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　　内容简介

　　分子细胞科学的发展有助于探索的生命本质，为生命的改造提供更加优化的技术策略，为破解生命科学各学科中的重大科学问题提供更全面、更深入的支撑。《中国分子细胞科学与技术2035发展战略》面向世界科技前沿，聚焦重大科学问题，系统梳理了分子细胞科学与技术的科学意义、战略价值与发展规律和发展现状，并从9个方面研究了其关键科学问题、关键技术问题和重要发展方向，包括：基因组的结构与演化，生物分子的结构、功能与设计，生物分子模块的组装与功能性机器，亚细胞结构的形成与相互作用，细胞类型的区分与确定，细胞命运的决定及其可塑性，细胞间通信及细胞与微环境的互作与功能，分子生物网络与“数字化”细胞，细胞的人工改造。同时，对相关领域的发展提出了相关政策建议。

　　目录

　　目录

　　总序/i

　　前言/v

　　摘要/ix

　　Abstract/xxiii

　　第一篇 分子细胞科学领域总论/1

　　第一章 分子细胞科学领域的科学意义与战略价值/3

　　第一节 分子细胞科学的概念内涵/3

　　第二节 发展分子细胞科学领域的科学意义/4

　　一、分子细胞科学为认识生命和改造生命带来理论的深化和技术的升级/4

　　二、分子细胞科学将进一步推动生命科学各学科的发展/5

　　第三节 发展分子细胞科学领域的战略价值/6

　　一、医药健康领域/6

　　二、农业领域/7

　　三、工业领域/7

　　第二章 分子细胞科学领域的发展现状/9

　　第一节分子细胞科学领域的发展历程/9

　　一、分子生物学与细胞生物学交叉融合推动对细胞认识深度的不断跃迁/9

　　二、多学科交叉引领分子细胞科学前沿学科的出现和快速发展/18

　　第二节分子细胞科学领域发展现状/23

　　一、国际分子细胞科学领域规划与布局/23

　　二、我国分子细胞科学领域规划与布局/33

　　三、国际分子细胞科学领域发展现状/35

　　四、我国分子细胞科学领域发展现状/37

　　第三节分子细胞科学领域竞争力分析/39

　　一、学科地位分析/39

　　二、国家竞争力分析/40

　　三、机构竞争力分析/41

　　四、高水平论文情况/44

　　第四节分子细胞科学领域发展政策建议/45

　　一、增加财政投入提升研发水平/45

　　二、设立重大项目引导前沿研究/46

　　三、建立研究基地打造学术高地/46

　　四、组织品牌会议促进学科交叉/46

　　五、扩大国际交流引进国际人才/47

　　本章参考文献/47

　　第二章 分子细胞科学领域的发展现状/9

　　第一节分子细胞科学领域的发展历程/9

　　一、分子生物学与细胞生物学交叉融合推动对细胞认识深度的不断跃迁/9

　　二、多学科交叉引领分子细胞科学前沿学科的出现和快速发展/18

　　第二节分子细胞科学领域发展现状/23

　　一、国际分子细胞科学领域规划与布局/23

　　二、我国分子细胞科学领域规划与布局/33

　　三、国际分子细胞科学领域发展现状/35

　　四、我国分子细胞科学领域发展现状/37

　　第三节分子细胞科学领域竞争力分析/39

　　一、学科地位分析/39

　　二、国家竞争力分析/40

　　三、机构竞争力分析/41

　　四、高水平论文情况/44

　　第四节分子细胞科学领域发展政策建议/45

　　一、增加财政投入提升研发水平/45

　　二、设立重大项目引导前沿研究/46

　　三、建立研究基地打造学术高地/46

　　四、组织品牌会议促进学科交叉/46

　　五、扩大国际交流引进国际人才/47

　　本章参考文献/47

　　第二篇分子细胞科学关键科学与技术问题及其发展方向/51

　　第三章 基因组的结构与演化/53

　　第一节概述/53

　　第二节关键科学问题/54

　　一、基因组结构与遗传信息编解码的分子基础/54

　　二、基因组完整性维持与序列变异的分子机制/55

　　三、基因组的演化与人工合成/56

　　第三节重要研究方向的发展现状和趋势分析/57

　　一、基因组高级结构与遗传信息编解码/57

　　二、基因组完整性维持与序列变异/63

　　三、分子细胞科学驱动的人工合成基因组/70

　　第四节我国发展战略与重点方向/75

　　一、总体思路和发展目标/75

　　二、优先发展领域或重点研究方向/75

　　本章参考文献/76

　　第四章 生物分子的结构、功能与设计/90

　　第一节概述/ 90

　　第二节关键科学问题/ 92

　　一、生物分子的结构与识别/92

　　二、生物分子的功能与调控/92

　　三、生物分子的改造与设计/93

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/94

　　一、RNA的代谢、功能与调控/94

　　二、蛋白质的结构、功能与设计/98

　　三、糖的识别、结构与功能/101

　　四、脂代谢网络的运行机制与功能/104

　　第四节我国发展战略与重点方向/106

　　一、问题与挑战/106

　　二、发展总体思路与发展目标/107

　　三、优先发展领域（或重要研究方向）/108

　　本章参考文献/109

　　第五章 生物分子模块的组装与功能性机器/119

　　第一节概述/119

　　第二节关键科学问题/ 123

　　一、生物大分子机器组装的基本规律/124

　　二、生物大分子机器的化学修饰和动态调控/126

　　三、生物大分子机器在细胞内的定位和转运/128

　　四、生物大分子机器在体内的高度协同工作规律/130

　　五、生物大分子机器的原位和动态观测/131

　　六、生物大分子机器的模拟、操控和设计/133

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/134

　　一、生物大分子机器组装的基本规律/134

　　二、生物大分子机器的修饰和动态调控/136

　　三、生物大分子机器在细胞内的定位和转运/138

　　四、生物大分子机器在体内的高度协同工作规律/140

　　五、生物大分子机器的原位和动态观测/142

　　六、生物大分子机器的模拟、操控和设计/144

　　中国分子细胞科学与技术发展战略

　　二、蛋白质的结构、功能与设计/98

　　三、糖的识别、结构与功能/101

　　四、脂代谢网络的运行机制与功能/104

　　第四节我国发展战略与重点方向/106

　　一、问题与挑战/106

　　二、发展总体思路与发展目标/107

　　三、优先发展领域（或重要研究方向）/108

　　本章参考文献/109

　　第五章 生物分子模块的组装与功能性机器/119

　　第一节概述/119

　　第二节关键科学问题/ 123

　　一、生物大分子机器组装的基本规律/124

　　二、生物大分子机器的化学修饰和动态调控/126

　　三、生物大分子机器在细胞内的定位和转运/128

　　四、生物大分子机器在体内的高度协同工作规律/130

　　五、生物大分子机器的原位和动态观测/131

　　六、生物大分子机器的模拟、操控和设计/133

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/134

　　一、生物大分子机器组装的基本规律/134

　　二、生物大分子机器的修饰和动态调控/136

　　三、生物大分子机器在细胞内的定位和转运/138

　　四、生物大分子机器在体内的高度协同工作规律/140

　　五、生物大分子机器的原位和动态观测/142

　　六、生物大分子机器的模拟、操控和设计/144

　　第四节我国发展战略与重点方向/148

　　一、发展总体思路与发展目标/148

　　二、优先发展领域或重要研究方向/149

　　本章参考文献/152

　　第六章 亚细胞结构的形成与相互作用/157

　　第一节概述/157

　　第二节关键科学问题/160

　　一、内膜系统细胞器的结构功能与相互作用/160

　　二、无膜细胞器形成和动态平衡的调控机制/161

　　三、核内无膜细胞器的结构、组装和功能调控/161

　　四、不同类型蛋白酶体及其亚基间的相互作用与靶向干预/161

　　五、线粒体稳态调控机制及其在衰老和相关疾病中的作用/162

　　六、细胞骨架的动态调控及其与生理功能和疾病的相关性/162

　　七、细胞形态形成和维持的调控机制/162

　　八、细胞膜结构动态维持、裂解及修复/163

　　九、亚细胞结构在体高时空分辨解析技术/163

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/164

　　一、内膜系统细胞器的结构功能与相互作用/164

　　二、无膜细胞器形成和动态平衡的调控机制/169

　　三、核内无膜细胞器的结构、组装和功能调控/172

　　四、不同类型蛋白酶体及其亚基间的相互作用与靶向干预/176

　　五、线粒体稳态调控机制及其在衰老和相关疾病中的作用/180

　　六、细胞骨架的动态调控及其与生理功能和疾病的相关性/183

　　七、细胞形态形成和维持的调控机制/187

　　八、细胞膜结构动态维持、裂解及修复/189

　　九、亚细胞结构在体高时空分辨解析技术/191

　　第四节我国发展战略与重点方向/194

　　一、总体思路与发展目标/194

　　二、优先发展领域（或重要研究方向）/198

　　本章参考文献/204

　　第七章 细胞类型的区分与确定/224

　　第一节概述/224

　　第二节关键科学问题/225

　　一、细胞类型的遗传学基础/225

　　二、细胞类型与环境的关系/226

　　三、细胞类型的分子分型技术与分型标准/227

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/228

　　一、细胞图谱/228

　　二、衰老和病理情况下细胞图谱变化/231

　　三、细胞类型分子分型技术/234

　　第四节我国发展战略与重点方向/238

　　一、发展总体思路与发展目标/238

　　二、优先发展领域或重要研究方向/239

　　本章参考文献/240

　　第八章 细胞命运的决定及其可塑性/244

　　第一节概述/244

　　第二节关键科学问题/ 245

　　一、生殖干细胞与生殖细胞的发生/245

　　二、成体干细胞发现、功能调控与应用/246

　　中国分子细胞科学与技术发展战略

　　九、亚细胞结构在体高时空分辨解析技术/191

　　第四节我国发展战略与重点方向/194

　　一、总体思路与发展目标/194

　　二、优先发展领域（或重要研究方向）/198

　　本章参考文献/204

　　第七章 细胞类型的区分与确定/224

　　第一节概述/224

　　第二节关键科学问题/225

　　一、细胞类型的遗传学基础/225

　　二、细胞类型与环境的关系/226

　　三、细胞类型的分子分型技术与分型标准/227

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/228

　　一、细胞图谱/228

　　二、衰老和病理情况下细胞图谱变化/231

　　三、细胞类型分子分型技术/234

　　第四节我国发展战略与重点方向/238

　　一、发展总体思路与发展目标/238

　　二、优先发展领域或重要研究方向/239

　　本章参考文献/240

　　第八章 细胞命运的决定及其可塑性/244

　　第一节概述/244

　　第二节关键科学问题/ 245

　　一、生殖干细胞与生殖细胞的发生/245

　　二、成体干细胞发现、功能调控与应用/246

　　三、细胞属性转换的机制与应用/246

　　四、细胞命运决定时空信号调控网络/247

　　五、新技术的建立与开发/247

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/248

　　一、雄性生殖细胞研究领域/248

　　二、成体干细胞领域/253

　　三、细胞属性转换领域/256

　　四、细胞命运决定信号调控网络领域/260

　　五、研究新方法与系统领域/264

　　第四节我国发展战略与重点方向/268

　　一、总体思路和发展目标/268

　　二、优先发展领域或重要研究方向/269

　　本章参考文献/271

　　第九章 细胞间通信及细胞与微环境的互作与功能/285

　　第一节概述/ 285

　　第二节关键科学问题/ 286

　　一、新的信号分子与细胞间通信模式的发现/287

　　二、信号分子分泌、接收的特异性与选择性/287

　　三、细胞间通信时空特异性调控网络/288

　　四、靶向细胞间通信的复杂疾病诊断与防治/288

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/289

　　一、细胞间通信方式/289

　　二、细胞

　　微环境时空特异性交互网络/294

　　三、跨器官细胞间通信及细胞与微环境互作/301

　　四、细胞与微环境互作研究技术方法/305

　　第四节我国发展战略与重点方向/308

　　一、发展总体思路和发展目标/308

　　二、优先发展领域或重要研究方向/309

　　本章参考文献/310

　　第十章 分子生物网络与“数字化”细胞/320

　　第一节概述/320

　　第二节关键科学问题/322

　　一、网络的重构/322

　　二、网络的分析/323

　　三、网络的应用/323

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/324

　　一、基因调控网络/324

　　二、蛋白质相互作用网络/327

　　三、代谢网络/329

　　四、信号转导网络/332

　　五、表观调控网络/335

　　六、大、小分子相互作用网络/337

　　七、“数字化”细胞/340

　　第四节我国的发展战略与重点方向/346

　　一、我国发展对该领域的需求、我国该领域研究面临的问题与挑战/346

　　二、发展总体思路和发展目标/347

　　三、优先发展领域或重要研究方向/348

　　四、我国未来研究与布局建议/350

　　本章参考文献/350

　　第四节我国发展战略与重点方向/308

　　一、发展总体思路和发展目标/308

　　二、优先发展领域或重要研究方向/309

　　本章参考文献/310

　　第十章 分子生物网络与“数字化”细胞/320

　　第一节概述/320

　　第二节关键科学问题/322

　　一、网络的重构/322

　　二、网络的分析/323

　　三、网络的应用/323

　　第三节重要研究方向的发展现状与趋势分析/324

　　一、基因调控网络/324

　　二、蛋白质相互作用网络/327

　　三、代谢网络/329

　　四、信号转导网络/332

　　五、表观调控网络/335

　　六、大、小分子相互作用网络

　　精彩书摘

　　第一篇分子细胞科学领域总论

　　第一章分子细胞科学领域的科学意义与战略价值

　　第一节分子细胞科学的概念内涵

　　分子细胞科学是以分子细胞生物学为基础，与医学、数学、物理、信息科学、化学等交叉融合，研究细胞生命活动规律及其分子机制的前沿性、交叉性新兴学科。利用学科交叉新技术、新手段，对生物分子、功能元件和细胞进行定性到定量、延滞到实时、静态到动态、离体到原位、单一到网络、局部到整体的研究，揭示其数量、形态、结构和功能的因果关系，为实现对细胞的操控与人工改造提供理论基础和技术手段(图1-1)。

　　从这个概念出发，分子细胞科学体系中，分子细胞生物学是*核心的基础，也是*重要的组成部分，细胞仍然是分子细胞科学的研究对象；与分子细胞生物学不同的是，分子细胞科学更强调生物学与其他学科的交叉融合，通过融合，使原有的分子细胞生物学的体系得以拓宽，研究深度得以加深，进而对细胞内分子的作用机制获得更透彻的认识，也为相关理论知识的应用带来了全新的契机。

　　第二节发展分子细胞科学领域的科学意义

　　一、分子细胞科学为认识生命和改造生命带来理论的深化和技术的升级

　　一方面，分子细胞科学的发展进一步加深了人类探索生命本质的深度，使对细胞结构和功能的探索实现了从“对分子机制的表象分析”到“从多个维度深度阐释机理”的转变。随着生命科学各类髙通量分析平台的逐步建立，单细胞、单分子水平髙灵敏度分析技术的飞速发展，以及成像技术空间分辨率的不断提升，分子细胞科学对生物分子、功能元件和细胞的数量、形态、结构和功能的研究发展到一个全新的层面，实现了从实时、动态、原位等更多的维度揭示细胞内基因表达、蛋白质修饰、物质运输、细胞运动、信号转导等分子调控过程，以及细胞增殖、分化、死亡等细胞功能的调控机制，进一步加深了对生命本质的认识。

　　另一方面，分子细胞科学的发展为生命的改造提供了更加优化的技术策略，进一步推动了对细胞内分子表达和细胞功能的精准操控。分子细胞科学研究使得对细胞内的基因表达及其调控机制、细胞命运可塑性等关键科学问题的认识更加全面、系统、深入，在此基础上进一步通过技术优化提高了分子和细胞改造工具的稳定性和靶向性，为人工改造细胞以及进一步设计合成细胞，实现细胞在医学、农业、工业等各个领域的应用奠定了坚实的基础。

　　二、分子细胞科学将I步推动生命科学各学科的发展

　　生命科学是研究生命现象，生命活动的本质、特征和发生发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学，其分支学科包括生理学、遗传学、免疫学、发育生物学、进化生物学等，而所有这些学科的发展都离不开在分子细胞水平上对相关生命现象发生机制的深度阐释。

　　分子细胞科学的发展将为破解生命科学各学科中的重大科学问题提供更全面、深入的理论支撑，进一步推进生命科学领域各学科的快速发展。例如，理解中枢神经系统神经递质的释放和传递过程是生理学研究的重要问题，分子细胞科学的发展可助力获得各种神经递质更髙的时间和空间分辨率的动态信息，为深度解释神经递质生理学功能以及相关调控机制提供重要支撑；细胞免疫学是免疫学研究的重要组成部分，其核心研究内容是免疫细胞的发生、分化和介质功能以及免疫细胞间的相互作用，分子细胞科学的发展使得细胞免疫学研究可实现动态、定量、在体分析，为细胞免疫学理论发展提供了更多证据；发育生物学研究是对生物体从生命的产生、发育、生长到衰老、死亡全过程开展研究的学科，分子细胞科学的发展推动了在单细胞水平对细胞谱系进行追踪研究，重建了单细胞胚胎发育成拥有多种器官和亿万细胞的成体过程中细胞和基因表达的时间与空间信息。

　　第三节发展分子细胞科学领域的战略价值

　　一、医药健康领域

　　人体的正常生理功能和体内的稳态是依靠细胞内各类分子之间的有机调控来实现的，而人体各类疾病的发生在很大程度上是分子层面的调控紊乱导致的。因此，开展分子细胞科学研究是了解人体生长发育和疾病发生发展机制，以及开发疾病预防和治疗方法的重要基础。

　　首先，分子细胞科学研究使人们对细胞结构和功能的认识更加深刻，可在分子细胞水平上更全面、更精细、更真实地揭示人体生长发育和疾病发生发展的机制与规律。深层次地理解与出生缺陷、人体生长发育异常、衰老和疾病相关的基因表达、信号转导、分子互作等的调控机制，可为疾病的早期发现、预防和治疗，以及预防出生缺陷和实现健康衰老等提供路径。

　　其次，分子细胞科学研究是发现新型生物标志物的主要途径，可助力实现疾病的精准诊断和治疗。一方面，通过分子细胞科学研究能够发现大量疾病相关的生物标志物，为基因水平的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP)筛查、点突变基因诊断、蛋白质和代谢物水平的各类生物标志物检测，以及细胞水平的循环肿瘤细胞的检测等多种分子诊断新技术的发展和应用提供了基础支撑，可助力实现疾病的早期诊断；另一方面，通过分子细胞科学研究探索疾病特异性生物标志物，有助于解析疾病发生的分子机制，促进疾病的精准分型和患者分层，进而推动精准医学酿现。

　　*后，分子细胞科学是先进疗法研发和应用的重要理论基础。第一，通过分子细胞科学研究，可解析疾病发生、发展的分子机制及调控原理，指导研发针对特定分子进行靶向攻击的方法，促进分子靶向治疗技术的发展。第二，分子细胞科学研究促进了人们对分子和细胞认识的加深，基因编辑技术、基因重组技术、基因转移载体等基因操作技术的精准性和安全性得到进一步