《Science》2022年度十大科学突破公布,中国学者成果入选

【字体: 时间:2022年12月16日 来源:生物通

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  12月16日Science杂志公布了2022年度十大科学突破。今年的Science十大科学突破之首是詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST),除此之外,生物类的包括:一种比许多细菌细胞大近5000倍的巨大微生物;开发多年生水稻品种;黑死病如何改变欧洲人基因;200万年前的环境DNA重建的古老生态系统;呼吸道合胞病毒疫苗;以及识别可能导致多发性硬化症的病毒。

  

12月16日Science杂志公布了2022年度十大科学突破。今年的Science十大科学突破之首是詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST),除此之外,生物类的包括:一种比许多细菌细胞大近5000倍的巨大微生物;开发多年生水稻品种;黑死病如何改变欧洲人基因;200万年前的环境DNA重建的古老生态系统;呼吸道合胞病毒疫苗;以及可能导致多发性硬化症的病毒。

JWST

经过无数挫折、20年的发展、100亿美元的巨额花费以及150万公里的危险太空之旅,新的詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)终于打开了它的金色红外眼,以令人惊叹的、前所未有的细节瞥见了宇宙以及它深不可测的过去。为了纪念这一壮举,美国《科学》杂志将JWST的飞行遴选为2022年科学突破之首。

空间望远镜不受地球大气层的阻碍,提供了地球周围宇宙的未受干扰的视图。然而,与其前身哈勃空间望远镜不同,JWST可捕获红外光,包括从第一批恒星和星系发出的光。在2022年6月下旬上天后的几天内,研究人员开始发现数千个比以前记录的任何星系都更遥远、更古老的新星系,其中一些可能比哈勃望远镜发现的最古老的星系早1.5亿多年。更重要的是,JWST能够从天体(从诞生的恒星到系外行星)收集足够的光线,以揭示它们是由什么组成的,以及它们如何在太空中移动。这些数据已开始非常详细地揭示距离地球数百光年的行星的大气成分,为研究它们支持生命的能力提供了可能性。

多年生水稻,有望更容易种植

世界主要粮食作物水稻、小麦和玉米必须在每一次收获后重新种植。这对农民来说是一项艰巨的工作,可能会导致土壤侵蚀等环境问题。能够年复一年地生存和生产的多年生谷物可以减轻负担,但培育足够长寿和高产的植物一直是一个挑战。今年,中国的研究人员表明,多年生水稻能够达到这些标准,为农民节省下辛苦劳动。

云南大学的胡凤益研究团队培育出可用于实际生产的多年生水稻品种。相关成果在《Nature Sustainability》发表,论文的标题为:Sustained productivity and agronomic potential of perennial rice。

研究团队利用多年生野生水稻与一年生栽培水稻进行杂交,经过多次自交筛选培育出系列多年生水稻品系,最终3个水稻品种通过国家审定。多年生水稻可连续种植4年,每年收获2季,并且平均亩产量略高于一年生水稻。多年生水稻可省略育秧和栽种等耕作环节,总体上能够节约50%左右的生产投入。种植多年生水稻同时具有改善耕层土壤结构和增加土壤有机质含量等良好生态效益。该品系水稻在最低月平均气温不低于13.5℃并且持续低于4℃时间不超过5天(南北纬40度之间)的稻作区均可种植。

目前胡凤益团队已成功育成了多个多年生稻品种,包括多年生稻23、云大25、云大107等,在中国及周边多个国家试验成功并推广。其中多年生稻23(PR23)于2018年通过品种审定,具有广适、高产稳产、多年生性强等特点,是基于种间杂交培育多年生粮食作物领域的里程碑事件。多年生稻种植一次,可连续免耕收获3-4年,即自第二季起便无需买种、育秧、犁田和移栽等生产环节,仅需田间管理和收获两个生产环节,节约生产成本,减少劳动力,是一种轻简化、绿色可持续的稻作生产方式。

该研究不仅培育出应用前景广泛的多年生水稻品种,对其他多年生作物和多年生牧草的遗传改良也具有一定的借鉴意义。

巨大微生物

今年2月,科学家们发现了一种无需借助显微镜就可用肉眼看到的、有史以来最大的细菌——华丽硫珠菌(Thiomargarita magnifica),它可长到2厘米,形如一根细绳,相当于花生或苍蝇的大小,比许多其他微生物大5000倍。

科学家表示,除了颠覆关于微生物可以变得多大和复杂的观点外,这种细菌“可能是复杂细胞进化过程中缺失的一环”。

具体见:重新定义原核细胞!迄今为止最大的细菌出乎意料的复杂

RSV疫苗

针对呼吸道合胞病毒(RSV)的两种疫苗的大规模临床试验最终证明,它们可以安全地保护受这种常见感染影响最严重的两个群体:婴儿和老年人。两种疫苗都能预防人的严重疾病,对60岁以上老人有效,不会造成严重副作用。其中一个还保护了怀孕晚期的婴儿6个月。

RSV通常只会引起轻微的感冒症状,但在婴儿身上,这种病毒会使肺部的小气道发炎,而在老年人身上,它会使现有的肺部和心脏状况恶化。50多年前,一项试验性候选疫苗的临床试验导致两名儿童死亡,80%的接种者住院治疗,几十年来RSV疫苗的开发一直处于停滞状态。科学家随后找出了关键原因:该疫苗由化学灭活的整个病毒制成,只引发了相对较弱的抗体,这不仅无法阻止病毒,而且通过鲜为人知的机制,帮助RSV损伤气道。

2013年,美国国家过敏症和传染病研究所(National Institute of Allergy and Infectious Diseases)的Barney Graham及其同事取得了一项关键进展,新疫苗避免了这一问题。疫苗中使用的一种病毒表面蛋白在与细胞受体对接后改变了形状,病毒与细胞融合,从而形成感染。在现任莫尔豪斯医学院的Graham领导下,该团队研究出如何将蛋白质锁定在其预融合状态。因此,接种疫苗会引发更高水平的强效抗体。

今年由葛兰素史克和辉瑞公司(Pfizer)进行的试验的好消息证明了这一策略的正确性。更多的结果即将到来:杨森制药公司和巴伐利亚北欧公司正在进行针对老年人的RSV疫苗的有效性试验。这两种疫苗在早期开发阶段都表现良好。

由于过去的失败,研发人员仍然感到不安:在临床试验中出现了未指明的“安全信号”后,葛兰素史克于2月份停止了其母源RSV疫苗。但迄今为止,没有一项其他研究报告出现危险信号,其中一些候选疫苗明年可能会获得世界各地监管机构的批准。

黑死病如何改变欧洲人基因

自从700年前黑死病夺去了欧洲三分之一以上人口的生命以来,研究人员一直在想,这场致命的瘟疫是如何在幸存者身上留下印记的。这样一场毁灭性的大流行一定是一种强大的选择性力量,有利于具有特别有效免疫防御的人。但是,由于我们的免疫基因对新病原体的反应频繁变化,因此在活人身上检测它的遗产是不可能的。

今年,研究人员利用研究古代DNA的工具,观察了在瘟疫期间生存和死亡的人的免疫基因差异,并确定了一个显著的影响。该团队分析了伦敦和丹麦黑死病之前、期间和之后埋葬的500多人的骨骼中的古代DNA。10月,他们在《自然》杂志上报道,幸存者更可能携带基因变体,从而增强他们对鼠疫耶尔森菌的免疫反应。鼠疫耶尔森杆菌是一种由跳蚤传播的细菌,导致了鼠疫。

伦敦黑死病发生后,245个基因变体的频率上升或下降;其中四个也改变了丹麦人的古代DNA。其中一个特别突出的基因是ERAP2。它编码一种叫做内质网氨基肽酶2的蛋白质,已被证明可以帮助免疫细胞识别和对抗威胁病毒。

该团队发现了ERAP2的两种变体,它们的基因密码仅相差一个字母。一种产生全尺寸的蛋白质,另一种产生截短的蛋白质。遗传了两个拷贝的编码全尺寸蛋白质的变体的人在瘟疫中存活的可能性是遗传了两份拷贝的另一种变体的人的两倍。研究人员还在实验室中培养了25名现代英国人的免疫细胞,并发现当暴露于鼠疫杆菌时,具有全尺寸保护型ERAP2的细胞产生了更多的免疫系统蛋白。

黑死病发生后的一个世纪里,这种保护性基因变体在欧洲的迅速传播,是人类基因组中迄今为止最有力的自然选择例子。ERAP2的保护性变体至今仍在45%的英国人中发现。它的持续存在表明,直到最近,它仍然受到自然选择的青睐,这可能是因为瘟疫在19世纪早期之前一直在欧洲和亚洲流行。但这种保护可能有代价:同样的变体也会增加患自身免疫性疾病的风险,如克罗恩病和类风湿性关节炎。

具体见:Nature:黑死病如何改变人们的免疫系统 

可能导致多发性硬化症的病毒

今年研究人员表明,一种常见的疱疹病毒是多发性硬化症(MS)的一个重要因素,在这种疾病中,免疫系统会攻击神经元。这一发现可能会为治疗或预防这种神秘疾病带来新的方法。在全球280万患者中,这种疾病会导致一些轻微症状,包括视力模糊、疲劳和麻木,但逐渐使其他人无法说话或行走。

长期以来,多发性硬化症的主要嫌疑人是Epstein-Barr virus,这种病毒在儿童时期感染大多数人,然后潜伏在某些白细胞中。该病毒主要通过唾液传播,在新感染的青少年和年轻人中可导致传染性单核细胞增多症或“接吻病”。几乎所有患有多发性硬化症的人都有爱泼斯坦-巴尔病毒抗体,但95%的健康成年人也是如此,因此很难确定该病毒的病因。

为了确定这种联系,流行病学家搜寻了超过1000万美国新兵20年的医疗记录,并分析了他们储存的一些血样。在801名患MS的士兵中,除一人外,其他所有人此前的爱泼斯坦-巴尔病毒检测均呈阳性。该团队在1月的《科学》杂志上报道,在最初呈阴性的士兵中,随后的感染将MS风险提高了32倍。这超过了吸烟导致的肺癌风险增加。

其他研究人员发现了一种可能的机制,几天后在《自然》杂志上报道,冬眠的病毒可能会通过所谓的分子模拟唤醒并造成神经损伤。Epstein-Barr的一种蛋白质类似于大脑和脊髓中的蛋白质,它明显地诱使免疫系统攻击传导电信号所必需的神经细胞周围的外壳。约20%至25%的MS患者的血液中含有结合这两种蛋白的抗体。

这些发现刺激了通过靶向病毒开发治疗MS药物的努力。如果目前正在进行临床试验的爱泼斯坦-巴尔疫苗中的一种被证明是有效的,并且被用于全世界的儿童,那么有一天MS甚至可能会像小儿麻痹症一样被消灭。

具体见:《Science》普通疱疹病毒引发多发性硬化症的证据

迄今最早DNA重建200万年前生态系统

200万年前的世界什么样?科学家通过分析迄今恢复的最早的古代环境DNA,绘制了格陵兰北部约200万年前生态系统的样貌,包括曾存在的动物和植物物种。该结果发表于7日的《自然》杂志,使人们能以前所未有的程度探究并理解一个古代生态系统,揭示了一个没有现代等同物的生态系统。

这个重建地是一片极地沙漠,位于北格陵兰的皮里地(Peary Land)。此前研究显示,该地区在约200万—300万年前的气候要温暖很多,气温比现在高11℃—19℃。然而,由于脊椎动物化石的稀缺,人们对当时居住在北极区的生物群落不甚了解。

此次,英国剑桥大学研究人员对从重建地5个不同遗址采集的41例有机质富集沉积物样本进行了DNA提取和测序。研究团队利用这些DNA重现了古代生态系统的样貌:一片生长着杨树、桦树、崖柏以及各种北极和北方灌木、草本植物的开阔北方林。DNA记录证实了野兔的存在,来自遗址的线粒体DNA还揭示了其它动物存在的痕迹,包括乳齿象、驯鹿、啮齿动物和雁类。研究人员还恢复了海洋生物的古DNA,这些古DNA显示曾存在一个大西洋鲎种群。研究人员认为,这或许意味着这一片区域在更新世早期有着更温暖的地表水环境,与之前的预测一致。

研究人员表示,他们的研究结果证明了利用古代环境DNA追溯200万年前生物群落演化的潜力。

(生物通)


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