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基因表达发生不可逆变化?NASA“双胞胎研究”揭开太空生活对人体的改变

原标题:基因表达发生不可逆变化?NASA“双胞胎研究”揭开太空生活对人体的改变

美国航天航空局(NASA)开拓性的“双胞胎研究”(Twin Study)完成了综合性研究的最后阶段,相关的综合性研究论文已于4月12日发表在同行评议期刊《科学》(Science)上。

双胞胎研究者们

版权:NASA

这一具有里程碑意义的“双胞胎研究”聚集了全球范围内的十个研究团队,共同观察被置于太空飞行风险中时,人类在生理、分子和认知水平上可能发生的变化。通过对比身处太空中的宇航员斯科特•凯利(Scott Kelly,现已退役)和他同一时段身处地球的同卵双胞胎兄弟马克•凯利(Mark Kelly,同为已退役宇航员),这项研究得以圆满完成。

如今已经退休的双胞胎宇航员斯科特•凯利和马克•凯利,他们是NASA“双胞胎研究”的研究对象。斯科特(右)在太空中生活了一年的时间,与此同时马克(左)则作为对照组留在地球上。研究人员调查了太空旅行对人体造成的影响,相关论文现已发表在《科学》上。

版权:德里克•斯托姆(Derek Storm),www.derekstorm.com

“双胞胎研究”的结果揭示的一些数据颇有趣味、意料之外但又积极乐观,阐明了一名人类个体在极端太空环境中是如何适应的。在国际空间站中度过六个月之后,人类的身体会发生怎样的变化呢?NASA已经对此有了一些了解,然而,斯科特•凯利这一为期一年的任务仅仅只是更长时间太空探险的敲门砖,是为了像往返时间长达3年之久的登陆火星这样的任务所做的研究准备。

NASA将“双胞胎研究”认定为第一项比较同卵双胞胎宇航员分子水平概况的研究;同时,一种整合十个团队研究的方法也得到了建立。同卵双胞胎拥有相同的基因组成,因此双胞胎研究为科学家提供了一种有效的方式,来探索周围环境对我们健康的影响,同时排除来我们大多数人作为个体时自然发生的身体变化的影响。斯科特在这项研究中作为被测试的实验组,而马克则作为基线对照组,用于对比在地球上相应的测试结果。

多个团队对他们进行了对比研究,研究结果显示,在太空飞行任务结束后,Scott Kelly大部分白血细胞中的基因表达恢复到了基准水平,但仍有约7%的基因表达存在变化。

版权:NASA

十个研究团队得出的结果总结如下

这些数据可能会用于未来几十年的太空探索,因为NASA所追求的是确保宇航员的健康和安全,以便更好地克服太空探索带来的挑战。

图片左侧和中部:拥有相同基因组成的双胞胎受试者(分别身处地球和太空),在飞行前(preflight)、飞行中(inflight)以及飞行后(postflight)共接受了25个月的表征,表证范围覆盖了10个广义生物医学性质。

图片的右侧:所有的数据经过整合,作为未来太空任务的各种生物医学指标。(同心圆由内向外依次表示:细胞因子、蛋白质组、转录组、甲基化组。)

版权:DOI: 10.1126/science.aau8650

版权:NASA

端粒(Telomere):每条DNA(也被称作脱氧核糖核酸;细胞染色体中的核酸,含有细胞编码的遗传指令)链的末端都拥有一种被称为端粒的特殊结构,它保护着我们的染色体,就像跳绳两端的塑料手柄保护着跳绳一样。随着我们年龄的增长,端粒的长度往往会越来越短;然而,生活方式、压力以及环境因素也会对端粒缩短发生的概率造成影响。在NASA的“双胞胎研究”中,最引人注目的一个发现就是,太空飞行期间以及着陆后的几天内,斯科特的端粒长度动态发生了改变。这一调查的结果可能有助于评估人类的一般健康状况,并识别出潜在的长期风险。

免疫组织(Immunome):斯科特接种了三次流感疫苗,每隔一年接种一次;第一次接种是在地球上,第二次则在太空中(同时他也是第一名在太空中接种疫苗的宇航员),第三次接种的时候他又回到了地球。这项研究发现,斯科特的身体对疫苗的反应良好;这一发现意义重大,因为这让NASA更加相信,在长时间的太空任务期间,如果接种疫苗是必要的,人类的免疫系统也能在太空中作出适当的反应。

基因表达(Gene Expression):在斯科特执行太空任务之前、期间和之后,所采集的样本揭示了他体内基因表达的一些变化。当然,一直身处地球上的马克也经历了正常范围内基因表达的变化,但他的基因表达变化与斯科特的有所不同。斯科特所经历的变化可能与他在太空中的长期滞留有关:其中大部分(约91.3%)的基因变化在他返回地球后恢复到了基线水平;然而,有一小部分变化过了6个月之后仍然存在。研究人员认为,有些观察到的DNA损伤是处于辐射环境下的结果。基因表达的数据为“双胞胎研究”中的其他发现也提供了证据和支持,包括人体对DNA损伤、端粒变化、骨骼形成以及免疫系统压力的反应。这一系列的发现有助于展现人体对极端太空环境的适应情况和适应能力,同时也能帮助研究人员更好地了解来自环境的压力因素对不同的基因活动会产生怎样的影响,从而更好地了解人类在太空中的生理过程。

认知(Cognition):除了少数的例外情况,身处太空之时,斯科特的认知表现(例如心理警觉、空间方向感、情绪识别)相比身处地球的马克而言基本保持不变,这一点相当重要,因为这表明宇航员可以在持续时间更长的太空任务中保持较高水平的认知能力。然而,在斯科特返回并待在地球的6个月里,他的反应速度和准确度都出现了明显的降低,这一被观测到的认知能力变化,可能是由于斯科特需要对地球重力场重新进行适应和调整,也可能是由于他完成任务之后的日程安排过于繁重。

生物化学(Biochemical):对斯科特的各种体征进行研究后发现,他的体重在太空飞行过程中减轻了百分之七,这可能是由于执行任务时,他的运动量得到了增加、营养饮食也有所控制;然而,他的卡路里消耗却比研究人员预期的低了30%。在斯科特进入太空的头六个月里,他体内骨骼的损坏-再生周期比正常情况下更短,也就是骨骼重塑的速度更快;但当他在后六个月里运动量减少时,骨骼重塑的速度又放缓了。血液和尿液样本的化学性质表明,在地球上时,斯科特的叶酸(folic acid,即维生素B-9)水平较低,但在太空飞行期间他的叶酸水平有了明显上升,这可能是因为太空饮食系统给他提供了更佳的食物选择。叶酸在人体内具有诸多重要的功能,包括支持DNA的合成;实际上,斯科特的叶酸水平与端粒动力学之间存在一定的相关性。这些研究数据证实:不论是在太空还是在地球,营养摄入都在人体健康的各个方面发挥着重要的作用。

版权:NASA

微生物组(Microbiome):高度多样化的微生物组(即肠道中的细菌)通常与人体健康密切相关。研究发现,相对于在地球上,斯科特的肠道菌群在太空飞行期间产生了相当大的变化,这可能缘于在他空间站上摄入的食物[主要是冻干(freeze-dried)或热稳定的预包装食物],当然,其他特定的太空环境因素也可能对此有所影响。当斯科特回到地球时,他的微生物组又恢复到了飞行前的状态,观察到他的肠道菌群逐渐恢复到正常水平着实令人心生宽慰。这项研究的结果或许能让研究人员更好地了解如何去改善宇航员整体健康状况,例如进一步调整他们的饮食,给有益的肠道细菌提供更好的生长环境。

表观基因组学(Epigenomics):这项研究考察了双胞胎宇航员身处的环境对体内DNA甲基化(DNA methylation)的影响,DNA甲基化是表观遗传(epigenetic)的现象之一,对人体内许多的生化反应都有重大影响。研究人员发现,斯科特的表观遗传现象在太空飞行期间发生了变化,但相对于身处地球上的马克来说,变化的程度相差不大。此外,斯科特体内大部分的表观遗传变化都发生在飞行任务的后六个月里,并且,在时间较短的任务中观察不到这些变化。斯科特的白细胞(white blood cell)状况表明,在某些基因上,或者说遗传物质所处的某些区域中,DNA甲基化在太空飞行期间发生了改变,而在他返回地球时又回到了基线水平;这些区域与在马克身上确认的区域不尽相同,这有助于研究人员找出对太空环境最为敏感的基因。这些结果为宇航员在长时间太空任务重的表观遗传测量开启了大门,或许还能判别太空飞行相关的身体变化是短暂的还是长期的,甚至能有助于确定出更好保护宇航员健康的预防措施。

代谢组学(Metabolomics):代谢组学的研究探寻了两人动脉粥样硬化(atherosclerosis,由斑块积聚导致的动脉壁内部变窄)的迹象,这种病变可能由太空飞行期间的炎症和氧化应激(oxidative stress)所引起。利用劲动脉的超声波成像以及血液和尿液的采样,研究人员在斯科特执行太空任务期间和之后发现了炎症和颈动脉内壁增厚的迹象,而在马克体内则没有观察到这种变化;这一适应性变化是否可逆仍有待考察。这项研究的结果有助于研究人员更好地了解长时间太空飞行对心血管系统的影响。

蛋白质组学(Proteomics):蛋白质组学研究团队研究了两人体内液体的转移变化、眼睛结构以及尿液中的蛋白质。人体内液体的转变会引起蛋白质通路的变化,研究人员借此来考察这种变化是否会导致宇航员的某些视力问题。他们发现,相比于留在地球上的马克,在太空中时,斯科特蛋白质AQP2的水平有所上升,AQP2调解着人体内水的重吸收(reabsorption,人体尿生成过程的第2个过程,即经由肾小球滤过的原尿在肾小管内被进一步吸收的过程),是判断水合状态或脱水状态的一个有效指标。这些结果有助于解决太空飞行中带来的视力问题之谜。

整合组学(Integrative Omics):最后,纵向整合的多层组学分析团队检查了从其他九个研究团队收集来的所有生物医学和分子数据,用来总结出一条最全面的观点,以描述太空飞行对人体的影响。研究人员发现,斯科特身上产生了三种强烈的炎症迹象,而有趣的是,其中有些迹象的水平在马克的身上也有所上升。

研究成果一瞥

版权:NASA

“双胞胎研究”证明了:在适应太空飞行环境引发的多种变化时,人体具有坚韧且回复性强的适应能力。研究人员发现,在研究结束时,斯科特的许多人体反应都恢复到了太空飞行前的水平,包括免疫反应、表观遗传、肠道细菌、体重指标以及血清代谢物(serum metabolite);有些指标在返回地球之后才受到了影响,包括炎症和免疫反应的一些指标;还有一小部分生理因素在实验结束时仍未恢复太空飞行前的水平,包括一小部分基因表达、端粒动力学、DNA损伤、颈动脉增厚、眼部变化以及一些认知功能。

地球上同样存在许多与压力相关的健康风险,“双胞胎研究”的结果可以用于为与之相关的疾病开发新的治疗方法和预防措施。例如,端粒研究或许有助于延缓减轻衰老和疾病的影响;蛋白质组学可能对创伤性脑损伤(traumatic brain injury)的研究带来新思路;对宇航员的研究也能让我们深入了解身体变化与疾病风险之间的相关性:这些还只是太空飞行研究能有利于我们人类的一小部分。

版权:NASA

NASA对执行太空任务的宇航员有着极其严格的培训过程,会为他们在太空中的生活方式和工作方案进行全面的规划,在他们返回地球时还会提供顶级的康复和恢复计划。正是由于NASA采取了这些措施,宇航员也顽强地完成了它们,所以即使在太空中度过了一年的时间之后,宇航员的身体仍保持着坚韧和强大的适应能力。具有里程碑意义的“双胞胎研究”,或许能为NASA接下来几年的人体研究计划(Human Research Program)提供指导,因为宇航员在航天飞行任务中的健康和安全一直是NASA的优先考虑因素,特别是在执行国际空间站、月球、火星甚至更广阔宇宙中的长期任务时。

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NASA的人体研究计划(Human Research Program,HRP)致力于发展最佳的方法和技术,以支持安全有效的人类太空旅行。HRP使用地面研究设施、国际空间站和模拟环境,来降低宇航员健康和表现的风险。探索性生物医学计划因此得以开发和实施,计划的重点是:揭示人类健康、状况和可居住性的标准; 制定应对对策和风险缓解措施; 先进的可居住性技术和医疗支持技术。 HRP共提供了300多项研究资助来支持创新的、科学的人体研究,资助的对象是来自著名高校、医院以及NASA研究中心的200多名研究人员,地理范围覆盖了美国的30多个州。

参考:

[1]https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-twins-study-results-published-in-science-journal

[2]https://science.sciencemag.org/content/364/6436/eaau8650

[3]https://www.nasa.gov/twins-study/meet-the-researchers

[4]https://www.nasa.gov/twins-study/fun-facts-and-shareables返回搜狐,查看更多

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