【盘点2020】Nature、Science 分别公布生命科学领域十大发现和突破

无与伦比的一年 图源science

新冠疫苗点亮希望之光

图片说明：疫苗为人类带来希望之光

2019年末发现的新型冠状病毒以惊人的速度席卷全球。当全世界陷入恐慌之时，1月12日，中国科学家向世界公布了新冠病毒的基因组，为全世界科学家寻找应对和治愈新冠肺炎疫情奠定了基础，研制新冠疫苗的工作也拉开了序幕！此后，多名科学家纷纷投身于新冠肺炎疫苗的研制工作！

截至12月10日，全球有162种候选疫苗正处于研发阶段，其中52种候选疫苗已经进行临床试验，有些疫苗已经公布了三期临床试验的结果。此外，今年与新冠病毒相关的研究论文激增。截至12月中旬，在同行评审期刊上发表的论文超过20万篇，而在非同行评审期刊上发表的文章更多。

经科学家们的努力，中国新冠病毒疫苗于2020年12月31日获批上市，已有数据显示，保护率为79.34%，实现安全性、有效性、可及性、可负担性的统一，达到世界卫生组织及国家药监局相关标准要求。在这场新冠肺炎疫情大考中，中国新冠病毒疫苗研发交出了一份优秀的答卷。

CRISPR首次成功治愈两种遗传性血液病

图片说明：CRISPR技术打败了镰状血细胞

2012年，颠覆性的基因编辑工具CRISPR横空出世，它赋予研究人员编辑农作物和动物的强大力量，为科学研究和生物医学领域带来新一轮革命，成为《Science》杂志2015年十大科学突破之一，并摘得今年诺贝尔化学奖的桂冠。

今年，这一“基因魔剪”再次向世界展示了其“魔力”：首次成功治愈β地中海贫血和镰刀型细胞贫血症这两种遗传性血液病。

为治疗三名镰状细胞病患者，研究人员从每名病人身上采集了不成熟的血细胞—血干细胞，然后用CRISPR靶向沉默一个“关闭”开关—这个开关在成人体内会停止胎儿形态血红蛋白的产生，而这种血红蛋白可对抗镰状突变的影响。在病人接受化疗清除病血干细胞后，经过CRISPR处理过的细胞被重新注入患者体内。

开展试验的两家公司12月报告称，这些患者17个月前接受治疗，现在正产生大量胎儿血红蛋白。此外，这些公司为7名正常输血治疗β地中海贫血的患者提供这种治疗后，这些病患就不需要输血了。

研究人员指出，这种新疗法可与向干细胞中添加血红蛋白DNA治疗这两种疾病的基因疗法相媲美。

AI首次精准预测蛋白质三维结构

图片说明：人工智能首次精准预测蛋白质三维结构

50年来，科学家们一直致力于解决生物学领域最大的挑战之一：预测一系列氨基酸在“变身”为工作蛋白质时会折叠成何种精确三维形状。今年，他们实现了这个目标。

12月1日，谷歌旗下的“Deepmind”公司宣布，其新一代AlphaFold人工智能系统在国际蛋白质结构预测竞赛（CASP）上击败了其余参会选手，精确预测了蛋白质的三维结构，准确性可与冷冻电子显微镜（cryo-EM）、X 射线晶体学等实验技术相媲美。研究人员指出，鉴于蛋白质的精确形状决定了它的生化功能，这一新进展可以帮助研究人员发现疾病的发病原理，开发新药，甚至创造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。

“精英控制员”控制艾滋病病毒

图片说明：HIV将自己寄生在宿主的DNA内

与所有逆转录病毒一样，艾滋病病毒（HIV）会将其遗传物质整合到人类染色体内，在那里创造出“储存库”，免疫系统无法检测到，抗逆转录病毒药物也无能为力。

尽管如此，HIV藏身于何处会产生不一样的结果。今年，一项针对64名HIV精英控制者进行的研究表明，在没有使用抗逆转录病毒药物的情况下，他们体内的病毒载量仍然非常低，这揭示了病毒在整合到基因组中位置的重要性。

研究人员称，虽然对这些“精英控制者”的新认知不会直接导致治愈艾滋病，但它开启了一种新策略，可以让其他感染者在没有治疗的情况下活几十年。

《Nature》

2020年生命科学领域突破

激活并杀死潜伏的HIV病毒

导致艾滋病的HIV病毒可以长期“潜伏”在宿主细胞中，几乎不进行转录，因此不会被免疫系统发现。在《自然》杂志1月同期发表的两项研究中，报道了被称为“激活并杀死”（Shock and kill）的治疗策略，旨在扭转这种潜伏期，通过增加病毒基因的表达（激活），使被感染细胞更容易被免疫系统消灭（杀死）。

两组研究人员都描述了在动物模型中的干预措施，这可能是迄今为止报道的最有效的激活手段，而且是可重复的。Nixon及其同事使用了一种名为AZD5582的药物，用于激活转录因子NF-κB——HIV-1基因表达的主要刺激因子。

McBrien等人则将两种免疫干预措施结合起来，先通过抗体疗法耗竭CD8+ T细胞（降低病毒转录水平的免疫细胞），再进行N-803药物治疗，该药物可激活HIV-1的转录。除了这些进展，这两项研究还展示了用药物逆转病毒潜伏相关的概念和技术挑战。

基因编辑破解挑食之谜

一种学名为Drosophila sechellia的果蝇只以有毒的诺丽果柑（Morinda citrifolia）为食。与其他喜欢各种水果的果蝇相比，是什么让这个物种如此挑食？

Auer等人利用基因组编辑工具CRISPR-Cas9破解了这个谜题。他们发现，相比其他果蝇，D。sechellia体内表达气味受体22a蛋白（Or22a）的感觉神经元格外丰富，而Or22a氨基酸序列的微小变化正是果蝇D。sechellia偏爱诺丽果的关键原因。他们还发现了其他几种可能导致这种简单行为转变的演化改变。即使是喜欢臭水果的小小果蝇，也能有力地揭示大脑如何演化出复杂的行为。

冷冻电镜达到原子分辨率

Yip等人和Nakane等人报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）的方法获得的最清晰图像，首次确定了蛋白质中单个原子的位置结构生物学的一个基本原理是，一旦研究人员能够以足够的分辨率直接观察到大分子，就有可能理解其三维结构与生物功能之间的联系。

在今年10月《自然》杂志同期发表的两项研究中，Yip等人和Nakane等人报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）的方法获得的最清晰图像，首次确定了蛋白质中单个原子的位置。两个小组使用的硬件都经过改良，突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。

随着这些技术的发展，cryo-EM图像信噪比的提高将扩展冷冻电镜技术的适用性。也许这些技术的融合将使cryo-EM的结构测定达到甚至超越1埃（0.1纳米）的分辨率——这在过去几乎是不可能实现的成就。

干扰素缺乏可导致新冠重症

在9月在线发表于《科学》的两篇论文中，Zhang等人和Bastard等人阐明了影响感染新冠病毒后是否发展为重症的一个关键因素——干扰素尤其是I型干扰素（IFN-I）的缺乏。

这种缺乏可能由不同原因导致，比如编码关键抗病毒信号分子的基因发生遗传突变，或由于抗体与I型干扰素结合并使其“中和”。I型干扰素缺乏如何导致危及生命的重症COVID-19？

最直接的解释是这种缺乏导致病毒不受控制地复制和传播。另一方面，I型干扰素缺乏也可能对免疫系统功能有其他影响。IFN-I诱导通路基因突变的个体将从提供干扰素的治疗中受益。此外，那些对IFN-α和IFN-ω具有中和性抗体的人也可能受益于治疗中提供的其他类型的干扰素，如IFN-β和IFN-λ。

压力为何会使头发变白？

这是《自然》杂志“新闻与观点”栏目在2020年读者浏览最多的一项研究报道。目前对压力对头发变白的相对作用尚不完全清楚。头发的颜色由黑素细胞决定，这些细胞来自于毛囊凸起部分的黑色素干细胞（MeSCs）。

这篇发表于1月《自然》杂志的论文是哈佛大学许雅捷团队的成果，第一作者是张兵博士。研究报告称，在压力引起的“战斗或逃跑”反应中，交感神经系统的神经元会释放出神经递质分子去甲肾上腺素；在极端应激或高水平去甲肾上腺素暴露下，黑色素干细胞的增殖分化显著增加，导致黑色素细胞大量迁移，远离毛囊隆突区，但由于没有替代的干细胞，便导致头发变白。

这项研究将有助于了解压力如何影响其他的干细胞，也为寻找阻止和逆转压力的方法提供了线索。

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