Science评选2018年度十大科学突破及三大恶劣事件

每年年末，Science 都会邀请读者进行微信投票评选出年度最有影响力的科学进展。今年最后一期，也就是12月20日上线的Science 公布了2018年度十大科学突破。一系列技术整合使人类能够以单个细胞为单位细致追踪组织和器官发育的全过程，成为读者和Science 的记者、编辑们公认的Top 1. 同时，Science还评选了本年度影响最恶劣的三大科学事件，贺建奎基因编辑婴儿事件赫然在列。

单个细胞是怎样发育成具有多个器官和数十亿细胞的成年动物的?至少从希波克拉底时代开始，生物学家们就为这个谜题而震慑。这位古希腊医生认为，母亲呼吸的水汽能够给生长中的婴儿塑形，但现在我们知道，是DNA最终协调了细胞增殖和分化的过程。正如乐谱写明了弦乐器、铜管乐器、打击乐器和木管乐器何时加入交响乐的演奏，今天，通过整合多项技术，我们可以揭示出单个细胞中的基因何时启动，指导细胞发挥其独特的作用。如此，我们便有能力极为细致地、一个细胞、一个细胞地去追踪组织和器官的发育。这一系列技术展现出极大的科研潜力，当之无愧成为2018年度最佳科学突破。

从生物体中分离出数千个完整细胞，对每个细胞中表达的遗传物质进行测序，并通过计算机或通过标记细胞来重建它们在空间和时间上的关系——这些技术推动了科学进展。德国Max Delbrück分子医学中心的系统生物学家Nikolaus Rajewsky称，这些技术三重奏 “将改变未来十年的研究”。仅在今年，就有许多论文详述了扁虫，鱼类、青蛙和其他生物如何长出器官和附属器官。世界各地的团队正在应用这些技术，研究人体细胞如何在一生中成熟，组织如何再生，以及细胞疾病中会发生怎样的变化。

分离数千个细胞，并对每个细胞进行测序，可以让研究人员概览不同时间点每个细胞产生了哪些RNA。而RNA序列对产生它们的基因是特异的，这样研究人员就可以判断出哪些基因是活跃的——正是这些活跃的基因定义了细胞的功能。

以上描述的就是被称为单细胞RNA-seq的技术，已经发展了好几年。不过，去年出现了一个转折点：有两个小组表明这项技术的应用规模已经大到足以追踪早期发育。一组使用单细胞RNA-seq技术检测了在同一时间点提取的果蝇胚胎的8000个细胞中的基因活性;另一个团队分析了一个来自线虫C.elegans的幼虫期的50,000个细胞的基因活性。这些数据表明，正是被称为转录因子的蛋白质指导了细胞分化成特殊类型。

今年，这些团队和其他研究人员对脊椎动物胚胎进行了更为广泛的分析。他们使用各种复杂的计算方法，将不同时间点的单细胞RNA-seq结果联系起来，揭示了更复杂的生物体中定义细胞类型的基因组的开启和关闭。一项研究揭示了斑马鱼受精卵如何产生25种细胞类型;另一项监测了青蛙在器官形成早期阶段的发育，并确定一些细胞的分化开始得比先前认为的更早。 “这些技术回答了有关胚胎学的基本问题”，哈佛大学干细胞生物学家Leonard Zon说。

研究动物四肢再生或全身再生的人们也开始利用单细胞RNA-seq技术。有两个小组研究了水生扁虫中的基因表达模式，这种水生扁虫被切成碎片之后，仍有极强的再生能力。他们发现了新的细胞类型和发育轨迹，出现于每片碎片重新生长为个体的时候。还有一个小组追踪了一种蝾螈在失去前肢以后，基因的打开和关闭。他们发现，一些成熟的肢体组织恢复到胚胎未分化状态，然后进行细胞和分子重编程，以构建新的肢芽。

因为单细胞测序必须将细胞从生物体中分离出来，所以这项技术本身不能显示出这些细胞如何与其临近细胞相互作用，也不能鉴定出细胞的后代。但是通过将标记物设计到早期胚胎细胞中，研究人员现在可以追踪细胞及其在生物体中的后代。至少有一个团队将携带不同颜色荧光标签基因的遗传元件整合进早期发育的胚胎，这些标签随机插入细胞中，为每个细胞谱系标记不同的颜色。其他团队利用名为CRISPR的基因编辑技术来标记具有独特条形码标识符的单个细胞的基因组，这些条形码可以传递给所有后代。这些基因编辑器可以在后代细胞中引入新的突变，同时保留原始突变，使科学家能够追踪谱系怎样形成新的细胞类型。

将这些技术与单细胞RNA-seq相结合，研究人员可以监测单个细胞的行为，并了解它们如何构建到生物体结构中。一个团队确定了斑马鱼大脑中超过100种细胞类型的关系：研究人员使用CRISPR标记早期胚胎细胞，然后在不同时间点对60,000个细胞进行分离和测序，以跟踪胚胎发育过程中的基因活动。

其他团队正在应用类似的技术来追踪发育中的器官、四肢或其他组织，看看发育过程中发生了什么，以及如何出错，导致畸形或疾病。“它就像一个飞行记录仪，你在观察怎样出错的，而不只是看最后的照片。”加利福尼亚大学旧金山分校的干细胞生物学家Jonathan Weissman说，“我们可以探求那些以前几乎不可能解决的问题。”

虽然这些技术不能直接用于发育中的人类胚胎，但研究人员正在将这些方法应用于人体组织和类器官，一个细胞一个细胞地研究基因活性并表征细胞类型。一个名为“人类细胞图谱”的国际联盟正在努力确定人类细胞的每种类型，每种类型在体内的定位，以及细胞如何协作形成组织和器官。已经有一个项目确定了大多数肾细胞类型，包括那些易发生癌变的细胞类型。另一项研究揭示了怀孕过程中母体和胚胎细胞之间的相互作用。欧洲有53家机构和60家公司合作，称为“LifeTime联盟”，正在提议利用单细胞RNA-seq以及其他技术，在单细胞水平了解正常组织怎样向肿瘤、糖尿病和其他疾病发展。

对发育和疾病的高分辨率解析将会越来越引人注目。已在网上发布的论文将研究扩展到更为复杂的生物体的发育过程。研究人员希望将单细胞RNA-seq与新的显微成像技术相结合，以确定每个细胞中独特的分子活动发生在哪里，以及相邻细胞如何影响该活动。

单细胞革命才刚刚开始。