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在20世紀中葉，隨著物理和化學技術的飛躍，研究者揭示了蛋白質的空間結構和DNA雙螺旋模型，催生了分子生物學，引領生命科學進入分子研究的新紀元。隨著科技的飛速發(fā)展，我們對生命科學的理解也在不斷深化。從20世紀中葉分子生物學的興起，到21世紀的大科學時代，生命科學的研究正逐漸從微觀的分子層面擴展到宏觀的細胞和組織層面，為我們揭示生命的奧秘提供了前所未有的視角。
1.分子層面的多組學研究
在生命科學的微觀世界里，分子扮演著至關重要的角色。蛋白質的空間結構和DNA雙螺旋模型的發(fā)現，標志著生命科學邁入了分子研究的新紀元。然而，隨著研究的深入，科學家們意識到生命活動的復雜性遠非簡單的基因疊加所能解釋。基因、蛋白質等生物分子間形成的復雜網絡，才是驅動生命活動的核心力量。
進入21世紀，“人類基因組計劃”的完成標志著生命科學從分子“碎片化”研究向全面系統(tǒng)研究的轉變。這一轉變不僅體現在研究隊伍的規(guī)模上，更體現在研究范式的創(chuàng)新上。數據驅動的研究新范式和迭代演進的研究新模式，成為現代生命科學研究的兩大特點。
通過海量生物學數據的獲取和分析，科學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序揭示了眾多基因變異，而大數據分析則揭示了罕見基因變異與常見疾病的關系。這種基于數據驅動的組學研究，為我們提供了前所未有的信息，為健康醫(yī)學領域的發(fā)展提供了重要支撐。
2.細胞圖譜的繪制
細胞是生物體的基本結構和功能單元。隨著單細胞測序技術的成熟，“人類細胞圖譜”計劃的啟動，科學家們開始從細胞層面揭示生命的奧秘。近100國的3000名科學家參與該計劃，旨在確定所有細胞類型并連接其分子表達譜與空間位置信息。
細胞圖譜的研究不僅涉及單細胞轉錄組測序技術，還發(fā)展了一系列可用于單細胞研究的組學技術。這些技術不僅讓我們能夠更深入地了解細胞的類型和功能，還為我們提供了從分子層面到細胞和組織層面的全新視角。
隨著研究的深入，空間組學技術的發(fā)展為我們揭示了生命體的復雜結構和生理病理活動。這一技術將影像技術和單細胞轉錄組測序結合在一起，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，我們能夠更深入地了解生命體的演化和調控規(guī)律，為未來的醫(yī)學研究和治療提供重要支持。
3.整合視野下的生命組學
在生命科學的研究中，整合視野下的生命組學正在成為新的研究范式。這一范式強調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據和信息，我們能夠更全面地了解生命的奧秘，為未來的生命科學研究和應用提供重要支持。
空間組學超越了分子和細胞層次，為認識生物體整體演化和調控規(guī)律開創(chuàng)了新路徑。美國NIH的“人類生物分子圖譜計劃”旨在構建人體組織器官圖譜。我國和英國研究者合作揭示了人胚胎肢體發(fā)育的細胞圖譜和基因表達調控。細胞圖譜研究策略將高層次的生命活動“還原”到分子層次進行研究和解釋，倡導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。洛克菲勒大學的研究從“超細胞尺度”探討形態(tài)發(fā)生，而我國研究者利用TF-seqFISH技術揭示了脊髓發(fā)育中轉錄因子的空間表達。這種研究范式也應用于病理過程，如美國NCI的“人類腫瘤圖譜網絡”項目和芬蘭研究者對NK細胞與血液癌細胞相互作用的研究。我國復旦大學的“國際人類表型組計劃”在整合型生命大科學研究中領先，實現了多項“全球第一”成就，并與國際團隊共同推動全景表型測量。
4.結語
從分子到細胞的探索之旅正不斷推動生命科學的發(fā)展。以“人類基因組計劃”為代表的生命大科學之興起正在改變著生命健康領域的研究“版圖”。目前，我國科研力量在國際上總體“并跑”，部分領域“領跑”。為推動發(fā)展，需強化三方面：完善科研管理機制，強化組織力，確保課題、資源管理和成果共享；建立或完善規(guī)模化組學研究技術平臺，如廣州“慧眼”大科學設施，支撐高效研究；加強生命健康科學大數據的開放與共享，確保數據安全、倫理治理，并促進項目內外研究者共享利用。
文章改編自《中國科學院院刊》2024年第5期，?？航ㄔO世界科技強國，努力搶占科技制高點。原文標題：生命大科學：從微觀到介觀的組學研究。
責任編輯：魏敏
