國際生命科學與生物技術發展態勢 中國生命科學與生物技術發展報告
近年來，現代生命科學與生物技術取得了一系列重要進展和重大突破，並正在加速嚮應用領域滲透，在解決人類發展面臨的環境、資源和健康等重大問題方面展現出巨大的應用前景。生命科學新技術和新方法的發展及其與數理科學、工程科學的進一步交叉融合，為更深入系統地認識生命、更精準有效地改造生物體提供了前所未有的機遇。繼信息技術之後，生物技術日益成為新一輪科技革命和產業變革的核心，在重塑未來經濟社會發展格局中的重要性不斷增強，作為21世紀最重要的創新技術集群之一，其引領性、突破性、顛覆性特徵日益凸顯。
今天先來了解2017國際生命科學與生物技術發展態勢：
隨著以納米孔為標誌的第三代基因測序技術迅猛來襲，測序技術邁向高通量、高精度、低成本與便攜性時代。與此同時，表觀轉錄組分析技術、單細胞測序分析技術與基因編輯技術加速了人類生命藍圖的繪製與完善。這些生命科學手段與生物技術不斷創新、交叉與融合，廣泛地應用到科學前沿、臨床應用乃至產業研發等諸多領域，從而湧現出了越來越多的生命科學研究：腦- 機介面技術的重大突破，改造生命和創造生命的深入研究，幹細胞與再生醫學療法的臨床轉化，微生物組與人類健康和疾病的重大關聯，乃至細胞免疫療法的無限潛力，無一不彰顯出生命科學和生物技術向個體化、精準化邁進的趨勢。
（一）重大研究進展
1．生命組學研究繼續推動生命科學發現
技術創新和交叉推動生命組學研究向更精確的方向發展。在基因組方面，韓國首爾大學醫學院利用PacBio單分子測序技術結合BioNano單分子光學圖譜技術，發表了最為連續的人類二倍體基因組組裝結果。在轉錄組方面，德國馬克斯-普朗克學會（馬普學會）生物物理化學研究所開發了瞬時轉錄組測序技術，繪製了人類瞬時轉錄組圖譜；美國斯克利普斯研究所協同多家機構完成了大腦單神經元轉錄組的大規模評估。在蛋白質組方面，美國系統生物學研究所和瑞士蘇黎世聯邦理工學院合作開發了人類SRMAtlas分析方法，首次定量檢測了完整的人類蛋白質組；美國多家機構聯合開展了大規模蛋白質基因組學（proteogenomics）研究，探索了驅動乳腺癌和卵巢癌的關鍵因子。在免疫組方面，哈佛大學醫學院在一系列免疫細胞中進行了干擾素誘導基因表達和染色質的分析，構建了干擾素誘導調節網路；新一代基因測序技術推動了免疫組庫分析的臨床應用。
2．腦科學醞釀全球合作研究，腦-機介面技術實現重大突破
腦科學持續穩步發展，並醞釀全球合作。在美國、歐洲和中國的腦計劃不斷推進的同時，全球神經科學家積極探討開展全球協作，共同解決腦科學研究三大挑戰。
腦科學研究產出系列成果，尤其是在腦-機介面技術上取得了重要突破。技術進步推動基礎研究快速發展，美國冷泉港實驗室開發的標記大腦神經元MAP-seq新技術，有望實現深度神經網路的重大突破；美國洛克菲勒大學首次精確定位並定量了哺乳動物大腦中的基因表達。腦圖譜繪製方面，美國加州大學伯克利分校成功繪製了大腦語義地圖，邁出了解讀人類思想的關鍵一步；美國華盛頓大學完成了人類大腦皮層圖譜，97個大腦皮層區域首次亮相；美國艾倫腦科學研究院繪製了迄今最完整的數字版人腦結構圖譜，將成為大腦研究的最新指南。美國俄亥俄州立大學、瑞士聯邦技術研究所分別利用腦-機介面技術，實現了脊髓損傷後人類和黑猩猩對自身部位而非假肢的控制，標誌著腦-機介面技術在2016年邁出了重要一步。
3．合成生物學發展突飛猛進
合成生物學在改造生命和創造生命方面的研究愈發深入。隨著軟體工具的迅速發展與大數據技術的廣泛應用，美國克雷格·文特爾研究所等機構在以前工作的基礎上人工合成了目前世界上最小、僅含有473個基因的「合成細菌細胞」Syn3.0；美國哈佛大學通過計算機軟體設計出了只包含57個密碼子的大腸桿菌基因組，這一事件入選了我國兩院院士投票評選的2016年世界十大科技進展新聞；美國華盛頓大學通過計算、建模、預測與優化，首次人工設計出了超級穩定的二十面體蛋白，該重大成果入選了2016年《科學》雜誌評選的十大科學突破，為合成生物學、藥物裝載提供了良好的工具。此外，人類基因組編寫計劃日益受到研究人員的關注；能夠合成硅-碳鍵生物體的誕生預示著合成生物學未來具有無限可能性。
4．幹細胞與再生醫學研究展現臨床應用巨大前景
全球各國繼續大力支持幹細胞與再生醫學研究，同時強化監管體系建設，進一步加速了幹細胞與再生醫學療法的臨床轉化進程。幹細胞基礎研究持續深入，日本九州大學首次實現了幹細胞體外生成成熟卵細胞，為理解卵子形成進程提供了新的藍圖，該成果入選了2016年《科學》雜誌評選的十大科學突破；美國加州大學舊金山分校利用化合物把皮膚細胞成功轉化為心肌細胞與腦細胞；美國馬里蘭大學醫學中心首次利用成人幹細胞修復新生兒心臟。與此同時，包括幹細胞在內的細胞技術與組織工程、3D列印等工程化技術的融合，逐漸指明了工程化組織器官修復的發展方向。美國韋克福雷斯特大學利用「組織和器官集成列印系統」（ITOP）列印出人造耳朵、骨頭和肌肉組織，將其移植給動物後都能保持活性，有望解決人造器官移植難題。
5．人類微生物組展現與人類健康和疾病重大關聯
人類微生物組被稱為人類的第二套基因組，該領域已經成為生物醫學研究的熱點，並獲得各國的廣泛關注。近年來，對待微生物組的觀念更是從「影響人類健康和疾病」轉變為「將人體微生物組視作一個人體器官」，顯示人類微生物組的重要作用。目前，腸道微生物組是其中最受關注的領域。2016年，腸道微生物組與人類健康和疾病的關係研究持續推進，研究發現，腸道微生物對代謝疾病、心血管疾病、神經系統疾病、癌症等多種疾病均具有重要的調控作用，同時與免疫應答和營養水平也具有緊密聯繫。美國耶魯大學解釋了腸道菌群引起肥胖的機制，解決了困擾學界多年的難題；美國加州理工學院闡述了腸道微生物與帕金森病的聯繫，證明腸道中特定種類微生物的分泌物會與α-突觸核蛋白「攜手」導致帕金森病的發生；美國華盛頓大學、法國里昂第一大學同時發現在熱量匱乏的情況下，腸道菌群的組成可以決定個體是健康生長還是發育不良。這三項研究被評為「全球健康尤其是營養學的一個分水嶺」。
在機制探索的基礎上，腸道微生物也為多種疾病的診斷和治療帶來了新的
機遇。美國貝勒醫學院發現一種腸道細菌能夠逆轉小鼠的自閉癥狀；比利時魯汶大學發現一種名為Akkermansia的腸道細菌能夠減緩小鼠的肥胖和糖尿病進程；微生物療法公司Seres Therapeutics宣布啟動全球首個合成性微生物藥物SER-262治療原發性艱難梭菌感染的Ⅰb期臨床試驗。
6．首個PD-L1免疫療法藥物上市，細胞免疫療法有望攻克實體瘤
近年來，免疫療法研發熱度持續不減，被視為腫瘤治療的新希望。2016年《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）將應用免疫工程治療疾病評為年度十大突破技術。
免疫檢查點抑製劑和細胞免疫療法是當前腫瘤免疫療法研究的熱點。在免疫檢查點抑製劑方面，2016年美國食品藥品監督管理局（FDA）批准了首個以PD-L1為靶點的免疫療法藥物Tecentriq。2016年，細胞免疫療法在攻克實體瘤方面取得了多項突破性成果。美國賓夕法尼亞大學在小鼠模型中證明了靶向癌細胞表面蛋白Tn-MUC1的嵌合抗原受體T細胞（CAR-T）療法治療白血病和胰腺癌的有效性；美國希望之城醫學中心貝克曼研究所利用靶向白細胞介素的CAR-T療法治療腦癌患者，患者腫瘤顯著縮小，且腫瘤曾完全消失；美國國立衛生研究院（National Institutes ofHealth，NIH）下屬癌症研究所利用靶向KRAS突變的腫瘤浸潤淋巴細胞（TIL）回輸，治癒了一名晚期結腸癌患者。
7．個體化和精準化是醫藥技術發展的方向
隨著精準醫學的快速發展，全球新葯研發模式逐漸從傳統的重磅炸彈式向精確制導式發展，特別是以個體化和精準化為特徵的靶向藥物發展迅速。2016年，FDA批准的22個新葯中，靶向藥物有18個。與此同時，許多重要的新的疾病靶點正在被不斷發現。2016年，美國加州大學舊金山分校、美國凱斯西儲大學分別發現了三陰性乳腺癌（TNBC）的新靶點PIM1激酶、腫瘤免疫療法新靶點免疫檢查點蛋白Cdk5，美國加州大學聖地亞哥分校發現了172種腫瘤基因突變與靶向藥物的組合。生物大數據成為靶向藥物研發、指導精準用藥的重要資源。2016年，美國Regeneron遺傳學中心將50 000餘人的基因組數據與其電子病歷相結合，發現了家族性高膽固醇血症致病基因；英國維康信託基金會桑格研究所研究了11000個患者樣本中的腫瘤基因突變，發現了癌症基因突變與對特定藥物的敏感性之間的關聯。
（二）技術進步
生命科學新技術不斷革新，推動生命科學研究朝著精準化、定量化和可視化的方向進一步發展。
1．基因測序技術邁向高通量、低成本與便攜性時代
高通量、高精度、低成本和便攜性是測序技術和儀器研發的方向。納米孔測序技術入選了2016年《科學》雜誌評選的十大科學突破。Oxford Nanopore公司攜帶型納米孔測序儀MinION完成了對埃博拉病毒的現場檢測，在國際空
間站對鼠、病毒和細胞的DNA測序及人類全基因組進行測序，這些應用證實了納米孔測序技術在測序中的應用潛力。一系列新型測序技術也不斷湧現，由英國諾丁漢大學開發的Read Until測序技術通過與納米孔測序聯用，實現了高度選擇性的DNA測序。第二代基因測序技術也在不斷改進，Illumina在2017年初推出了NovaSeq新型測序儀，有望將人類全基因組測序成本降至100美元。
2．表觀轉錄組分析技術揭示RNA修飾調控機理
開發新型測序技術，發現RNA修飾標誌物及其修飾位點，揭示其調控機理，是目前表觀轉錄組領域發展的重點。2016年，美國加州大學洛杉磯分校開發出了一種新型RNA測序技術m6A-LAIC-seq，可以提供RNA化學修飾的詳細信息；比利時布魯塞爾自由大學開發出了hMeRIP-seq技術，繪製了RNA的hm5C轉錄組圖譜，全面揭示了這一RNA修飾的分布、位置和功能；芝加哥大學與霍華德·休斯醫學研究所及北京大學分別開發出兩種新技術m1A-seq和m1A-ID-seq，實現了全轉錄組水平上的譜圖鑑定，同時發現了一種新的RNA甲基化修飾形式——m1A，擴展了mRNA中的修飾種類，為該領域提供了新的研究方向。表觀轉錄組分析技術被《自然-方法》雜誌（NatureMethods）評為2016年的年度技術。
3．單細胞測序與分析技術加速人類細胞圖譜繪製
單細胞測序新技術不斷湧現，美國麻省理工學院開發出了新型RNA測序技術Div-Seq，可以揭示新生神經元的動態；我國北京大學開發出了單細胞三重組學測序技術，首次實現對單細胞進行三種組學同時高通量測序。在單細胞分析技術方面，美國加州理工學院開發出光學原位讀取人工突變存儲（memory by engineered mutagenesis with optical insitu readout，MEMOIR）技術，能夠讀取動物細胞的生命歷史和「譜系圖」。得益於這些單細胞技術的進步，國際人類細胞圖譜計劃得以醞釀實施。
4．基因編輯技術日益精準，得以廣泛應用
基因編輯技術的精確性及脫靶問題逐步改善，其應用範圍也進一步擴大。美國哈佛大學實現了對單個鹼基的編輯，提高了其精確性；美國麻省總醫院（MGH）減少了Cas9酶與靶DNA的非特異性互作，從而降低了脫靶效應；美國加州大學聖地亞哥分校首次實現了RNA編輯，美國索克生物研究所開發出了可編輯眼睛、大腦、胰腺及心臟細胞等非分裂細胞的新技術，為基因編輯技術應用於疾病治療帶來了更廣闊的前景。同時，法國艾克斯-馬賽大學、日本神戶大學及我國南京大學先後分別開發了巨型擬菌病毒噬病毒體抵抗元件（MIMIVIRE）新系統、Target-AID新技術、以結構引導的內切酶（structure-guided nuclease，SGN）技術，均有望成為新型基因編輯工具。
5．體外診斷技術高速發展，液體活檢走嚮應用
體外診斷技術迎來高速發展期，為疾病的精準診療奠定了基礎。作為體外診斷分支技術的液體活檢技術已從科研走嚮應用，成為疾病早期篩查和預後的重要工具。2015年，《麻省理工科技評論》將液體活檢評為年度十大突破技術。液體活檢的檢測物包括循環腫瘤細胞（CTC）、循環腫瘤DNA（ctDNA）、循環腫瘤RNA和外泌囊泡小體（exosome）4類，其中CTC和ctDNA是目前的研究熱點。2016年4月，美國FDA批准了首款基於ctDNA進行腫瘤篩查的產品——Epigenomics公司的Epi proColon試劑盒（用於篩查大腸癌）。
（三）產業發展
生物產業是當今發展最快的領域之一。當前，生物技術不斷在醫學、農業、工業、環境、能源等領域展現出巨大的潛力，正在引發新的科技革命，並有可能從根本上解決世界人口、糧食、環境、能源等影響人類生存與發展的重大問題，生物產業的藍圖正被越來越深刻地描繪。全球生物產業的銷售額每5年翻一番，複合年均增長率高達30%，是世界經濟增長率的10倍，生物產業已成為增長速度領先的經濟領域。
本文摘編自科學技術部社會發展科技司,中國生物技術發展中心編著《2017中國生命科學與生物技術發展報告》一書，內容有刪節。
2017中國生命科學與生物技術發展報告
科學技術部社會發展科技司,中國生物技術發展中心
ISBN 9787030553362
《2017中國生命科學與生物技術發展報告》總結了2016年我國生命科學基礎研究、生物技術應用和生物產業發展的主要進展情況，重點介紹了我國在組學、腦科學與神經科學、合成生物學、表觀遺傳學、結構生物學、免疫學、再生醫學等領域的研究進展以及生物技術應用於醫藥、農業、工業、環境等方面的情況，分析了我國生物產業的現狀和發展態勢，並對2016年生命科學論文和生物技術專利情況進行了統計分析。本書分為總論、生命科學、生物技術、生物產業、投融資、文獻專利6個章節，以翔實的數據、豐富的圖表和充實的內容，全面展示了當前我國生命科學、生物技術和生物產業的基本情況。本書可為生命科學和生物技術領域的科學家、企業家、管理人員和關心支持生命科學、生物技術與產業發展的各界人士提供參考。
（本期編輯：王芳）
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