2013年12月20日出版的《科學(xué)》雜志挑選出本年度十大突破性科學(xué)成就，包括癌癥免疫療法、CRISPR基因編輯技術(shù)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)指導(dǎo)疫苗設(shè)計等，其中8項與生物學(xué)相關(guān)。本文就其中的5個生物學(xué)方面的突破進(jìn)行簡要分析。

    癌癥研究新策略——激活自體免疫系統(tǒng)抵抗癌癥

    目前差不多3個人中就有1個人受癌癥的影響。四十幾年來，治療癌癥主要依靠手術(shù)、放療和化療，即切除、燙壞和毒化癌組織。因這些處理方式往往也會影響健康細(xì)胞，多數(shù)病患經(jīng)常需承受嚴(yán)重的副作用。有統(tǒng)計表明，全球腫瘤發(fā)病率和死亡率總體仍呈上升趨勢，提示目前的研究思路和治療方法存在問題，亟需新的治療策略。癌癥的免疫療法為人類帶來了希望。

    所謂免疫療法，即激發(fā)抵抗病毒和微生物的自身免疫系統(tǒng)來保護機體抵抗擴散的癌癥，關(guān)鍵在于如何提高機體免疫系統(tǒng)對腫瘤細(xì)胞的識別和殺傷力，研究人員就此展開研究。目前已經(jīng)有，如用于激活自身免疫系統(tǒng)的免疫激活劑、干擾素、白介素等；用于增強針對腫瘤特異免疫作用的腫瘤疫苗；用于清除腫瘤免疫抑制環(huán)境的抗體藥物如CTLA-4抗體、PD-1抗體等；通過體外活化、擴增具有腫瘤殺傷能力的免疫細(xì)胞后回輸給患者的過繼細(xì)胞免疫治療等。一些早期激活自身免疫系統(tǒng)的免疫激活劑產(chǎn)品，如干擾素、白介素等，和過繼細(xì)胞免疫治療等產(chǎn)品均已成熟，如CIK細(xì)胞。2011年已經(jīng)批準(zhǔn)癌癥抗體免疫治療藥物ipilimumab上市，然而大多數(shù)免疫療法目前正在開展臨床試驗，而且利用免疫系統(tǒng)來攻擊腫瘤的策略只對某些癌癥及若干病人有效，不過鑒于2013年醞釀了數(shù)十年的新癌癥治療策略終于確定了其潛力，因而被《科學(xué)》雜志選為今年十大突破之首。

    睡眠機制的揭示為治療腦部疾病提供新思路

    機體通過復(fù)雜的淋巴系統(tǒng)清理組織中可能存在潛在毒性的代謝廢物，例如可溶性蛋白的積累，過多的組織液等。而機體中最敏感的組織，中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺乏淋巴系統(tǒng)，而大腦一定在活動過程中產(chǎn)生廢物，對于什么系統(tǒng)在有效工作來清除這些廢物的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾個世紀(jì)。過去的研究一直致力于揭示腦部清理薄壁組織，并認(rèn)為在組織液和腦脊液之間發(fā)生溶質(zhì)和流體的交換，而這一交換過程由擴散力驅(qū)動。實際上研究人員也一直困惑，因為如此遠(yuǎn)距離的擴散對于高度調(diào)控的間質(zhì)環(huán)境是較難完成的。直至今年，美國羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（URMC）10月17日在《科學(xué)》雜志發(fā)表的文章才真正揭示了睡眠的機制：清理大腦。

    腦部類淋巴系統(tǒng)相當(dāng)于一個管道系統(tǒng)依附大腦血管，通過大腦的組織泵送腦脊液，沖洗廢物（包括阿爾茨海默氏癥和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的毒素）進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，最終順著血液總循環(huán)系統(tǒng)到肝臟。這一機制的揭示為一系列神經(jīng)系統(tǒng)方面的疾病提供了治療新思路，特別是那些因為錯誤折疊蛋白的過多累積而導(dǎo)致的疾病，例如阿爾茨海默病、帕金森癥、亨廷頓氏舞蹈癥、慢性創(chuàng)傷腦部病變、肌萎縮側(cè)索硬化癥等。以后研發(fā)此類疾病的思路可以調(diào)整到大腦的清潔系統(tǒng)中，或正是因為大腦這一清潔系統(tǒng)的破壞才導(dǎo)致毒性蛋白的累積。

    C**ER基因編輯技術(shù)因成本低、高效等優(yōu)勢將成為基因編輯的常用工具

    在C**ER基因編輯技術(shù)之前，常用的兩種基因編輯技術(shù)（或策略）為鋅指核酸酶（zinc-finger nucleases,簡稱**N）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（TALEN）。**N操作過程繁瑣，成本高，相關(guān)公司提供定制和現(xiàn)貨的CompoZrR**N,售價在4 000——7 000美元。不過基于前者提供的基因組編輯技術(shù)的理論基礎(chǔ)，研究人員開發(fā)出TALEN基因編輯技術(shù)。TALEN實現(xiàn)**N的大部分功能，但更便宜，且又快又好。完整的試劑盒售價在幾百美元。不過TALEN分子比**N大得多，因此很難高效導(dǎo)入。而CRISPR相比**N和TALEN的好處，在于該技術(shù)簡單、價格低廉、易于編程且非常高效。例如，有研究人員一直嘗試在小鼠中利用TALEN來進(jìn)行基因組改造。她用7種酶來靶定7個位點，嘗試數(shù)月，無一成功。之后使用Cas9,在三四個星期的時間內(nèi)，7個都成功了。另外，這一技術(shù)的開發(fā)也將改變以前的復(fù)雜基因修飾只能在小鼠上進(jìn)行的限制，利用該技術(shù)使研究人員能夠在幾乎任何物種中實現(xiàn)精確的修飾。不過目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)CRISPR技術(shù)存在較高的脫靶效應(yīng)的弊端，甚至脫靶效率高達(dá)84%.而目前對該技術(shù)產(chǎn)生脫靶率高的現(xiàn)象的原因還不清楚。如今后如進(jìn)一步確定相關(guān)成因，必將推動該技術(shù)的進(jìn)一步普及。

    CLARITY技術(shù)使研究人員在顯微鏡下觀察小鼠完整大腦成為可能

    構(gòu)建人類大腦的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)困難的，因為涉及到數(shù)以億計的相互聯(lián)系的細(xì)胞，追蹤這些聯(lián)系工作量相當(dāng)大，以現(xiàn)在技術(shù)僅分析一平方毫米的組織都需要花費數(shù)年時間。然而，斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)人員研發(fā)的腦透明成像3D CLARITY（技術(shù)可使大腦維持原結(jié)構(gòu)的前提下變成透明狀。正是這一技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，使研究人員在顯微鏡下觀察完整小鼠大腦的3D結(jié)構(gòu)成為可能。另外，傳統(tǒng)方法常用解剖法（如大腦切片）來觀察大腦中的神經(jīng)回路，這一方法的局限在于會破壞神經(jīng)回路的完整性，而CLARITY的發(fā)現(xiàn)使研究人員在大腦完整結(jié)構(gòu)的前提下仍可以清楚觀察其中的神經(jīng)回路。實際上該技術(shù)不僅可以應(yīng)用在大腦上，機體的任何組織都可以應(yīng)用這一技術(shù)來獲得透明完整結(jié)構(gòu)，以根據(jù)需要進(jìn)行觀察研究。

    結(jié)構(gòu)生物學(xué)指導(dǎo)設(shè)計的針對呼吸道合胞病毒疫苗在動物試驗中表現(xiàn)出效果

    呼吸道合胞病毒是一種可導(dǎo)致肺炎的傳染性病毒，是5歲以下兒童住院的最主要原因之一。全球范圍內(nèi)，繼瘧疾之后，該病毒是一歲以下嬰幼兒的第二大***。雖然對這種病毒的研究已有40多年，但始終未能開發(fā)出有效疫苗。美國**衛(wèi)生研究院國家過敏癥和傳染病研究所疫苗研究中心致力于該疫苗的研究十余年。傳統(tǒng)制作疫苗的思路是機體暴露在滅活或毒性弱化的病毒環(huán)境中，機體進(jìn)而會產(chǎn)生抗體。然而此次疫苗研究中，美國研究人員采用該法制造抗體遇到了瓶頸。不過廈門大學(xué)國家傳染病診斷試劑與疫苗工程技術(shù)研究中心研究人員采用了不同的思路使這一疫苗研究跳出困境。研究人員從那些對這些病毒能產(chǎn)生抗性的機體中獲得了一種特別的抗體，并分析與該抗體綁定的呼吸道合胞病毒蛋白結(jié)構(gòu)。研究人員對該蛋白結(jié)構(gòu)略作改動，使其與機體產(chǎn)生的抗體更易于結(jié)合。這一改動使得機體制造出更多的抗體來抵抗病毒入侵。研究人員通過這一結(jié)構(gòu)生物學(xué)設(shè)計的疫苗已在小鼠及恒河猴試驗中獲得預(yù)期效果。

    本文作者：中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心（生命科學(xué)研究快報網(wǎng)）江洪波、于建榮