打印等工程化技術(shù)的融合，逐漸指明了工程化組織器官修復(fù)的發(fā)展方向。美國韋克福雷斯特大學(xué)利用 “組織和器官集成打印系統(tǒng)”（ ITOP）打印出人造耳朵、骨頭和肌肉組織，將其移植給動物后都能保持活性，有望解決人造器官移植難題。5人類微生物組展現(xiàn)與人類健康和疾病重大關(guān)聯(lián)人類微生物組被稱為人類的第二套基因組，該領(lǐng)域已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，并獲得各國的廣泛關(guān)注。 近年來，對待微生物組的觀念更是從“影響人類健康和疾病” 轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩⑷梭w微生物組視作一個人體器官” ，顯示人類微生物組的重要作用。目前，腸道微生物組是其中最受關(guān)注的領(lǐng)域。2016 年，腸道微生物組與人類健康和疾病的關(guān)系研究持續(xù)推進(jìn)，研

9、究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物對代謝疾病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥等多種疾病均具有重要的調(diào)控作用， 同時(shí)與免疫應(yīng)答和營養(yǎng)水平也具有緊密聯(lián)系。美國耶魯大學(xué)解釋了腸道菌群引起肥胖的機(jī)制， 解決了困擾學(xué)界多年的難題；美國加州理工學(xué)院闡述了腸道微生物與帕金森病的聯(lián)系，證明腸道中特定種類微生物的分泌物會與 -突觸核蛋白“攜手”導(dǎo)致帕金森病的發(fā)生； 美國華盛頓大學(xué)、 法國里昂第一大學(xué)同時(shí)發(fā)現(xiàn)在熱量匱乏的情況下，腸道菌群的組成可以決定個體是健康生長還是發(fā)育不良。這三項(xiàng)研究被評為 “全球健康尤其是營養(yǎng)學(xué)的一個分水嶺”。在機(jī)制探索的基礎(chǔ)上， 腸道微生物也為多種疾病的診斷和治療帶來了新的機(jī)遇。美國貝勒醫(yī)學(xué)院發(fā)現(xiàn)一種腸道

10、細(xì)菌能夠逆轉(zhuǎn)小鼠的自閉癥狀；比利時(shí)魯汶大學(xué)發(fā)現(xiàn)一種名為Akkermansia的腸道細(xì)菌能夠減緩小鼠的肥胖和糖尿病進(jìn)程；微生物療法公司SeresTherapeutics宣布啟動全球首個合成性微生物藥物SER-262 治療原發(fā)性艱難梭菌感染的 b期臨床試驗(yàn)。6首個 PD-L1免疫療法藥物上市，細(xì)胞免疫療法有望攻克實(shí)體瘤近年來，免疫療法研發(fā)熱度持續(xù)不減，被視為腫瘤治療的新希望。2016年麻省理工科技評論（ MIT Technology Review）將應(yīng)用免疫工程治療疾病評為年度十大突破技術(shù)。免疫檢查點(diǎn)抑制劑和細(xì)胞免疫療法是當(dāng)前腫瘤免疫療法研究的熱點(diǎn)。在免疫檢查點(diǎn)抑制劑方面， 2016 年美國食品藥

11、品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)了首個以 PD-L1為靶點(diǎn)的免疫療法藥物 Tecentriq。2016 年，細(xì)胞免疫療法在攻克實(shí)體瘤方面取得了多項(xiàng)突破性成果。美國賓夕不得用于商業(yè)用途僅供個人參考法尼亞大學(xué)在小鼠模型中證明了靶向癌細(xì)胞表面蛋白Tn-MUC1 的嵌合抗原受體T 細(xì)胞（CAR-T）療法治療白血病和胰腺癌的有效性；美國希望之城醫(yī)學(xué)中心貝克曼研究所利用靶向白細(xì)胞介素的 CAR-T療法治療腦癌患者，患者腫瘤顯著縮小，且腫瘤曾完全消失； 美國國立衛(wèi)生研究院（ National Institutes ofHealth， NIH）下屬癌癥研究所利用靶向KRAS突變的腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（ TIL）回輸，治

12、愈了一名晚期結(jié)腸癌患者。7個體化和精準(zhǔn)化是醫(yī)藥技術(shù)發(fā)展的方向隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，全球新藥研發(fā)模式逐漸從傳統(tǒng)的重磅炸彈式向精確制導(dǎo)式發(fā)展，特別是以個體化和精準(zhǔn)化為特征的靶向藥物發(fā)展迅速。2016 年， FDA 批準(zhǔn)的 22 個新藥中，靶向藥物有 18 個。與此同時(shí)，許多重要的新的疾病靶點(diǎn)正在被不斷發(fā)現(xiàn)。2016 年，美國加州大學(xué)舊金山分校、美國凱斯西儲大學(xué)分別發(fā)現(xiàn)了三陰性乳腺癌（ TNBC）的新靶點(diǎn) PIM1激酶、腫瘤免疫療法新靶點(diǎn)免疫檢查點(diǎn)蛋白Cdk5，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校發(fā)現(xiàn)了172種腫瘤基因突變與靶向藥物的組合。生物大數(shù)據(jù)成為靶向藥物研發(fā)、指導(dǎo)精準(zhǔn)用藥的重要資源。2016 年，美國

13、 Regeneron 遺傳學(xué)中心將50 000 余人的基因組數(shù)據(jù)與其電子病歷相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了家族性高膽固醇血癥致病基因；英國維康信托基金會桑格研究所研究了11000 個患者樣本中的腫瘤基因突變，發(fā)現(xiàn)了癌癥基因突變與對特定藥物的敏感性之間的關(guān)聯(lián)。（二）技術(shù)進(jìn)步生命科學(xué)新技術(shù)不斷革新，推動生命科學(xué)研究朝著精準(zhǔn)化、定量化和可視化的方向進(jìn)一步發(fā)展。1基因測序技術(shù)邁向高通量、低成本與便攜性時(shí)代高通量、 高精度、 低成本和便攜性是測序技術(shù)和儀器研發(fā)的方向。納米孔測序技術(shù)入選了 2016 年科學(xué)雜志評選的十大科學(xué)突破。OxfordNanopore公司便攜式納米孔測序儀MinION 完成了對埃博拉病毒的現(xiàn)場檢測

14、，在國際空間站對鼠、病毒和細(xì)胞的DNA 測序及人類全基因組進(jìn)行測序， 這些應(yīng)用證實(shí)了納米孔測序技術(shù)在測序中的應(yīng)用潛力。一系列新型測序技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，由英國諾丁漢大學(xué)開發(fā)的Read Until 測序技術(shù)通過與納米孔測序聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了高度選擇性的 DNA 測序。第二代基因測序技術(shù)也在不斷改進(jìn)，Illumina 在 2017 年初推出了 NovaSeq 新型測序儀，有望將人類全基因組測序成本降至100 美元。2表觀轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)揭示RNA修飾調(diào)控機(jī)理開發(fā)新型測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)RNA 修飾標(biāo)志物及其修飾位點(diǎn)，揭示其調(diào)控機(jī)理，是目前表觀轉(zhuǎn)錄組領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。2016 年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)出了一種新型

15、RNA測序技術(shù) m6A-LAIC-seq，可以提供RNA 化學(xué)修飾的詳細(xì)信息；比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)開發(fā)出了 hMeRIP-seq 技術(shù)，繪制了RNA 的 hm5C 轉(zhuǎn)錄組圖譜，全面揭示了這一RNA 修飾的分布、位置和功能；芝加哥大學(xué)與霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所及北京大學(xué)分別開發(fā)出兩種新技術(shù)m1A-seq 和 m1A-ID-seq ，實(shí)現(xiàn)了全轉(zhuǎn)錄組水平上的譜圖鑒定，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新的RNA 甲基化修飾形式 m1A，擴(kuò)展了 mRNA 中的修飾種類， 為該領(lǐng)域提供了新的研究方向。表觀轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)被自然-方法雜志（ NatureMethods ）評為 2016 年的年度技術(shù)。3單細(xì)胞測序與分

16、析技術(shù)加速人類細(xì)胞圖譜繪制單細(xì)胞測序新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，美國麻省理工學(xué)院開發(fā)出了新型RNA 測序技術(shù) Div-Seq，可以揭示新生神經(jīng)元的動態(tài)；我國北京大學(xué)開發(fā)出了單細(xì)胞三重組學(xué)測序技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)對單細(xì)胞進(jìn)行三種組學(xué)同時(shí)高通量測序。在單細(xì)胞分析技術(shù)方面，美國加州理工學(xué)院開發(fā)出光學(xué)原位讀取人工突變存儲（memory byengineered mutagenesiswith optical insitu readout ，MEMOIR）技術(shù)，能夠讀取動物細(xì)胞的生命歷史和“譜系圖”。得益于這些單細(xì)胞技術(shù)的進(jìn)步，國際人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃得以醞釀實(shí)施。4基因編輯技術(shù)日益精準(zhǔn)，得以廣泛應(yīng)用基因編輯技術(shù)的精確性及脫

17、靶問題逐步改善，其應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大。美國哈佛大學(xué)不得用于商業(yè)用途僅供個人參考實(shí)現(xiàn)了對單個堿基的編輯，提高了其精確性；美國麻省總醫(yī)院（MGH）減少了 Cas9 酶與靶DNA 的非特異性互作，從而降低了脫靶效應(yīng)；美國加州大學(xué)圣地亞哥分校首次實(shí)現(xiàn)了RNA編輯， 美國索克生物研究所開發(fā)出了可編輯眼睛、大腦、 胰腺及心臟細(xì)胞等非分裂細(xì)胞的新技術(shù)，為基因編輯技術(shù)應(yīng)用于疾病治療帶來了更廣闊的前景。同時(shí)，法國艾克斯 -馬賽大學(xué)、日本神戶大學(xué)及我國南京大學(xué)先后分別開發(fā)了巨型擬菌病毒噬病毒體抵抗元件（MIMIVIRE）新系統(tǒng)、 Target-AID 新技術(shù)、以結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的內(nèi)切酶（structure-guided

18、nuclease ，SGN）技術(shù)，均有望成為新型基因編輯工具。5體外診斷技術(shù)高速發(fā)展，液體活檢走向應(yīng)用體外診斷技術(shù)迎來高速發(fā)展期， 為疾病的精準(zhǔn)診療奠定了基礎(chǔ)。作為體外診斷分支技術(shù)的液體活檢技術(shù)已從科研走向應(yīng)用，成為疾病早期篩查和預(yù)后的重要工具。2015 年，麻省理工科技評論將液體活檢評為年度十大突破技術(shù)。液體活檢的檢測物包括循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）、循環(huán)腫瘤 DNA（ctDNA）、循環(huán)腫瘤 RNA 和外泌囊泡小體（exosome） 4類，其中CTC和 ctDNA 是目前的研究熱點(diǎn)。 2016年 4 月，美國 FDA 批準(zhǔn)了首款基于ctDNA 進(jìn)行腫瘤篩查的產(chǎn)品 Epigenomics 公司的 Epi proColon 試劑盒（用于篩查大腸癌） 。（三）產(chǎn)業(yè)發(fā)展生物產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。當(dāng)前，生物技術(shù)不斷在醫(yī)學(xué)、 農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，正在引發(fā)新的科技革命，并有可能從根本上解決世界人口、糧食、 環(huán)境、能源等影響人類生存與發(fā)展的重大問題，生物產(chǎn)業(yè)的藍(lán)圖正被越來越深刻地描繪。全球生物產(chǎn)業(yè)的銷售額每5 年翻一番， 復(fù)合年均增長率高達(dá) 30%，是世界經(jīng)濟(jì)增長率的10 倍，生物產(chǎn)業(yè)已成為增長速度領(lǐng)先的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For