美国宇航局的双胞胎研究提供了生物分子视角来观察人体对太空飞行的反应

2022-05-04 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:1054 /
内容摘要:
美国宇航局的双胞胎研究将来自全国各地的十个研究小组聚集在一起,观察人类因暴露于太空飞行危险而可能发生的生理、分子和认知变化。美国宇航局退休宇航员斯科特·凯利和他的同卵双胞胎兄弟马克参加了由美国宇航局人类研究项目进行的调查。斯科特在国际空间站执行为期340天的任务之前、期间和之后都......

美国宇航局的双胞胎研究将来自全国各地的十个研究小组聚集在一起,观察人类因暴露于太空飞行危险而可能发生的生理、分子和认知变化。美国宇航局退休宇航员斯科特·凯利和他的同卵双胞胎兄弟马克参加了由美国宇航局人类研究项目进行的调查。斯科特在国际空间站执行为期340天的任务之前、期间和之后都受到了监控;他的双胞胎兄弟马克是基因匹配的地面控制者。发表在《科学》杂志上的研究结果揭示了一些有趣的、令人惊讶的、积极的数据,证明了单个人体是如何适应太空的极端环境的。

Now retired twin astronauts, Scott (right) and Mark (left) Kelly, are subjects of NASA’s Twins Study. Image credit: Derek Storm, www.derekstorm.com.

现已退休的双胞胎宇航员斯科特(右)和马克(左)凯利是NASA双胞胎研究的对象。图片来源:德里克·斯托姆,www.derekstorm.com。

美国宇航局总部首席健康和医疗官J.D .波尔克博士说:“双胞胎研究是理解人类航天中表观遗传学和基因表达的重要一步。

“感谢这对双胞胎兄弟和一群不知疲倦地一起工作的调查人员,从双胞胎研究中收集的宝贵数据有助于了解个性化医学的需求及其在深空探索中保持宇航员健康的作用,因为美国宇航局正在前往月球和火星的旅程中。”

研究的主要结果总结如下。它们包括与基因表达变化、免疫系统反应和端粒动力学相关的发现。其他变化包括断裂的染色体在染色体倒置中重新排列,以及认知功能的改变。

Results of NASA’s Twins Study. Image credit: NASA.

美国宇航局双胞胎研究的结果。图片信用:美国宇航局。

端粒

每条DNA链的末端都有一种叫做端粒的特殊特征,它保护我们的染色体,就像塑料手柄保护跳绳一样。随着年龄的增长,端粒长度往往会变短;然而,生活方式因素、压力和环境暴露也会影响这种缩短发生的速度。双胞胎斯图迪最惊人的发现之一是,斯科特在航天飞行期间和着陆后几天内经历了端粒长度动态的变化。这些结果可能有助于评估总体健康状况和识别潜在的长期风险。

免疫细胞

斯科特接种了三种流感疫苗,每种相隔一年;第一个在地球,第二个在太空(宇航员在太空中第一次接种疫苗),第三个回到地球。研究发现,斯科特的身体对疫苗有适当的反应。这是一个重要的发现,因为它让美国宇航局更有信心在长期任务中,如果需要疫苗,免疫系统在太空中会做出适当的反应。

基因表达

在斯科特任务之前、期间和之后采集的样本揭示了基因表达的一些变化。马克在地球上的基因表达也经历了正常范围的变化,但与斯科特不同。斯科特经历的变化可能与他长期呆在太空有关。这些变化大部分(约91。3%)返回地球后恢复到基线;然而,有一小部分在六个月后仍然存在。一些观察到的DNA损伤被认为是辐射暴露的结果。基因表达数据证实并支持了双胞胎研究中的其他发现,包括身体对脱氧核糖核酸损伤的反应、端粒调节、骨形成和免疫系统应激。这些发现有助于证明人体是如何适应太空的极端环境的,lp研究人员更好地理解了环境压力如何影响不同基因的活动,从而更好地理解太空中的生理过程。

认识

除了少数例外,斯科特的认知表现(如精神警觉性、空间定向、情绪识别)在他的空间时间内基本保持不变,相对于地面上的马克。这一点很重要,因为它表明宇航员可以在太空中保持高水平的认知能力更长时间。然而,在他着陆并坚持了六个月之后,观察到速度和准确性有了更明显的下降。着陆后观察到的变化可能是由于重新暴露和对地球重力的调整,以及斯科特任务后繁忙的日程安排。

生物化学的

研究斯科特的各种元素后发现,他的体重在飞行过程中减少了7%。这可能是由于他在执行任务时增加了锻炼和持续的营养,但他消耗的卡路里也比研究人员预期的少了大约30%。在太空的前六个月,他的骨分解和骨重组周期发生得更快,但在后半段,当他的运动量较低时,速度减慢。他的血液和尿液样本的化学成分表明,他的叶酸水平(vita min B9)在飞行前较低,但在飞行中上升,这可能是由于太空食物系统提供了更好的食物选择。叶酸在体内有许多重要的功能,包括支持脱氧核糖核酸的合成。事实上,斯科特的叶酸状态和端粒动力学之间存在相关性。这些数据支持这样一个事实,即营养在空间和地球健康的所有方面都发挥着重要作用。

微生物组

高度多样化的肠道微生物群通常与健康有关。斯科特的肠道菌群被发现在飞行过程中与飞行前有很大的不同。这可能是由于他在空间站时食用的食物(主要是冷冻干燥或热稳定的预包装食物),尽管其他特定空间的环境因素也可能有所贡献。当他回到地球时,斯科特的微生物群回到了飞行前的状态。观察斯科特的肠道细菌恢复正常的程度令人放心。这些发现可能会让研究人员更好地了解如何帮助改善整体健康,例如调整宇航员的饮食以帮助有益细菌繁殖。

表观基因组学

这项研究着眼于双胞胎的环境如何影响脱氧核糖核酸甲基化的变化,这对体内的许多生化反应都有重大影响。科学家们发现斯科特在飞行中经历了表观遗传变化,但变化的程度并不比地球上的马克大。此外,斯科特的大部分表观遗传变化发生在任务的第二个六个月,在较短的任务中不会观察到。斯科特的白血球揭示了基因,或者说基因组的某些区域,在飞行中DNA甲基化发生了改变,但在他回来后又回到了基线。这些区域与马克发现的不同,帮助研究人员发现了对太空环境最敏感的基因。这些结果为长时间太空任务中宇航员的表观遗传学测量打开了大门,并可能有助于确定与太空飞行相关的变化是短暂的还是长期的。他们还可以帮助确定哪些预防性对策可以更好地保护宇航员的健康。

代谢组学

代谢组学研究寻找动脉粥样硬化的迹象(由于斑块堆积导致动脉壁内侧变窄),这可能是由航天飞行期间的炎症和氧化应激引起的。通过使用超声波对颈动脉进行成像,并从血液和尿液中取样,研究人员在斯科特执行任务期间和之后立即在他身上发现了炎症和颈动脉壁增厚的迹象,但在马克身上没有观察到这种变化。这种适应是否可逆仍有待确定。这些结果有助于科学家更好地理解长时间太空飞行对心血管系统的影响。

蛋白基因组学

蛋白质组学小组研究了身体中的液体转移、眼睛的结构和尿液中的蛋白质,以了解响应液体转移的蛋白质途径的变化是否会导致一些宇航员的视力问题。研究人员发现,与地面上的马克相比,斯科特体内的一种蛋白质AQP2在太空中被提升了。AQP2调节体内水的再吸收,是水合或脱水状态的有用指标。这些结果有助于解决航天飞行中的视觉难题。

整合组学

最后,纵向综合多组学分析小组检查了从其他九个研究小组收集的所有生物医学和分子数据,以得出人体如何对航天飞行做出反应的单一最全面的观点。科学家在太空中的斯科特身上发现了三种强烈的炎症迹象。有趣的是,这些标记中的一些在马克身上也被提升了。

“据我们所知,这个团队进行了一项研究,其范围之广在人类生物学的各个层面都是前所未有的:从人类细胞和麦克风的分子分析到人类生理学再到认知,”美国宇航局总部空间生命和物理科学研究与应用部门主任克雷格·昆德罗博士说。

“这篇论文是这项高度整合的研究的第一份报告,这项研究始于五年前,当时调查人员首次聚集在一起。随着我们继续提高我们在太空生活和工作的能力,并向前探索月球和火星,我们期待着与未来的机组人员一起发表更多的分析和后续研究。”

_____

弗朗辛·盖瑞特-贝克曼等人,2019年。美国宇航局双胞胎研究:对长达一年的人类太空飞行的多维分析。科学364(6436);doi: 10.1126/science.aau8650


标签:提供  生物分子  视图  美国宇航局  双胞胎