我国生物学优先发展领域与重大交叉研究领域Word格式.docx

1、（二） 非编码核酸的结构与功能哺乳动物等高等生物的基因组DNA中绝大部分的序列并不编码蛋白质，这样的DNA以及以其中的部分为模版转录产生的RNA统称为非编码核酸。根据已经测定的人类基因组的DNA序列分析，其中的非蛋白质编码序列高达95%以上。近年的研究表明，这些以前被认为是基因组中的垃圾的DNA序列，可以通过转录产生大量不同类型的非编码RNA，如miRNA、siRNA （small interfering RNA）以及具有polyA尾的大分子非编码RNA等。部分非编码RNA被发现在基因转录和转录后加工、细胞分化和个体发育、遗传和表观遗传等一系列基因组信息处理产生生物效应过程中发挥至关重要的作用

2、。阐明非编码核酸的功能及其机制，包括鉴定出更多的非编码核酸分子已经成为后基因组时代生命科学研究的热点和前沿。这些研究不仅能使我们从不同编码蛋白质的角度来注释和阐明基因组的结构和功能，也将揭示一个全新的由RNA介导的遗传信息表达的调控网络，为重新认识一些重要疾病的发生机制和治疗途径提供新的思路。重要研究方向：1） 具有特定功能的新型非编码核酸的系统识别与鉴定；2） 基因组中非编码DNA的组织结构、表达调控与表观遗传；3） 非编码核酸序列在基因组复制、表达及进化等过程中的功能机制；4） 非编码核酸与蛋白质的相互作用；5） 非编码核酸在细胞、组织、器官和个体等不同层次的生命活动中功能机制；6） 非编

3、码核酸代谢，包括生成、质量控制、降解等代谢调控的关键点与分子机制；7） 非编码核酸功能异常与疾病发生的关系；8） 非编码核酸研究中的新概念、新技术、新方法和新的模式系统。（三） 复合糖的结构与功能糖是自然界中生物量最大的一类重要生物分子，参与很多生命过程。特别是糖蛋白和糖脂等复合糖的结构和功能更是复杂多样。在大量糖基转移酶催化下，高等生物中50%以上的天然蛋白质被糖链修饰而发生糖基化。蛋白质的糖基化影响蛋白质的多种性质，如折叠、相互作用、稳定性等，进而对细胞分化、个体发育、神经系统和免疫系统功能产生重要影响，而异常糖基化与肿瘤转移、血管新生、炎症细胞迁移等病理过程有关。糖生物学是研究生物体内多

4、糖及其衍生物的化学结构、生物合成原理、调控及生物功能的一个颇富挑战的领域。1） 糖链的化学与酶促合成，糖链的结构与功能；2） 糖缀合物（包括糖蛋白和糖脂等）的结构分析方法及数据库的建立；3） 蛋白质和脂类被糖基化修饰的基本规律及其对蛋白质和脂类特性和功能的影响；4） 蛋白质和脂类的糖基修饰异常导致生命过程异常的机理。（四） 生物大分子的活细胞成像和功能 活细胞正如一个高度有序的机器系统，生物分子根据其定位、结构、运动、浓度以及与其他生物分子的动态相互作用，精确、有序和协调地执行着复杂多样的功能。活细胞的结构是动态的，各种生物大分子，如蛋白质等的浓度往往超过试管内能达到的水平。细胞内各种亚细胞器

5、、分子复合物和生物大分子都是在高度复杂的细胞内环境中使其功能。越来越多的证据表明只有通过细胞内原位研究才能准确地反映细胞内各种亚细胞器、分子复合物和生物大分子的真实结构和功能机制。近年来，随着生物标记和显微成像技术的发展，在活细胞中实现亚细胞器、分子复合物和生物大分子的实时动态观测与精确操纵正在逐渐成为现实。例如，用软X射线断层扫描研究活细胞时看到一些新的结构，利用核磁共振直接测定人体细胞内目标蛋白质三维结构的方法也开始取得了成功。我国目前已有生物标记和显微成像的相关研究条件和技术，如能综合利用这些条件和技术将会为细胞生命活动规律的阐释作出重要贡献。1） 超分辨显微镜、单分子成像、非荧光成像等

6、技术的开发；2） 图像数据的定量化和标准化；3） 利用高分辨率光学显微镜、荧光标记、细胞X射线断层扫描、细胞核磁共振、冷冻电镜等技术方法来研究或细胞内的亚细胞器、分子复合物和生物大分子的结构、组装、运动与功能；4） 比较在个体与离体的异同及与细胞功能状态和结构的关系等。（五） 细胞生命活动的分子调控机制 细胞是生命活动的基本单元。人们对细胞生命活动规律的认识还很肤浅，如细胞周期检测点调控、伴随组织和器官形成过程中的细胞分化和转分化、正常和病理条件下的多种细胞死亡和衰老机制等。细胞运动是以微管和微丝骨架为支撑的重要生命活动，其共同特征是需要驱动蛋白的参与及细胞骨架的动态协调。体内细胞定向迁移需要

7、胞外信号分子的引导，这一过程为胚胎发育、神经系统的形成和免疫系统趋化功能所需。细胞内的物质运输、与外界物质交换是细胞的基本生命活动，也是细胞生物学的中心研究问题之一，涉及内膜系统的动态变化、囊泡运输、胞吞和胞吐等重要过程。在细胞水平和细胞器水平，系统地阐明细胞代谢的调控机制及其与疾病的关系是当今生命科学面临的重大挑战。生命活动离不开信息交流，细胞通过复杂的信号网络实现增殖、分化、运动、衰老、凋亡及其他生命活动，并对其进行精细调节。尽管目前在这一领域已取得一些研究进展，但对生命活动信息调控机制的认识还远非完善。由于疾病最终可归因于信号网络的失调，其中的很多组分都可成为药物筛选的靶标，因此相关研究

8、对人类健康有深远影响。1） 细胞增殖、细胞分化与转分化机制、细胞凋亡与衰老的分子调控机制；2） 细胞运动相关过程的分子机理和信号调控机制、细胞运动与胚胎发育、器官形成和疾病发生的关系；3） 生物膜的结构、组装和功能调节机制，囊泡运输、胞吞和胞吐的分子机制和调控；4） 细胞器的动态变化、细胞自体吞噬和细胞内吞等过程的调控机制；5） 在细胞和细胞器水平上细胞代谢的调控机制及其与疾病发生发展的关系；6） 信号网络新组分的鉴定及组分间的相互作用机制、信息整合机制和应答方式的系统生物学分析、生理与病理条件下信号传递的异同等。（六） 干细胞全能性与定向分化 干细胞包括胚胎干细胞、组织干细胞和肿瘤干细胞等。

9、它们具有在体外大量增值和分化为多种特定功能细胞的潜能是研究细胞生物学的基础科学问题，如自我更新、定向分化和细胞可塑性的理想模型，并在重要人类疾病的治疗和组织器官重建等方面具有巨大的潜在应用前景。iPS细胞的成功获得是近年来在细胞去分化机制领域的重要进展，为解决细胞移植中的免疫排斥问题铺平了道路。干细胞诱导分化方案和在疾病模型动物中的研究结果鼓舞人心，但是目前离临床运用仍有一定距离，其主要原因是大量相关的基础科学问题尚未解决。例如，干细胞自我更新和全能性维持的机理仍不清楚；在成体内，组织内干细胞如何保持干细胞特性的机理尚不清楚；对诱导分化细胞移植到体内以后的命运极其功能的发挥在很大程度上仍缺乏认

10、识。肿瘤干细胞被认为是肿瘤发生与再发生的根源，今后可能是肿瘤治疗的重要靶点。但科学家们对肿瘤干细胞特性的认识仍有分歧。1） 干细胞全能性维持及分化的分子机制，尤其关注表观遗传学调控在其中的作用，以及干细胞与周围环境的相互关系；2） iPS细胞产生和细胞逆分化的分子基础；3） 体细胞核基因组重编程的机理以及重编程分子的鉴定；4） 干细胞分化后在疾病模型动物体内的去向，尤其关注移植细胞与受体细胞的兼容、整合的机制；5） 与疾病相关的干细胞，如肿瘤干细胞的表面标记物发现、产生和维持机制等；6） 成体干细胞的鉴定、分离及分化潜能；7） 干细胞研究的新技术、新体系。（七） 复杂性状的遗传机理 在物种的自

11、然（或人工选择）群体中，生物性状通常呈现连续变异，而且这些变异还会因生存环境的改变而发生更为丰富的变化。这些复杂的生物性状涉及物种的生长、发育、繁殖、衰老、疾病易感性、对不良环境的耐受性及其在自然界中的生存竞争力和长期繁衍能力。在农作物中，复杂性状还包括一些对人类社会具有重要价值的经济性状，如作物的产量、品质性状等。深入认识这些复杂性状的遗传机理是客观和系统地揭示物种生长发育和繁衍规律、准确诊断和治疗人类疾病以及高效培育优良农作物新品种的基础。21世纪以来，随着全基因组序列信息的积累与高通量功能基因组学研究技术的日益成熟，对复杂性状遗传机理的研究已成为整合遗传学和遗传育种学科的前沿和研究热点。

12、1） 复杂性状（主性状和子性状）的遗传系统结构（genetic architecture）解析。鉴定出主要调控因子及其等位变异的功能差异，发现环境因子影响复杂形状遗传系统的作用靶点；2） 从基因到表型的分子机制。针对在我国人群中常见的复杂疾病，开展基于大规模基因组数据的全基因关联分析，发现我国人群常见复杂疾病的易感基因，为转化医学研究提供诊断标记及治疗靶点。3） 基于复杂性状遗传机理的农作物新品种的分子设计:研究与农作物产量、品质、土壤养分利用效率以及与不良环境，如干旱、高低温胁迫、耐盐碱等的耐性等相关的复杂性状的遗传机理，并在此基础上开展遗传改良，实现农作物新品种的分子设计。（八） 胚子形成

13、及其对合子早期发育的影响 动植物进行有性生殖时将首先形成雌配子（卵子）和雄配子（精子）。卵子和精子受精形成合子，标志着一个新的生命体的开始。配子是由原始生殖细胞经增殖、减数分裂、成熟而产生整个过程不仅受到原始生殖细胞本身遗传和表现程序的调控，还受到邻近的体细胞的影响，在动物上受到来自其他组织，如生殖器官、下丘脑等的信号的紧密调控，这些调控机制尚需进一步阐明。在动物雌配子的成熟过程中，大量的RNA、蛋白质等物质被合成并储存起来，它们被统称为母源因子。母源因子可以调控RNA和翻译效率、调控蛋白质的稳定性和定位、激活信号通路等，它们对于合子胚胎发育的启动和按设定程序的发育起至关重要的作用，在维持胚胎

14、细胞的全能性方面可能也有重要作用。继续深入研究和揭示母源因子对早期胚胎发育的生理作用与调节机制，不仅可以为早期胚胎发育的基础研究增添新的知识，同时可以为女性不孕不育等生殖疾病的预防和治疗以及探索新的避孕途径等提供新的理论指导。近年还逐渐认识到，精子不仅仅给合子胚胎提供一套父源DNA，还会通过受精将其他物质传递给合子，它们可能参与合子的发育。认识这些父源因素对合子发育的调控机制将对理解合子胚胎的早期发育产生深远的影响。雌雄配子的结合，即受精过程，也涉及一系列复杂的步骤和生化反应。配子能否正常形成关系到能否繁衍出下一代，关系到受精后的合子能否正常发育，因而是生命周期中的关键事件。1）原始生殖细胞的

15、起源、命运决定、迁移和增殖的机制；2）雌配子、雄配子发生和成熟的遗传学和表观遗传学调控机制；3）雌配子、雄配子发生与成熟过程中体细胞与生殖细胞的相互作用机制；4）受精过程中精子的相互竞争和协同机制及精子和卵子互作的分子机制；5）生殖细胞衰老的遗传学机理及体内外环境因素改变对其的影响；6）重要母源因子和父源因子的规模化鉴定及其对合子胚胎发育的影响；7）合子极性建立及胚胎形态建成的分子基础及表观遗传调控。（9）组织器官发育的调控机理 高等动植物个体由多种组织和器官组成，它们是个体执行特定生理和代谢功能的单位。动物胚胎发育经历原肠期之后，开始在特定的胚层区域形成各种器官原基，逐渐形成有功能的组织器官

16、；植物也同样经历有序的细胞、组织与器官分化过程。组织、器官的形成，涉及细胞命运确定、细胞增殖、细胞迁移、结构形成、细胞分化等一系列事件，受到多重信号通路和数以百计的因子的调控。此外，一些组织器官还具有再生能力，这种再生能力因物种和组织器官而异，阐明相关机理对于组织器官的修复有重要的潜在价值。器官发育异常可以导致多种人类疾病，如心脏发育异常可引起先天性心脏病，胰腺发育异常可引起糖尿病，血液发育异常可引起贫血症、白血病，神经发育异常可引起智障、孤独症等。因此，组织器官发育的研究可以为发展相关疾病的诊断和治疗方法提供有力帮助，对干细胞的定向诱导分化的研究和应用也具有巨大的推动作用。在植物方面，深入研

17、究胚胎发育的机理有助于认识和控制植物个体发育最初阶段的走向，为农作物栽培与育种提供理论与技术指导。1）重要组织器官前体细胞命运决定与迁移的调控；2）重要器官形态构建及再生的调控；3）发育过程中组织器官之间的信号交流及其调控；4）人类重要组织器官发育异常的遗传机制；5）植物种子和果实等重要器官建成的分子调控；6）环境对植物发育的影响及机制。（10）免疫反应的细胞及分子机制 免疫反应是机体针对“非己”抗原性物质所做出的保护性反应，在维护机体健康中扮演关键角色。但免疫反应如果得不到适当的调控，将引起免疫性疾病，如炎症、过敏、自身免疫疾病等。天然免疫不仅是机体抵抗病原微生物的第一道防线，还是启动获得性

18、免疫的基础。近年来的研究还表明，除了经典的免疫细胞外，机体中所有的细胞类型都具有天然的抗病原微生物的能力，主要是通过型干扰素来介导的。天然免疫及其启动并调节获得性免疫的分子机制已成为免疫学领域的研究前沿之一。获得性免疫是机体对特异抗原的长期和有记忆性的免疫反。其中涉及巨噬细胞、树突状细胞等对抗原的摄取、加工、整合和提呈，T淋巴细胞、B淋巴细胞对抗原的识别及由此而引起的增殖和分化、分泌细胞因子和抗体，并产生免疫效应等环节。近几年对获得性免疫过程中抗原提呈的分子过程、淋巴细胞发育和分化机制等的研究，已经改变了免疫学的一些传统观点。免疫耐受与免疫逃逸也是免疫学领域中值得关注的研究热点。对诱导和消除免

19、疫耐受的分子机理的研究，将为免疫性疾病、过敏、肿瘤、器官移植排斥等提供新的干预途径和方法，并为疫苗设计提供重要的分子信息。对免疫逃逸机制的深入研究，将有助于了解病原微生物与宿主相互作用的机制，为研发新的抗感染药物和疫苗提供基础。1）抗感染天然免疫识别与应答的细胞与分子机制；2）天然免疫与获得性免疫的相互联系和相互作用；3）获得性免疫应答过程中抗原加工与提呈的分子过程4）淋巴细胞发育和分化机制、新型免疫分子的结构与功能、免疫细胞亚群的功能与相互调控；5）免疫耐受和免疫逃逸的细胞与分子机制；6）炎症反应与免疫损伤机制；7）植物天然免疫的分子机制。（11）衰老机制 细胞和组织器官是生命个体行使生理功

20、能的基本单元，组织器官中足够数量的健康细胞是该组织器官执行正常生理功能的保障。正常体细胞只能够进行有限的分裂，这一不可逆的细胞分裂潜能的丧失（即Hayflick极限）是组织器官和个体衰老的细胞学基础。组织器官衰老是细胞衰老的延伸，式细胞衰老与整体衰老的连接点。组织器官的衰老细胞积累与细胞补充更新决定了组织器官衰老的进程和生理功能的衰退速率，与个体衰老死亡直接相关。衰老发生在多个水平上。器官中细胞的下降以及衰老细胞对细胞外环境的改变均对器官衰老和衰老相关的病理过程起重要作用。不同器官因组成细胞不同，衰老也有先后。例如，人的胸腺出生后不久开始衰老，心脏衰老始于40岁左右，而肝脏衰老发生于70岁左右

21、。与此相应，不同器官衰老各有特点，机制也复杂多样。衰老不仅受到环境（激素、神经递质、营养素、不良环境胁迫等）变化的影响，也受到遗传因素的调控。研究细胞、组织器官和个体衰老的分子基础和调控机理，是揭示衰老的根本原因，实现衰老干预的必由之路。1）细胞复制性衰老和细胞分裂潜能维持与丧失的分子机制；2）高度分化细胞的衰老与组织器官补充更新的机制；3）不同组织器官的衰老规律及其对个体衰老的贡献；4）内、外环境因素影响衰老的细胞和分子基础；5）衰老和长寿关键基因的鉴定及其表达调控、功能调控及信号转导机理；6）加速和延缓衰老的动物模型的建立。（12）次级代谢与调控 次级代谢产物是生物体生长到一定阶段所产生的

22、，不影响其自身正常生长和发育的化学物质，如抗生素、色素、毒素以及激素等。次级代谢产物与人类的健康、生产和生活等息息相关，是医用和农用抗生素的重要来源。次级代谢产物的合成、转化、分配、转运和储存机制受到精确调控。尽管许多次级代谢产物具有应用价值，但目前有关其代谢途径、化学结构及生物学功能方面的研究缺乏系统性。由于次级代谢产物的分布具有很强的物种特异性并易受环境因子影响，具有重要价值的天然产物往往是从野生状态的生物中发现的，而且通常含量很低，因而，此类化合物作为药用成分大量生产存在瓶颈。同时，已公布的基因序列分析表明，次级代谢产物生物合成隐性基因簇大量存在，在现有条件下不能表达，因此隐性基因的激活

23、，将为新型天然产物的挖掘提供机会；对次级代谢物途径解析与调控机制的研究对天然产物的有效开发和利用具有十分重要的意义。1）次级代谢途径及其生理功能，揭示初级代谢和次级代谢的相互关系，建立相对完整的代谢图谱；2）参与次级代谢的途径特异性调控基因和多效调控基因的结构与功能；3）调节次级代谢的信号物质及其作用机制；4）次级代谢产物的后修饰、转运和存储机制；5）隐性次级代谢产物生物合成基因簇的激活，以及新型天然产物的鉴定与活性分析；6）运用各种组学的手段揭示模式生物的代谢网络及调控的分子机制。（13）光合作用和生物固氮机制 光合作用是一个非常重要和复杂的生物学过程，它只需要几秒钟的时间就可以完成光能捕获

24、、转换并将之以化学能的方式储存起来。光合作用固定的能量和合成的有机物几乎驱动了整个地球升的生命活动，是减少大气中温室气体CO的主要通道；而光合作用产生的氧气则是生命赖以生存所必需的。在农业生产中，光合作用效率直接决定着作物产量的高低。研究显示农作物产量虽然在提高，但是光合作用效率并没有显著增加，反映出通过提高光合效率进一步增加产量的巨大潜力。由于光合机构运转的复杂性以及对其调控机理的认识还非常有限，人们很难直接提高光和效率。当今世界所面临的粮食和能源压力越来越大，近年来以美国为代表的许多发达国家加强了对光合作用尤其是C途径的研究，在全球形成了光合作用的研究热潮。生物固氮是直接影响农作物产量和环

25、境氮循环的重要生物学过程，牵涉复杂的细胞结构和跨真核原核的共生现象、信号转导和生物化学过程。有效利用生物固氮可以减少对氮类化肥的依赖，提高产量，保护环境。 1）叶绿体与核之间的信号转导途径和调控和研究，阐明叶绿体和核基因协同表达的机理；2）C植物光合作用研究，包括叶肉和维管束鞘两类细胞的叶绿体发育、基因表达和代谢途径，循环电子传递和CO浓缩机制，花环结构（Kranz type）发育，为改良C作物的光合作用效率提供理论基础和思路；3）逆境影响光合作用关键因子的鉴定和作用机理，为提高作物抗逆性提供靶标基因；4）光合作用能量捕获与转换的调控机制；5）生物固氮的调节机制、影响固氮反应的细胞间和基因组间

26、的相互信号转导和作用。（14）动物行为的机制与进化 动物行为是动物对体内和体外的环境变化的适应性反应。动物行为对社会和非社会因素变化的适应性特点及其调节机制是动物行为学研究的重要内容。通过实验室和野外的行为观察和实验室操纵相结合的途径，采取生态学、内分泌学、遗传学、分子生物学、基因组学、神经生物学和实验心理学等手段，来研究动物行为学问题，体现了现代行为学的整合研究特点。这些研究有助于阐述动物行为在自然选择和性选择中的功能及进化机制。1）动物性选择和婚配制度的特点、适合度及社会因素、生理因素、遗传因素等对配偶选择和生殖成功的影响；2）动物信号的结构、组成和功能及其在社会行为调节中的作用；3）动物

27、觅食、迁徙、扩散、归巢等行为的定向和导航的特点及适合度；4）动物的合作与互助、攻击与对抗等社会行为的特点及其进化机制；5）动物行为的生理、遗传和神经内分泌调节机制；6）动物行为的进化博弈及进化稳定对策。（15）物种演化和生物多样性的维持 物种演化是生物学的基本问题之一。物种形成机制、系统发育与系统地理格局的关系等已经成为进化生物学的核心研究内容。蛋白质、RNA、DNA等基本生物大分子在生命进化中所起的作用及对研究系统发育与演化及物种形成机制问题所能提供的信息日益受到人们的重视。此外，生物学家长期关注的一个问题是自然界为什么有如此多的物种共存?对于群落内物种多样性维持的传统解释是基于竞争排除法则

28、的生态位理论，但该理论近年来受到了中性学说和强调大尺度过程假说的强烈挑战。生物多样性是进化、区域过程、现代环境以及干扰共同作用的结果。在不同尺度上生物多样性受制于不同的因素。国际上对于不同尺度上生物多样性格局的形成及维持机制依然存在大量的争议，生物多样性与生态系统的功能也在实验和野外观测中表现出不同的关系。未来510年的目标世界是生物多样性的大尺度格局，形成一个既考虑能量限制又考虑化学物质限制的、解释多样性维持的理论框架，并对长期尺度上生物多样性起源、维持与格局进行解释和验证。1）物种形成和演化分子机制；2）生物多样性起源中心和历史避难所及冰期后物种拓殖路径；3）物种演化发育式样的多样性，适应

29、性演化和适应性辐射；4）与适应相关的重要功能基因或基因家族的起源与演化；5）不同尺度上生物多样性的分布格局及其维持机制；6）群落内物种在不同属性之间的权衡、功能多样性的格局及其对生物多样性与生态系统功能关系的影响；7）以岛屿生物学理论为核心，了解不同类型生态系统物种迁入与迁出等过程对群落结构的影响；8）受胁迫物种遗传多样性格局现状、演化历史以及维持与丧失机制。3、重大交叉研究领域 生物学与自然科学和技术领域其他学科的交叉和融合是生物学发展的重要动力和源泉。未来510年，应优先发展如下的交叉研究领域。（1）机体功能调控的系统生物学研究 生物学研究越来越依赖与信息科学，即生物信息学与计算生物学。在此基础上产生的系统生物学则是在细胞、组织、器官和集体整体水平研究结构和动能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算来定量描述和预测生物功能、表型和行为，研究和揭示这种信息流的运行规律。离开了数学和计算机科学，就不会有系统生物学。系统生物学致力