12月21日，顶级期刊Science评选出“2018年度十大科学突破”，其中7项成果与生物医学领域相关，而“追踪单细胞发育谱系”（Development cell by cell）荣登年度突破之首。

 

这份榜单末尾，有一个特殊版块——“负面事件”（BREAKDOWNS），上月争议得沸沸扬扬的“首例基因编辑婴儿”事件因为道德、伦理担忧而被纳入其中。

 

1、单细胞的发育过程

 

Development cell by cell

 

一个受精卵究竟是如何产生构成完整身体的多种细胞类型、组织和器官的？这是生物学领域最大的谜题之一。如今，结合单细胞测序技术和新型计算工具，来自哈佛大学、Broad研究所等机构的科学家们提供了关于这一过程最详细的图片。4月26日，Science杂志用3篇论文报道了这一突破性成果。

 

A zebrafish embryo at an early stage of development. Fluorescent markers highlight cells expressing genes that help determine the type of cell they will become. (JEFFREY FARRELL, SCHIER LAB/HARVARD UNIVERSITY)

 

我们知道， DNA是协调细胞增殖、分化的基础。所以，靶向单细胞内的基因（何时表达、诱导细胞分化），最终能够拼凑出胚胎发育的细节。

 

具体而言，这一探究过程分成了“三部曲”：首先，研究团队从生物体中分离出数千个完整的细胞；随后，对每个细胞的遗传物质进行有效的测序；最后，利用计算机或细胞标记工具，重建这些细胞的时间与空间关系。

 

How one cell gives rise to an entire body

 

得益于这一系列技术，科学家们描绘出胚胎发育的惊人细节，以前所未有的清晰度，看清单个细胞的发育过程。他们已弄清楚扁虫、青蛙、斑马鱼等多种动物的发育过程，证实斑马鱼最初的单细胞胚胎能够产生25种主要的细胞类型。

 

发育生物学家曾经认为，一旦一个细胞开始沿着一个方向发展（如发育成一个肌肉细胞），那它就不会“偏离”这个方向。然而，这项新研究发现，一些斑马鱼细胞会在“半路”转向另一个发展方向。

 

科学家们认为，这部“乐章”将改变未来10年的生物学研究。而单细胞革命才刚刚开始。（详细）

 

2、首个基因沉默药物获批上市

 

Gene-silencing drug approved

 

今年8月，FDA宣布批准第一款基于RNA干扰（RNAi）技术的治疗药物——patisiran，适用于一种损伤心脏、神经功能的罕见病。

 

Short RNA molecules attach to messenger RNA (blue), preventing translation into proteins. (VAL ALTOUNIAN/SCIENCE)

 

Patisiran由Alnylam公司研发，通过沉默与罕见疾病——遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性（hereditary transthyretin amyloidosis）有关的基因，阻止突变的转甲状腺素蛋白（TTR）在体内积累，进而防止心脏和神经功能受损。

 

1998年，科学家们首次在线虫体内证实RNA干扰沉默基因的成果。2002年，Alnylam成立。4年后，RNAi领域的两位杰出科学家——斯坦福大学医学院的Andrew Fire、马萨诸塞大学医学院的Craig Mello荣获诺贝尔生理学或医学奖。

 

这是自20年前RNAi技术（可以针对性沉默与疾病相关的特定基因，从而阻止致病蛋白的表达）被发现以来，首个被证实有临床价值并获批上市的RNAi药物。

 

3、分子“CT”

 

Molecular structures made simple

 

2018年10月，两个研究团队同时发表论文，揭示了一种新的方法，可以在短短几分钟内确定小有机化合物的分子结构，打破了传统方法要求的几天、几周或几个月的“时间界限”。

 

Structures can now be gleaned from micrometer-size crystals (black), seen here on an electron microscope slide. (GONEN LAB)

 

他们向微小的3D晶体发射电子束，并跟踪每次轻微旋转时衍射图案的变化情况，从而能够在几分钟内生成3D晶体的分子结构。这项技术非常适用于绘制激素和潜在药物的小分子结构。

 

学界评价说：这是小分子化学结构鉴定的颠覆性突破，对于未来药物的研发、分子探针的设计以及疾病病理的解析都有着重要意义。

 

4、古老的人类“混血儿”

 

An archaic human ‘hybrid’

 

今年，来自于德国马克斯•普朗克人类演化研究所的研究团队发表了一项重要成果：他们发现了一块非凡的古代混血遗骸——其父亲是尼安德特人，母亲是丹尼索瓦人。他们大约生活在90000年前，都是早已灭绝的人类。

 

A bone fragment found in a cave in the Denisova valley in Russia. (THOMAS HIGHAM, UNIVERSITY OF OXFORD)

 

其中，尼安德特人主要居住在欧洲，丹尼索瓦人曾遍布亚洲。而这块骨骼的拥有者被证实是丹尼索瓦人和尼安德特人的第一代混血后代。

 

一位遗传学家评价道：“在诸多接受了基因组测序的人类中，她可能是有史以来最令人着迷的。”

 

5、法医系谱学走向成熟

 

Forensic genealogy comes of age