这些原始创新走在生命科学前沿

文／本刊记者 侯 静

近日，中国科协生命科学学会联合体公布2021年度“中国生命科学十大进展”评选结果，最终确定8个知识创新类和2个技术创新类项目成果为2021年度“中国生命科学十大进展”。

从二氧化碳到淀粉的人工合成

中国科学院天津工业生物技术研究所联合大连化物所等单位，抽提自然光合作用的化学本质，从头设计创建了从二氧化碳到淀粉合成的非自然途径，解决了途径代谢流从头计算、关键酶元件设计组装、生化途径精确调控等科学问题，以生物催化与化学催化耦合的11步反应，颠覆了自然光合作用固定二氧化碳合成淀粉的复杂生化过程，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的人工全合成，能效和速率超越玉米等农作物，突破了自然光合作用局限，并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新思路。

脊椎动物从水生到陆生演化的遗传创新机制

4亿多年前脊椎动物从水生到陆生是包括人类在内的陆生脊椎动物演化史上的重大事件，但长期以来对这一重大事件的遗传创新机制知之甚少。西北工业大学生态环境学院王文、王堃团队与中科院水生生物研究所何舜平和昆明动物所张国捷等团队合作，发现硬骨鱼祖先已进化出了陆生适应性相关的初步遗传基础，在肺鱼代表的肉鳍鱼内得到进一步加强，到四足动物最终完善而成功登上了陆地。《科学》报道该成果揭示了“隐藏在现生鱼类中水生到陆生演化的遗传奥秘”。

新型冠状病毒逃逸宿主天然免疫和抗病毒药物的机制

清华大学饶子和院士、娄智勇教授课题组，在国际上首次发现和重构了新冠病毒转录复制机器的完整组成形式。以此为基础，首次明确了病毒mRNA“加帽”成熟的关键酶分子，回答了冠状病毒研究中近30年来悬而未决的问题，并且该分子在各突变株中高度保守，在人体中没有同源物，为发展新型、安全的广谱抗病毒药物提供了全新靶点。同时，他们还首次发现病毒以“反式回溯”的方式对错配碱基和抗病毒药物进行“剔除”，阐明了瑞德西韦等药物效果不良的分子机制，为优化针对聚合酶的抗病毒药物提供了关键科学依据。

转录起始超级复合物组装机制

复旦大学徐彦辉团队解析转录起始复合物PIC及其与Mediator（中介体）组成的转录起始超级复合物结构的三维结构，系统地展示转录机器识别不同类型启动子并完成组装的全过程，揭示了转录为何发生在几乎所有基因的启动子上，颠覆了关于启动子识别和转录起始复合物组装的传统认识，阐明了Mediator促进PIC组装和转录激活的机制。

提高中晚期鼻咽癌疗效的高效低毒治疗新模式

针对放疗后的鼻咽癌患者对传统化疗的耐受性问题，中山大学肿瘤防治中心马骏研究团队提出了小剂量、长时间口服细胞毒药物卡培他滨的节拍化疗模式，其可通过抗血管生成、杀伤肿瘤干细胞等机制持续抑制肿瘤，同时提高机体耐受性。马骏教授研究发现，在放疗后使用“卡培他滨节拍化疗”可将失败风险显著降低45%，且严重毒副作用发生率减少了3/5，完成率达74%。同时卡培他滨口服用药方便可及，易于推广。该研究打破了传统化疗的疗效瓶颈，建立了鼻咽癌国际领先、高效低毒且简单易行的治疗新标准。

异源四倍体野生稻快速从头驯化

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队首次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，对应对未来粮食危机提供了新的可行路径，开辟了全新的育种方向。该项目筛选出一份四倍体高秆野生稻资源，建立了高效的组培再生、遗传转化与基因编辑体系，组装了高质量参考基因组，并成功创制了改良落粒性、芒性、株高、粒长、茎秆粗度、生育期等不同类型的四倍体水稻新材料，突破了全部技术瓶颈，证明异源四倍体野生稻快速从头驯化策略高度可行。未来四倍体水稻新作物的成功培育将有望对世界粮食生产带来颠覆性的革命。

冠状病毒的跨种识别和分子机制

中国科学院微生物研究所高福院士团队建立了高效评估冠状病毒跨种识别能力的方法，利用这些方法对蝙蝠源性冠状病毒RaTG13和穿山甲源性冠状病毒GD/1/2019和GX/P2V/2017的跨种传播潜在风险进行评估，并阐明其跨种识别的分子机制，研究发现上述三种冠状病毒存在跨种传播的潜在风险，提示我们要持续对动物源性冠状病毒进行监测，预防新的冠状病毒引发疫情，同时为理解病毒进化提供分子基础。

揭开鸟类长距离迁徙之谜

鸟类迁徙是最受关注的自然奇观之一。中国科学院动物研究所詹祥江团队历时12年，通过整合多年卫星追踪数据和种群基因组信息，建立了一套大陆尺度的北极游隼迁徙研究系统。研究人员阐明了气候变化在鸟类迁徙路线形成、维持及未来变化趋势中的驱动作用，发现一个和记忆能力相关的基因ADCY8在迁徙距离更长的游隼种群中受到正选择，揭示了长时记忆可能是鸟类长距离迁徙的重要基础。

干涉单分子定位显微镜

细胞的生理过程是由纳米尺度的生物分子执行的，因此对生命活动更深入的理解需要纳米分辨率的成像技术。中国科学院生物物理研究所徐涛院士组和纪伟研究组组成的技术攻关团队，一直聚焦于突破光学显微成像分辨率的研究，前期发展的ROSE显微镜把侧向（X-Y）分辨率提高到纳米水平，基于干涉定位创新原理又研制出ROSE-Z显微镜，进一步突破了轴向（Z）分辨率，可解析纳米尺度的亚细胞结构，为生命科学研究提供了有力工具。该研究表明光学显微镜已经步入纳米分辨率时代，我国科学家在该领域具备多学科交叉技术创新能力，研制的具有自主知识产权的新型超分辨成像设备处于国际领先地位。

全脑单神经元多样性研究及信息学大数据平台

东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川、顾忠泽、谢维团队，建立了世界上首个完整的全脑单神经元分辨率大数据和信息学平台，并应用于全鼠脑研究。针对神经元的全脑三维影像数据进行高通量神经元重建，全脑映射以及智能数据挖掘，并基于此平台生产了目前世界上数目最大的单细胞神经元形态数据集，首次揭示了长程投射规则和分子水平基础上的神经元形态亚类多样性，对研究大脑细胞分型和功能、脑连接环路、全脑大规模模拟、类脑计算、基于生物脑的新型人工智能算法和系统等会持续产生重要作用。本成果实现了首个软硬件结合的PB级超大规模脑大数据平台和首个完整的单细胞形态数据生产流水线，定量证明了完整单细胞解剖学分析对神经细胞类型鉴定至关重要。