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《2011中國生物技術(shù)發(fā)展報(bào)告》以2011年我國生命科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的主要成就為主線，重點(diǎn)介紹了組學(xué)技術(shù)、干細(xì)胞技術(shù)和再生醫(yī)學(xué)技術(shù)等前沿生物技術(shù)發(fā)展的國內(nèi)外情況，以及我國生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物制造、生物環(huán)保、生物能源的發(fā)展情況，闡述了2011年我國出臺(tái)支持生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策。《2011中國生物技術(shù)發(fā)展報(bào)告》分為前沿生物技術(shù)、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、政策管理和區(qū)域生物技術(shù)與產(chǎn)業(yè)等4個(gè)章節(jié)，以數(shù)據(jù)、圖表、文字相結(jié)合的方式，全面展示了2011年我國生物技術(shù)發(fā)展的基本情況。

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第一章前沿生物技術(shù)
1.1 概述
生命科學(xué)的發(fā)展從來沒有像今天這樣，如此強(qiáng)烈地依賴于研究方法和技術(shù)的進(jìn)步。
同時(shí)，生物技術(shù)正在進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，現(xiàn)代生命科學(xué)與生物技術(shù)的重大突破將為人類社會(huì)發(fā)展面臨的健康、糧食、能源、環(huán)境等問題提供科學(xué)可行的解決思路與方案。
為顯著提升我國生物技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，使生物技術(shù)的整體水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列，部分領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平，2011 年，科技部制定并發(fā)布了《“十二五”生物技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》�！笆濉� 期間，我國生物技術(shù)發(fā)展，將選擇具有中國特色和優(yōu)勢的核心關(guān)鍵技術(shù)，集中優(yōu)勢資源，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破，力爭在國際生物前沿科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)一席之地，搶占一批國際生物技術(shù)研究開發(fā)制高點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)展“組學(xué)” 技術(shù)、合成生物學(xué)技術(shù)、生物信息技術(shù)、干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)技術(shù)、生物過程工程技術(shù)、藥靶發(fā)現(xiàn)與藥物分子設(shè)計(jì)技術(shù)、動(dòng)植物品種設(shè)計(jì)技術(shù)、生物安全關(guān)鍵技術(shù)等一系列前沿生物技術(shù)。
1.2 “組學(xué)” 技術(shù)
“組學(xué)” （omics）一詞來源于基因組學(xué)，現(xiàn)在，科學(xué)家們將那些大尺度、復(fù)雜而系統(tǒng)的研究都稱為組學(xué)，但最常見的四種組學(xué)是基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)，他們的研究對象分別是細(xì)胞或組織中所有的DNA、mRNA、蛋白質(zhì)和代謝物（圖1-1）。
在“組學(xué)” 研究過程中，高通量分析技術(shù)是絕對的核心。如果沒有在短時(shí)間內(nèi)快速、準(zhǔn)確地測量海量數(shù)據(jù)的能力，則“組學(xué)” 則無從談起。
現(xiàn)在，世界各國都非常重視組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國也在《“十二五” 生物技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中提出，以開發(fā)新一代測序技術(shù)為我國生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的突破口，帶動(dòng)基因組技術(shù)、轉(zhuǎn)錄組技術(shù)、蛋白質(zhì)組技術(shù)、代謝組技術(shù)、表觀遺傳組技術(shù)、結(jié)構(gòu)基因組技術(shù)等各類組學(xué)研究技術(shù)的快速發(fā)展，研發(fā)高通量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析與文本挖掘技術(shù)，高通量樣品分析技術(shù)、微量樣品提取和放大技術(shù)、海量數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，加快組學(xué)技術(shù)與生物信息技術(shù)在疾病防控、臨床診治和生物制造、品種創(chuàng)制、新藥開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
1.2.1 國際進(jìn)展
1.基因組學(xué)技術(shù)
基因組學(xué)（genomics），是指研究生物體基因組的組成、結(jié)構(gòu)、功能及表達(dá)產(chǎn)物的學(xué)科。在基因組結(jié)構(gòu)方面，美國科學(xué)家首次開發(fā)出了一種方法可以生成一個(gè)細(xì)胞的全部DNA 鏈――即基因組的精確3D 模型，有助于從全局上理解基因組的功能。
在基因組技術(shù)方面， 2011 年主要在基因組編輯技術(shù)、新型測序技術(shù)、功能基因組資源、基因組人工合成、單體型因果突變方面取得重要進(jìn)展。
（1）基因組編輯技術(shù)
人工鋅指核酸酶介導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)或者稱為基因組定點(diǎn)修飾技術(shù)，原則上能在任何物種基因組的任何位置上進(jìn)行設(shè)計(jì)切除，從而能在內(nèi)源性序列上引入特異性修改。人工核酸酶技術(shù)已經(jīng)成為了在多種細(xì)胞類型和生物體內(nèi)進(jìn)行高效、位點(diǎn)特異性的基因修飾的一個(gè)常用工具。這種酶主要有三個(gè)類型――鋅指核酸酶（ZFN），轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（transcriptionactivator-like effector ucleases， TALENs），以及歸巢核酸內(nèi)切酶（engineered meganucleases）。2011 年人工核酸酶技術(shù)在技術(shù)上取得的突破是： ①費(fèi)城兒童醫(yī)院等處的研究人員利用遺傳工程改造后的ZFNs，在基因組上特定位置誘導(dǎo)雙鏈斷裂，并且在實(shí)驗(yàn)小鼠活體中以具有臨床意義的水平刺激基因組編輯，從而誘導(dǎo)高效的基因修正，該方法利用了鋅指核酸酶獨(dú)具在染色體上精確定位的優(yōu)勢，避免了傳統(tǒng)基因療法存在插入誘變（ insertional mutagenesis）的風(fēng)險(xiǎn)，首次取得了基因組編輯在基因療法上的突破； ②研究人員運(yùn)用TALENs 對植物病原菌TAL 效應(yīng)子進(jìn)行編輯，結(jié)果表明TAL 效應(yīng)子能顯著簡化DNA 綁定代碼，從而減輕了一些目前存在的，工程改造工具中的問題。
此外，哈佛醫(yī)學(xué)院著名遺傳學(xué)家George Church 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用多重自動(dòng)基因組改造（multiplex automated genomeengineering， MAGE ）方法，用同義的TAA 密碼子位點(diǎn)特異性地替換32 種大腸埃希菌菌株中的TAG 終止密碼子，之后，利用細(xì)菌天然的接合能力，研究人員誘導(dǎo)細(xì)胞以更大規(guī)模轉(zhuǎn)移包含TAA 密碼子的基因。這種新方法稱為接合組裝基因組改造（ conjugative assembly genome engineering，CAGE）。用TAA 逐步替換TAG。這種基因組改造技術(shù)將染色體看作可編輯、可進(jìn)化的模板（ George Church， et al，2011）。
（2）新型測序技術(shù)
A.用單個(gè)細(xì)胞分析基因
組美國加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校、克雷格-文特爾研究院和Illumina 公司的科學(xué)家對現(xiàn)代基因測序算法進(jìn)行了改良，結(jié)合多重置換互增（MDA）技術(shù)，只需從一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞中提取的DNA （脫氧核糖核酸）就可組裝成接近完整的基因組，準(zhǔn)確率達(dá)到90%，而傳統(tǒng)的測序方法至少需要10 億個(gè)相同的細(xì)胞才能完成。鑒于實(shí)驗(yàn)室無法培養(yǎng)的細(xì)菌范圍極廣，約占99.9%，這一突破為這些無法培養(yǎng)的細(xì)菌提供了測序方法，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值（HamidrezaChitsaz， et al， 2011）。
B.納米孔測序技術(shù)
納米孔測序法（nanopore sequencing）是采用電泳技術(shù)，借助電泳驅(qū)動(dòng)單個(gè)分子逐一通過納米孔來實(shí)現(xiàn)測序的。由于納米孔的直徑非常細(xì)小，僅允許單個(gè)核酸聚合物通過，因而可以在此基礎(chǔ)上使用多種方法來進(jìn)行高通量檢測。此外，納米級(jí)別的孔徑保證了檢測具有良好的持續(xù)性，測序的準(zhǔn)確度非常高。
IBM 和羅氏制藥公司正在合作開發(fā)基于電子的納米孔測序方法，該方法的核心是一個(gè)DNA 晶體管（DNA transistor）。而牛津納米孔技術(shù)公司（ Oxford NanoporeTechnologies）開發(fā)的DNA 雙鏈測序技術(shù)計(jì)劃于2012 年上市。
（3）功能基因組資源
功能基因組資源（Functional genomicresources）是指模式生物基因組資源，包括人、果蠅、線蟲、酵母、大鼠、小鼠、斑馬魚、擬南芥菜、水稻等模式生物。
2011 年主要表現(xiàn)在小鼠這一模式生物全基因組水平的操控，以及其具體基因表型的分析技術(shù)。
目前，科學(xué)家們現(xiàn)在掌握了所有小鼠基因的序列信息，不過還缺少對這超過兩萬個(gè)基因?qū)嶋H功能的全面整體了解。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，幾年前小鼠研究協(xié)會(huì)就開始了大規(guī)模的嘗試。在國際小鼠敲除研究聯(lián)盟的幫助下匯集多方資源，其目標(biāo)是在一個(gè)近交系小鼠――C57BL／6 中完成每個(gè)蛋白編碼基因的突變，并產(chǎn)生胚胎干細(xì)胞和小鼠品系，用于科學(xué)研究。2011 年這項(xiàng)研究取得了極大的進(jìn)展，研究工具獲得了大范圍擴(kuò)展，具體表現(xiàn)為： ①Sanger 研究院的研究人員創(chuàng)建了條件型敲除等位基因，獲得了一種能大批量產(chǎn)生基因突變的新方法，研究人員在C57BL／6 胚胎干細(xì)胞系中生成了數(shù)以千計(jì)的條件突變，適合為進(jìn)行大規(guī)�；虮憩F(xiàn)型分析的研究工作培育突變小鼠，這種高通量的基因定位方法也適用于大鼠和人的干細(xì)胞，為確定由哺乳動(dòng)物基因組編碼的所有基因的功能提供新平臺(tái)； ②一些機(jī)構(gòu)，如歐洲小鼠疾病臨床研究聯(lián)盟（European Mouse Disease Clinic，由分布在歐洲8 個(gè)國家的18 家開展小鼠功能基因組學(xué)與表型研究的研究所組成）等機(jī)構(gòu)在國際小鼠敲除研究聯(lián)盟的不同小鼠品系中，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)表型實(shí)驗(yàn)，不久之后科學(xué)家們就能獲得近交系小鼠基因功能數(shù)據(jù)，下一步將是對大鼠進(jìn)行研究，這些數(shù)據(jù)將有利于對基因功能的深入分析。
（4）人工合成基因
組2011 年，美國約翰? 霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員首次合成酵母的部分基因組，含這種人工基因組的酵母正常存活。
研究人員對酵母的兩個(gè)染色體片段進(jìn)行改造，刪去了其中重復(fù)的部分基因序列，之后添加一些人工合成的基因序列，經(jīng)人工改造的基因序列約占整個(gè)酵母基因組的1%。酵母在接納人工的基因組后，仍能正常存活，未出現(xiàn)明顯異常。
此前曾有研究人員人工合成過一種細(xì)菌的基因組，但細(xì)菌屬于原核生物，而酵母屬于更高級(jí)的真核生物。本次研究是世界上首次成功合成真核生物的部分基因組，標(biāo)志人工合成生物基因組的研究又邁出了重要步伐。
該研究的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是研究人員在人工基因組中設(shè)計(jì)了一種“混雜” 系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可通過激活相應(yīng)的酶來開啟，系統(tǒng)開啟后可以刪除某些基因或重新安排基因序列，酵母亦隨之發(fā)生相應(yīng)的變異。通過這種方式能夠得到不同屬性的酵母，對藥物、溫度等條件敏感的酵母，可用于不同目的的研究。
（5）單體型因果突變（causal mutationsin a haploid landscape）
高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展將研究焦點(diǎn)從數(shù)據(jù)獲取轉(zhuǎn)移到了數(shù)據(jù)解讀。人類基因組領(lǐng)域的研究人員在初級(jí)序列分析方面獲得了很大的進(jìn)步――不僅能針對短片段，單核苷酸多態(tài)性，插入缺失進(jìn)行圖譜繪制，甚至可以解析更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)突變。但是這方面仍然存在兩個(gè)挑戰(zhàn)： ① 確定單體型――個(gè)體基因組中每個(gè)染色體中各自的序列，尤其是沒有相關(guān)基因組信息的情況下； ②分析所有已發(fā)現(xiàn)的突變的功能作用，并從中找到與疾病相關(guān)的突變。
2011 年在個(gè)體單體型基因組分析領(lǐng)域取得了的一些成果，包括德國馬普學(xué)會(huì)的fosmid 克隆高通量測序，以及由斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員通過微流體裝置完成的首個(gè)個(gè)人單體型分析成果。
這些研究表明，許多基因中存在新突變，接下來需要更深入地分析這些突變對人體的影響。在分析編碼蛋白的基因序列和基因組中非編碼區(qū)域的潛在變異時(shí)，可以使用基于序列進(jìn)化保守信息的計(jì)算方法，或基于蛋白序列的生化屬性和結(jié)構(gòu)信息的計(jì)算方法。這些單體型基因組分析方法需要與大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，用以分析基因組中存在的突變，并揭示這些突變的分子表型，以對突變的功能進(jìn)行分析。
2.轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)
轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics），是一門在整體水平上研究細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科，是從RNA 水平研究基因表達(dá)的情況。轉(zhuǎn)錄組即一個(gè)活細(xì)胞所能轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA 的總和，是研究細(xì)胞表型和功能的一個(gè)重要手段。
2011 年轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)突破主要表現(xiàn)在： ①開發(fā)一種高分辨率技術(shù)，更好地了解RNA 結(jié)構(gòu)； ②開發(fā)了新型熒光標(biāo)記工具Spinach。
（1） RNA 結(jié)構(gòu)（RNA structures）
雖然RNA 轉(zhuǎn)錄體合成的時(shí)候是線性結(jié)構(gòu)，但是其折疊后的結(jié)構(gòu)在細(xì)胞生理機(jī)制作用中扮演了重要角色�，F(xiàn)代生命科學(xué)研究表明， RNA 的作用遠(yuǎn)不止是信使，傳遞信息，或者作為核糖體中的RNA 成分，近年來還發(fā)具有剪接和編輯、維持端粒、蛋白分泌表達(dá)、小分子感應(yīng)和應(yīng)答催化等新功能。RNA 如何行使這些功能，是解開許多生物學(xué)作用謎題的關(guān)鍵，而要回答這個(gè)問題，常常需要依賴于解密RNA 結(jié)構(gòu)。
但是要了解RNA 的結(jié)構(gòu)，并不容易，許多RNA 保守性不高，其功能不能通過簡單的同源篩選就可以發(fā)現(xiàn)，因此常常采用的是二級(jí)保守結(jié)構(gòu)的公變分析，還可以用于功能三維RNA 模塊的計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測。
首先為了解密RNA 二級(jí)結(jié)構(gòu)，研究人員采用了一些高通量的實(shí)驗(yàn)方法， 2011年麻省理工大學(xué)布羅德學(xué)院開發(fā)了一種高分辨率新技術(shù)，可以瞄準(zhǔn)一個(gè)特定細(xì)胞，研究所有RNA 的變化過程。通過在極短的時(shí)間間隔內(nèi)給RNA 拍攝快照，并將這些照片連在一起，不僅能顯示出RNA 的數(shù)量變化，還能看到其生命周期中短暫的中間過程。研究小組將這種追蹤新生RNA生命周期的技術(shù)與一種新的測序技術(shù)結(jié)合，就能計(jì)算出mRNA （信使RNA，攜帶遺傳信息，在蛋白質(zhì)合成時(shí)充當(dāng)模板）的數(shù)量。
這一新技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是跟蹤如癌癥或其他影響到RNA 生命周期的疾病中的基因突變。過去人們只知道發(fā)生了突變，而要看到細(xì)胞里分子過程中所發(fā)生的突變結(jié)果卻非常困難。新技術(shù)能讓研究人員深入透視到細(xì)胞內(nèi)部，看到基因突變?nèi)绾螖_亂了RNA 的數(shù)量水平，反過來又合成了哪種蛋白質(zhì)。
（2）新型熒光標(biāo)記工具――Spinach
美國威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院（Weill CornellMedical College ）的研究人員開發(fā)了一種新型熒光工具，這種工具能可與傳統(tǒng)的綠色熒光蛋白（ GFP）相媲美。這種名這“Spinach” 的RNA-熒光基團(tuán)復(fù)合物可用于追蹤細(xì)胞內(nèi)各種RNA 的功能動(dòng)態(tài)（SamieJaffrey， 2011）。
研究人員利用RNA 能夠折疊形成復(fù)雜三維形狀的特性，構(gòu)建了兩個(gè)新實(shí)體（entities）：一個(gè)顯示特異形狀的合成RNA 序列，另一個(gè)與RNA 結(jié)合后發(fā)射熒光的小分子。研究人員對多種分子進(jìn)行了嘗試性實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)GFP 蛋白中就包含了他們一直想尋找的分子――一種熒光基團(tuán)。于是研究人員根據(jù)這一熒光基團(tuán)的形狀合成了一些化學(xué)分子，并在隨后構(gòu)建了一條能夠銜接這些化學(xué)分子的人工RNA 序列。研究人員將他們第一個(gè)成功構(gòu)建的“ RNA-熒光基團(tuán)”復(fù)合物命名為“ Spinach”。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，研究人員再度成功構(gòu)建出與Spinach 發(fā)射不同熒光波長的多個(gè)“RNA-熒光基團(tuán)” 復(fù)合物。研究人員已開始利用Spinach 追蹤細(xì)胞中的非編碼RNA。
近年來的研究表明，細(xì)胞中存在多種不同類型的RNA，其中一部分參與蛋白質(zhì)的合成，一部分對細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá)起重要的調(diào)控作用。然而一直以來科學(xué)家們對于這些RNA 的作用機(jī)制卻知之甚少。這種新工具將有助于科學(xué)家們了解這

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