2015中国高校十大科技进展入选项目介绍

人类原始生殖细胞发育过程中基因表达网络的表观遗传学调控

生殖细胞（精子和卵子）是人类维持生命延续、代代相传的种子和纽带。一个精子与一个卵子结合，发育为新的个体。那么，这个新生命是如何为他的下一代进行准备呢？其实早在母体里，胎儿除了要完成自身的体格发育，已经开始为他自己的后代做好计划，形成原始生殖细胞（PGC）并进行性腺发育。这类特殊的细胞与其他细胞有何不同？经历哪些重要的事件？除了遗传序列本身外，祖父辈及父母还把哪些表观遗传记忆留在了PGC细胞中？人类对上述问题还缺乏深刻认识。

北京大学乔杰与汤富酬两个研究团队，克服重重技术难关，揭开了人类PGC神秘面纱的一角。该研究显示，处于发育早期的人类PGC表达众多的多能性相关的基因，同时表达生殖细胞发育特异的基因，并且新报告一个人类特异的基因SOX15。他们还发现人类PGC在发育过程中会经历大规模的表观遗传记忆擦除，最低时仅有7%左右保留，但一些特殊的重复序列元件上仍然残留大量甲基化，这为人类隔代遗传现象的表观遗传学分析提供了重要线索。

研究成果引起国内外专家极大关注，并撰文发表述评，认为该项研究有助于加深对人类胚胎发育过程表观遗传学调控的认识，对研究胚胎发育基因重编程、疾病的遗传或隔代遗传等具有重要意义。

发现宇宙早期发光最亮、中心黑洞质量最大的天体

利用中国科学院云南天文台丽江2.4米望远镜首先观测和国外4台望远镜进行后续观测，北京大学吴学兵领导的科研团队发现了一个距离地球128亿光年、发光强度是太阳的430万亿倍、中心黑洞质量为120亿倍太阳质量的超亮天体，它是宇宙早期目前已知的发光最亮、中心黑洞质量最大的天体。研究论文作为4篇封面推荐论文之一，发表在2015年2月26日的国际科学期刊《自然》上。该杂志特为此作了题为“井喷式快速成长的年轻黑洞”的新闻发布，并邀请德国学者在同期的新闻与述评栏目撰写专文《年轻宇宙里的巨兽》介绍了这一发现。国内外数百家新闻媒体，包括美国有线电视新闻网、时代周刊、华盛顿邮报、洛杉矶时报，英国路透社、卫报，德国明镜周刊，中国中央电视台、新华社、人民日报、光明日报等，都对此发现进行了报道。

近年来，吴学兵团队发展了基于光学与红外波段天文测光数据的有效选源方法，利用光谱观测发现了许多宇宙早期的极亮天体，包括这一个发光最亮、中心黑洞质量最大的天体。它就像遥远夜空中最明亮的灯塔，为研究宇宙早期结构提供了难得的机遇。其中心高达120亿倍太阳质量黑洞的存在，对现有的宇宙早期黑洞形成与增长及星系演化理论提出了挑战，引起了国际上广泛关注。

空间基地生物再生生命保障系统地基综合实验装置——月宫一号

生物再生生命保障系统是载人深空探测的十大关键技术之一。北京航空航天大学生物与医学工程学院教授刘红，带领科研团队经过10年努力，突破了系统核心单元技术、系统构建、启动、运行与调控等系列关键技术，从无到有建立了我国空间生物再生生命保障技术体系，自主研制出我国第一个、世界第三个空间基地生物再生生命保障系统地基综合实验装置“月宫一号”。为空间生命保障及其相关领域的科学技术研究建立了独特的实验平台，填补了国内空白。成功完成了我国首次长期多人高闭合度密闭实验，在“月宫一号”的人工闭合生态系统中实现了105天循环再生100%氧气和水、55%食物，总闭合度达到了97%。标志着我国成为继俄、美之后，第三个掌握该项技术的国家。

刘红团队提出了一系列原创性的新思路、方法和新技术，并将其集成于“月宫一号”系统中，与俄、美的同类系统相比，“月宫一号”生物构成更复杂，系统的闭合度更高。该成果技术复杂、难度大，具有自主知识产权，技术先进，创新性显著，在空间生物再生生命保障系统领域综合技术水平进入世界领先行列。成果将为今后空间站作业、载人月球和火星探测等深空探测所需的生命保障提供理论和基础技术。

炎症消退和免疫稳态调控的新机制研究

机体免疫系统能够通过“发炎”的方式抗御感染，但有时“发炎”过度会损伤自身机体而导致诸多炎症性疾病。如何及时终止炎症免疫反应，是免疫学领域备受关注的重要科学问题。北京协和医学院基础医学院曹雪涛院士课题组发现，在炎症免疫活化的晚期，即炎症消退期，表观遗传酶Tet2能反馈性抑制炎症因子的分泌。他们在急性内毒素休克与结肠炎模型中证实，Tet2可结合表观抑制性调控分子HDAC2，选择性地直接结合炎症因子的基因启动子从而阻止其表达。该研究揭示了表观修饰介导的转录调控是炎症消退期炎性细胞因子表达关闭的一个决定性因素，从而修正了以往广泛认为的炎症信号转导负调控分子起决定性作用的学术观点，为炎症消退、抑制炎症持续反应、阻止自身免疫病等提出了新机制，为免疫学与表观遗传学交叉研究提出了新方向。此外，该课题组还进一步发现E3泛素连接酶Nrdp1能够通过抑制T细胞过度和持续活化而及时阻滞炎症相关疾病的发生发展。

以上研究结果分别发表在《Nature》和《Nature Immunology》上。课题组成员多次应邀在国际学术会议上作相关工作的大会报告，得到了国际免疫学界的高度评价。

1.1类原创新药——口服重组幽门螺杆菌疫苗

幽门螺杆菌（Hp）是慢性胃炎、胃及十二指肠溃疡的主要致病菌，世界卫生组织将其确定为胃癌的1级危险因子，我国胃病患者超过1亿，每年因胃癌死亡者达20万人，因此，Hp危害十分严重。Hp疫苗是控制其感染传播、预防相关胃肠疾病发生的有效手段，但国外迄今未能成功研制。

第三军医大学邹全明教授团队历时15年，完成了Hp疫苗5000余人参加的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床试验，结果表明：安全、有效，保护率达71.8%；成功研发了具有完全自主知识产权的世界首个Hp疫苗，获国家1.1类新药证书。

该团队发明了“Hp分子内佐剂黏膜疫苗”设计原理和安全高效的首个人用分子内黏膜免疫佐剂；设计与制造出全新的Hp疫苗组份；创立了黏膜疫苗制备及效力评价系列技术；研究出国际上首个Hp疫苗生产与检定质量标准。

该研究结果于2015年发表在国际顶级医学期刊《The Lancet》上，并获得同期专题正面评述，引起国际同行广泛关注和高度评价。中央电视台、《科技日报》等国内主流媒体和网站相继进行了重点报道。该疫苗获国家技术发明二等奖和重庆市技术发明一等奖，拥有4项国际发明专利和12项国家发明专利授权，已成功转让企业，获成果转让费2.25亿元。企业已完成Hp疫苗产业化设施建设和试生产，正在报批生产批件，即将上市造福人类健康。

“神光III”激光装置中的靶场光电及控制系统

太阳的巨大能量来源于“聚变反应”，而聚变能源则被誉为“人造太阳”，一旦实现将从根本上解决人类能源问题。上世纪90年代开始启动的“神光Ⅲ”大型激光装置研究，是我国聚变能源领域宏伟的大科学工程，是我国综合国力不断上升的体现，对相关科学技术的发展具有极强的带动作用。该装置目前已建成并投入运行，可输出48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。其总体规模与性能位列亚洲第一、世界第二，达到国际先进水平。作为我国自主研发、全球第二台已用于实验运行的新一代高功率激光驱动器，它将“种子”光源能量尽可能放大，使得高功率激光瞬间聚集，最后穿过以微米计算的注入孔射向靶球中心的物质。

哈尔滨工业大学梁迎春、赵航、刘国栋教授率领的研究团队在中国工程物理研究院牵引下，对“神光Ⅲ”大型激光装置靶场光电及控制系统的关键技术潜心研究10余年，攻克了系统设计、安装与集成调试等阶段的若干重要难题，实现了打靶精度要求优于30微米、准备时间少于30分钟的设计要求，在国内首次实现多靶型、智能化、甚多束激光高精度控制与瞄准定位。其打靶精度要求之高，如同将高尔夫球从北京天安门打到石家庄市中心的球洞里，且“一杆进洞”。该研究成果为下一步我国超多光束激光装置的研制奠定了坚实的技术基础。

农业革新促使史前人类永久定居青藏高原

青藏高原是世界上海拔最高、面积最大的高原，其高寒缺氧的严酷环境对人类生存构成巨大挑战，但藏族人主要生活在青藏高原高海拔地区。在没有文字记录的史前时代，人类什么时间、通过什么方式常年居住在青藏高原高海拔地区，是学术界和公众关注的重大科学问题，对认识人类适应高寒缺氧环境的机理和藏族起源问题具有非常重要的意义。

兰州大学陈发虎教授领导的中外研究团队，过去10年对青藏高原和周边地区的史前遗址开展了系统调查和研究。首次提出史前人类向青藏高原扩散的三步走模式，指出人类2万年前开始到青藏高原季节性游猎，5200年前由我国黄土高原大规模扩散并定居到青藏高原东北的河谷地带，3600年前在气候冷干背景下进一步永久定居至高海拔地区。揭示史前欧亚大陆农业发展与传播是促使人类向青藏高原高海拔地区扩张和定居的最主要因素。

该项研究为认识史前人类向青藏高原扩散和定居的过程与机制提供了全新观点，为阐明藏族人起源于中国黄河流域提供了坚实的科学依据。研究成果发表在2015年1月的Science杂志上，引起广泛关注，被纽约时报、人民日报等数十家国内外著名媒体报道。Science杂志随后以封面文章形式发表了题为《谁是藏族人?》的深度报道，认为该研究支持藏族人群源于中国北方的理论。

酵母剪接体高分辨率三维结构及其工作机理研究

“中心法则”是分子生物学中的关键定理，描述了细胞最核心的生命活动——遗传信息的流动。在真核细胞中，蕴藏在基因组DNA序列中的遗传信息转录给前体信使RNA，在其剪接成熟之后再翻译为蛋白质，最终执行生物学功能。上述环节分别由RNA聚合酶、剪接体和核糖体执行。其中，RNA聚合酶和核糖体的结构解析曾分别获得2006年和2009年的诺贝尔化学奖。剪接体是一个巨大而又复杂的动态分子机器，其结构的解析具有重大科学意义，是国际结构生物学界公认的难题之一。

施一公研究组选择极具挑战性的剪接体作为研究目标，创新性地利用酵母细胞内源性蛋白提取获得了性质良好的样品，并利用前沿的单颗粒冷冻电子显微镜技术，首次解析了酵母剪接体近原子水平的高分辨率三维结构，并在此基础上进行了详细分析，阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的工作机理。

这一标志性成果被著名的《科学》杂志收录，2015年9月11日以两篇“背靠背”形式的长文正式发表，题目分别为《3.6埃的酵母剪接体结构》和《前体信使RNA剪接的结构基础》。该项目的完成，首次在近原子分辨率上看到了剪接体的细节，揭示了其工作基础，完善了分子生物学的中心法则，推动了中国生命科学领域的快速发展。

纳米尺度量子精密测量

中国科学技术大学杜江峰教授领衔的研究团队，将量子技术与精密测量科学相结合，在纳米尺度量子精密测量领域取得重大进展，率先实现了具备纳米分辨率和单分子灵敏度的磁共振探测技术，研究成果分别发表在2015年3月6日《科学》和3月23日《自然·通讯》杂志。

磁共振技术能够准确、快速和无破坏地获取物质的组成和结构信息，被广泛应用于基础研究和医学等各大领域。然而当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式，其研究对象通常为数十亿个分子，成像分辨率仅为毫米量级，无法观测到单个分子的独特信息。中国科大研究团队瞄准现代科学在单分子层面上对物质组成、结构和动力学性质进行探索的迫切需求，通过系列创新解决了通往单分子磁共振的若干关键问题。他们利用钻石中的一类点缺陷作为量子探针，采用新颖的自旋量子干涉仪探测原理，结合自主发展的量子操控技术和实验装置，成功将磁共振技术的分辨率从毫米推进到了纳米、灵敏度从数十亿分子推进到单个分子，并用其完成了国际上首次获取单个蛋白质分子的顺磁共振谱及其动力学性质、微观尺度上微波磁场矢量的重构等多项重要研究成果。

这标志着在纳米尺度上进行磁共振探测、无损地获取单个分子的空间定位、结构和构象变化信息成为现实，将在物理、化学及生命科学等多个领域有广泛应用前景。

镍、钼、钨资源高效利用

镍、钼、钨等都是重要的稀有金属资源，是我国重大战略工程、国民经济诸多领域的关键原料。近几年，我国镍进口均超过50%。我国新型矿种黑色岩系镍钼矿资源量大，仅湖南西部镍、钼资源量就分别达到300万吨和200万吨，但极难处理，被认为“不可选”。我国储量丰富的钨矿，资源优势也在逐步失去，而且，采用传统的粗精矿加温浮选工艺，其综合利用率低、成本高，造成矿山环境污染。

该项成果提出了通过强静电、氢键或化学键作用于矿物表面不同位点的浮选剂分子组装设计原理，设计开发了对不同矿物有选择性作用的双极性基高效浮选剂和组合物捕收剂。提出了浮选剂与矿物表面作用最佳溶液化学条件调控的方法。提出了强化微细颗粒与气泡碰撞效率及矿化作用的方法。

该项成果开发出钨矿常温浮选新工艺，柿竹园矿提高了钨和萤石回收率约10%。而且，既可以彻底取代已使用近百年的“彼得罗夫法”白钨加温精选工艺，又可在原工艺基础上，在精矿加温量减少80%的情况下，获得高品质钨精矿，新技术还有利于废水回用。开发出了黑色岩系镍钼矿浮选新技术，建立了该矿种发现近60年来，世界上第一个镍钼矿浮选厂，为经济利用黑色岩系镍钼矿资源提供了技术支撑。

该项成果对其他复杂有色金属矿的高效清洁利用具有重要示范作用。