近年來，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(shí)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(huì)發(fā)展格局中的重要性不斷增強(qiáng)，作為21世紀(jì)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(guó)際生命科學(xué)與生物技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)：

　　隨著以納米孔為標(biāo)志的第三代基因測(cè)序技術(shù)迅猛來襲，測(cè)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(cè)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)胞免疫療法的無限潛力，無一不彰顯出生命科學(xué)和生物技術(shù)向個(gè)體化、精準(zhǔn)化邁進(jìn)的趨勢(shì)。

(一)重大研究進(jìn)展

　　1.生命組學(xué)研究繼續(xù)推動(dòng)生命科學(xué)發(fā)現(xiàn)

　　技術(shù)創(chuàng)新和交叉推動(dòng)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(guó)首爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院利用PacBio單分子測(cè)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(guó)馬克斯-普朗克學(xué)會(huì)(馬普學(xué)會(huì))生物物理化學(xué)研究所開發(fā)了瞬時(shí)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，繪制了人類瞬時(shí)轉(zhuǎn)錄組圖譜;美國(guó)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(píng)估。在蛋白質(zhì)組方面，美國(guó)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分析方法，首次定量檢測(cè)了完整的人類蛋白質(zhì)組;美國(guó)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(dòng)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(cè)序技術(shù)推動(dòng)了免疫組庫(kù)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(guó)、歐洲和中國(guó)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)步推動(dòng)基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，美國(guó)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(guó)洛克菲勒大學(xué)首次精確定位并定量了哺乳動(dòng)物大腦中的基因表達(dá)。腦圖譜繪制方面，美國(guó)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(guó)華盛頓大學(xué)完成了人類大腦皮層圖譜，97個(gè)大腦皮層區(qū)域首次亮相;美國(guó)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(guó)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)了脊髓損傷后人類和黑猩猩對(duì)自身部位而非假肢的控制，標(biāo)志著腦-機(jī)接口技術(shù)在2016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(guó)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(gè)基因的“合成細(xì)菌細(xì)胞”Syn3.0;美國(guó)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(gè)密碼子的大腸桿菌基因組，這一事件入選了我國(guó)兩院院士投票評(píng)選的2016年世界十大科技進(jìn)展新聞;美國(guó)華盛頓大學(xué)通過計(jì)算、建模、預(yù)測(cè)與優(yōu)化，首次人工設(shè)計(jì)出了超級(jí)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(píng)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(guó)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(píng)選的十大科學(xué)突破;美國(guó)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(guó)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(guó)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(dòng)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(guó)的廣泛關(guān)注。近年來，對(duì)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(gè)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)，研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物對(duì)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(yíng)養(yǎng)水平也具有緊密聯(lián)系。美國(guó)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(guó)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(huì)與α-突觸核蛋白“攜手”導(dǎo)致帕金森病的發(fā)生;美國(guó)華盛頓大學(xué)、法國(guó)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(gè)體是健康生長(zhǎng)還是發(fā)育不良。這三項(xiàng)研究被評(píng)為“全球健康尤其是營(yíng)養(yǎng)學(xué)的一個(gè)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(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院發(fā)現(xiàn)一種腸道細(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Seres Therapeutics宣布啟動(dòng)全球首個(gè)合成性微生物藥物SER-262治療原發(fā)性艱難梭菌感染的Ⅰb期臨床試驗(yàn)。

　　6.首個(gè)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(píng)論》(MIT Technology Review)將應(yīng)用免疫工程治療疾病評(píng)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(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)了首個(gè)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(guó)賓夕法尼亞大學(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(guó)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(guó)國(guó)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(rùn)淋巴細(xì)胞(TIL)回輸，治愈了一名晚期結(jié)腸癌患者。

　　7.個(gè)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(gè)體化和精準(zhǔn)化為特征的靶向藥物發(fā)展迅速。2016年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的22個(gè)新藥中，靶向藥物有18個(gè)。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(guó)加州大學(xué)舊金山分校、美國(guó)凱斯西儲(chǔ)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(guó)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(guó)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(guó)維康信托基金會(huì)桑格研究所研究了11000個(gè)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(duì)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(dòng)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(cè)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(cè)序技術(shù)和儀器研發(fā)的方向。納米孔測(cè)序技術(shù)入選了2016年《科學(xué)》雜志評(píng)選的十大科學(xué)突破。Oxford Nanopore公司便攜式納米孔測(cè)序儀MinION完成了對(duì)埃博拉病毒的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在國(guó)際空

　　間站對(duì)鼠、病毒和細(xì)胞的DNA測(cè)序及人類全基因組進(jìn)行測(cè)序，這些應(yīng)用證實(shí)了納米孔測(cè)序技術(shù)在測(cè)序中的應(yīng)用潛力。一系列新型測(cè)序技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，由英國(guó)諾丁漢大學(xué)開發(fā)的Read Until測(cè)序技術(shù)通過與納米孔測(cè)序聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了高度選擇性的DNA測(cè)序。第二代基因測(cè)序技術(shù)也在不斷改進(jìn)，Illumina在2017年初推出了NovaSeq新型測(cè)序儀，有望將人類全基因組測(cè)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(cè)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(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)出了一種新型RNA測(cè)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(píng)為2016年的年度技術(shù)。

　　3.單細(xì)胞測(cè)序與分析技術(shù)加速人類細(xì)胞圖譜繪制

　　單細(xì)胞測(cè)序新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，美國(guó)麻省理工學(xué)院開發(fā)出了新型RNA測(cè)序技術(shù)Div-Seq，可以揭示新生神經(jīng)元的動(dòng)態(tài);我國(guó)北京大學(xué)開發(fā)出了單細(xì)胞三重組學(xué)測(cè)序技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行三種組學(xué)同時(shí)高通量測(cè)序。在單細(xì)胞分析技術(shù)方面，美國(guó)加州理工學(xué)院開發(fā)出光學(xué)原位讀取人工突變存儲(chǔ)(memory by engineered mutagenesis with optical insitu readout，MEMOIR)技術(shù)，能夠讀取動(dòng)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(guó)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)的精確性及脫靶問題逐步改善，其應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大。美國(guó)哈佛大學(xué)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)堿基的編輯，提高了其精確性;美國(guó)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(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校首次實(shí)現(xiàn)了RNA編輯，美國(guó)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(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)、日本神戶大學(xué)及我國(guó)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 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(píng)論》將液體活檢評(píng)為年度十大突破技術(shù)。液體活檢的檢測(cè)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(guó)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(zhǎng)率高達(dá)30%，是世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率的10倍，生物產(chǎn)業(yè)已成為增長(zhǎng)速度領(lǐng)先的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

　　本文摘編自科學(xué)技術(shù)部社會(huì)發(fā)展科技司,中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展中心編著《2017中國(guó)生命科學(xué)與生物技術(shù)發(fā)展報(bào)告》一書，內(nèi)容有刪節(jié) 。