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Science评出2017十大“年度突破”

作为顶级科学杂志,在每年年底Science 都会公布当年科学研究的十大“年度突破(Breakthrough of the year)”,今年也不例外。不知道大家是否还记得2016十大年度突破(点击阅读相关)?去年的魁首——“引力波的发现”,借助红火的社交媒体,几乎成为史上最接地气、流行程度最广的天体物理及广义相对论概念。今年排名第一的年度突破——“双中子星合并”,也与引力波有关。说个题外话,Science 杂志给的官方名称为“Cosmic convergence”,还挺文艺,姑且翻译为“宇宙大会师”吧。

本图及以下图片均来源于Science


随后的几项突破分别是:获得今年化学诺奖(点击阅读相关)的冷冻电镜(“Life at the atomic level”)、中微子探测(“A tiny detector for the shiest particles”)、发现30万年前智人头骨化石(“Deeper roots for Homo sapiens”)、单碱基基因编辑(“Pinpoint gene editing”)、生物预印本网站的快速发展(“Biology preprints take off”)、广谱抗癌药获批(“A cancer drug's broad swipe”)、类人猿新种的发现(“A new great ape species”)、270万年前的地球大气(“Earth's atmosphere 2.7 million years ago”)、基因治疗的胜利(“Gene therapy triumph”)。


先不着急展开,看一看官方视频先。

视频来源:Science


1. 双中子星合并(“Cosmic convergence”)



2017年8月17日,世界各地的科学家首次见证了一个激动人心的天文事件:1.3亿光年之外的宇宙深处,两颗中子星相互盘旋,最终合并,并引发了波澜壮阔的大爆炸。这一事件中,科学家们一样检测到了引力波,另外还检测到了短时伽玛暴(gamma ray burst)。后者也支持了有着25年历史的一个假说——中子星并合会产生短时伽玛暴。这一天文事件以及之后的研究,证实了几个关键的天体物理模型,揭示了许多重元素的产生地,并以前所未有的方式检验了广义相对论。位列榜首,可以说是名至实归。


参考文献:

B. P. Abbott et al., GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, Physical Review Letters, Vol. 119, p. 161101, 16 October 2017

B. P. Abbott et al., Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 848, p.1, 16 October 2017

A. Cho, Merging neutron stars generate gravitational waves and a celestial light show, Science, 16 October 2017


不过有意思的是,Science 网站同时还办了个“People's Choice”,即让Science 网站的访问者们对“年度突破”的候选名单进行票选。在选出前四的第一轮投票中,“双中子星合并”就惨遭淘汰。决定头名的第二轮,收到的选票超过1.2万张,读者选中的头名是“基因治疗的胜利”,而这一突破在Science 的评选中仅仅名列最后一位。


2. 冷冻电镜(“Life at the atomic level”)



冷冻电镜(cryo-EM)技术获得2017年诺贝尔化学奖(点击阅读相关)时,诺奖委员会给出的获奖理由是让科学家们能高效率地以原子级分辨率获得溶液中生物分子的三维结构。冷冻电镜技术不需要结晶,很多难以结晶的大分子复合物也能成为研究对象,范围大大扩展;样品量小制备快,可重复性高;可解析天然、动态的结构,非常适合生物分子。今年,这项技术帮助科学家在多项研究中获得重要进展,包括剪接体、重塑细胞膜相关蛋白质、修复DNA中断裂的酶、阿尔兹海默症关键蛋白等等。


参考文献:

E. Stokstad and R. F. Service, A cold, clear view of life wins chemistry Nobel, Science, 4 October 2017


3. 中微子探测(“A tiny detector for the shiest particles”)



今年,物理学家以一种新的方式轰击原子核,发现了最“害羞”的亚原子粒子——中微子(neutrino)。求之不得长达40年,现金终于得成正果。亚原子粒子的探索一般需要大型甚至巨型的仪器设备,中微子的发现却是个异类,物理学家使用一种便携式探测器取得了上述成就,探测器重量仅为14.6千克,和一台家用微波炉差不多。


参考文献:

D. Akimov et al., Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering, Science, Vol. 357, p. 1123, 15 September 2017


4. 发现30万年前智人头骨化石(“Deeper roots for Homo sapiens”)



这一发现与我们每个人都有关。在生物学分类中,我们现代人属于“人”属“智人”种(Homo sapiens)。目前通常认为最早的智人骨骼化石的历史在20万年左右,而今年,一个摩洛哥山洞里被长期忽视的头骨化石,将智人的历史记录向前推了10万年,达到了令人震惊的30万年。


参考文献:

J. Hublin et al., New fossils from Jebel Irhoud, Morocco and the pan-African origin of Homo sapiens, Nature, Vol. 546, p. 289, 8 June 2017


5. 单碱基基因编辑(“Pinpoint gene editing”)



目前发现有超过6万个遗传突变与人类疾病有关,其中将近3.5万个是由最微小的错误造成——基因组特定位点的单个DNA碱基发生突变。今年,科学家发展了一项名为碱基编辑的新技术,以纠正这种点突变,不仅适用于DNA,也适用于RNA。科学家已经开始在医疗领域运用这一技术。哈佛大学的David Liu等人改进了火热的CRISPR基因编辑工具,可解开但不切割DNA,用化学方法替换一个碱基。去年他们可以将胞嘧啶(C)替换为胸腺嘧啶(T),今年他们又实现了将鸟嘌呤(G)替换为腺嘌呤(A)。而博德研究所(Broad Institute)的张锋团队实现了RNA中的鸟嘌呤(G)替换为腺嘌呤(A)。科学家还通过在人类胚胎中纠正了一个疾病相关的点突变来证明碱基编辑的力量,虽然并不总能成功,但还是证明了这一技术的巨大潜力。


参考文献:

N. Gaudelli et al., Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage, Nature, Vol. 551, p. 464, 23 November 2017

D. Cox et al., RNA editing with CRISPR-Cas13, Science, 10.1126/science.aaq0180, 25 October 2017

H. Ma et al., Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos, Nature, Vol. 548, p. 413, 24 August 2017


6. 生物预印本网站的快速发展(“Biology preprints take off”)



传统的科研论文发表都需要先通过同行评议,但随着快速发表论文需求增加,预印本服务纷纷设立。预印本论文通常未经过同行评议,物理学领域早在25年前就有了名为“arXiv”预印本服务,但生命科学领域直到4年前才由冷泉港实验室(CSHL)创办了“bioRxiv”。今年四月,陈-扎克伯格基金会(Chan Zuckerberg Initiative)投资支持bioRxiv,加速了预印本服务在学术界的发展势头。


参考文献:

J. Kaiser, Are preprints the future of biology? A survival guide for scientists, Science, 29 September 2017


7. 广谱抗癌药获批(“A cancer drug's broad swipe”)



由于癌症的复杂性,抗癌药物往往都针对某些特定类型的癌症,比如肺癌、肝癌、胃癌等等。今年5月,美国FDA批准Merck & Co.(注:在美国之外称默沙东)的Keytruda(pembrolizumab)可以用于治疗含“错配修复缺陷(mismatch repair deficiency)”的任何儿童或成人的晚期实体瘤。这意味着,Keytruda成为首个基于作用靶点而非癌症类型的抗癌药物,无论细胞癌变发生在胰腺、结肠、甲状腺还是其他十几种组织,只要涉及错配修复缺陷,均可使用Keytruda治疗。广谱抗癌药Keytruda并不是一个全新的药物,之前已经获批用于治疗黑色素瘤和数种其他肿瘤类型。


参考文献:

D. Le, et. al., PD-1 blockade in tumors with mismatch-repair deficiency, The New England Journal of Medicine, Vol. 372, p. 2509, 30 May 2015

D. Le et al., Mismatch-repair deficiency predicts response of solid tumors to PD-1 blockade, Science, 10.1126/science.aan6733, 8 June 2017


8. 类人猿新种的发现(“A new great ape species”)



在发现类人猿Pongo tapanuliensis 之前,科学家们已经有90年没有新发现过仍然还存活的属于人科(Hominidae)的动物物种了。Pongo tapanuliensis 这个新“种(species)”发现于印度尼西亚的一片濒危的森林中,种群很小,仅剩800只左右。随着森林砍伐导致的栖息地缩小以及人类的捕猎,这种新类人猿生存形势令人担忧。


参考文献:

A. Nater et al., Morphometric, Behavioral, and Genomic Evidence for a New Orangutan Species, Current Biology, Vol. 27, p. 3498F, 20 November 2017


9. 270万年前的地球大气(“Earth's atmosphere 2.7 million years ago”)



今年8月,由普林斯顿大学和缅因大学的研究人员领导的一个小组宣布,他们挖掘出了270万年前冻结的南极冰。分析这些古老冰块气泡中的气体,科学家们将直接的地球气候记录向前推了数百万年,那个时期对于地球历史来说非常重要。


参考文献:

P. Voosen, Record-shattering 2.7-million-year-old ice core reveals start of the ice ages, Science, 15 August 2017


10. 基因治疗的胜利(“Gene therapy triumph”)



今年的一个小型临床试验所取得的巨大成功,推动了基因治疗领域的发展。研究人员报告说,他们通过在脊髓神经元中添加一个缺失的基因,挽救了一个罹患1型脊髓性肌萎缩症的婴儿的生命(上图)。该病是一种遗传性的神经肌肉疾病,如果不及时治疗,患者会在2岁左右死亡。这种基因治疗技术使用一种被称为腺伴随病毒(adeno-associated virus,AAV)的无害病毒为载体,将患者所缺少的目标基因转运到靶细胞中。另外,就在几天前,美国FDA还批准了首个治疗罕见遗传性疾病导致失明的基因治疗方法。


参考文献:

J. Kaiser, Gene therapy’s new hope: A neuron-targeting virus is saving infant lives, Science, 1 November 2017

J. Mendell et al., Single-Dose Gene-Replacement Therapy for Spinal Muscular Atrophy, The New England Journal of Medicine, Vol. 377, p. 1713, 2 November 2017


今年的十大“年度突破”就是这样了,十项之中有七项与生命科学相关,难道“生命科学的世纪”终于到来了?


原文:

http://vis.sciencemag.org/breakthrough2017/finalists/


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