盘点 | 美国《Science》杂志评选出“2018年度十大科学突破”_研究

原标题：盘点 | 美国《Science》杂志评选出“2018年度十大科学突破”

文 / 管颜青 编 / 干玎竹

【搜狐健康】近日，顶级期刊《Science》评选出“2018年度十大科学突破”，其中7项成果与生物医学领域相关，单细胞基因活性分析技术突破拔得头筹，成为年度突破之首。让我们一起来看看，有哪些科学发现荣登这张榜单。

1、单细胞基因活性分析(Development Cell by Cell)

长期以来，科学家们一直好奇，一个简单的受精卵究竟是如何发育成有数亿细胞和完整器官结构的个体？这是生物学领域最大的谜题之一。如今，我们都已经知道，个体发育实际上是DNA协调了整个细胞增殖和分化的过程。

单细胞基因活性分析可以让研究人员通过计算机技术及标记细胞方法，逐个追踪细胞发育，了解哪些基因会在胚胎早期发育时被开启或关闭。

（A zebrafish embryo at an early stage of development. Fluorescent markers highlight cells expressing genes that help determine the type of cell they will become. JEFFREY FARRELL, SCHIER LAB/HARVARD UNIVERSITY）

具体来说，这一探究过程分成了“三部曲”。首先，研究人员需将数千个完整细胞从生物体中分离；随后，应用单细胞RNA-seq方法对每个细胞的遗传物质进行有效的测序；最后，应用多种技术重建这一过程时间与空间关系。

这项突破正在被全世界的研究团体所应用，可以探索人类细胞如何在一生中成熟，组织如何再生，以及细胞在疾病中如何变化。

哈佛大学干细胞生物学家Leonard Zon说，“这项技术回答了胚胎学的基本问题。”德国柏林马克斯·德尔布吕克(Max Delbrück )分子医学中心的系统生物学家Nikolaus Rajewsky对此评价，这项技术“将改变接下来十年的研究”。

2、来自遥远星系的使者（Messengers from a far-off galaxy）

一个多世纪以来，宇宙射线的来源一直是个谜，我们从来都不知道它们的来源究竟是哪里。

所谓宇宙射线，就是来自太空的带电高能亚原子粒子。大部分都是质子，少部分是α粒子、β粒子、γ射线、中微子。其中，中微子是不带电的粒子，不受磁场的影响，几乎是以直线的方式直接向地球移动，这可以帮助科学家确定它们的来源。

（An illustration of detectors buried in ice beneath the South Pole that record rare flashes triggered by neutrinos.JAMIE YANG AND SAVANNAH GUTHRIE. ICECUBE/NSF)

今年7月，来自全球18个不同天文台的天文学家们通过一次联合观测行动，首次证明了一种名为“耀变体”（blazar）的类星体是宇宙中射向地球的高能中微子的来源地。

这颗被天文学家命名为“TXS 0506+056”的耀变体是由南极“冰立方”（Ice Cube）探测器首次发出中微子警报后发现的。它的天文编号TXS 0506+056，位于猎户座天区一个巨型椭圆星系，距离地球40亿光年。

来自阿德莱德大学的科学家Gavin Rowell表示，这一结果预示着中微子天文学即将进入一个新纪元，并进一步放开了研究人员利用伽马射线和无线电波进行观测活动的可能性。”

3、简单确定分子结构（Moleular structures made simple）

几十年来，分子结构的测定方法一直是使用x射线晶体学的技术，它可以通过跟踪x射线从晶体上反射的方式，从而确定分子中原子的具体位置顺序。这些结构对于理解生物分子的功能以及和药物的相互作用是非常有意义的。然而，培养晶体的过程较为困难，这是一些分子结构无法得到解析的主要障碍。

2018年10月，来自美国、德国和瑞士的科学家发表论文，揭示了一种新的方法，可以在几分钟内确定微型有机化合物的分子结构，而不是传统的x射线晶体学技术所需的几天、几周或几个月。

（Structures can now be gleaned from micrometer-size crystals (black), seen here on an electron microscope slide.GONEN LAB)

在这个过程中，研究人员向微小的晶体发射电子束，并跟踪每次轻微旋转时衍射图案的变化情况，可以在几分钟内从微小的晶体中生成分子结构。这项技术需要的晶体大小仅为x射线晶体学技术所需的十亿分之一。

学界评价说，这种新技术非常适合于解析小分子结构，如激素和潜在药物分子，它将对药物合成、分子探针设计和疾病追踪等领域产生深远影响。

4、冰河时代的撞击坑(Ice age impact)

今年11月，由哥本哈根大学的科学家领导的国际研究团队公布了一个重要发现，在格陵兰岛北部的一层厚厚的冰层下，存在一个比巴黎大五倍的巨型陨石坑。

(A computer visualization of asteroid fragments falling toward Greenland. NASA SCIENTIFIC VISUALIZATION STUDIO)

这个名为Hiawatha的陨石坑是地球上最大的撞击陨石坑之一，它的直径有31公里宽，推测撞击可能发生在13000年前。

研究人员认为，这个巨大的陨石坑可以与“新仙女木”事件（Younger Dryas）系起来。“新仙女木”事件就是导致全球气候进入新仙女木期的事件。这一事件大约发生在距今12800年时，在此之前地球处于温暖的间冰期。它的发生导致了一场持续了一千年的全球降温现象。

5、反性骚扰运动#MeToo（#MeToo makes a difference）

科研领域的性骚扰事件长期以来都不为人知，而且基本上被忽视，但从今年开始这一现象出现了好转迹象。

2018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的性骚扰现象进行了分析。报告指出，超过50%的女教师职工和20%—50%的女学生，曾遭受到性骚扰，包括语言和非语言的性别歧视。今年，一些机构对此采取了行动。

(DARIA KIRPACH/@SALZMANART)

今年9月，美国国家科学基金会( NSF )表示，在未来，一旦一名资金资助获得者在性骚扰调查期间休假或被判犯有性骚扰罪时，该资金资助获得者所在的大学必须告NSF，这样NSF就有可能“采取针对性的惩罚措施”。

同时，出版Science期刊的美国科学促进会（AAAS）采取了一项政策，根据这项政策，经证实是性骚扰者的AAAS研究员会被剥夺这一终身荣誉。

6、古老的人类“混血儿”(An archaic human ‘hybrid’)

一块来自生活在5万多年前女性的骨头碎片，揭示了两个已灭绝的古老人种之间的联系。这块骨头碎片来自西伯利亚的一个洞穴中，研究人员从骨骼中提取了DNA进行测序分析。结果显示，这名女性的母亲是尼安德特人，她的父亲是丹尼索瓦人。

(A bone fragment found in a cave in the Denisova valley in Russia. THOMAS HIGHAM, UNIVERSITY OF OXFORD)

研究人员指出，她可能是目前发现的最早的“混血儿”。这两个古老种群具有明显的遗传差异，这一最新的发现，是尼安德特人和丹尼索瓦人之间相遇的亲密见证。学界认为，这有助于了解古代人类的行为。

7、法医谱系学日益成熟(Forensic genealogy comes of age)

2018年4月，美国警方宣布，“与1970年代末的至少12起谋杀、51起强奸和120起入室盗窃案有关”的现年已72岁的“金州杀手”迪安吉多已被逮捕。

在破案的过程中，警方利用犯罪现场回收的DNA，通过公共家谱 DNA 数据库识别了金州杀手的亲属。

Joseph James DeAngelo, the alleged Golden State Killer. (PAUL KITAGAKI JR./THE SACRAMENTO BEE VIA AP/POOL)

此后，执法人员利用这一策略破获了大约20起其他的悬案，开创了一个新领域:法医谱系学。

今年秋季，一份遗传学的报告显示，60％的欧洲裔美国人能够在一个拥有100万个样本的数据库找到他们的第三代堂表兄妹或更亲的亲属。如果数据样本达到300万份档案，90 %以上的白人可以用类似的方法被找到，即使他们并没有接受过DNA测试。

这些结果让一些伦理学家和遗传学家感到震惊，他们认为这项搜索侵犯了个人隐私，有可能还会误认嫌疑人。

8、基因沉默药物获批(Gene-silencing drug approved)

今年8月，FDA宣布批准了第一款基于RNA干扰（RNAi）技术的治疗药物，这预示着靶向致病性基因的新药物的开发将推进到新的时代。

早在20年前，两位美国遗传学家发现短RNA分子能够通过附着在mRNA上来破坏基因表达。这项研究为他们赢得了诺贝尔奖，但是很难将它转化为药物。

直到2008年， Alnylam Pharmaceuticals 公司解决了这一难题。研究人员发明出一种脂质纳米颗粒，它可以保护基因沉默RNA，并将其运送到肝脏。这种方式可以治疗一种被称为遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性的罕见疾病，该蛋白质的累积会导致心脏和神经损伤。

(Short RNA molecules attach to messenger RNA (blue), preventing translation into proteins. VAL ALTOUNIAN/SCIENCE)

这项研究是自20年前RNAi技术被发现以来，首个被证实有临床价值并获批上市的RNAi药物。

9、原始世界的分子窗口（Molecular windows into primeval worlds）

70多年来，科学家们一直对埃迪卡拉化石令人困惑的形状感到不解。这些生活在5.65亿—5.43亿年前的动物群，有的长得像叶子或叶状体，看起来和地球上任何生物都不一样。它们到底是植物、动物还是其他的生命形态？

2018年9月，来自澳大利亚国立大学的研究人员利用气相色谱及质谱等方法在狄更逊水母(Dickinsonia)化石中找到了胆固醇样分子的痕迹，这是动物生命的标志。因此，科学家们确认，这种生物是地球上已知最古老的动物之一。

(A fossil of Dickinsonia contained traces of cholesterol-like molecules, a signature of animal life. D. GRAZHDANKIN)

今年10月，另一研究团队在6.6亿到6.35亿年前的岩石中发现了一种仅由海绵构成的分子痕迹，这表明海绵这种形式的动物可能比已有最古老的化石早进化了一亿年。

10、细胞如何对内含物质进行整理（How cells marshal their contents）

一个细胞内的不同角色如何在正确的地点和时间聚在一起执行关键的功能？今年，生物学家开始意识到，答案可能是液滴。

从2009年开始，研究人员发现许多蛋白质能够分离或浓缩成离散的液滴，尤其是当细胞对压力作出反应时。

(Liquid droplets formed from protein and RNA are emerging as a new form of cellular organization. E.M. LANGDON ET AL., SCIENCE 2018)

这项研究揭示了一项基本的生命活动奥秘：基因的选择性表达作用和相分离的关系。当这一过程出现错误时，蛋白质液滴可变成固化的凝胶，从而形成神经退行性疾病(如肌萎缩侧索硬化症)。目前，已有实验室正在应用这一研究开发神经退行性疾病药物。

参考资料

1、https://vis.sciencemag.org/breakthrough2018/finalists/#cell-development