◎本報記者 甘曉

2月29日，國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布了2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，分別為人工智能大模型為精準(zhǔn)天氣預(yù)報帶來新突破、揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動衰老的機制、發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機制、農(nóng)作物耐鹽堿機制解析及應(yīng)用、新方法實現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準(zhǔn)操縱、揭示人類細(xì)胞DNA復(fù)制起始新機制、“拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子、玻色編碼糾錯延長量子比特壽命、揭示光感受調(diào)節(jié)血糖代謝機制、發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)新機制。

本報記者整理了5項生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)進(jìn)展的詳細(xì)介紹。

揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動衰老的機制

中國科學(xué)院動物研究所研究員劉光慧帶領(lǐng)研究團(tuán)隊，通過搭建生理性和病理性衰老研究體系，結(jié)合高通量、高靈敏性和多維度的多學(xué)科交叉技術(shù)，揭示在衰老過程中，表觀遺傳“封印”的松動將導(dǎo)致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，并進(jìn)一步驅(qū)動衰老的“程序化”和“傳染性”。一方面，衰老細(xì)胞中的古病毒反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可通過激活天然免疫通路繼而引發(fā)細(xì)胞衰老和慢性炎癥；另一方面，衰老細(xì)胞釋放的病毒顆粒可在細(xì)胞間傳遞衰老信號，讓被“感染”的年輕細(xì)胞加速衰老。研究人員進(jìn)一步針對古病毒生命周期的不同階段，開發(fā)了可有效抑制古病毒“復(fù)活”及清除古病毒顆粒的方法，從而延緩甚至逆轉(zhuǎn)了細(xì)胞、器官乃至機體的衰老進(jìn)程。

這項工作提出了古病毒的“復(fù)活”驅(qū)動衰老及相關(guān)疾病的新理論，為理解衰老的內(nèi)在機制和發(fā)展衰老干預(yù)策略提供了新依據(jù)，為科學(xué)評估和預(yù)警衰老、防治衰老相關(guān)疾病以及積極應(yīng)對人口老齡化提供新思路。

發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機制

晝夜節(jié)律，俗稱生物鐘，是生物為了適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的晝夜更替而形成的一種節(jié)律性的生命活動規(guī)律。這種規(guī)律普遍存在于人類、動物、植物甚至微生物體內(nèi)。生物鐘的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性與健康息息相關(guān)。節(jié)律如果失常，可引起睡眠障礙、代謝紊亂、免疫力下降，嚴(yán)重時可導(dǎo)致腫瘤、糖尿病、精神異常等重大疾病的發(fā)生。

大腦的視交叉上核（SCN）是生物鐘的指揮中樞，協(xié)調(diào)外周器官的生物鐘，調(diào)控多種生理功能，包括免疫力、體溫、血壓、食欲等。然而，SCN如何維持機體內(nèi)部節(jié)律穩(wěn)定性，從而抵御外界環(huán)境的干擾尚不清楚。

軍事醫(yī)學(xué)研究院/南湖實驗室研究員李慧艷和張學(xué)敏通過合作研究發(fā)現(xiàn)了大腦“有形”生物鐘的存在。他們發(fā)現(xiàn)，大腦生物鐘中樞SCN神經(jīng)元長有“天線”樣的初級纖毛，每24小時伸縮一次，如同生物鐘的指針，通過它可實現(xiàn)對機體生物鐘的調(diào)控。

大腦SCN區(qū)域具有大約2萬個神經(jīng)元。神奇的是，這2萬個神經(jīng)元始終保持著“同頻共振”，維系著生物鐘的穩(wěn)定性，但其機理始終是個謎團(tuán)。該研究發(fā)現(xiàn)初級纖毛可能通過調(diào)控SCN區(qū)神經(jīng)元的“同頻共振”調(diào)節(jié)節(jié)律，其機制與音猬因子信號通路密切相關(guān)。該“有形”生物鐘的發(fā)現(xiàn)，對于理解生物鐘的構(gòu)造以及分子層面與細(xì)胞層面生物鐘的聯(lián)系具有重要意義，為節(jié)律調(diào)控新藥研發(fā)開辟了新路徑。

新方法實現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準(zhǔn)操縱

基因組編輯是生命科學(xué)領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，將對醫(yī)療和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。但是，精準(zhǔn)基因組編輯技術(shù)的底層專利目前被國外壟斷，我國亟待創(chuàng)制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)；另外，大片段DNA的精準(zhǔn)操縱技術(shù)研發(fā)剛剛起步，這將是全球基因組編輯技術(shù)競爭的制高點。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊與北京齊禾生科生物科技有限公司趙天萌團(tuán)隊合作，實現(xiàn)了基因組編輯在方法建立、技術(shù)研發(fā)和工具應(yīng)用方面的多層次創(chuàng)新。

首先，研究團(tuán)隊利用新方法開發(fā)了新型堿基編輯器。他們首次運用人工智能輔助的結(jié)構(gòu)預(yù)測建立了蛋白聚類新方法，率先將基于結(jié)構(gòu)分類的理念引入工具酶挖掘領(lǐng)域，并基于此開發(fā)了系列具有重要應(yīng)用價值的新型堿基編輯器和我國完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、首個在細(xì)胞核和細(xì)胞器中均可實現(xiàn)精準(zhǔn)堿基編輯的新型工具CyDENT。

第二，研究團(tuán)隊開發(fā)了首個植物大片段DNA精準(zhǔn)定點插入技術(shù)。他們通過結(jié)合引導(dǎo)編輯和重組酶系統(tǒng)，首次在植物中實現(xiàn)了10Kb以上大片段DNA的精準(zhǔn)定點插入。

第三，研究團(tuán)隊利用基因組編輯實現(xiàn)了作物性狀的精準(zhǔn)調(diào)控。他們通過從頭設(shè)計或延長基因上游開放閱讀框，開發(fā)了精細(xì)下調(diào)蛋白表達(dá)的新方法和新體系，實現(xiàn)了對作物性狀的精細(xì)微調(diào)。該成果有望進(jìn)一步拓寬基因組編輯的育種應(yīng)用，助力作物種質(zhì)創(chuàng)新。

揭示人類細(xì)胞DNA復(fù)制起始新機制

DNA是遺傳信息的“攜帶者”。每次細(xì)胞分裂時，它都要被準(zhǔn)確復(fù)制。

DNA復(fù)制過程受到嚴(yán)格的控制。DNA復(fù)制從染色體上多個地方開始，這些地方被稱為復(fù)制起始位點。這個過程分兩步：第一，在起始點上組裝微小染色體維持復(fù)合物（MCM）雙六聚體；第二，激活MCM雙六聚體，成為復(fù)制體，啟動復(fù)制。這個過程出現(xiàn)問題會導(dǎo)致嚴(yán)重疾病，比如癌癥、早衰和侏儒癥等。

為了深入了解人體細(xì)胞DNA復(fù)制是如何開始的，香港大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院博士翟元梁團(tuán)隊解析了人體內(nèi)的MCM雙六聚體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

在這個結(jié)構(gòu)中，復(fù)制起點DNA被固定在MCM的中央通道里，形成一個初始開口結(jié)構(gòu)。形成該結(jié)構(gòu)，DNA雙鏈需要被拉伸和解開。這為進(jìn)一步復(fù)制做好準(zhǔn)備，在激活MCM過程中，DNA會被進(jìn)一步打開，形成復(fù)制體，它們會沿著DNA模板進(jìn)行復(fù)制，就像用復(fù)印機復(fù)印文件一樣。

該研究還發(fā)現(xiàn)，如果初始的開口結(jié)構(gòu)被破壞，那么所有的MCM雙六聚體就無法穩(wěn)定地結(jié)合在DNA上，導(dǎo)致DNA復(fù)制完全被抑制，就像復(fù)印機壞了，無法復(fù)印文件一樣。

這一發(fā)現(xiàn)對癌癥治療有重要應(yīng)用價值。因為癌細(xì)胞在生長過程中必須進(jìn)行DNA復(fù)制，在不影響正常細(xì)胞運作的情況下，通過阻止癌細(xì)胞在DNA上組裝MCM雙六聚體，將會是一種全新、有效且非常精準(zhǔn)的抗癌療法，為抗癌藥物的研發(fā)開辟了新道路。

揭示光感受調(diào)節(jié)血糖代謝機制

國內(nèi)外多項公共衛(wèi)生調(diào)查研究顯示，夜間過多光暴露顯著增加罹患糖尿病、肥胖等代謝疾病風(fēng)險。然而，光是否以及如何調(diào)節(jié)機體的血糖代謝，是尚未解決的重要科學(xué)問題。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)光暴露顯著降低小鼠的血糖代謝能力。哺乳動物感光主要依賴于視網(wǎng)膜上的視錐、視桿細(xì)胞和對藍(lán)光敏感的自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGC）。利用基因工程手段，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)光降低血糖代謝由ipRGC感光獨立介導(dǎo)。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，光信號經(jīng)由視網(wǎng)膜ipRGC，至下丘腦視上核、室旁核，進(jìn)而到達(dá)腦干孤束核和中縫蒼白核，最后通過交感神經(jīng)連接到外周棕色脂肪組織；同時，確定了光降低血糖代謝的原因，是光經(jīng)由這條通路抑制棕色脂肪組織消耗血糖的產(chǎn)熱。進(jìn)一步研究表明，光同樣可利用該機制降低人體的血糖代謝能力。

這項研究發(fā)現(xiàn)了全新的“眼-腦-外周棕色脂肪”通路，回答了長久以來未知的光調(diào)節(jié)血糖代謝的生物學(xué)機理，拓展了光感受調(diào)控生命過程的新功能。同時，提示現(xiàn)代人生活應(yīng)關(guān)注健康的光線環(huán)境，控制夜間光線的波長、強度和暴露時長。這項研究發(fā)現(xiàn)的感光細(xì)胞、神經(jīng)環(huán)路和外周靶器官，為防治光污染導(dǎo)致的糖代謝紊亂提供了理論依據(jù)與潛在的干預(yù)策略。

《醫(yī)學(xué)科學(xué)報》 (2024-03-01 第3版 要聞)