生命科学发展趋势与国家重点

热情欢迎生物学专业和跨学科专业的学生报考华师生命科学学院的研究生，21世纪是生命科学世纪，大有可为!21世纪生命科学的发展趋势及我国发展的重点华中师范大学生命科学学院陈其才一、生命科学及目前发展状况

什么是生命科学？“生命科学是研究生命活动过程、规律以及生命体与环境相互作用规律的科学”。生命科学高度的综合和交叉，含盖的学科包括：生物学，生物技术,心理学，农学，畜牧学和兽医学，桑蚕学，养蜂学，水产学，林学，医学（基础、临床、卫生学与预防医学等），药学，中医药学等。（引自国家自然科学基金委项目指南）生物学不等于生命科学。近半个世纪以来，生命科学的成就为自然科学的发展作出了巨大的贡献。遗传物质DNA双螺旋结构的阐明被认为是20世纪自然科学的重大突破之一。约翰·戴森霍弗博士（左1）：德国霍华德修奇斯医学中心教授，1988年诺贝尔化学奖得主；

弗里德·穆拉德博士（左2）：1998年诺贝尔生理医学奖得主、美国芝加哥大学教授，阿夫拉姆·赫什科博士（左3）：

以色列工学院教授，

2004年诺贝尔化学奖得主；哈特姆特·米歇尔博士（左4）：

德国马其学会生物物理研究所所长，1988年诺贝尔化学奖得主。生命科学已成为自然科学主流和领头学科：2005年4位诺贝尔奖获得者齐聚上海宣讲生命科学（一）21世纪生命科学研究面临的挑战（难题）1、脑和高级神经活动、信息处理的研究2、高产粮食作物的培育研究3、肿瘤与爱滋病的治疗研究4、蛋白质基因表达与疾病的关系研究5、克隆人、猛犸、熊猫等研究（二）生命科学重点发展方向什么是重点发展方向或热门领域：NatureNature-biotechnologyNature-cellbiologyNature-geneticsNature-immunologyNature-medicineNature-neuroscienceNature-structuralbiology1、生物学基因组和脑研究是本世纪初国际竞争的焦点。因此，应充分利用基因组研究取得的理论技术成就，带动脑科学、遗传、发育、进化和生态学等前沿领域的研究，以及生物技术的发展。1）基因组学（1）人类基因组的结构与功能：人类基因组序列的工作草图已于2000年6月宣布完成，2001年2月《Nature》、《Science》两杂志已公布了所获数据的科学论文，2003年4月14日人类基因组的全序列测定全部完成。（DNA/RNA序列信息库总量超过100Gpairsofbase）我国的重点研究领域：中华民族基因组多样性及单核苷酸多态性；环境因子易感性的基因组多态性和药物反应个体差异的基因组多态性；疾病基因组学及重要疾病相关基因功能研究；人体或模式生物特定细胞的基因组表达谱和蛋白质谱；具有重要生物功能的基因转录及表达调控，基因表达调控的层次网络；基因组功能和蛋白质功能研究。（2）水稻基因组的结构与功能：水稻是我国及世界许多国家的主要粮食作物，对于本世纪满足人口增长对粮食的需求有关键意义。重点研究领域：水稻重要农艺形状基因的克隆和测序；与模式植物（拟南芥菜等）基因组的比较研究；水稻突变体库的建立与应用；利用水稻与其他作物（小麦、玉米等）基因共线性，开展其他作物的基因定位和克隆；转基因植物研究。（3）模式生物基因组研究：属于人类基因组计划重要组成部分模式基因组研究，将在基因组功能研究中起重要作用。重点研究领域：重要病源微生物基因组的结构、功能及其应用研究；重要动植物资源的基因组结构与功能研究；作物的重要经济性状的功能基因组学。2）生物信息学生物信息学是适应基因组信息分析的需要而诞生的一门与信息科学、数学、计算机科学等交叉的新兴学科。《人类基因组计划》在完成基因组全部序列（30亿碱基对）测序后，21世纪自然科学面临的最大挑战之一是解读基因组序列的生物学含义。生物信息学的主要任务即是人类基因组信息结构复杂性的分析和破译遗传语言，以及基因组功能相关信息的分析和服务。此外，生态系统复杂性也需要开展生态信息学研究。（1）基因组信息学重点研究领域：人类基因组信息结构的复杂性；序列（特别是非编码区）信息分析；基因组结构以及遗传语言的语法和词法分析；基因组结构以及遗传语言的语法和词法分析；基因组比较研究；大规模基因表达谱分析，相关算法、软件研究；基因表达调控网络研究；与基因组信息相关的蛋白质功能分析；生物信息学中的新理论、新方法、新技术和新软件研究；国家生物学数据库与服务系统。（2）信息生态学重点研究领域：生态学农学数据库的系统化；生态系统的信息分析与建模；生态系统管理信息化咨询和决策。(生态安全各国已上升到国防安全层面)3）生物大分子的功能与结构蛋白质是细胞结构、功能和活性的最主要负责分子。膜蛋白的三维结构是当前生物学未解决的难题。重点研究领域：酶、信号转导分子、细胞骨架蛋白、病毒蛋白等重要蛋白质，特别是膜蛋白、糖蛋白及多分子体系的结构与功能；光合中心的结构与功能；RNA功能多样性及其结构特性；生物大分子相互识别的结构基础（蛋白质-蛋白质；蛋白质-核酸；蛋白质-复合糖类）；肽链折叠规律及蛋白质构象转换、折叠失误与构象病；蛋白质空间结构预测与分子设计；大分子自装配与细胞基本结构体系的自组织；单个生物大分子的功能和操纵。4）细胞活动的分子机制及遗传控制（1）细胞信息系统及调控重点研究领域:基因组DNA荷载的遗传程序在染色体上的构建方式和操纵规则；染色体（质）在间期核和发育中的动态结构与基因的功能活动；染色质结构的修饰（DNA甲基化、组蛋白乙酰化、异染色质化等）与基因表达程序的组编和重组编（精、卵细胞的“印迹”、分化和去分化、全能性的改变和恢复等）；细胞发育、分化的信号分子和信号传递通路，以及细胞内各种信号通路（生长、分化、凋亡、衰老和癌变等）的整合。（2）发育的细胞和分子机制以及遗传控高等动物的结构和功能无论怎样复杂，其发育的基本环节仍可归为细胞生长、分化和凋亡。自20世纪80年代在果蝇上发现发育的“主开关”基因（同源框基因）以来，对遗传如何控制发育的问题已取得很大进展。重点研究领域：细胞周期和生长的调控；精子和卵的发生与成熟、受精及受精卵着床的分子机制和基因控制；图式形成、形态发生、诱导作用和器官发生的基因调控；细胞凋亡在发育中的作用；细胞衰老和寿限（染色体端粒和寿命基因）；胚胎干细胞全能性和定向分化的诱导；植物发育（育性、形态发生等）的分子机制和基因调控；多基因性状发育的遗传控制。（3）生物防御系统的细胞和分子基础免疫系统是生物长期进化过程中逐步形成和完善起来的。由于在医学和生物学上的重要性，哺乳动物和人免疫系统的细胞和分子基础已有很深入的研究，分子与细胞免疫的研究已成为目前生物学前沿。植物病毒、真菌和昆虫等有害生物的侵袭能表现出不同程度的防御能力，但目前国际上对植物防御系统的细胞和分子基础的研究还缺乏系统的了解。重点研究领域：免疫细胞的发育、凋亡和调控；新的功能性免疫分子及其受体（分化抗原、黏附分子、细胞因子、拮抗因子等）；免疫应答过程的调节；免疫耐受的机理及应用；免疫效应的类型、机理及应用；动物细胞人源化的基础研究；植物防御系统中外源分子的识别、信号传递通路和防御分子；抗病毒、抗真菌等防御基因的分离和抗性育种的基础研究。5）脑研究脑研究是生命科学的重大前沿，受到各国政府和社会的高度重视。当前研究的前沿和主要趋势是在分子、细胞和整体水平对脑功能和疾病进行综合研究，并从脑的发育过程了解脑的构造原理。脑影象技术（PET、fMRI、CT等）能实时显示脑功能活动各部位间的时空关系，对从整体上了解脑功能活动也有很重要的作用。重点研究领域：感觉（视觉、听觉、痛觉等）、神经信息传递、加工、整合及调控；脑功能的细胞和分子基础，包括突触可塑性的分子基础、各种脑细胞的基因表达和蛋白质谱等；中枢神经的再生和修复及神经元的变性和凋亡；脑的高级功能（学习、记忆、语言、行为）的机制及其影象学研究；神经-内分泌和免疫的网络调控及其细胞和分子基础；认知、智能和人工智能；脑复杂性的计算神经生物学、建模及脑功能的非线性动力学研究。6）生物多样性及其可持续利用生物多样性及其可持续利用的基础研究涉及环境、资源、生物多样性和农业等诸方面问题，对人类的生存和发展至关重要。重点研究领域：我国

动、植物和微生物基础资料和数据的采集和编研；关键地区生物多样性的起源、演化、维持和可持续利用；关键生物资源的形成、分化和进化；生态复杂性及全球变化中的主要生态学问题；受损生态系统的结构与功能及恢复和重建的生态学基础；主要水系植被的水文生态功能；生物物种的适应机理，特别是对极端环境的适应机理；主要濒危、珍稀动植物保护理论和方法。7）生命的起源和进化生命起源和进化是哲学和生物学共同关心的大问题。重点研究领域：生命进化中核酸和蛋白质的共同起源；真核生物的起源；动植物形态发育的分子机制与形态进化；分子和基因组进化的机制和规律；生物类群的系统发育重建，生物进化历史重述；协同进化的过程和机制。8）生命科学中新技术、新方法的基础研究重点研究领域：实用性生物芯片技术、微阵列技术和生物传感器的基础研究；动物反应器和植物反应器(转基因方法)；安全、高效、稳定、可控的体内基因转移体现（如人工染色体等）；微型机器人及其应用；现代物理学、化学、计算机科学和信息科学技术在生命科学中的应用（如纳米技术、无损伤成象技术、多维核磁共振、组合化学、基因组扫描和3S技术等）。1）学科前沿（1）农业生物技术以基因克隆和转基因技术为核心，包括细胞工程与染色体工程、动物克隆和植物组织培养等现代生物技术手段。（2）医药生物技术产业是现代高技术产业发展中最为活跃的领域之一，同时也是国际间知识产权竞争的主要领域。他的研究和开发一直处于优先地位，其产业化进程甚快。（3）环境生物技术是由现代生物技术与环境工程技术相结合而形成的一门前沿交叉学科，凡是与生物技术结合，对环境污染进行监控、治理或修复的一切工程技术。2、生物技术（4）海洋生物技术是21世纪生物技术研究与开发的重点领域之一，通过种质资源保存和开发利用、分子育种和新品种选育、转基因防治病虫害等，可以改变或调整海洋养殖产业结构，形成全新的海洋新兴产业。（5）轻工和化工生物技术发展的重点是利用以基因工程为代表的现代生物技术对现有大宗的和传统的轻工、化工产品进行技术改造，提高生产水平，逐步实现清洁生产，同时选择具有较大应用与发展前景的产品进行研究与产业化。2）重点研究领域重要农作物和微生物功能基因组学及其应用研究；作物和园艺林木植物农艺性状相关基因的分离和克隆；DNA分子标记辅助育种；特殊环境微生物资源的基因分离与开发应用；动植物转基因技术与基因沉默控制技术；转基因作物和动物新品种的培育与产业化；动植物生物反应器和动物胚胎工程；家畜基因工程疫苗及其诊断用品。加强疾病相关的新基因和具有重要功能的新基因分离、克隆和功能研究，不断为生物技术产业提供新药；研究与开发新型生物技术药物和疫苗，包括基于蛋白分子设计的小分子药物等；发展新型基因治疗、生物治疗和诊断方法。研究以生物传感器为代表的环境污染监控技术；生物降解微生物的基因改造和重组技术；石化和医药等工业废水中有毒污染物的微生物降解技术以及生物可降解塑料的生物合成技术；农田污染的生物防治和修复技术。海洋生物种质资源保存、功能基因的研究、分离和克隆；分子育种，培育优良品种；以转基因为手段，防治病害；海洋天然活性物质、海洋食品和精细化工产品的开发与产业化。以生物技术为手段对传统的轻工和华工产品进行技术改造；选择有较大应用与发展前景的产品进行产业化研究。3）需进一步发展的关键技术植物细胞工程技术；动物体细胞克隆技术；基因克隆、重组、表达技术；基因组学技术；分子标记辅助育种技术；基因工程产品分离、纯化技术；抗体工程技术；人工组织器官研制技术；高通量药物筛选技术；生物信息技术；微生物重组工程菌构建技术；基因重组体安全评价技术等。3、农学

90年代以来，动植物育种已进入分子水平。朝着快速改变动植物基因型的方向发展，动植物育种的一次新的革命正在到来。根据美英等西方发达国家政府和世界粮农组织的预测，21世纪全球农业的90%品种将通过分子育种手段育成，而品种对整个农业生产的贡献率亦将超过50%。未来的基础农学学科前沿主要是分子生物学和生物信息学。随着现代遗传学和信息论的发展，以及分子生物技术和计算机技术等高新技术的不断改进，将促进以NDA全序列测定为主的基因组学研究的重大突破；在基因组水平上，以特定生命活动为目标，深入探讨相关基因的结构与功能、基因的表达与调控、信息网络与传递等生命科学问题将成为基础农学学科新的前沿和热点。1）基础农学学科的主要发展方向（1）标记、分离、克隆与生殖发育相关的重要产量性状基因、重要品质性状基因以及与抗逆相关的功能基因，培育高产、优质、抗逆的新型动植物品种（系）；（2）研究动植物养分高效利用的代谢生理及分子生物学基础；（3）动植物病虫害防御技术体系；（4）研究不同农、林、牧、渔业生态区的资源优化配置与合理布局，解析不同生态系统的结构与功能、退化生态系统的恢复与重建的原理与途径。

2）优先发展领域

（1）动植物重要经济性状的功能基因组学与比较基因组学；（2）动植物杂交与杂种优势的遗传学基础；（3）动植物高产、优质、抗逆和养分高效利用的遗传学基础；（4）动植物遗传资源核心种质构建、新基因发掘与有效利用；（5）作物抗逆性与水分、养分高效利用；（6）植物病虫害致致害性变异与寄主防卫分子机制；（7）重要疫病病原致病性深化的分子机制和宿主免疫机理；（8）农业资源、环境和生态的系统模型及优化治理；（9）土壤质量演变规律与土地资源的持续利用。4、医学

近几个世纪以来，基础医学的发展不断由现象向本质，由宏观向微观深入。重大疾病，如恶性肿瘤、心脑血管疾病、感染性疾病、神经精神病、创伤和消化系统疾病等一直是医学研究的方向与重点。另外，机体正常结构、功能（健康状态）的维持与调节机制也是未来医学研究的重要方面。

前沿与学科发展优先领域：1)肿瘤、心脑血管病等重大疾病发生发展及其干预措施的分子与细胞机制（1）重要功能基因与重大疾病相关基因结构、功能与表达调控的研究；（2）重大疾病相关的蛋白质组学和蛋白、多防结构与功能的研究；

（3）生物信息学、基因芯片、基因治疗及组织工程等高新技术在重大疾病诊断、治疗中的应用；（4）干细胞（胚胎干细胞、造血干细胞神经干细胞等）的建系及分化。2)神经、免疫、内分泌调节系统在健康状态维持与疾病发生发展中的作用（1）神经损伤与功能紊乱的病理机理及干预措施；（2）神经退行性疾病病因学与诊断、治疗技术区；（3）重要免疫细胞发育分化及其在免疫耐受与免疫应答调节中的作用；（4）新型免疫调节分子的发现及功能研究：（5）神经-内分泌-免疫调节网络失调与疾病的关系。3)自然与社会因素对健康的影响及其致病机理（1）重要感染性疾病病原体致病机理相关的基因组学与蛋白质组学；（2）新病原体致病机理与干预措施；（3）外源性化学物的致病机理及监测、预防与诊治技术；（4）社会-心理因素与健康。4)药物在分子、细胞与整体调节水平的作用机理（1）药物基因组与蛋白组学研究；（2）以细胞信号转导途径为靶点的创新药物研究；（3）多糖、类脂、核酸等生物大分子与药物相互作用研究；（4）新的内源性活性物质的药理学研究5)中医药学理论体系与实践方法的发展研究（1）中医学理论在现代医学、生物学研究中的应用；（2）中草药复方活性成份的药理学研究《国家中长期（2006-2020年）科学和技术发展规划纲要》

(2006-02-10，中华人民共和国国务院)

由<规划刚要>可见“我国中长期生命科学发展的重点”纲要分10个方面：从第三、四、五、六，四个部分为专业内容一、序言二、指导方针、发展目标和总体部署三、重点领域及其优先主题

11个重点领域，68项优先主题，生命科学占了16项（23.5%）四、重大专项五、前沿技术（8个技术领域的27项前沿技术）

1.生物技术（列为第一大技术）

(1)靶标发现技术

(2)动植物品种与药物分子设计技术

(3)基因操作和蛋白质工程技术

(4)基于干细胞的人体组织工程技术

(5)新一代工业生物技术六、基础研究（四大基础）

1.学科发展

2.科学前沿问题（8大基础科学问题）

(1)生命过程的定量研究和系统整合

(7)脑科学与认知科学

3.面向国家重大战略需求的基础研究（10大基础领域）

(1)人类健康与疾病的生物学基础

(2)农业生物遗传改良和农业可持续发展中的科学问题

(3)人类活动对地球系统的影响机制

4.重大科学研究计划（四个重大科学研究计划）

(1)蛋白质研究

(4)发育与生殖研究七、科技体制改革与国家创新体系建设（四大体制改革与体系建设）八、若干重要政策和措施（9大政策措施）九、科技投入与科技基础条件平台（四大方面）十、人才队伍建设（五大人才建设措施和目标)三、21世纪生命科学发展的趋势（一）美国生命科学发展路线图美国生命科学发展路线图最近，美国在Science上发表专文，介绍美国NIH21世纪生命科学投资的思路，其中提出的所谓发展路线图，将影响全世界的生命科学的发展，很值得我们深思和借鉴，主要观点有：主题1、向大生物学进军人们逐渐认识到过去得到的图景过于简单，生命实际上是一个由成千上万种基因、蛋白质和其他化学分子相互作用构成的复杂系统。一个重要的观点认为生命科学走到了一个十字路口，注重整体分析的“大”生物学是必不可少的，即各种“组学”是研究复杂系统的基础。因为“生命的整体”大于“各组分之和”。传统实验生物学的基本研究单元是“个体户”，而当前的“大”生物学则注重“团队协作”和技术平台，如国际人类基因组组织和英国桑格测序中心（SangerCenter）等。NIH路线图的三个主题之一就是与团队有关的--“未来的研究队伍”（ResearchTeamsoftheFuture）。

主题2、生命科学的定量化

NIH路线图的另一个战略目标，就是要获取关于生命活动和过程的定量的知识。NIH为此将建立一系列的“国立网络和途径技术分析中心”（NationalTechnologyCentersforNetworksandPathways）。这类中心的主要任务是开发在亚细胞水平和极短时间内进行定量测量的新仪器、新方法和试剂。此外，在纳米水平从定量的角度分析生命过程如“多少？”、“多大？”、“多快？”等问题，将是2005年启动的“纳米医学中心”（NanomedicineCenters）的主要任务之一。铺设一条通向生命科学未来的“信息高速公路”。该项目计划从2004年开始，建立数个“国立生物医学计算中心”（NationalCentersforBiomedicalComputing），以便开发相关软件和数据管理工具，既支持“大科学”，也支持“小科学”。这一项目还将创立一个国家软件工程系统，使各地的生物学家、化学家、物理学家和计算机专家通过基于计算机的网格分享和分析数据。主题3、工具优先

NIH路线图的第一个主题--通向发现的新途径（NewPathwaystoDiscovery）来看，路线图制定者的战略重点正是发展新技术和新的研究策略，而不是研究具体的生命现象或生物医学问题。在这个主题下面共有12项任务，每一项都与某种新技术或新方法相关。主题4、鼓励冒险和交叉

需要一些敢于冒险的具有原创性思维的思想家，他们有勇气面对21世纪生命科学和医学中最具挑战性的问题。这些思想家的工作将有可能带来全新的理论或技术，大大加快生命科学发现的步伐。设立“所长创新者基金”绕开了现存体制。NIH将建立若干多学科交叉中心，打破传统的学科和研究所的“围墙”，让不同学科的研究人员相互交流和沟通。设立了“多学科交叉的技术和方法创新研讨会”和“生命科学与物质科学交界的机构联席会议”两个专项；后者是指NIH和美国国家科学基金委员会（NationalScienceFoundation）将联合举行讨论会。

主题5、从实验台到病床

路线图的第三个主题就是“临床研究体系的重建工程”（Re-EngineeringtheClinicalResearchEnterprise）。这一工程的核心内容是，在患者、医生和科研人员之间建立新型合作关系，通过这些努力使公众更广泛地参与到临床研究的过程中。

NIH一直把防治疾病和为健康服务作为NIH所有研究活动的根本目的，甚至把现代生命科学的大多数学科如分子生物学、细胞生物学和遗传学等，都纳入到生物医学（biomedicine）的范畴。1990年代末期，NIH为了进一步加强生物医学研究和临床的结合，提出了一个被称为“从实验台到床前”（FromBenchtoBedside）的计划。而NIH路线图在这种结合方面则提出了更为宏大的设想。（二）美国提出NBIC会聚技术（生命科学占半壁江山）

2001年美国商务部技术管理局、国家科学基金会（NSF）、国家科学技术委员会纳米科学工程与技术分委会（NSTC-NSEC）联合发起了一次由科学家、政府官员等各界顶级人物参加的圆桌会议，首次提出了“NBIC会聚技术”的概念，NBIC（nano-bio-info-cogno）这四大技术的内容分别包括：纳米领域包括纳米科学和纳米技术（nanotechnology）；生物领域包括生物技术（biotechnology）、生物医药及遗传工程；信息领域包括信息技术（informationtechnology）及先进计算和通讯；认知领域包括认知科学（cognitivescience）与相关的神经科学。

2003、2004年分别在洛杉矶、纽约召开了NBIC会聚技术年会。它涉及众多交叉学科领域的发展，具有广泛的带动性，引起人们的特别关注。这四个领域中每一个领域都具有巨大的潜力，而其中任何技术的两两融合、三种会聚或四者集成，都将产生难于估量的社会和经济效能，并将显著地提升人类智力和能力，乃至生存质量。(三)21世纪100个交叉学科难题（生命科学直接相关的科学难题34/100）

难题49、细胞进化论中的难题难题50、后基因组时代基因产物的功能确认难题51、真核细胞的起源进化如何叩开生物多样性大爆发之门难题52、有第三遗传密码吗难题53、什么决定着生物体的复杂功能难题54、DNA的单分子力学及相关的生物信息学难题55、原病毒致病因子的本质与自由基化学过程难题57、生物体的点此及其作用难题58、生命科学中的若干问题难题59、真核生物调控序列启动子的预测难题60、中草药科学原理之谜难题61、生物成壤、成矿和元素迁移过程中的生物化学作用难题62、对称性破缺和生物节律的起源及统一难题63、全球化污染下的生物命运难题64、陆生植物的起源难题65、蛋白质序列、结构与功能进化关系及其挑战难题66、多视角探讨现代人类的起源和迁移难题67、探索决策过程的脑机制难题68、大脑压缩态与纠缠态难题69、人类大脑信号处理机制难题70、脑电图数据动力学：混沌和噪声难题71、脑与意识难题72、脑的微环路研究难题73、大脑高级功能的时空整合难题76、人性：自然与社