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在20世紀(jì)中葉，隨著物理和化學(xué)技術(shù)的飛躍，研究者揭示了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和DNA雙螺旋模型，催生了分子生物學(xué)，引領(lǐng)生命科學(xué)進(jìn)入分子研究的新紀(jì)元。隨著科技的飛速發(fā)展，我們對(duì)生命科學(xué)的理解也在不斷深化。從20世紀(jì)中葉分子生物學(xué)的興起，到21世紀(jì)的大科學(xué)時(shí)代，生命科學(xué)的研究正逐漸從微觀的分子層面擴(kuò)展到宏觀的細(xì)胞和組織層面，為我們揭示生命的奧秘提供了前所未有的視角。
1.分子層面的多組學(xué)研究
在生命科學(xué)的微觀世界里，分子扮演著至關(guān)重要的角色。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和DNA雙螺旋模型的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著生命科學(xué)邁入了分子研究的新紀(jì)元。然而，隨著研究的深入，科學(xué)家們意識(shí)到生命活動(dòng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的基因疊加所能解釋。基因、蛋白質(zhì)等生物分子間形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，才是驅(qū)動(dòng)生命活動(dòng)的核心力量。
進(jìn)入21世紀(jì)，“人類基因組計(jì)劃”的完成標(biāo)志著生命科學(xué)從分子“碎片化”研究向全面系統(tǒng)研究的轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變不僅體現(xiàn)在研究隊(duì)伍的規(guī)模上，更體現(xiàn)在研究范式的創(chuàng)新上。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究新范式和迭代演進(jìn)的研究新模式，成為現(xiàn)代生命科學(xué)研究的兩大特點(diǎn)。
通過海量生物學(xué)數(shù)據(jù)的獲取和分析，科學(xué)家們得以從全局的角度揭示生命的奧秘。例如，癌癥患者的全基因組測(cè)序揭示了眾多基因變異，而大數(shù)據(jù)分析則揭示了罕見基因變異與常見疾病的關(guān)系。這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的組學(xué)研究，為我們提供了前所未有的信息，為健康醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要支撐。
2.細(xì)胞圖譜的繪制
細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單元。隨著單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的成熟，“人類細(xì)胞圖譜”計(jì)劃的啟動(dòng)，科學(xué)家們開始從細(xì)胞層面揭示生命的奧秘。近100國(guó)的3000名科學(xué)家參與該計(jì)劃，旨在確定所有細(xì)胞類型并連接其分子表達(dá)譜與空間位置信息。
細(xì)胞圖譜的研究不僅涉及單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，還發(fā)展了一系列可用于單細(xì)胞研究的組學(xué)技術(shù)。這些技術(shù)不僅讓我們能夠更深入地了解細(xì)胞的類型和功能，還為我們提供了從分子層面到細(xì)胞和組織層面的全新視角。
隨著研究的深入，空間組學(xué)技術(shù)的發(fā)展為我們揭示了生命體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和生理病理活動(dòng)。這一技術(shù)將影像技術(shù)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)合在一起，為我們提供了前所未有的高精度圖像和信息。通過這一技術(shù)，我們能夠更深入地了解生命體的演化和調(diào)控規(guī)律，為未來的醫(yī)學(xué)研究和治療提供重要支持。
3.整合視野下的生命組學(xué)
在生命科學(xué)的研究中，整合視野下的生命組學(xué)正在成為新的研究范式。這一范式強(qiáng)調(diào)從整體的角度研究和理解生命，打破了傳統(tǒng)的還原論研究范式。通過整合不同層面的數(shù)據(jù)和信息，我們能夠更全面地了解生命的奧秘，為未來的生命科學(xué)研究和應(yīng)用提供重要支持。
空間組學(xué)超越了分子和細(xì)胞層次，為認(rèn)識(shí)生物體整體演化和調(diào)控規(guī)律開創(chuàng)了新路徑。美國(guó)NIH的“人類生物分子圖譜計(jì)劃”旨在構(gòu)建人體組織器官圖譜。我國(guó)和英國(guó)研究者合作揭示了人胚胎肢體發(fā)育的細(xì)胞圖譜和基因表達(dá)調(diào)控。細(xì)胞圖譜研究策略將高層次的生命活動(dòng)“還原”到分子層次進(jìn)行研究和解釋，倡導(dǎo)從整體的角度研究和理解生命，打破了傳統(tǒng)的還原論研究范式。洛克菲勒大學(xué)的研究從“超細(xì)胞尺度”探討形態(tài)發(fā)生，而我國(guó)研究者利用TF-seqFISH技術(shù)揭示了脊髓發(fā)育中轉(zhuǎn)錄因子的空間表達(dá)。這種研究范式也應(yīng)用于病理過程，如美國(guó)NCI的“人類腫瘤圖譜網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目和芬蘭研究者對(duì)NK細(xì)胞與血液癌細(xì)胞相互作用的研究。我國(guó)復(fù)旦大學(xué)的“國(guó)際人類表型組計(jì)劃”在整合型生命大科學(xué)研究中領(lǐng)先，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)“全球第一”成就，并與國(guó)際團(tuán)隊(duì)共同推動(dòng)全景表型測(cè)量。
4.結(jié)語
從分子到細(xì)胞的探索之旅正不斷推動(dòng)生命科學(xué)的發(fā)展。以“人類基因組計(jì)劃”為代表的生命大科學(xué)之興起正在改變著生命健康領(lǐng)域的研究“版圖”。目前，我國(guó)科研力量在國(guó)際上總體“并跑”，部分領(lǐng)域“領(lǐng)跑”。為推動(dòng)發(fā)展，需強(qiáng)化三方面：完善科研管理機(jī)制，強(qiáng)化組織力，確保課題、資源管理和成果共享；建立或完善規(guī)?；M學(xué)研究技術(shù)平臺(tái)，如廣州“慧眼”大科學(xué)設(shè)施，支撐高效研究；加強(qiáng)生命健康科學(xué)大數(shù)據(jù)的開放與共享，確保數(shù)據(jù)安全、倫理治理，并促進(jìn)項(xiàng)目?jī)?nèi)外研究者共享利用。
文章改編自《中國(guó)科學(xué)院院刊》2024年第5期，專刊：建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)，努力搶占科技制高點(diǎn)。原文標(biāo)題：生命大科學(xué)：從微觀到介觀的組學(xué)研究。
責(zé)任編輯：魏敏
