《Science》2016年度十大科學突破公布

每年年底，Science雜誌都會評選出十大科學突破。本周（12月22日）Science雜誌公布了該刊評選出的2016年度十大科學進展，今年的Science十大科學突破之首是科學家首次直接探測到引力波，除此之外，今年的十大科學突破中生物類的包括：清除衰老，巨猿的「讀心術」，人工設計新蛋白質，真正的人造卵母細胞，以及納米測序突破性成果。

（圖片來源：Science雜誌）

清除衰老細胞保持年輕

昂貴的整容手術不能阻止你變老，膳食補充劑，注射睾丸激素，或者其它任何暗示你說可以永遠保持21歲的精華面霜也不能讓我們停止變老。但是今年，梅奧診所的研究人員證實清除衰老細胞可以延遲腫瘤形成，維持組織和器官的功能，延長壽命，且沒有觀察到任何的不良影響。

梅奧診所的研究人員利用了一種轉基因使得藥物能夠誘導除去正常小鼠體內的衰老細胞。當給予一種叫做AP20187的化合物時，除去衰老細胞延遲了腫瘤形成，抑制了多個器官發生年齡相關的退化。治療小鼠的平均壽命延長17-35%。它們還顯示出更健康的外表，脂肪、肌肉及腎臟組織中的炎症量減少。

梅奧診所研究人員多年來一直致力於衰老細胞清除的研究，2011年的Science十大科學突破中也有它。

巨猿的「讀心術」

今年研究證明並不是只有人類才有「讀心術」，巨猿們（指黑猩猩，猩猩，倭黑猩猩）也能夠讀懂他「人」心思。美國、日本和德國研究人員製作了兩個簡短視頻，讓黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩三種猿類觀看，並用眼紅外跟蹤器對它們的注視焦點進行追蹤。結果表明猿類能對人類認為假猩猩或石頭藏在什麼地方做出正確的判斷，它們了解人的想法。

這項研究暗示辨別錯誤的認知這一能力非人類所獨有，從黑猩猩、倭黑猩猩、猩猩和人類可追溯的共同祖先起，在靈長類家族中至少存在了1300~1800萬年。

人工設計蛋白質

蛋白質是我們生命的支柱，它們能加快關鍵的化學反應，讓肌肉使出力，幫助細胞進行溝通，防禦入侵者。為此科學家們一直都希望能創建出自己設計的蛋白。今年華盛頓大學生物化學系的Neil P. King和David Baker領導的研究組設計併合成了一個可自組裝的25納米的二十面體殼蛋白籠子，並且研究製成了兆道爾頓規模、雙組分的二十面體蛋白複合物。

設計新蛋白並不是一件容易的事，它要求科學家能準確預測蛋白質的三維結構，而這是一個老大難問題。由於氨基酸的性質各異，在預測時發生的一些微小誤差，都會極大影響最終結果。為了增加預測的準確度，科學家們發明了一種同源比較法，即基於結構已知的蛋白，對結構未知，但序列接近的蛋白質進行結構預測。這種方法雖有效，但也很快遇到了短板：目前已知的蛋白數量太少，不足自然界中蛋白數量的千分之一。這讓能用於比較的「模板」數量嚴重不足。

為此Baker等人創造了一個叫做Rosetta的預測工具，利用局部的氨基酸性質，分析蛋白片段。經過多次改良，這一研究組目前已經成功預測了900多個蛋白結構。而且更重要的是，研究人員設計了一種能夠結合特殊凝血素的蛋白，結果在臨床前實驗中證明人工合成的新蛋白能夠發揮作用。

人造卵母細胞

今年的「試管嬰兒」有了新的含義：科學家們第一次從實驗室重編程小鼠胚胎幹細胞（(ESCs）和誘導多能幹細胞（iPSCs）中培育出了功能完整的卵母細胞。這不僅實現了科學家們長期以來的願景，而且也為利用各種類型細胞培養卵細胞提供了新方法，但同時也引發了對設計嬰兒的擔憂。

2011年日本京都大學研究團隊成功地利用小鼠幹細胞生成了功能性的精子。其後一年，同樣是京都大學研究團隊在Science上發表論文，宣布其成功從小鼠的iPS細胞中培育出卵子，並使其體外受精後產下健康後代。但這個方法仍然要求是未成熟的卵細胞植入到活體小鼠中進行發育。而今年的研究人員實現了完全從實驗室中獲得卵細胞。他們從任何一種幹細胞類型開始，首先通過誘導幾個基因生成PGC樣細胞（PGC-like），然後將其與雌性性腺體細胞混合，創造出了體外「重組卵巢」。這些細胞會逐漸失去PGC標誌表達，開始表達卵母細胞標記。

在培養基中生長了三周後，研究人員觀察到了減數分裂前期的初級卵母細胞，這一階段的一個關鍵要素在於添加一種雌激素抑製劑，令早期階段的卵母細胞體外形成卵巢卵泡。研究人員再在培養基中加入促卵泡素和另外兩種因子，這樣細胞會分離出毛囊樣結構，卵母細胞繼續生長11天，組裝出全尺寸生髮泡卵母細胞。在第三階段，成熟培養基中培養了一天的生髮泡卵母細胞就會成為減數分裂-捕獲卵母細胞。

納米測序突破性成果

基因組測序可能即將成為生物學研究中一個無處不在的工具手段，今年的多篇技術研究成果，比如納米孔測序設備，為這一目前在生物學研究中已經佔據重要地位的實驗方法再加一把火。

納米孔測序的基礎理念已經有十幾年歷史了，其技術原理是讓單鏈DNA鹼基逐個穿過納米蛋白孔，檢測不同鹼基組合穿過時的電流變化來進行測序。2012年，Oxford Nanopore公司發布了自己的納米孔測序系統——MinION。自此，納米孔測序真正實現了商業化。今年MinION不僅在非洲埃博拉患者診斷方面大顯身手，而且還登上了國際空間站，宇航員用它在太空對老鼠、病毒和細菌的DNA樣本進行了測序，探討失重狀態下是否可以進行DNA測序。

技術方面，今年Nature Methods發表了一種可高度選擇性進行DNA測序的技術，這種技術被稱為「"Read Until」，與實時的納米孔測序聯合使用，使得用戶能夠分析靶標DNA鏈。這一技術是通過運用動態時間規整而發展的，以將短的query current traces與參考序列匹配，從而展示了小基因組特定區域的選擇性，來自一組靶標的單個擴增子，或一個集合中擴增產物的正常化。

此外，PacBio的測序系統也在罕見病測序診斷方面大放異彩：BioRxiv上公布了一項研究成果指出Carney綜合征患者在進行第二代全基因組測序後沒有檢測出任何可以解釋患者臨床表徵的遺傳變異，而在利用PacBio Sequel系統上進行測序後發現了缺失突變，精確檢測出缺失斷裂點。

原文標題

Breakthrough of the Year2016