编者按：近年来，学科间的交叉会聚越来越明显，科技创新成果层出不穷。中国科协与生命科学学会联合体、清洁能源学会联合体、信息科技学会联合体、军民融合学会联合体、智能制造学会联合体联合，通过长期的跟踪研究，把握世界科技前沿动态，并定期以“中国科协创新智库产品”发布报告。本文主要从细胞命运的转录与表观调控、细胞治疗、超分辨技术、细胞衰老、环境污染与细胞损伤和细胞自噬等六个前沿领域阐述细胞生物学科技最新进展。
一、细胞命运的转录与表观调控
继十年前发明的基于转录因子产生诱导性干细胞后，在转录和表观遗传调控分化领域以下几个方向处于热点和研究前沿：
1. 使用日趋微量的材料（如单细胞水平）在整体基因组水平获得各发育阶段转录调控和表观遗传详细信息和调控网络；
2. 新的表观遗传调控修饰和调控因子发掘，包括DNA修饰，组蛋白修饰，非常规RNA及其功能解析；
3. 模拟体内转录调控发展诱导性细胞技术和细胞替代治疗；
4. 基于细胞分化信息发展类器官研究；
5. 在体组织器官再生研究；
6. 分化诱导产生的终端功能细胞在临床前的评估及临床上的应用。
二、细胞治疗
1. 免疫细胞治疗：近5年细胞治疗领域成就最为突出的是免疫细胞治疗。免疫细胞治疗中当前疗效较为突出的包括CAR-T、TIL、TCR、Treg和DC疫苗等。
CAR-T细胞疗法和TIL细胞疗法是研究的热点。美国、欧洲、中国是各肿瘤免疫细胞治疗临床试验进行最多的地区。
图1 全球“CAR-T”临床试验分布情况（数据截至2017年1月20日）
2. 细胞与组织工程治疗：细胞与组织工程治疗相结合，提供了分子、细胞、组织和器官各水平上不同层次的医疗解决方案。近期研究组织工程学方法制造人工β细胞为糖尿病治疗提供新的解决方案。此外，研究利用体外3D培养策略，可以实现体外长期维持肾祖细胞，同时，基于人类干细胞产生的三维微组织有望用于晚期心脏细胞治疗。
3. 其他体细胞治疗：除此免疫细胞之外，其他体细胞用于疾病治疗方面也取得了一定进展。研究发现从长期冷冻保存的人类脂肪组织中成功分离活的脂肪衍生的干细胞，这对于高龄患者中基于成人干细胞的治疗具有积极影响。此外，移植培养的口腔粘膜上皮细胞也被认为可用于治疗角膜缘干细胞缺陷。
4. 干细胞治疗：干细胞作为“种子”细胞可参与细胞替代和组织再生，不仅能用于神经退行性病变等由明确细胞类型病变所致的疾病治疗，还能通过组织工程和器官再造技术用于组织修复和器官移植，以及新药开发、基因治疗、免疫调控治疗等领域。
三、超分辨技术
近5年来的重大进展主要集中在超分辨技术的生物学应用，活细胞超分辨技术的发展，超分辨成像探针的研发，以及与其它成像模态的结合等几个方面。
1. 超分辨技术的生物学应用
过去几年是超分辨技术在生物学，特别是细胞生物学研究中蓬勃应用的一个时代。庄小威实验室发展了分辨率高达7nm的双物镜STORM技术，成功发现了神经元轴突中周期排布的微丝环，解析了端粒的T-loop和精子细胞的钙信号域。Szymborska等人则利用STORM技术解析了核孔的结构。Ricci等人则利用STORM技术发现了核小体的分布规律。另外，Zhang等人发明的基于光谱解析的多色STORM技术也为多色超分辨成像提供了一个强大工具。
2. 活细胞超分辨技术的发展
活细胞超分辨成像是超分辨技术的重要发展方向。虽然在各种超分辨技术出现早期就有相关活细胞成像的展示，但真正能在活细胞内进行超分辨成像需要解决成像速度、信噪比、光毒性等一系列问题，这些在最近这几年才出现一些解决方案。
3. 超分辨成像探针的研发
超分辨技术的发展大大依赖于探针的发展。过去几年出现了大量超分辨探针方面的工作，其中比较重要的有PALM成像的荧光蛋白探针mEos3.2和mMaple3；适用于RESOFLT活细胞超分辨成像荧光蛋白探针的PS-CFP2和G-MarsQ；和适用于非线性SIM的Skylan-NS等。
4. 模态融合
与它成像模态的结合也是超分辨成像技术发展的重要趋势。
1）发展新的超分辨硬件技术。
2）开发和优化新的探针及其标记方法。
3）发展多模态融合。
4）开发新的数据处理算法。
四、细胞衰老
展望未来，超高分辨率显微成像技术的发展趋势应该是满足生物医学成像中活体快速成像的需求，即获得更高的空间分辨率、更快的时间分辨率和更深的成像深度。
衰老是机体各组织器官的功能随年龄增长而发生退行性变化的过程。目前，衰老生物学的研究已经进入快速发展期，多种关于衰老的生物学假说被相继提出,涉及整体水平、器官水平、细胞水平基因水平、能量代谢水平等多个层次的各个方面。
在国际上，预防老年病的大科学正在悄然兴起。在分子水平研究监测衰老进程以及建立靶向干预机制，已经成为当今医学生物学的关注焦点和热门领域。在我国，国家自然科学基金委和科技部立项支持衰老相关疾病的研究。
目前衰老领域的重要进展包括，发现几种潜在可以延长寿命的小分子药物；限食延长寿命；异体共生/年轻血液让衰老组织重生和清除衰老细胞延长机体寿命等方面。另外，最近美国的科学家通过“细胞重编程”不仅可以使培养皿里的人类皮肤细胞由表及里都更加年轻，还可以使患有早衰疾病的小白鼠重返青春——消除衰老特征以及延长30%的寿命。
衰老生物学的根本目标是，找到衰老与长寿的本质原因，寻找延缓衰老并延长寿命的颠覆性技术。目前，饮食限制和增加锻炼已经被证明可以延缓衰老。但是对于整个人群来说，需要采取更加明确的干预式的手段，有可能如干细胞治疗，小分子摄入等方法来减低衰老的速率。
五、环境污染和细胞损伤
环境污染诱导的非致命性细胞损伤的最严重形式是对基因组DNA的损伤。基因组的不稳定导致许多疾病（包括癌症、衰老、神经推行性病变等）的发生。因此，基因组稳定性的研究近年来一直是生物医学研究的热点和重点。
这从发表的含有基因组稳定性关键词的论文数可窥见一斑。在2017年1月20日，用Genome stability or genome instability为关键词搜索生物医学领域的最大引擎PUBMED发现在过去50年里共有29486篇论文发表，其中我国贡献了1693篇，贡献率约5.7%。
图2 我国及全球在该领域发表论文情况
表观遗传学是后基因组时代国际竞争最激烈的前沿领域,但环境与健康相关的研究进展缓慢。然而环境与表观遗传的交互作用却是大多数疾病(85%)的根源。
对环境污染物靶向DNA而造成细胞损伤的作用机制及其生物学效应（基因组不稳定性）的研究比较深入和系统。但是，对RNA/蛋白质/细胞器损伤与修复的研究（尤其是环境污染物诱导的细胞损伤的研究）亟待加强。
图3 取得突破的可能领域
六、细胞自噬
近五年来，国际上细胞自噬领域的研究核心团队主要围绕着鉴定出的自噬核心基因的功能，自噬的膜动态变化，自噬的调控机制, 选择性自噬，自噬的生理学功能以及与疾病之间的关系等几个方面取得了重要进展。
1. 自噬核心基因的功能
在过去五年中，一系列研究系统的阐述了自噬核蛋白在自噬过程中的功能。此外，最近的研究表明，细胞自噬的核心机器还有调控自噬之外的其他功能。
2. 自噬发生过程的膜动态变化
Yoshimori T.实验室列出一系列实验证据以期证明自噬体是在内质网-线粒体触点处形成的。Mizushima N.实验室发现定位于完整的自噬体外膜上的SNARE家族中的突触融合蛋白syntaxin 17参与自噬体与溶酶体融合的过程。
3. 自噬的生理学功能以及与疾病之间的关系
自噬还在多个发育和生理过程中发挥重要作用：在小鼠骨骼肌和心肌细胞中发挥作用，在小鼠造血干细胞抵御能量缺陷及长期维持干细胞特性起重要作用；线粒体自噬相关基因与红细胞生成的关系；自噬与纤毛类疾病相关蛋白的关系；自噬与骨骼发育的调控以及自噬在减缓衰老中的作用。
自噬领域的发展属于快速上升趋势，在Pubmed 数据库中与细胞自噬相关的文献截至2000年有902 篇，至2012 年有11321 篇，至目前为止已经有25447 篇。科学家们对自噬发生起始、延伸、融合等关键步骤，生物膜的动态变化，自噬发生的分子机制和信号调控机制进行了深入研究。
当前最新的研究将从分子、细胞和个体水平系统阐明多细胞生物自噬的调控机制，不仅能提高对重大自噬相关疾病的发病机制的认识，并可为针对这些疾病的药物研发提供新的靶点。
中国科协生命科学学会联合体供稿，原文内容有删减。返回搜狐，查看更多