世界生命科学格局中的中国

作者：杨超月

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中国网/中国发展门户网讯生命科学是研究生命本质及运行规律的自然科学，且与人类健康息息相关。本文试图从宏观层面，概略生命科学发展历程，归纳当代生命科学发展特征和前沿热点方向，分析中国在世界生命科学格局中的地位，举例介绍近10年来的代表性成果，讨论未来发展中需要关注和解决的问题。

生命科学百年发展趋势概略：3个“50年”

生命科学近150多年发展史中大约每半个世纪出现1次地标性突破（图1），并形成3个发展阶段。19世纪中叶，孟德尔通过种植豌豆实验发现遗传学基本规律并提出遗传因子假说（1865年），50多年后，摩尔根通过果蝇研究将遗传因子定位在染色体（1910年），他们共同奠基了经典遗传学，为第1个阶段。20世纪中叶，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构（1953年），开启了分子遗传学和分子生物学时代，为第2个阶段。此间，发现了生命遗传学密码和DNA-RNA-蛋白质生命科学中心法则，并催生了惠及人类的基因生物技术。20世纪和21世纪之交，随着“人类基因组计划”的实施和完成，生命科学进入组学和系统生物学时代，开启了第3个阶段。大量复杂的生命过程和疾病机制被阐明，基因组测序、合成与编辑，以及与人工智能的结合，正在谱写基因组的“读-编-写”新篇章，科学家开始书写合成生命体、精准调控生命过程。

上述3个阶段也是环环相扣的3轮生命科学革命，其标志是生命科学研究范式发生深刻变化，从生物表观性状及遗传的观察描述到生命过程的分子生物学表征与关联，再到以组学为特征的系统生物学运用，广泛影响生命科学研究各领域，并引领医学、农业生物学等领域及其技术的全面进步，极大地贡献了人类健康和经济社会发展。

世界生命科学格局中的中国

当代生命科学特征

在新科技革命驱动下，生命科学呈现以下5个特征。

原始发现层出不穷，底层创新呈现井喷。分子细胞生物学已经渗入生命科学的整个学科体系，成为生命科学各基础学科和应用学科的基础和支柱，促进层出不穷的原始性发现和底层创新。例如，强大的基因编辑技术源于微生物和古菌进化出对付病毒（噬菌体）感染的适应性免疫分子机制CRISPR的发现；改变分子生物学面貌的聚合酶链式反应（PCR）技术源于极端微生物细胞中耐热DNA多聚酶的发现，免疫检查点（CTLA-4和PD-1）的发现和细胞免疫学研究导致了如火如荼的肿瘤靶向免疫治疗，正在颠覆传统的癌症治疗模式；RNA干扰（RNAi）机制的发现，启动了遗传病基因沉默的治疗路线；细胞凋亡（apoptosis）、细胞焦亡（pyroptosis）、细胞程序性坏死（necroptosis）、

细胞自噬（authophagy）、细胞铁死亡（ferroptosis）、

细胞组分相变（transition）等现象被发现，叙述着细胞在生理、病理过程中种种巧妙的自调节机制，并衍生出重大疾病治疗的新策略。

系统论与还原论并重，层层揭秘复杂生命过程。分子生物学成功地注释了大量功能基因，并将许多生命过程和疾病发生机制与相关功能基因及转录和表达产物联系起来，若将此称为“还原论”，以基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等构成的生命组学，则是对复杂生命网络体系的系统性认识。“自下而上”与“自上而下”的结合，极大地提升了生命科学中发现的机会，催生了一个又一个新的研究方向和前沿热点。例如：整合基因组学、疾病分子生物学基础和临床数据，促进实现精准医学及个体化治疗目标；人体微生物组及代谢组被发现与健康和许多疾病息息相关，“肠道微生物组及代谢组也为解释中医药原理提供了一个新的视角”；通过基因组学和转录组研究及基因功能注释，发现仅有2%基因组编码蛋白质，其余98%功能未知部分被类比为基因组中的“暗物质”。其中，大量非编码RNA被发现在细胞网络时空调控中发挥关键作用，这“为生物学开辟了一个全新的领域，……在未来的后续研究中具有无限的潜力”。

学科汇聚融合，生命科学研究从定性描述开始实现动态、精准和定量解读。生命系统的遗传变异、代谢及调控的时空动态变化和生命物质的柔性等决定了生命过程的复杂性，目前所积累的生命科学系统知识多是大量定性片段结果的集成。超分辨显微成像、冷冻电镜、流式质谱、质谱成像、磁共振成像、增强拉曼光谱、膜片钳、光镊、纳米孔测序、纳米与分子生物传感、全微分析系统（mTAS）及器官芯片（organ-on-a-chip）、3D生物打印等各种物理和化学方法及技术平台的创建和应用，为生命科学研究提供了越来越强有力的工具，从而实现单细胞、可视化、高通量、高时空分辨分析和操纵。已经获得高分辨脑图谱、单细胞转录组、单细胞蛋白组、胚胎细胞谱系、活细胞中蛋白质3D结构测定、单粒子病毒在活细胞中的示踪、芯片上多器官互作及类器官创建等。生命系统得以在微观层面被精准、定量、可视化表征，甚至被成功模拟。