双胞胎的研究基因组学领域来说是无价的。同卵(相同的)双胞胎完全相同的DNA,研究允许我们生活的环境和我们的生活方式可能会影响我们的遗传密码。说,例如,如果一个双胞胎决定移民到一个不同的国家,可能与气候变暖,并采用了当地美食,科学家们能够观察这些生活方式改变的影响的基因组相比,双没有转移,留在原来的环境。
地球上一个双胞胎在太空,一个双胞胎
但如果不是搬到另一个国家,一个双搬到空间吗?在一个独特的具有里程碑意义的研究中,相同的男性双胞胎斯科特和马克·凯利-两个(现已退休)NASA的宇航员花了一年的斯科特旅行和居住国际空间站(ISS)地球上,而马克呆在家里。
这项研究提供了12个机构的84名科学家(包括约翰霍普金斯大学、斯坦福大学、圣安东尼奥UT健康中心的肾精密医学和加州大学)一个难得的机会来洞察长期太空旅行的影响人体的各种生理方面。美国国家航空航天局最近宣布月球轨道Platform-Gateway太阳能空间站,将作为通信中心,科学实验室,短期居住模块,并持有探测器和机器人,可能早在2024年居民。导致工作已经完成美国国家航空航天局人类研究项目在发展过程来减少空间环境的影响人类的健康和性能,因此本研究相关的。
在2015年1月19日举行的新闻发布会上,在德克萨斯州的休斯顿约翰逊航天中心考察45/46指挥官,宇航员斯科特凯利和他的兄弟,前宇航员马克·凯利说,新闻媒体对斯科特凯利的1年登上国际空间站的任务。摄影师:罗伯特•马科维茨。
multi-omics空间研究的物流
美国宇航局双胞胎的研究是一个集成的multiomics分子、生理和行为分析的变化,人类的身体带来在为期一年的太空任务。从2015年开始,研究人员收集血液样本和生理和认知测量从两个双胞胎在几个时间点在27个月的时间内,包括之前,期间和之后斯科特在国际空间站。
如果你曾经地球上难以获得研究对象的样本,你可以从物流的角度欣赏这个研究的复杂性。你准备好印象吗?所需的设备采取斯科特的样本被送到国际空间站通过联盟号火箭采集标本,然后运回地球仅仅48小时内进行处理。
人类基因组学在太空的黎明
从样本中提取数据,科学家们从各个机构专注于个人生理领域。安德鲁·范伯格约翰霍普金斯大学,前博士后学生林赛Rizzardi,太空旅行的表观遗传影响很感兴趣。
表观遗传学指的是研究遗传个体的基因表达变化,不改变DNA序列的结果。表观遗传变异通常涉及基因被“关闭”或“沉默”,可以临时或长期持久的效果。范伯格和团队看着两种类型的白细胞,CD4 +和CD8 +,双胞胎的血液样本观察的任何迹象DNA甲基化。他们发现整体之间有差异甲基化水平不到百分之五马克和斯科特的血液在整个研究过程中,这表明大约同等数量的表观遗传变化发生在地球上的空间。最高的马克和斯科特的样本之间的甲基化水平差异发生在斯科特是九个月任务,当斯科特79%的DNA甲基化,而马克的83%。
研究者注意到,在这对双胞胎的基因组甲基化的位置不同。而斯科特在太空旅行,甲基化变化发生在免疫应答的基因附近没有观察到地球上的标志。超过90%的基因活动水平在斯科特的时间变化在空间回到正常水平返回地球后六个月;然而,科学家们正在迅速增加,这不是对什么可能发生通常无论太空旅行。
“这是令人鼓舞的,没有标志或表观基因组的大规模破坏斯科特,“Rizzardi评论,之前增加样本大小略有限制的研究:“只有两人在这项研究中,我们有限的结论我们可以得出关于太空旅行的基因组的影响。但研究结果给我们线索在将来的研究中我们应该检查更仔细地宇航员。”
在太空中端粒的老化
如果你看过电影星际,您可能想知道是否斯科特返回地球不知何故生理上比他的双胞胎“年轻”。你不是一个人在质疑,科罗拉多大学的科学家们关注的长度变化端粒,保护“帽子”的染色体,这对双胞胎的白细胞。端粒的长度代表我们的生理年龄而不是实足年龄,因此长度的变化与疾病和衰老有关。
苏珊·贝利科罗拉多大学教授发现,结果“惊人的”。2017年发布的初步数据显示,斯科特的端粒长在空间。虽然大多数的端粒回到附近的飞行前的平均在他返回地球,斯科特现在有更短的端粒比之前他在太空远足。“有较短的端粒将人置于风险加速老化”贝利说。“这也会增加疾病的风险伴随老化,包括心血管疾病和某些癌症”。
贝利的端粒研究将继续在美国宇航局为期一年的项目任务她将学习10宇航员一年的任务,10个六个月的任务,和10个旅行两到三个月的时间。
代谢组学的见解
Kumar沙玛和Manjula Darshi, UT健康圣安东尼奥肾精密医学中心的研究关注斯科特和马克的变化线粒体和代谢物。
分析,这对双胞胎的血样表明斯科特期间增加了乳酸的代谢物水平在国际空间站上,回到基线水平在他返回地球。乳酸是直接连接到线粒体功能,这种兴奋Darshi和沙玛。
在线粒体的情况下无法产生细胞功能所需的能量,细胞采用不同燃料生成过程中,糖酵解,产生葡萄糖和乳酸代谢。“乳酸升高有可能意味着你的线粒体不正常运转,”Sharma笔记。作为这项研究的一部分,其他组织评估线粒体功能和线粒体基因表达,和数据支持我们的研究结果。”
而斯科特的精确原因增加乳酸水平仍然是难以捉摸的,研究人员希望后续研究涉及小鼠模型,也前往空间将进一步揭示。
采取“multi-omics”个性化医疗的最后边界
美国宇航局孪生研究利用多种学科研究人员的专业知识和增加了越来越多的“multi-omics”研究我们看到在科学文献。Sharma说,“这正是精密医学。在个体层面,我们可以测量和学习在一个特定的上下文?在这种情况下,它是一个太空飞行。但它可能是有人服用药物治疗糖尿病或开始锻炼方案或开始一个新的饮食计划。”
范伯格说,这项研究为进一步铺平了道路对长期太空旅行的生理影响的预言:“如果我们知道会发生什么,我们可以预见宇航员的健康问题可能遇到并确保药品和其他补救措施时手头的任务。”
参考:Garrett-Bakelman et al . 2019。美国宇航局双胞胎研究:长达一年的载人航天的多维分析。科学。DOI: 10.1126 / science.aau8650。
