国家自然科学基金十一五学科发展战略和优先资助领域Word下载.docx
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序列特别是非编码区信息分析;
基因组结构与遗传语言;
大规模基因表达谱分析;
基因表达调控网络研究;
基因组信息相关的蛋白质功能分析;
生物信息学中新理论、新方法、新技术和新软件研究。
生物信息学和其他学科进一步交叉、融合,发展形成了整合生物学,其主要特征是从分子、细胞、器官到机体和从个体、群体到生态系统的不同层次上生物信息的整合和定量化。
整合生物学将成为今后生物学研究的重要方向。
(3)发育生物学研究不断深入。
发育生物学一直是生命科学中的前沿学科,目前的热点研究领域是:
以模式生物如小鼠、斑马鱼、爪蟾、海胆、果蝇、线虫、拟南芥、水稻等为对象,发现新的发育相关基因,阐明它们的时空表达谱、表达调控机理以及对细胞行为和组织器官形成与分化的影响,从分子和细胞水平阐述一些重要发育途径的调控机理,这些发育途径包括胚胎诱导作用、胚层的形成和分化、组织器官发育、配子发育和细胞的极性运动等。
(4)干细胞研究的快速发展。
干细胞具有在体外大量增殖和分化为多种细胞的潜能,是研究细胞生物学基础科学问题的理想细胞模型,也可以为难治性疾病提供细胞来源。
早期胚胎或胎儿组织来源的全能干细胞具有无限扩增和分化为多种类细胞的能力。
成体组织来源的多能干细胞也具有比人们开始预料的多的分化潜能。
目前,这些令人兴奋的发现正在转化为对调控干细胞自我更新、分化和干细胞可塑性的因子的认识,以及对成体干细胞和胚胎干细胞之间差别的了解,从而可以在体外控制干细胞的扩增和诱导它们的定向分化。
研究干细胞移植入体内后的生长、迁移、分化功能,将为干细胞早日应用于人类疾病提供基础。
(5)小分子RNA是近10年来分子生物学领域最突出的发现之一。
小分子RNA存在的广泛性和多样性,提示小分子RNA可能有非常广泛的生物功能,在高级真核生物体内对基因表达的调控作用可能和转录因子一样重要,可能代表新的层次上基因表达的调控方式。
目前对具有调节功能的非编码RNA分子的结构特征、调控方式以及生物学功能还知之甚少,对它们参与生物学过程的方式和分子机理的认识也刚开始。
因此在后基因组时代,利用实验生物学和生物信息学相结合的方法,系统地对各种模型和模式生物中的具有调节功能的非编码RNA分子基因进行鉴定和功能研究,将对阐明生命调控的机理具有重要的意义。
生命科学基础研究已成为农业科技创新的源头动力。
利用生物技术可以对生物遗传信息进行实验室操作,可以在动物、植物、微生物等所有的物种间进行基因的转移和重组,由此可以创造出新品种,动植物育种进入一个崭新的时期。
一些农业生物(如水稻、家蚕、鸡等)全基因组序列测定的完成又促进了本世纪初“农业生物功能基因组”研究的全面开展。
农业基础科学研究在某些方面进入“分子农业时代”,未来5至10年(或20年)间,围绕“重要农业生物(植物、动物、微生物)农艺、生产、品质等重要性状表达的遗传、生长发育分子调控机理”的研究将全面展开,并将对农业发展产生重要影响。
另外,向资源节约和高效方向发展,保证农产品(食品)的质量和安全也将是农业基础研究的重要发展方向。
人类健康基础研究是生命科学研究的一个重要方面。
当今的医学基础研究已经发展到“整体阐明”时代,进入了整合医学(integratedmedicine)新时期。
整合医学的特征:
一是以遗传背景为切入点,研究环境因素与基因组相互作用所产生的医学效应,这部分构成基因组医学主要研究目标;
二是从外部环境因素入手,研究其与种群、个体、器官、组织、细胞和分子的交互作用所产生的医学效应,这部分构成现代预防医学基础研究的主旋律;
三是从内部环境因素入手,研究机体自稳体系的变化与外环境及遗传因素相互作用的关系及其引发的医学效应,这部分构成现代基础医学的主要研究方向;
四是建立和提出以机制为依据的创新药物的研制体系和疾病诊断、治疗和预防新策略、新途径和新方法;
五是结合中医药的特点,进行中医药学及中西医药学的整合研究,促进中医药现代化。
生物科学的蓬勃发展离不开众多非生命科学的交叉和渗透,上世纪后半叶生物科学的发展,很多重要的里程碑式的成果都离不开物理学、化学等学科的直接贡献。
如,X射线晶体衍射对DNA双螺旋结构的确定、各种先进设备用于精确和高通量的基因测序、数学和计算机技术对基因组测定的整合和分析等极大地推动了分子生物学的发展。
过去十年来的学科交叉研究逐步形成了一些具有重要科学意义和应用前景的研究领域,具有代表性的有生物信息学、组织工程学、分子影像学、认知科学、地质生物学等。
多学科多层次揭示生物大分子相互作用原理及规律成为生命科学重要的研究前沿。
三、我国的研究现状和取得的重要进展
随着国家对基础研究的重视和科研投入的不断增长,我国科技人员在生命科学的基础研究方面获得了明显的成绩。
直接表现为我国近几年科学论文的数量有了很大的提高,代表基础研究水平的SCI文章数量已上升到世界第六位。
在较短的时间内缩短了与国际先进水平的差距。
在基础生物学方面,中国科学家承担了人类基因组1%的测序,完成了国际HapMap计划中单倍型作图10%的任务和21号与3号染色体SNP作图计划。
在家蚕、家禽和水稻的基因组测序和功能基因组等研究方面获得了一些国际领先或先进的研究成果。
已经发表了水稻基因组的框架序列,并在世界率先绘制完成了家蚕基因组“框架图”。
中国在微生物基因组测序方面也已成为主要的参加国,迄今已完成了钩端螺旋体等6个微生物的全基因组测序。
“三志”(《中国植物志》、《中国动物志》、《中国孢子植物志》)编研工作进展顺利,《中国植物志》(中文版)已经完成,成为目前世界上最大的植物志。
在结构生物学方面,我国科学家已测定了多个蛋白质及其复合物的三维结构,其中包括测定了一批与重大疾病和重要生理功能相关的蛋白质的三维结构,这些三维结构的测定为阐明分子作用机理,也为创新药物设计与筛选提供了基础。
特别值得一提的是2004年菠菜主要捕光复合物晶体结构的解析产生了重大影响。
近年来,我国在细胞生物学、发育生物学和神经科学研究等方面,也不断有高水平论文的发表。
取得了一系列的成就,相继在国际权威期刊如《Nature》、《Science》、《Neuron》、《NatureNeuroscience》等发表多篇高水平的论文,说明我国基础生物学研究的规模不断扩大,质量显著提高。
在医学和农学等国家科技需求领域,中国科学家也取得了一些令世人瞩目的研究成果。
在杂种优势机理的研究方面,发现了显性、超显性、上位性都可成为杂种优势形成的遗传组分,可在同一遗传体系中共存的现象,提出的“上位性是杂种优势的主要遗传基础”的学术观点。
利用分子标记技术,在水稻、小麦和玉米等作物中成功定位和标记了多个功能基因位点。
一些具有自主知识产权的作物重要农艺性状相关的功能基因也相继被克隆和分析。
如调控水稻分蘖的关键基因,影响水稻机械强度基因,磷诱导根系发生相关基因,水稻磷饥饿信号专一诱导表达标记基因、植物磷高效相关的转录因子、影响太湖猪高繁殖力的主效基因等。
在植物感受、相应逆境胁迫的机制方面,通过对突变体有效的遗传分析和对信号传导途径的了解,深化了对植物抗逆机制的认识。
在国际上首先获得生长速度较快的转基因鱼,在鱼类异种细胞核移植与核质关系的分析,两栖类卵球成熟和单性发育等研究方面获得了具有重要的国际影响的成果。
利用细胞核移植和体细胞克隆成功地获得了克隆牛、克隆羊。
我国有丰富的野生植物和畜禽种质资源,经过数十年的搜集、整理和分析,已经完成了对一批优良种质资源的评价及鉴定,为进一步利用这些资源奠定了基础。
应该说,我国农业科学基础研究正面临非常好的机遇。
我国科学家主持了肝脏蛋白质组国际合作项目,该项目将为医学研究提供公共信息数据,在国际上具有较大影响。
在心脑血管病,恶性肿瘤,内分泌与代谢性疾病,精神与神经性疾病和遗传病的研究中建立了遗传资源库、信息数据库和高通量技术平台,筛选、鉴定和克隆了若干单基因病和多基因复杂性状疾病的致病基因或易感基因。
在疾病治疗上以早幼粒白血病为模型,成功地采用了全反式维甲酸和三氧化二砷联合用药,大大提高了无瘤生存率,使之成为少数可以治愈的肿瘤,促进了化学基因组学的发展,也促进了以机制作为设计和筛选靶向药物和先导化合物的新药研发研究。
在以精神分裂症为代表的复杂性状疾病发生机理的系统、整合分析中,初步建立起多元联合分析思路,取得了有价值的成果。
另外,我国在血吸虫和多种病原体基因组测序、功能研究、药物及疫苗研究方面已有颇多成果。
乙肝疫苗等在预防控制我国高发传染病中发挥了重要作用。
高通量药物筛选基地在我国已经形成。
基因工程药物、疫苗以及检测诊断试剂盒等已步入产业化轨道。
具有我国特色的中药成份作用机理研究取得了进展,中药基因组学研究为中药品种、产地和毒副反应的鉴别和质量标准化提供了可能性。
随着交流和合作的日渐加强,交叉研究在我国也获得了迅速发展。
在生物大分子研究领域,我国已拥有多学科、多层次、多手段的研究队伍和较好的工作基础,在细胞膜弹性理论、DNA大分子弹性和生物信息学等领域都做出了有国际影响力的工作。
在感觉神经生物学领域研究进展突出,在知觉的基本表达、视觉的脑机制、学习与记忆、脑的发育及可塑性等做出了出色的、有国际影响力的研究成果。
在学习与记忆的化学基础研究、微量分析、单细胞单分子分析、高通量分析等方面有了很好的研究积累,并较早开展化学生物学研究,包括生物转化、某些生物过程的化学介入或干扰研究等。
在分子影像学研究方面也有了一定的研究积累和技术储备。
我国虽然在生命科学领域取得了突出成绩,但与美、英、日等发达国家相比仍有相当大的差距。
虽然近年来研究论文数量增长很快,但具有原始创新性的高质量论文较少,在世界生命科学学术权威杂志的文章数量还较少。
分析我国基础研究现状,主要差距在于:
(1)创新学术思想少,跟踪和模仿研究多
(2)缺乏良好的研究平台,包括模式生物平台和高效技术平台等,基础研究效率低下,缺乏国际竞争力,一些研究只能借鉴国外平台,在合作研究中我们只能处于从属地位;
(3)缺乏处于国际前沿的高素质的研究团队。
虽然目前我国的一些研究论文已在国际权威学术杂志上发表,但这些研究是个别和零星的,并且过分地依靠个别科学家。
(4)学科和领域交叉的机制不畅,其中有科研运行体制的问题,也与国家层面的引导有关;
(5)数据共享性差,多数研究基本上是各自为阵和从头开始,造成不必要的重复和浪费。
上述问题应当在“十一五”期间引起重视并予以改进。
四、“十一五”发展战略构想
在未来五年中,基础生物学研究要特别注意培植新兴领域和学术生长点,优先支持具有重大生物学意义的战略性研究和有优势或特色的学科前沿研究。
应充分利用基因组学和生物信息学所取得的理论和技术成就,带动遗传、发育、细胞、神经、进化和生态学等前沿领域的发展。
注重在基因组、功能基因组、蛋白组学、神经科学和生物信息学等前沿领域发展自己的长处和特色,积极参与国际竞争。
在农学和医学领域要以国家需求为目标开展基础研究,努力解决涉及食品安全、生态安全、防病治病和生物产业发展的深层次基础问题,要围绕“保证使我国在未来10~20年间逐步成为世界农业基础科学创新与农业高新技术创新研究方面的发达国家”的战略目标而开展基础研究。
大力支持以揭示调控重要农业生物(植物、动物、微生物)农艺、生产、品质、抗病虫等重要性状表达的遗传、生长发育分子调控机理为目标的自由探索;
进一步推动我国在食品安全,资源高效利用和农业生态学方面基础研究的发展。
要充分发掘和利用我国丰富的医学资源(包括各种疾病家系和病例、隔离群、天然药物资源、病原微生物和复杂的自然环境等等),以重大疾病的发生发展机理与防治的基础研究为主线,开展相关的医学基因组学、基础医学、预防医学、临床医学和药学的前沿研究领域,从不同层次(分子、细胞、个体、种群乃至生态和生物圈)上揭示其成因和机理,逐渐将临床医学、基础医学、预防医学和药学研究加以整合,实现由单科挺进向学科整合过渡,由疾病的治疗向预防过渡,由结构研究向功能研究过渡,由功能表现研究向调控机制研究过渡。
加强对正常生理状态的维持和调节机理的研究,继续大力开展具有中国特色的中医药学研究。
要提倡和大力鼓励交叉研究,针对未来国际上科技前沿和我国科技及产业发展的需求,根据我国的学科交叉现状,相对集中地资助组织工程学、分子影像学、脑智科学与生物大分子相互作用规律和地质生物学研究,力争在体外构建生物组织的功能化定量研究,感觉神经信息处理原理及数字模拟,活体内分子识别的实时、动态分析,生物大分子间相互作用定量、动态规律和地质生物学研究领域取得突破。
不断完善基金管理和资助模式,坚持自由探索和宏观引导相结合,贯彻科学问题的"
双来源"
和基金发展的“双驱动”原则,加强对优秀科学家的连续和长期资助,培养创新学术团队,力争使更多的研究进入到国际科研的主流并在某些重要方面有所突破,造就一批具有国际竞争力的研究队伍,进一步提升我国生命科学基础研究的水平。
五、制定学科发展战略和优先资助领域的原则
1)坚持“有所为和有所不为”的原则,关注国际前沿和热点问题;
支持源头创新和鼓励具有我国优势和特色的研究领域;
支持以解决国民经济发展中的重要科学问题为目标的基础研究。
2)体现基础研究特点,只规划领域,不涉及具体课题,即只规划“林区”,不指定种什么“树”。
3)以生命科学问题为导向,开展交叉、合作和综合研究。
4)注重对研究技术和方法创新的支持
5)将支持项目同培养人才结合起来。
6)重视科学积累。
7)注意与国家其它部门和其它研究项目的分工和衔接。
六、优先资助领域
1.重要组织器官发育的细胞与分子基础
发育生物学是当今生命科学中的一门前沿学科,主要研究生物体从精子和卵子的发生、受精、胚胎发育、生长到衰老、死亡的规律。
目前的热点研究领域是从分子和细胞水平阐述一些重要发育途径的调控机理,这些发育途径包括胚胎诱导作用、胚层的形成和分化、组织器官发育、配子发育和细胞的极性运动等,主要利用小鼠、斑马鱼、爪蟾、海胆、果蝇、线虫、拟南芥、水稻等作为模式生物。
发现新的发育相关基因,阐明它们的时空表达谱、表达调控机理、对细胞行为和组织器官形成与分化的影响。
研究方向:
发育过程中的基因时空表达的遗传和表观遗传调控的分子机制;
机体形成时格式化(patterning)、组织、器官形成中细胞分化和移动的分子基础等;
以及以动物发育模型研究人类重大疾病发生发展机制。
2.基因组学中的关键基础问题
基因组学是生命科学的基础与前沿。
对基因和基因组的结构和功能研究,不仅包括传统的基因表达调控和功能分析,形成了结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学、药理基因组学、环境基因组学和进化基因组学等分支学科,而且还衍生出转录本组学、蛋白质组学、代谢组学和表型组学等新兴学科。
在这个研究领域中,国际竞争十分剧烈。
在此情况下,我们将重点关注基因组学中重要的理论和方法学等的基础研究。
模式生物及重要经济物种的功能基因组学,基因组DNA序列元件的鉴定及其相应的生物学功能的研究,非编码RNA的鉴定和功能研究比较基因组与进化等
3.表观遗传学的研究
表观遗传学(epigenetics)是指以不涉及到核苷酸序列的改变、但可以通过有丝分裂和减数分裂进行遗传的生物现象为内容的生命学科。
表观遗传网络的建立和维持涉及三个方面的机制:
DNA甲基化,RNA相关的基因表达沉默及组蛋白修饰。
表观遗传网络在高等生物的正常生长发育过程中起着与遗传学机制同等重要的作用。
表观遗传网络的破坏,亦会导致包括肿瘤、神经疾病、心血管疾病、老年化进程,以及自身免疫性疾病在内的多种疾病状态。
表观遗传学及表观基因组学(epigenomics)已成为当前生物医学研究的主要热点之一。
基因甲基化异常存在可逆性,这可能为相关疾病的治疗提供崭新的路径。
表观遗传网络建立和维护的分子机制;
表观遗传网络在高等生物生长、发育过程中的作用;
表观遗传网络在人类重要疾病发生、发展过程中的作用等。
4.蛋白质结构、折叠、运动及其功能
蛋白质的功能通过其构象、折叠、运动和相互作用得以实现。
蛋白质的三维结构主要包括整体水平上的肽链折叠方式、原子水平的构象、蛋白质分子的内在运动性和在不同条件下的结构变化、以及蛋白质分子间、亚基间以及蛋白质与非蛋白质分子之间的相互作用。
随着国际结构基因组学研究的全面展开和深入,蛋白质结构测定数量得到大幅提高,蛋白质结构与功能关系的新现象不断出现,其内在规律显示出极大的复杂性。
氨基酸序列和三维结构之间的规律;
原子水平蛋白质构象与蛋白质折叠和功能关系;
蛋白质分子在不同条件下运动的规律;
蛋白质分子群体结构和运动性的分布和相互转换;
从分子到细胞的多种结构层次,以及从生物化学、生物物理学、分子生物学,细胞生物学等多角度揭示膜蛋白在细胞生命活动中的作用
5.生物信息传递的网络机制和系统生物学的研究
生命离不开信息的交流。
细胞通过一个复杂的信号网络实现增殖、分化、运动、凋亡及其它生理活动并对其进行精细的调节,以应对复杂的环境。
尽管目前已经取得了巨大的研究进展,但对生命的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,因此相关研究对人类健康也有深远的影响。
利用生物化学、细胞生物学和生物信息学手段进行信号网络新组分的鉴定和功能分析,研究组分间的相互作用及其调节机制、通路间的对话机制及生物学意义,开展信息的整合机制和应答方式的系统生物学分析、以及生理条件下与病理条件下信号传递异同的比较研究等。
系统生物学研究的主要策略由三方面组成,即计算机建模的整合、大规模数据分析和生物学实验,应积极创造条件促进这一重要学科的发展。
6.细胞运动的分子机制
细胞运动是微管和微丝骨架依赖性的重要生命活动,包括细胞分裂、细胞迁移和胞内运输等,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。
细胞分裂是染色体和细胞质的均等分配过程,是细胞增殖的关键步骤。
细胞迁移是细胞的特性之一,在体内,细胞定向迁移需要胞外信号分子的引导,为胚胎发育、神经系统形成和免疫系统趋化功能所必须。
细胞迁移异常将导致严重的疾病,而肿瘤的恶化也是细胞迁移异常激活的结果。
关于细胞运动性研究是细胞生物学领域中的一个重要的基础性理论问题,也是国际上研究的一个热点。
对其开展研究对于我们认识肿瘤细胞转移、神经细胞迁移、免役细胞的趋化功能、性细胞的迁移、胚胎发育等均具有重要的科学意义。
相关过程的分子机理、信号调控机制、驱动蛋白功能和特异性调节、微管微丝系统的动态性调节和功能协调机制等。
7.物质跨膜运输的分子机制
细胞作为生命活动的基本单元,不断地与外界进行物资交换。
细胞内的物质运输和与外界的物质交换是生命的基本现象,直接影响到细胞的增殖和分化。
胞内运输涉及内膜系统的动态变化和胞饮、分泌等重要过程,不仅为普通细胞所必须,在神经和腺体细胞中尤为重要。
因此,物质跨膜运输一直是细胞生物学研究的中心问题之一。
囊泡运输、胞吞和胞吐的分子机制以及与信号转导的相互调控、核膜内外物质交流和细胞周期中内膜系统的动态变化等。
8.干细胞特性与定向分化的基础研究
早期胚胎或胎儿组织来源的全能干细胞具有无限扩增和分化为很多种类的细胞的能力。
目前,这些令人兴奋的发现正在转化为对调控干细胞自我更新、分化和干细胞可塑性的因子的认识,及对成体干细胞和胚胎干细胞之间差别的了解。
同时人们在研究如何将体细胞诱导分化为多能干细胞。
探讨干细胞生长、分化的分子调控机制,从而可以在体外控制干细胞的扩增和诱导它们的定向分化。
同时,要研究干细胞移植入体内后的生长、迁移、分化功能,为干细胞早日应用于人类疾病提供基础。
我们在今后的几年中应着重发展如下方面的研究:
(一)人胚胎干细胞建系、体外培养条件优化和定向分化的技术平台;
(二)胚胎干细胞自我更新和分化分子机制的研究;
(三)组织干细胞的研究;
(四)肿瘤干细胞的研究;
(五)体细胞核基因组重编程(reprogramming)的机理,以及重编程分子的鉴定;
(六)线粒体基因组在体细胞核基因组重编程中的作用。
9.免疫系统的关键基础问题研究
免疫系统的关键基础问题有:
(1)天然免疫对适应性免疫应答的调节。
天然免疫系统究竟如何启动适应性免疫应答?
启动的后果如何?
适应性免疫应答启动的结果既可能导致耐受,也可能激活T辅助细胞,而且根据所入侵的微生物类型的不同,启动适应性免疫应答的途径也不同,启动的免疫应答类型也会有所不同。
上述问题需要从机制上加以阐述。
(2)免疫耐受的研究。
免疫耐受是机体对抗原刺激表现为“免疫不应答”的现象,即抗原不能激活免疫应答的过程。
免疫耐受具有免疫特异性,只对特定的抗原不应答,对不引起耐受的抗原,仍能进行良好的免疫应答,因而,在一般情况下,不影响免疫应答的整体功能。
生理性的免疫耐受对自身组织抗原不应答,不发生自身免疫病;
病理性的免疫耐受,对感染的病原体或肿瘤细胞抗原不产生特异性免疫应答,不能执行免疫防御功能,导致疾病的发生。
因此,成功诱导免疫耐受可以治疗多种免疫性疾病如类风湿关节炎、I型糖尿病、哮喘和过敏性疾病等,也是克服移植器官、组织和细胞的排斥反应的重要手段。
相反,打破对感染性疾病或肿瘤的免疫耐受,可使免疫应答得以进行,从而消灭病原体及肿瘤。
另外,对免疫耐受诱导的分子机理的探讨,可以有助于在设计疫苗时充分考虑,防止疫苗出现无应答现象。
10.动物行为的基础研究
行为是生物对体内和体外各种刺激做出的一种神经肌肉反应,也是一种生理活动。
行为生物学的研究内容应包括与生俱来的本能,如捕食、求偶、生殖、育幼等行为;
以及后天获得的技能,如学习和记忆等,包括基因作用在内的生物学机制。
对动物行为学的研究着重在弄清动物行为的形成、发生、发展和演化规律,确定和分离与行为相关的基因,为动物的保护、培育、繁殖和合理利用提供科学依据;
同时也是作为研究人类自身行为的生物学规律的动物模型。
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