2018年度十大科學突破事件:“單細胞水平細胞譜系追蹤技術”奪得突破桂冠

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

1. 追蹤單細胞發(fā)育譜系

斑馬魚胚胎細胞譜系

從希波克拉底時代開始，生物學家就困惑于單細胞胚胎是如何發(fā)育成擁有多種器官和億萬細胞的成體。現(xiàn)在，通過結合多種技術，生物學家可在單細胞尺度上揭示各個基因何時啟動并誘導細胞分化。首先，研究者從活體中分離出數(shù)千個完整細胞；之后，使用測序技術獲得各個細胞的基因表達情況；最后，利用計算機或細胞標簽，重建這些細胞的時間與空間關系。這些技術能夠無比細致地為我們呈現(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)學中心的系統(tǒng)生物學家尼古勞斯.拉杰夫斯基（Nikolaus Rajewsky）說，這項 “三部曲” 技術 “將改變接下來十年的研究”。 如今，世界各地的研究團隊正在應用這些技術研究人體細胞如何在發(fā)育過程中成熟，組織如何再生，以及細胞在疾病中發(fā)生哪些變化。

2. 冰河時代的“沖擊”

墜落在格陵蘭島的隕石碎片，計算機模擬圖

2018年11月，科學家使用飛機雷達發(fā)現(xiàn)封存在千米厚的冰蓋下方一個 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）一樣具有災難性，但 希亞瓦沙可能對全球氣候產(chǎn)生了巨大的影響：它突然爆發(fā)，融化的冰川水將會涌入北大西洋，可能會阻礙通往歐洲西北部的暖流，從而使溫度驟降。這項發(fā)現(xiàn)可能為新仙女木事件（Younger Dryas），即在冰河世紀后的一次持續(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，揭示了兩個已滅絕的人種之間的驚人聯(lián)系：在西伯利亞的一個洞穴中，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，至少偶爾會在冰河時代的歐洲和亞洲進行雜交，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. 細胞如何對內(nèi)含物進行管理

蛋白質-RNA 液滴

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

5. 法醫(yī)系譜學走向成熟

法醫(yī)系譜學使得罪犯落網(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）是上世紀七八十年代在加利福尼亞州發(fā)生的一系列強奸和謀殺事件。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，開辟了一個新的領域：法醫(yī)系譜學（Forensic genealogy）。在金州殺人案中，當局使用了一個公共的、簡潔的在線 DNA 數(shù)據(jù)庫：GEDMatch。它由德克薩斯州和佛羅里達州的兩個業(yè)余系譜學家運行，任何人都可以提交DNA測試結果。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遠房親屬。于是他們與一位系譜學家合作，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系更近的親屬匹配。一旦數(shù)據(jù)庫擁有300萬個用戶資料，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的研究人員利用氣相色譜及質譜等方法在震旦紀（又名埃迪卡拉紀，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，這是動物生命的標志，表明至少一部分震旦紀生物是地球上最早的動物之一。10月，另一研究團隊在來自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物可能比已有最古老的化石早進化了一億年。

7. 基因沉默藥物獲批上市

RNA 干擾

一種基于RNA干擾（RNAi）技術讓基因沉默機制的藥物，2018年獲得了美國FDA批準。早在20多年前，RNAi技術就已被發(fā)明，但 RNA分子過于脆弱，且難以將它們引導到正確的組織中，因此難以轉化為藥物。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：一種脂質納米顆粒，可保護基因沉默的RNA 并將其運送至肝臟。他們希望它可通過阻止因蛋白質折疊錯誤，來治療一種被稱為遺傳性轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見疾病，該蛋白質的累積會導致心臟和神經(jīng)損傷。改進后的配方在人體試驗中起了作用，并成為靜脈注射藥物 Onpattro，2018年贏得了美國和歐盟監(jiān)管機構的批準，并以每年45萬美元的定價進入市場。

8. 新技術數(shù)分鐘內(nèi)可確定分子結構

用電鏡獲取微米級顆粒的分子結構

2018年10月，兩個研究小組同時發(fā)表論文，揭示了在幾分鐘內(nèi)確定小有機化合物分子結構的新方法。研究人員通過用電子束替換 X 射線來改進衍射技術，電子束瞄準目標生物大分子的片狀2D晶體堆疊而成的微小3D晶體。他們向旋轉臺上的微小3D晶體發(fā)射電子束，并跟蹤每次輕微旋轉時衍射圖案的變化情況。該技術可在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生來自微觀晶體的分子結構。新技術非常適合用于繪制激素和潛在藥物等小分子結構，將對新藥的合成和發(fā)現(xiàn)、分子探針設計，以及研究和追蹤疾病等領域產(chǎn)生深遠的影響。

9. 遙遠星系的信使

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，多信使天文學開始使用稱為宇宙射線和引力波的高速粒子對宇宙進行觀測。而今年，另一位“信使”加入了這個行列：中微子，一種微小、幾乎沒有質量的粒子，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，研究人員報道，美國宇航局的費米伽瑪射線太空望遠鏡在檢測到中微子的幾天后，發(fā)現(xiàn)了一個非常明亮的耀變體。這是中微子望遠鏡第一次檢測到中微子的星系外來源。

10. #MeToo 大有作為

美國反性騷擾運動#MeToo

直到最近，科學中的性騷擾一直被低估并且在很大程度上被忽視。6月，美國國家科學院、工程和醫(yī)學院發(fā)布了一份關于科學、工程學和醫(yī)學領域女性性騷擾報告。報告表明，超過50％的女教職員工以及20％-50％的學生，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，一些機構采取了行動。9月，美國國家科學基金會(NSF)表示，大學必須告知資助者在騷擾調(diào)查期間或被判犯有性騷擾罪，可能會得到來自NSF 的 “有針對性的嚴重后果”。同月，美國科學促進會(AAAS)也通過了一項政策，根據(jù)該政策，AAAS研究員一旦被確認是性騷擾者，將會剝奪這一終身榮譽。

“科學崩壞”事件之一——基因編輯嬰兒

“基因編輯嬰兒”事件被曝光后，引起國際社會強烈關注

除了年度突破，《科學》雜志還評選出2018年“科學崩壞”事件。

第一個損害科學的事件是全球氣候變暖，災難性天氣頻發(fā)，但遺憾的是，世界各國政策應對不利，行動遲緩。

第二個，在面臨缺少資金、遭到當局忽視的多年后，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。

最后一個是基因編輯嬰兒事件。

《科學》雜志介紹，今年11月，賀建奎宣稱利用基因編輯技術讓一對夫婦生出能抵抗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險，因為還有其它已經(jīng)過驗證的預防HIV病毒感染的方法。這項試驗不僅倫理審查有問題，而且也隱藏在秘密之中進行，只是在有計劃的公關失敗后，消息泄露而被外界熟知。此舉不僅打破了胚胎試驗的國際共識，也違反了中國的法規(guī)。正是由于這些原因，該事件被評為2018年年度“科學崩壞”事件。