中國科協生命科學學會聯合體公布2021年度中國生命科學十大進展

 中國科協生命科學學會聯合體以“公平、公正、公開”為原則開展2021年度“中國生命科學十大進展”評選。本年度延續了將項目成果進行知識創新和技術創新分類推薦和評選的方式，組織成員學會推薦，由生命科學、生物技術和臨床醫學等領域同行資深專家評選，并經中國科協生命科學學會聯合體主席團審核，最終確定8個知識創新類和2個技術創新類項目成果為2021年度“中國生命科學十大進展”。

      本年度“中國生命科學十大進展”的評選，聯合體成員學會推薦項目量較往年大幅增加，競爭激烈，評選日臻完善，社會影響力持續擴大。更為顯著的是，本次入選項目具有原創性突出、社會意義重大的特點。其中，知識創新類項目“從二氧化碳到淀粉的人工合成”，在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉的人工全合成，將在下一代生物制造和農業生產中帶來變革性影響。知識創新類項目“新型冠狀病毒逃逸宿主天然免疫和抗病毒藥物的機制研究”和“冠狀病毒的跨種識別和分子機制”對當今國際社會復雜的抗疫形勢有重大意義。技術創新類項目“干涉單分子定位顯微鏡”為開辟新的交叉學科研究領域奠定基礎。

      中國科協生命科學學會聯合體自2015年起開展年度“中國生命科學十大進展”評選工作，旨在推動生命科學研究和技術創新，充分展示和宣傳我國生命科學領域的重大科技成果。目前評選活動已連續開展7個年度。每年公布評選結果后，邀請入選項目專家編寫和出版科普書籍，并舉辦交流會暨面向青少年的科普報告會，向公眾揭示生命科學的新奧秘，為生命科學新技術的開發、醫學新突破和生物經濟的發展提供新的思路，極大提高了生命科學和相關技術的社會影響力。

      中國科協生命科學學會聯合體現向社會公布2021年度“中國生命科學十大進展”評選結果（排名不分先后）。

中國科協生命科學學會聯合體
2022年1月10日
 

從二氧化碳到淀粉的人工合成
 

      淀粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業原料。中國科學院天津工業生物技術研究所聯合大連化物所等單位，抽提自然光合作用的化學本質，從頭設計創建了從二氧化碳到淀粉合成的非自然途徑，解決了途徑代謝流從頭計算、關鍵酶元件設計組裝、生化途徑精確調控等科學問題，以生物催化與化學催化耦合的11步反應，顛覆了自然光合作用固定二氧化碳合成淀粉的復雜生化過程，在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉的人工全合成，能效和速率超越玉米等農作物，突破了自然光合作用局限，為淀粉的車間制造打開了一扇窗，并為二氧化碳原料合成復雜分子提供了新思路。在國際上引起強烈反響，被認為是一項里程牌式突破，將在下一代生物制造和農業生產中帶來變革性影響。

      該成果發表在《科學》（Science，2021，373(6562):1523-1527）。

脊椎動物從水生到陸生演化的遺傳創新機制
 

      4億多年前脊椎動物從水生到陸生是包括人類在內的陸生脊椎動物演化史上的重大事件，但長期以來對這一重大事件的遺傳創新機制知之甚少。

      西北工業大學生態環境學院王文、王堃團隊與中科院水生生物研究所何舜平和昆明動物所張國捷等團隊合作，發現硬骨魚祖先已進化出了陸生適應性相關的初步遺傳基礎，在肺魚代表的肉鰭魚內得到進一步加強，到四足動物最終完善而成功登上了陸地。Science報道該成果揭示了“隱藏在現生魚類中水生到陸生演化的遺傳奧秘”；瑞典科學院院士Per Alhberg教授撰文指出該項成果克服了化石研究難以研究軟組織器官和生理學問題的挑戰，美國科學院院士、國際著名脊椎動物登陸研究專家Neil Shubin撰文指出該成果為理解脊椎動物水生到陸生的研究“提供了關鍵認知和長久期待的數據”。

     該成果兩篇研究論文以封面故事發表于《細胞》雜志（Cell，2021，184(5):1362-1376；1377-1391）。

脊椎動物水生到陸生演化過程的主要遺傳創新

新型冠狀病毒逃逸宿主天然免疫和抗病毒藥物的機制
 

      新冠病毒肺炎疫情已持續兩年，不斷出現的突變株對發展廣譜藥物提出急迫需求。由病毒復制酶組成“轉錄復制復合體”，負責病毒轉錄復制的全過程，在各突變株中高度保守，是開發廣譜藥物的核心靶點。

      清華大學饒子和院士、婁智勇教授課題組，在國際上首次發現和重構了新冠病毒轉錄復制機器的完整組成形式。以此為基礎，首次明確了病毒mRNA“加帽”成熟的關鍵酶分子，回答了冠狀病毒研究中近30年來懸而未決的問題，并且該分子在各突變株中高度保守，在人體中沒有同源物，為發展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點。同時，他們還首次發現病毒以“反式回溯”的方式對錯配堿基和抗病毒藥物進行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機制，為優化針對聚合酶的抗病毒藥物提供了關鍵科學依據。

      以上研究成果分別發表于《細胞》雜志（Cell, 184(1):184-193; Cell, 184(13):3474-3485）。

新冠病毒轉錄復制復合體的mRNA加帽狀態與復制校正狀態
 

轉錄起始超級復合物組裝機制
 

      轉錄起始超級復合物是中心法則中轉錄步驟的核心，對理解基因表達調控和相關生理病理過程具有重要意義，一直是國際生命科學研究的核心和前沿問題。

      復旦大學徐彥輝團隊解析轉錄起始復合物PIC及其與Mediator（中介體）組成的轉錄起始超級復合物結構的三維結構，系統地展示轉錄機器識別不同類型啟動子并完成組裝的全過程，揭示了轉錄為何發生在幾乎所有基因的啟動子上，顛覆了關于啟動子識別和轉錄起始復合物組裝的傳統認識，闡明了Mediator促進PIC組裝和轉錄激活的機制。

      上述成果以2篇研究長文發表于《科學》雜志（Science 372, eaba8490；Science 372, eabg0635），其中一篇被Science雜志選為封面文章，題目為“轉錄如何起始”。

轉錄起始復合物識別啟動子（左圖）及轉錄激活（右圖）的分子機制

 

提高中晚期鼻咽癌療效的高效低毒治療新模式

      鼻咽癌是“中國特色”腫瘤，年新發病例占全球一半。放療后的全身微小殘留腫瘤是其治療失敗的根源，而由于放療后患者身體狀況差，難以耐受既往高強度的傳統化療（完成率僅約40%-50%），成為制約療效提高的瓶頸。

      中山大學腫瘤防治中心馬駿研究團隊提出了小劑量、長時間口服細胞毒藥物卡培他濱的節拍化療模式，其可通過抗血管生成、殺傷腫瘤干細胞等機制持續抑制腫瘤，同時提高機體耐受性。馬駿教授通過牽頭一項多中心、前瞻性臨床研究發現，在放療后使用“卡培他濱節拍化療”可將失敗風險顯著降低45%，且嚴重毒副作用發生率減少了3/5，完成率達74%。同時卡培他濱口服用藥方便可及，易于向基層推廣。

      由此，該研究打破了傳統化療的療效瓶頸，建立了鼻咽癌國際領先、高效低毒且簡單易行的治療新標準。

      該成果發表于《柳葉刀雜志》（Lancet, 2021, 398(10297): 303-313）。

“卡培他濱節拍化療”的高效低毒治療新模式

異源四倍體野生稻快速從頭馴化

      當前的栽培稻是從祖先二倍體野生稻經過數千年的人工馴化而來，同時伴隨著遺傳多樣性的降低與優異基因的丟失。中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋團隊與合作者首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，對應對未來糧食危機提供了新的可行路徑，開辟了全新的育種方向。以此策略為藍圖，該項目篩選出一份四倍體高稈野生稻資源，建立了高效的組培再生、遺傳轉化與基因編輯體系，組裝了高質量參考基因組，并成功創制了改良落粒性、芒性、株高、粒長、莖稈粗度、生育期等不同類型的四倍體水稻新材料，突破了全部技術瓶頸，證明異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略高度可行。未來四倍體水稻新作物的成功培育將有望對世界糧食生產帶來顛覆性的革命。

      該成果發表于《細胞》雜志（Cell，2021，184(5):1156-1170）。

異源四倍體野生稻快速從頭馴化路徑模式圖

冠狀病毒的跨種識別和分子機制
 

      近20年，人類遭受了三次由冠狀病毒引發的重大疫情。大多數感染人的冠狀病毒來源于動物，而我們發現病毒在人際間傳播往往是滯后的，疾病防控的關口需要在“時間”上前移。

      中國科學院微生物研究所高福院士團隊建立了高效評估冠狀病毒跨種識別能力的方法，利用這些方法對蝙蝠源性冠狀病毒 RaTG13和穿山甲源性冠狀病毒 GD/1/2019 和 GX/P2V/2017 的跨種傳播潛在風險進行評估，并闡明其跨種識別的分子機制，研究發現上述三種冠狀病毒存在跨種傳播的潛在風險，提示我們要持續對動物源性冠狀病毒進行監測，預防新的冠狀病毒引發疫情，同時為理解病毒進化提供分子基礎。

      相關研究成果發表于《細胞》雜志（Cell,2021, 184(13):3438-3451.e10）和《歐洲分子生物學組織雜志》（EMBO J, 2021, 41(1):e109962）。

RaTG13、 GD/1/2019 和 GX/P2V/2017的跨種識別圖譜

揭開鳥類長距離遷徙之謎

      鳥類遷徙是最受關注的自然奇觀之一。遷徙路線的形成過程、維持機制和在氣候變化下的未來趨勢，以及遷徙策略的遺傳基礎，一直是學界的研究熱點和難點。

      中國科學院動物研究所詹祥江團隊歷時12年，通過整合多年衛星追蹤數據和種群基因組信息，建立了一套大陸尺度的的北極游隼（Falco peregrinus）遷徙研究系統。研究人員闡明了氣候變化在鳥類遷徙路線形成、維持及未來變化趨勢中的驅動作用，發現一個和記憶能力相關的基因ADCY8在遷徙距離更長的游隼種群中受到正選擇，揭示了長時記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎。該研究全面結合遙感衛星追蹤、基因組學、神經生物學等新型研究手段，展現了學科交叉型的創新性研究在回答重大科學問題中的關鍵作用。

     該成果以封面文章發表于《自然》雜志（Nature，2021，591(7849):259-264），并被《自然-生態進化》雜志評為12項年度回顧工作之一。

《自然》雜志封面及北極游隼遷徙路線

干涉單分子定位顯微鏡
 

      細胞的生理過程是由納米尺度的生物分子執行的，因此對生命活動更深入的理解需要納米分辨率的成像技術。中國科學院生物物理研究所徐濤院士組和紀偉研究組組成的技術攻關團隊，一直聚焦于突破光學顯微成像分辨率的研究，前期發展的ROSE顯微鏡把側向（X-Y）分辨率提高到納米水平（Nature Methods，2019），基于干涉定位創新原理又研制出ROSE-Z顯微鏡，進一步突破了軸向（Z）分辨率，可解析納米尺度的亞細胞結構，為生命科學研究提供了有力工具。該研究表明光學顯微鏡已經步入納米分辨率時代，我國科學家在該領域具備多學科交叉技術創新能力，研制的具有自主知識產權的新型超分辨成像設備處于國際領先地位。

      該成果發表于《自然-方法》雜志（Nature Methods，2021，18:369-373）。

       干涉單分子定位顯微鏡解析細胞微管空心結構

全腦單神經元多樣性研究及信息學大數據平臺
 

      單神經元精度全腦圖譜，對理解大腦至關重要。東南大學腦科學與智能技術研究院彭漢川、顧忠澤、謝維團隊建立了世界上首個完整的全腦單神經元分辨率大數據和信息學平臺并應用于全鼠腦研究，針對神經元的全腦三維影像數據進行高通量神經元重建，全腦映射以及智能數據挖掘，并基于此平臺生產了目前世界上數目最大的單細胞神經元形態數據集，首次揭示了長程投射規則和分子水平基礎上的神經元形態亞類多樣性，對研究大腦細胞分型和功能、腦連接環路、全腦大規模模擬、類腦計算、基于生物腦的新型人工智能算法和系統等會持續產生重要作用。本成果實現了首個軟硬件結合的PB級超大規模腦大數據平臺和首個完整的單細胞形態數據生產流水線，定量證明了完整單細胞解剖學分析對神經細胞類型鑒定至關重要。

      主要科研成果分別發表于《自然》（Nature, 598: 174–181;）和《自然-方法》（Nature Methods, 19: 111–118）。

全腦范圍完整神經元形態成像、重建、配準、分析平臺和流程