生命科學學科的發(fā)展前沿與課程的育人價值

1、僅供個人參考For personal use only in study and research; not forcommercial use生命科學學科的發(fā)展前沿與課程的育人價值現代生命科學與生物技術取得了一系列重要進展和重大突破，并正在加速向應用領域滲透，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出巨大的應用前景。生命科學新技術和新方法的發(fā)展及其與數理科學、工程科學的進一步交叉融合，為更深入系統(tǒng)地認識生命、 更精準有效地改造生物體提供了前所未有的機遇。繼信息技術之后， 生物技術日益成為新一輪科技革命和產業(yè)變革的核心，在重塑未來經濟社會發(fā)展格局中的重要性不斷增強，作為 21世紀

2、最重要的創(chuàng)新技術集群之一，其引領性、突破性、顛覆性特征日益凸顯。今天先來了解2018 國際生命科學與生物技術發(fā)展態(tài)勢：隨著以納米孔為標志的第三代基因測序技術迅猛來襲，測序技術邁向高通量、高精度、低成本與便攜性時代。 與此同時， 表觀轉錄組分析技術、單細胞測序分析技術與基因編輯技術加速了人類生命藍圖的繪制與完善。這些生命科學手段與生物技術不斷創(chuàng)新、交叉與融合，廣泛地應用到科學前沿、 臨床應用乃至產業(yè)研發(fā)等諸多領域，從而涌現出了越來越多的生命科學研究：腦 - 機接口技術的重大突破，改造生命和創(chuàng)造生命的深入研究，干細胞與再生醫(yī)學療法的臨床轉化， 微生物組與人類健康和疾病的重大關聯(lián)，乃至細胞免疫療法的

3、無限潛力，無一不彰顯出生命科學和生物技術向個體化、精準化邁進的趨勢。（一）重大研究進展1生命組學研究繼續(xù)推動生命科學發(fā)現技術創(chuàng)新和交叉推動生命組學研究向更精確的方向發(fā)展。在基因組方面， 韓國首爾大學醫(yī)學院利用PacBio 單分子測序技術結合BioNano 單分子光學圖譜技術，發(fā)表了最為連續(xù)的人類二倍體基因組組裝結果。在轉錄組方面，德國馬克斯-普朗克學會（馬普學會）生物物理化學研究所開發(fā)了瞬時轉錄組測序技術，繪制了人類瞬時轉錄組圖譜；美國斯克利普斯研究所協(xié)同多家機構完成了大腦單神經元轉錄組的大規(guī)模評估。在蛋白質組方面， 美國系統(tǒng)生物學研究所和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院合作開發(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組； 美國多家機構聯(lián)合開展了大規(guī)模蛋白質基因組學（ proteogenomics ）研究， 探索了驅動乳腺癌和卵巢癌的關鍵因子。在免疫組方面， 哈佛大學醫(yī)學院在一系列免疫細胞中進行了干擾素誘導基因表達和染色質的分析，構建了干擾素誘導調節(jié)網絡；新一代基因測序技術推動了免疫組庫分析的臨床應用。2腦科學醞釀全球合作研究，腦-機接口技術實現重大突破腦科學持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展， 并醞釀全球合作。 在美國、歐洲和中國的腦計劃不斷推進的同時，全球神經科學家積極探討開展全球協(xié)作，共同解決腦科學研究三大挑戰(zhàn)。腦科學研究產出系列成果，尤其是在腦-機接口技術上取得了重要突破。技術進步

5、推動基礎研究快速發(fā)展，美國冷泉港實驗室開發(fā)的標記大腦神經元MAP-seq 新技術，有望實現深度神經網絡的重大突破； 美國洛克菲勒大學首次精確定位并定量了哺乳動物大腦中的基因表達。 腦圖譜繪制方面， 美國加州大學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鍵一步；美國華盛頓大學完成了人類大腦皮層圖譜，97個大腦皮層區(qū)域首次亮相；美國艾倫腦科學研究院繪制了迄今最完整的數字版人腦結構圖譜，將成為大腦研究的最新指南。美國俄亥俄州立大學、瑞士聯(lián)邦技術研究所分別利用腦-機接口技術，實現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，標志著腦 -機接口技術在 201

6、6 年邁出了重要一步。3合成生物學發(fā)展突飛猛進合成生物學在改造生命和創(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)展與大數據技術的廣泛應用，美國克雷格· 文特爾研究所等機構在以前工作的基礎上人工合成了目前世界上最小、僅含有473 個基因的“合成細菌細胞”Syn3.0；美國哈佛大學通過計算機軟件設計出了只包含 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 年世界十大科技進展新聞；美國華盛頓大學通過計算、建模、預測與優(yōu)化，首次人工設計出了超級穩(wěn)定的二十面體蛋白，該重大成果入選了2016 年科學雜志評選的十大科學突破， 為合成生物學、藥物裝載提供了良好的

7、工具。此外，人類基因組編寫計劃日益受到研究人員的關注； 能夠合成硅 -碳鍵生物體的誕生預示著合成生物學未來具有無限可能性。4干細胞與再生醫(yī)學研究展現臨床應用巨大前景全球各國繼續(xù)大力支持干細胞與再生醫(yī)學研究，同時強化監(jiān)管體系建設，進一步加速了干細胞與再生醫(yī)學療法的臨床轉化進程。干細胞基礎研究持續(xù)深入，日本九州大學首次實現了干細胞體外生成成熟卵細胞，為理解卵子形成進程提供了新的藍圖，該成果入選了2016年科學 雜志評選的十大科學突破；美國加州大學舊金山分校利用化合物把皮膚細胞成功轉化為心肌細胞與腦細胞；美國馬里蘭大學醫(yī)學中心首次利用成人干細胞修復新生兒心臟。與此同時，包括干細胞在內的細胞技術與組織

8、工程、3D 打印等工程化技術的融合，逐漸指明了工程化組織器官修復的發(fā)展方向。美國韋克福雷斯特大學利用 “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人類微生物組展現與人類健康和疾病重大關聯(lián)人類微生物組被稱為人類的第二套基因組，該領域已經成為生物醫(yī)學研究的熱點，并獲得各國的廣泛關注。 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注的領域。2016 年，腸道微生物組與人類健康和疾病的關系研究持續(xù)推進，研

9、究發(fā)現，腸道微生物對代謝疾病、心血管疾病、神經系統(tǒng)疾病、癌癥等多種疾病均具有重要的調控作用， 同時與免疫應答和營養(yǎng)水平也具有緊密聯(lián)系。美國耶魯大學解釋了腸道菌群引起肥胖的機制， 解決了困擾學界多年的難題；美國加州理工學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”導致帕金森病的發(fā)生； 美國華盛頓大學、 法國里昂第一大學同時發(fā)現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。這三項研究被評為 “全球健康尤其是營養(yǎng)學的一個分水嶺”。在機制探索的基礎上， 腸道微生物也為多種疾病的診斷和治療帶來了新的機遇。美國貝勒醫(yī)學院發(fā)現一種腸道

10、細菌能夠逆轉小鼠的自閉癥狀；比利時魯汶大學發(fā)現一種名為Akkermansia的腸道細菌能夠減緩小鼠的肥胖和糖尿病進程；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。6首個 PD-L1免疫療法藥物上市，細胞免疫療法有望攻克實體瘤近年來，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）將應用免疫工程治療疾病評為年度十大突破技術。免疫檢查點抑制劑和細胞免疫療法是當前腫瘤免疫療法研究的熱點。在免疫檢查點抑制劑方面， 2016 年美國食品藥

11、品監(jiān)督管理局（FDA）批準了首個以 PD-L1為靶點的免疫療法藥物 Tecentriq。2016 年，細胞免疫療法在攻克實體瘤方面取得了多項突破性成果。美國賓夕不得用于商業(yè)用途僅供個人參考法尼亞大學在小鼠模型中證明了靶向癌細胞表面蛋白Tn-MUC1 的嵌合抗原受體T 細胞（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)學中心貝克曼研究所利用靶向白細胞介素的 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胞（ TIL）回輸，治

12、愈了一名晚期結腸癌患者。7個體化和精準化是醫(yī)藥技術發(fā)展的方向隨著精準醫(yī)學的快速發(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式發(fā)展，特別是以個體化和精準化為特征的靶向藥物發(fā)展迅速。2016 年， FDA 批準的 22 個新藥中，靶向藥物有 18 個。與此同時，許多重要的新的疾病靶點正在被不斷發(fā)現。2016 年，美國加州大學舊金山分校、美國凱斯西儲大學分別發(fā)現了三陰性乳腺癌（ TNBC）的新靶點 PIM1激酶、腫瘤免疫療法新靶點免疫檢查點蛋白Cdk5，美國加州大學圣地亞哥分校發(fā)現了172種腫瘤基因突變與靶向藥物的組合。生物大數據成為靶向藥物研發(fā)、指導精準用藥的重要資源。2016 年，美國

13、 Regeneron 遺傳學中心將50 000 余人的基因組數據與其電子病歷相結合，發(fā)現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)現了癌癥基因突變與對特定藥物的敏感性之間的關聯(lián)。（二）技術進步生命科學新技術不斷革新，推動生命科學研究朝著精準化、定量化和可視化的方向進一步發(fā)展。1基因測序技術邁向高通量、低成本與便攜性時代高通量、 高精度、 低成本和便攜性是測序技術和儀器研發(fā)的方向。納米孔測序技術入選了 2016 年科學雜志評選的十大科學突破。OxfordNanopore公司便攜式納米孔測序儀MinION 完成了對埃博拉病毒的現場檢測

14、，在國際空間站對鼠、病毒和細胞的DNA 測序及人類全基因組進行測序， 這些應用證實了納米孔測序技術在測序中的應用潛力。一系列新型測序技術也不斷涌現，由英國諾丁漢大學開發(fā)的Read Until 測序技術通過與納米孔測序聯(lián)用，實現了高度選擇性的 DNA 測序。第二代基因測序技術也在不斷改進，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表觀轉錄組分析技術揭示RNA修飾調控機理開發(fā)新型測序技術，發(fā)現RNA 修飾標志物及其修飾位點，揭示其調控機理，是目前表觀轉錄組領域發(fā)展的重點。2016 年，美國加州大學洛杉磯分校開發(fā)出了一種新型

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

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

17、靶問題逐步改善，其應用范圍也進一步擴大。美國哈佛大學不得用于商業(yè)用途僅供個人參考實現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；美國加州大學圣地亞哥分校首次實現了RNA編輯， 美國索克生物研究所開發(fā)出了可編輯眼睛、大腦、 胰腺及心臟細胞等非分裂細胞的新技術，為基因編輯技術應用于疾病治療帶來了更廣闊的前景。同時，法國艾克斯 -馬賽大學、日本神戶大學及我國南京大學先后分別開發(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、以結構引導的內切酶（structure-guided

18、nuclease ，SGN）技術，均有望成為新型基因編輯工具。5體外診斷技術高速發(fā)展，液體活檢走向應用體外診斷技術迎來高速發(fā)展期， 為疾病的精準診療奠定了基礎。作為體外診斷分支技術的液體活檢技術已從科研走向應用，成為疾病早期篩查和預后的重要工具。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。液體活檢的檢測物包括循環(huán)腫瘤細胞（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。 2016年 4 月，美國 FDA 批準了首款基于ctDNA 進行腫瘤篩查的產品 Epigenomics 公司的 Epi proColon 試劑盒（用于篩查大腸癌） 。（三）產業(yè)發(fā)展生物產業(yè)是當今發(fā)展最快的領域之一。當前，生物技術不斷在醫(yī)學、 農業(yè)、工業(yè)、環(huán)境、能源等領域展現出巨大的潛力，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，生物產業(yè)的藍圖正被越來越深刻地描繪。全球生物產業(yè)的銷售額每5 年翻一番， 復合年均增長率高達 30%，是世界經濟增長率的10 倍，生物產業(yè)已成為增長速度領先的經濟領域。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途。For