6聚集 新闻热线:010-58884063 JU JIAO 责编段佳|2019年2月28日星期四 解读2018年度中国科学十大进展 编者按科技部基础研究管 水合作用的存在井开始了系统 百多年来,水 中心昨日公布“2018年度中国 科学十大进展”,基于体细胞核移 3.揭示抑郁发生及氯 9调控植物生长一代谢 植技术成功克隆出猕猴、创建出胺酮快速抗抑郁机制 牛万有力亮G是人认国的子多精单心王思国和论平衡实现可持续农业发展 的引力常数G值 首例人造单染色体真核细胞等成 抑郁症严重损害了患者的身心健康,是现代社 过增加无机氮肥施用量来提高作物的生产力 杀问题的重要诱因,给社会和家庭带来巨大的损理常数,其在物理学乃至整个自然科学中扮演着十分重描探针显微镜空间分辨率的世界纪录,实现了氢原 能保障全球粮食安全,但也加剧了对生态环境的破坏因 引力常直接成像和定位在国际上首次获得了单个钠离子水合 1基于体细胞核移植了在点着人发起心,这率果在上红然是所有本高中的,某都的图子让排腰托之是本分新的方款中围学托金与都有 技术成功克隆出猕猴 发现麻醉剂氯胺酮在低剂量下具有快速(1小时万有引力定律,G应该是一个固定的 因测量地学幻数效应。结合第一性原理计算和经典分子动力学东研究组与合作者的研究显示,水稻生长调节因子 和测量方法的不同而变化。但是,当前国际上不同研 拟他们发现这种幻数效应来源于离子水合物与表面GRF4和生长抑制因子DEA相互之间的反向平衡调 非人灵长动是与人类涂关系的动的,图燕盐,是根民有酒近个用无长的用,炙用不中法失学的组分中可着一的答读工在沿界年 RF4促进并整合了植物氮素代谢、光合作用以及生长 此理解氯胺酮快速抗抑郁的机制已成为抑郁症 和发育,而DE 型体细胞克隆技术被认为是构建非人灵长类基因修 领域的“圣杯”,因为它将提示抑郁症的核心脑 加速度反馈法来 动物模型的最佳方法。自1997年克隆羊“多莉报道以制,井为研发快速、高效、无毒的抗抑郁药物提供科学 高水平累积使其获得了半矮化 装作多女独害当次生物变时成恢器N年江大学发在这二国际英的量稀G分为以3了运的以这时电出电化学化农性状但是却的成汽柔 年的艰苦努力 674484X10“m/kg/2,相对标准偏差分别为百万分之重要的潜在意义 越创析中心孙强和刘真研究团队经过5年攻关最终成功路研究中,该研究组发现大脑中反奖赏中心一外侧11.64和1161),更为关键的是两个结果在3倍标准差范 维持半矮化优良性状的同时提高绿色革命品种的氮 肥利用效率并增加谷物产量。因此通过调控植物生长 得到了两只健康存活的体细胞克隆猴。他们研究发现,缀核中的神经元活动是抑郁情绪的来源。这一区域围内吻合。 和代谢的协同调节是未来可持续农业和粮食安全的一种 新的育种策略,也是一场析的“绿色革命” 显著提升克隆胚胎的体外囊胚发育率及移植后受体的电”,抑制大脑中产生愉悦感的“奖贫中心”的活 细胞进行核移植并将克隆胚胎移植到代孕受体后,成功放电是诱发动物产生绝望和快感缺失等行为表现 研究组发现这 体,但这两只猴很快天折。遗传分析证实,上述两种情况 核DNA源自供体细胞而线粒体DNA源 自卵母细胞供体猴。体细胞克隆猴的成功是该领域从无下游“奖贫中心”的抑制,从而达到在极短时间内改善 湛基因物辑操作提供更情绪的功效。同时,该研究组对产生族状放电的细胞 技术手段,使得非人灵长类可能成为可以及分子机制做出了更深入的阐释。通过高通量的 广泛应用的动物模型进而推动灵长类生殖发育、生物医量蛋白质谱技术,他们发现排邮的形成伴随着胶质 学以及脑认知科学和脑机理等研究的快速发展。 中钾离子通道K4.1的过量表达。而K4.1通道 Oa te.gs 细胞的超极化、T-VSCC钙通道活化,最终导致N 8刨建出可探测细胞 AR介导的簇状放电。上述研究对于抑邯症这一重 内结构相互作用的纳米和 成癒等副作用提供了新的科学依据。 毫秒尺度成像技术 技术提供了新 有组织的相互作用以协调复杂的细胞功能。观测这 的思路,对最终战胜抑邮症具有重大意义 时空分辨低背景噪声的成像。为了实现这些正常情8F 下相互对立的目标中国科学院生物物理研究所李栋 直接探测到电一m 子宇宙射线能谱在1TeV速做对触基,技事 10.将人类生活在黄 附近的拐折 像数干幅。研究人员利用多色G-SM技术揭示了细 土高原的历史推前至距今 作复参行为用生长212万年 高能字宙射线中的负电子和正电子在其行进过程中收缩事件的精确测量有助于区分不同的微管动态失 的,个开子支用灯的内闻瓶在 人类的起源和演化是重大世界前沿科学问题 :夫线过列的联高上县,研文发现内质网线体触点马尼址:年为今15万单:中团学广 4.研制出用于肿瘤治疗万电子伏特附近存在有拐折的迹象,但其系统误差很 所黄慰文和英国埃克塞特大学 Robin Dean领导的 智能型DNA纳米机器人 我国首颗天文卫星悟空号 DAMPE)的电子宇宙射 团队历经13年研究,在陕西省蓝田县发现了一处新的 的能量测量茫围比起国外的空间探测设备(如 旧石器地点一上陈遗址。研究人员综合运用黄土一 LAT)有显著提高,拓展了人类在太空 壤地层学沉积学,矿物学、地球化 用纳米医学机器人实现对人类重大疾荆的精中观察字宙的窗口。 DAMPE合作组基于悟空号前 辨率古地础测年等多学科交叉技术方 底对34-4N能量区间的电子护线能每本 法测试了数干组样品,建立了新的黄土一古土壤年 家纳米科学中心聂广军、丁宝全和赵字亮研究 美国亚利桑那州立大学颜研究组等合作,在活了精确的直接测量。悟空号所获得能谱可以用分段幂律 内可定点输运药物的纳米机器人研究方面取得突模型而不是单幂律模型很好触拟合明确表明在9Te 氧图“其年都行万年图 2创建出首例人造单 连同该团队前期将蓝田公王岭直立人年代由原定 染色体真核细胞 了凝血蛋 的图起看关性作用,此外括空号所是组在 真核生物细胞一般含有多条染色体如人有46条,小通过特异性DNA适配体功能化,可以 1.4Tev附近呈现出流量异常迹象尚需透一步的数据来 老27万年,使上陈成为非洲以 鼠40条、采蝇8条、水稻24条等。这些天然进化的真核生肿瘤相关内皮细胞上的核仁素结合 确认是否存在一个精细结构。 正常功能的单染色体真核生物是生命科学领域的前沿科DNA纳米机器人在肿瘤位点释放凝血酶激活其凝 学问题。中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物血功能,诱导肿血管栓塞和种瘤组织坏死。这种 态研究所罩重军、薛小莉和赵国屏研究组生物化创析方法的治疗效果在乳稼癌,黑色素瘤,卵巢癌及 开究方向同时将对古人类生存环境及石器文化 学与细胞生物学研究所周金秋研究组武汉菲沙基因信原发肺癌等多种种看中都得到了验证。并且小鼠和§ 技术的演进给出年代标尺和环境标记。 生次在王形众支主物了然界不支余来:在活计图分然酒 在的卖明的会生命在明过人动 约甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命 天然酵母细胞 7揭示水合离子的原 子结构和幻数效应 离子与水分子结合形成水合离子是自然界最为常 见和重要的现象之一在很多物理、化学、生物过程中扮 演着重要的角色。早在19世纪末,人们就意识到离子pw地
6 聚 焦 JU JIAO 2019 年 2 月 28 日 星期四 新闻热线：010—58884063 ■责编 段 佳 解 读 2018 年 度 中 国 科 学 十 大 进 展 编者按 科技部基础研究管 理中心昨日公布“2018 年度中国 科学十大进展”，基于体细胞核移 植技术成功克隆出猕猴、创建出 首例人造单染色体真核细胞等成 果入选。 非人灵长类动物是与人类亲缘关系最近的动物。因 可短期内批量生产遗传背景一致且无嵌合现象的动物模 型，体细胞克隆技术被认为是构建非人灵长类基因修饰 动物模型的最佳方法。自 1997 年克隆羊“多莉”报道以 来，虽有多家实验室尝试体细胞克隆猴研究，却都未成 功。中国科学院神经科学研究所/脑科学与智能技术卓 越创新中心孙强和刘真研究团队经过 5年攻关最终成功 得到了两只健康存活的体细胞克隆猴。他们研究发现， 联合使用组蛋白 H3K9me3去甲基酶 Kdm4d和 TSA可以 显著提升克隆胚胎的体外囊胚发育率及移植后受体的 怀孕率。在此基础上，他们用胎猴成纤维细胞作为供体 细胞进行核移植，并将克隆胚胎移植到代孕受体后，成功 得到两只健康存活克隆猴；而利用卵丘颗粒细胞为供体 细胞核的核移植实验中，虽然也得到了两只足月出生个 体，但这两只猴很快夭折。遗传分析证实，上述两种情况 产生的克隆猴的核DNA源自供体细胞，而线粒体DNA源 自卵母细胞供体猴。体细胞克隆猴的成功是该领域从无 到有的突破，该技术将为非人灵长类基因编辑操作提供更 为便利和精准的技术手段，使得非人灵长类可能成为可以 广泛应用的动物模型，进而推动灵长类生殖发育、生物医 学以及脑认知科学和脑疾病机理等研究的快速发展。 1.基于体细胞核移植 技术成功克隆出猕猴 真核生物细胞一般含有多条染色体，如人有46条、小 鼠40条、果蝇8条、水稻24条等。这些天然进化的真核生 物染色体数目是否可人为改变、是否可以人造一个具有 正常功能的单染色体真核生物是生命科学领域的前沿科 学问题。中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物 生理生态研究所覃重军、薛小莉和赵国屏研究组、生物化 学与细胞生物学研究所周金秋研究组、武汉菲沙基因信 息有限公司等团队合作，以天然含有 16条染色体的真核 生物酿酒酵母为研究材料，采用合成生物学“工程化”方 法和高效使能技术，在国际上首次人工创建了自然界不 存在的简约化的生命——仅含单条染色体的真核细胞。 该研究表明天然复杂生命体系可以通过人工干预变简 约，甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。 2.创建出首例人造单 染色体真核细胞 抑郁症严重损害了患者的身心健康，是现代社会 自杀问题的重要诱因，给社会和家庭带来巨大的损 失。然而传统抗抑郁药物起效缓慢（6—8 周以上），并 且只在 20%左右的病人中起效。这提示目前对抑郁症 机制的了解还没有触及其核心。近年来在临床上意 外 发 现 麻 醉 剂 氯 胺 酮 在 低 剂 量 下 具 有 快 速（1 小 时 内）、高效（在 70%难治型病人中起效）的抗抑郁作用， 被认为是精神疾病领域近半个世纪最重要的发现。 然而，氯胺酮具有成瘾性，副作用大，无法长期使用。 因此，理解氯胺酮快速抗抑郁的机制已成为抑郁症研 究领域的“圣杯”，因为它将提示抑郁症的核心脑机 制，并为研发快速、高效、无毒的抗抑郁药物提供科学 依据。2018 年，浙江大学医学院胡海岚研究组在这一 领域的研究取得了突破性的进展：在抑郁症的神经环 路研究中，该研究组发现大脑中反奖赏中心——外侧 缰核中的神经元活动是抑郁情绪的来源。这一区域 的 神 经 元 细 胞 通 过 其 特 殊 的 高 频 密 集 的“ 簇 状 放 电”，抑制大脑中产生愉悦感的“奖赏中心”的活动。 通过光遗传的技术手段，他们直接证明缰核区的簇状 放电是诱发动物产生绝望和快感缺失等行为表现的 充分条件。针对抑郁的分子机制，该研究组发现这种 簇状放电方式是由 NMDAR 型谷氨酸受体介导的，作 为 NMDAR 的阻断剂，氯胺酮的药理作用机制正是通 过抑制缰核神经元的簇状放电，高速高效地解除其对 下游“奖赏中心”的抑制，从而达到在极短时间内改善 情绪的功效。同时，该研究组对产生簇状放电的细胞 及分子机制做出了更深入的阐释。通过高通量的定 量蛋白质谱技术，他们发现抑郁的形成伴随着胶质细 胞中钾离子通道 Kir4.1 的过量表达。而 Kir4.1 通道对 抑郁的调控植根于缰核组织中胶质细胞对神经元的 致密包绕这一组织学基础。在神经元-胶质细胞相互 作用的狭小界面中，Kir4.1 在胶质细胞上的过表达引 发神经元细胞外的钾离子浓度降低，从而诱发神经元 细胞的超极化、T-VSCC 钙通道活化，最终导致 NMDAR 介导的簇状放电。上述研究对于抑郁症这一重 大疾病的机制做出了系统性的阐释，颠覆了以往抑郁 症核心机制上流行的“单胺假说”，并为研发氯胺酮的 替代品、避免其成瘾等副作用提供了新的科学依据。 同 时 ，该 研 究 所 鉴 定 出 的 NMDAR、Kir4.1 钾 通 道 、 T-VSCC 钙通道等可作为快速抗抑郁的分子靶点，为 研发更多、更好的抗抑郁药物或干预技术提供了崭新 的思路，对最终战胜抑郁症具有重大意义。 3.揭示抑郁发生及氯 胺酮快速抗抑郁机制 利用纳米医学机器人实现对人类重大疾病的精 准诊断和治疗是科学家们追逐的一个伟大的梦想。 国家纳米科学中心聂广军、丁宝全和赵宇亮研究组 与美国亚利桑那州立大学颜灏研究组等合作，在活 体内可定点输运药物的纳米机器人研究方面取得突 破，实现了纳米机器人在活体（小鼠和猪）血管内稳 定工作并高效完成定点药物输运功能。研究人员基 于 DNA 纳米技术构建了自动化 DNA 机器人，在机器 人内装载了凝血蛋白酶——凝血酶。该纳米机器人 通过特异性 DNA 适配体功能化，可以与特异表达在 肿瘤相关内皮细胞上的核仁素结合，精确靶向定位 肿瘤血管内皮细胞；并作为响应性的分子开关，打开 DNA 纳米机器人，在肿瘤位点释放凝血酶，激活其凝 血功能，诱导肿瘤血管栓塞和肿瘤组织坏死。这种 创新方法的治疗效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及 原发肺癌等多种肿瘤中都得到了验证。并且小鼠和 Bama 小型猪实验显示，这种纳米机器人具有良好的 安全性和免疫惰性。上述研究表明，DNA 纳米机器 人代表了未来人类精准药物设计的全新模式，为恶 性肿瘤等疾病的治疗提供了全新的智能化策略。 4.研制出用于肿瘤治疗 的智能型 DNA纳米机器人 牛顿万有引力常数 G 是人类认识的第一个基本物 理常数，其在物理学乃至整个自然科学中扮演着十分重 要的角色。两个世纪以来，实验物理学家们围绕引力常 数 G 值的精确测量付出了巨大而艰辛的努力，但其测量 精度目前仍然是所有物理学常数中最低的。按照牛顿 万有引力定律，G 应该是一个固定的常数，不因测量地 点和测量方法的不同而变化。但是，当前国际上不同研 究小组用不同方法测得的 G 值却不吻合。为了深入研 究这一问题，华中科技大学物理学院引力中心罗俊研究 团队自 2009 年开始同时采用两种相互独立的方法—— 扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法来测量 G 值。历经 多年的艰苦努力，2018 年两种方法均获得了迄今为止 国际最高的测量精度（G 值分别为 6.674184×10-11 和 6.674484×10-11m3 /kg/s2 ，相对标准偏差分别为百万分之 11.64和 11.61），更为关键的是两个结果在 3倍标准差范 围内吻合。 5.测得迄今最高精度 的引力常数 G 值 高能宇宙射线中的负电子和正电子在其行进过程中 会很快损失能量，因此其测量数据可以作为高能物理过 程的一个探针，甚至用于研究暗物质粒子的湮灭或衰变 现象。基于地基切伦科夫伽玛射线望远镜阵列的间接探 测获得的电子宇宙射线能谱在1TeV（1TeV=1000GeV=1 万亿电子伏特）附近存在有拐折的迹象，但其系统误差很 大。我国首颗天文卫星悟空号（DAMPE）的电子宇宙射 线 的 能 量 测 量 范 围 比 起 国 外 的 空 间 探 测 设 备（如 AMS-02、Fermi-LAT）有显著提高，拓展了人类在太空 中观察宇宙的窗口。DAMPE 合作组基于悟空号前 530 天的在轨测量数据，以前所未有的高能量分辨率和低本 底对 25GeV—4.6TeV 能量区间的电子宇宙线能谱进行 了精确的直接测量。悟空号所获得能谱可以用分段幂律 模型而不是单幂律模型很好地拟合，明确表明在 0.9TeV 附近存在一个拐折，证实了地面间接测量的结果。该拐 折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精 确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗 物质起着关键性作用。此外，悟空号所获得的能谱在 1.4TeV附近呈现出流量异常迹象，尚需进一步的数据来 确认是否存在一个精细结构。 6.首次直接探测到电 子 宇 宙 射 线 能 谱 在 1TeV 附近的拐折 离子与水分子结合形成水合离子是自然界最为常 见和重要的现象之一，在很多物理、化学、生物过程中扮 演着重要的角色。早在 19 世纪末，人们就意识到离子 7.揭示水合离子的原 子结构和幻数效应 水合作用的存在并开始了系统的研究。一百多年来，水 合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点， 至今仍没有定论。究其原因，关键在于缺乏原子尺度的 实验表征手段以及精准可靠的计算模拟方法。北京大 学物理学院量子材料科学中心江颖、王恩哥和徐莉梅研 究组与化学与分子工程学院高毅勤研究组等合作，开发 了一种基于高阶静电力的新型扫描探针技术，刷新了扫 描探针显微镜空间分辨率的世界纪录，实现了氢原子的 直接成像和定位，在国际上首次获得了单个钠离子水合 物的原子级分辨图像，并发现特定数目的水分子可以将 水合离子的迁移率提高几个量级，这是一种全新的动力 学幻数效应。结合第一性原理计算和经典分子动力学 模拟，他们发现这种幻数效应来源于离子水合物与表面 晶格的对称性匹配程度，而且在室温条件下仍然存在， 并具有一定的普适性。该工作首次澄清了界面上离子 水合物的原子构型，并建立了离子水合物的微观结构和 输运性质之间的直接关联，颠覆了人们对于受限体系中 离子输运的传统认识。这对离子电池、防腐蚀、电化学 反应、海水淡化、生物离子通道等很多应用领域都具有 重要的潜在意义。 真核细胞内，细胞器和细胞骨架进行着高度动态而 又有组织的相互作用以协调复杂的细胞功能。观测这 些相互作用，需要对细胞内环境进行非侵入式、长时程、 高时空分辨、低背景噪声的成像。为了实现这些正常情 况下相互对立的目标，中国科学院生物物理研究所李栋 研究组与美国霍华德休斯医学研究所 Jennifer Lippincott-Schwartz 和 Eric Betzig 等合作，发展了掠入射结构 光照明显微镜（GI-SIM）技术，该技术能够以 97 纳米分 辨率、每秒 266 帧对细胞基底膜附近的动态事件连续成 像数千幅。研究人员利用多色 GI-SIM 技术揭示了细 胞器—细胞器、细胞器—细胞骨架之间的多种新型相互 作用，深化了对这些结构复杂行为的理解。微管生长和 收缩事件的精确测量有助于区分不同的微管动态失稳 模式。内质网（ER）与其他细胞器或微管之间的相互作 用分析揭示了新的内质网重塑机制，如内质网搭载在可 运动细胞器上。而且，研究发现内质网-线粒体接触点 可促进线粒体的分裂和融合。 8.创建出可探测细胞 内结构相互作用的纳米和 毫秒尺度成像技术 通过增加无机氮肥施用量来提高作物的生产力，虽 能保障全球粮食安全，但也加剧了对生态环境的破坏，因 此提高作物氮肥利用效率至关重要。这需要对植物生长 发育、氮吸收利用以及光合碳固定等协同调控机制有更 深入的了解。中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向 东研究组与合作者的研究显示，水稻生长调节因子 GRF4和生长抑制因子 DELLA相互之间的反向平衡调 节赋予了植物生长与碳—氮代谢之间的稳态共调节。 GRF4促进并整合了植物氮素代谢、光合作用以及生长 发育，而DELLA抑制了这些过程。作为“绿色革命”品种 典型特征的DELLA蛋白高水平累积使其获得了半矮化 优良农艺性状，但是却伴随着氮肥利用效率降低。通过 将 GRF4-DELLA 平衡向 GRF4丰度的增加倾斜，可以 在维持半矮化优良性状的同时提高“绿色革命”品种的氮 肥利用效率并增加谷物产量。因此，通过调控植物生长 和代谢的协同调节是未来可持续农业和粮食安全的一种 新的育种策略，也是一场新的“绿色革命”。 9.调控植物生长—代谢 平衡实现可持续农业发展 人类的起源和演化是重大世界前沿科学问题，国 际上公认的非洲以外最老旧石器地点是格鲁吉亚的德 马尼西遗址，年代为距今 185 万年。由中国科学院广 州地球化学研究所朱照宇、古脊椎动物与古人类研究 所黄慰文和英国埃克塞特大学 Robin Dennell 领导的 团队历经 13 年研究，在陕西省蓝田县发现了一处新的 旧石器地点——上陈遗址。研究人员综合运用黄土— 古土壤地层学、沉积学、矿物学、地球化学、古生物学、 岩石磁学和高分辨率古地磁测年等多学科交叉技术方 法测试了数千组样品，建立了新的黄土—古土壤年代 地层序列，并在早更新世 17 层黄土或古土壤层中发现 了原地埋藏的 96 件旧石器，包括石核、石片、刮削器、 钻孔器、尖状器、石锤等，其年龄约 126 万年至 212 万 年。连同该团队前期将蓝田公王岭直立人年代由原定 距今 115 万年重新定年为 163 万年的结果，上陈遗址 212 万年前最古老石器的发现将蓝田古人类活动年代 推前了约 100 万年，这一年龄比德马尼西遗址年龄还 老 27 万年，使上陈成为非洲以外最老的古人类遗迹地 点之一。这将促使科学家重新审视早期人类起源、迁 徙、扩散和路径等重大问题。此外，世界罕见的含有 20 多层旧石器文化层的连续黄土—古土壤剖面的发 现将为已经处于世界领先地位的中国黄土研究拓展一 个新研究方向，同时将对古人类生存环境及石器文化 技术的演进给出年代标尺和环境标记。 10.将人类生活在黄 土高原的历史推前至距今 212万年