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宇航员双胞胎研究带来了新的见解,算法和便携式DNA测序工具

Long-term spaceflight causes more changes to gene expression than shorter trips, especially to the immune system and DNA repair systems, according to research by Weill Cornell Medicine and NASA investigators as part of NASA’s Twins Study, which followed the only set of identical twin astronauts for more than two years.

克里斯托弗·梅森博士助理威尔康奈尔医学、生理学和生物物理学教授领导的一个10团队选择由NASA的科学家比较遗传、生理和行为的变化同卵双亚博AG真人娱乐胞胎斯科特和马克·凯利之前,期间和之后斯科特开始了为期一年的任务从2015 - 2016年在国际空间站。马克,过去曾参加过较短的太空任务,留在地球上,提供一个基因相同的控制对象。

克里斯托弗·梅森博士

发现这篇文章发表在4月12日的《科学》杂志(Science)印刷版上,并在封面上做了专题。文章显示,斯科特经历了颈动脉增厚、视网膜增厚、体重减轻、肠道微生物变化、认知能力下降、DNA损伤和基因表达变化,在飞行过程中,染色体末端的延长被称为端粒。返回地球后,端粒的延长被加速缩短和丢失所取代,这对细胞健康有潜在的负面影响。这项研究将帮助科学家更好地理解宇航员在长期太空飞行中经历的变化。它还可以帮助他们更好地治疗或防止长时间太空飞行对宇航员健康造成的任何损害,这在NASA和其他组织准备为期三年的火星任务时尤为重要。

“It gives us a biomedical and molecular road map for future astronauts,” said Dr. Mason, who is also an associate professor of computational genomics in computational biomedicine at Weill Cornell Medicine’s HRH Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Alsaud Institute of Computational Biomedicine, an associate professor of neuroscience in the Feil Family Brain and Mind Research Institute, member of the Sandra and Edward Meyer Cancer Center, and director of the WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction. Dr. Mason led the genetic, gene expression, epigenetic and microbiome investigations for the study.

包括共同调查员的10队的调查员艾丽梅利克博士来自威尔医学系是在2014年3月被选中的他们只有几个月的时间来准备用来收集和分析斯科特和马克的样本的方案。在这次任务中,梅森博士的同事,弗朗辛博士Garrett-Bakelman然后,在梅森博士和梅尔尼克博士的实验室博士的联合博士生博士,在休斯顿收集了他送回地球的斯科特血液的样本。她在36小时内分析了它们,远程工作杰姆梅博士丹妮拉Bezdan两人都是威尔康奈尔医学院(Weill Cornell Medicine)计算生物医学的研究员。亚博AG真人娱乐

宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)的血液样本被固定在太空舱中,重新进入地球大气层。来源:美国国家航空航天局

该团队还看着从斯科特和斯科特六个月开始的样品,斯科特返回后九个月。他们正在寻找他们的DNA中的突变或损伤,并用于确定哪些基因打开或关闭的介入变化。他们还研究了男性细胞产生的蛋白质的变化,以评估变更如何影响他们的健康状况。基因活性的一些变化,例如参与骨形成或DNA修复的那些,因为众所周知,宇航员在零重力中经历骨密度的经历减少,以及在飞行期间增加暴露于DNA损坏辐射。但他们还看到了线粒体基因活性的变化,这有助于体内产生能量,并且暗示长期行程的免疫系统基因可能会增加身体的应力。使用实验室的新方法蔡康永博士研究人员还发现,血液中游离DNA部分的线粒体DNA含量更高,这是细胞应激的一个指亚博AG真人娱乐标。

“基因表达发生了巨大的变化,”Mason博士也是Weill Cornell Graduate School of Medical Sciences的生理学、生物物理学、系统生物学和计算生物学项目的副教授。“在任务的最后六个月里,基因表达的变化是任务前半部分的六倍。”斯科特回到地球后,很多变化都逆转了,但有些变化仍然存在,包括认知缺陷、DNA损伤和t细胞激活的一些变化。

“我们还不知道如果这些变化是好的或坏的,”梅森博士说。“这可能是身体如何应对,但基因是扰动的,所以我们希望看到为什么并跟踪他们看到多长时间。”

该研究还可以帮助地球上的患者,特别是那些经常经历巨大遗传变化和忍受辐射暴露的癌症的患者。在整个细节以及暴露于太空中的巨大压力源的人可以将科学家们讨论对严重压力的正常反应以及身体可以适应多少洞察力。这可能有助于科学家区分身体的正常压力反应与癌症,感染或其他压力源相关的病理变化。

“这两个宇航员可能会在历史上的任何其他人的深度上进行了研究,”梅森博士说,他也是一个提供全面分子肖像的公司的联合国,股权利益相关者和顾问顾问customized recommendations for an individual’s health based on integrated analysis of longitudinal blood, genetics and microbiome profiles. “They give us a really in-depth view of cellular, molecular and physiological changes that can help us learn what is in the range of what a human can endure.”

研究中还出现了有用的新工具,包括由Mason的团队博士创建的便携式DNA测序技术,这些技术将由宇航员使用序列在未来的太空任务上序列他们自己的DNA。2016年,期间NASA的生物分子序列仪任务梅森博士及其同事证明了DNA测序仪可以在国际空间站上运行。在这一发现的基础上,梅森博士的团队于2019年发表了一种机器学习算法自然通讯表明该技术也可以检测太空中的表观遗传变化。这项工作是由美国宇航局和空间健康转化研究所资助的,以帮助新的一套额外的为期一年的任务准备去火星

他说,现在通过提供可以在该领域使用的便携式测序工具,帮助控制疾病爆发,包括在巴西的西非和Zika在西非和Zika中控制疾病爆发。通过康奈尔科技初创公司称为Biotia,梅森博士是一个联合创始人和股权持有人,DNA序列机也被用于几家国际医院用于跟踪感染,帮助先进的所有医院的DNA测试方法,包括在纽约市。

“你不再需要等待几天或几周才能进行DNA测序和分析,”梅森博士说。“你可以在几个小时内完成,要么坐在地球上的医院里,要么在国际空间站上以每秒5英里的速度移动。”

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