Symfoniserer videnskaben:NASA-tvillingstudiehold begynder at integrere resultater

Det begynder med ét instrument. Så melder en anden sig ind. Før du ved af det, spiller en storslået symfoni foran dine øjne. Forskere i NASA Twins Study er ivrige efter at integrere deres resultater og skabe en videnskabelig symfoni.

Foreløbige resultater blev diskuteret under Human Research Program Investigators' Workshop i januar, og nu florerer entusiasme, da integrationsprocessen begynder. Efterforskerne er en unik gruppe forskere med forskellig ekspertise knyttet til genetiske og fysiologiske studieområder.

Mens Scott Kelly tilbragte et år i rummet ombord på rumstationen, hans identiske tvillingebror, pensioneret astronaut Mark Kelly, tilbragte det år på jorden. Sammenligning af tvillingers biologiske prøver vil give vigtig information om, hvordan rumflyvning påvirker den menneskelige krop. Disse banebrydende genetiske undersøgelser vil hjælpe NASA med at holde astronauter sikre på en rejse til Mars.

Symfonien begynder med data. Big data. The Twins Study blev etableret som en multi-omics pilotundersøgelse til deling af data. Typisk, forskning udføres individuelt, og resultaterne offentliggøres i videnskabelige tidsskrifter, der starter diskussioner af resultater. Imidlertid, denne undersøgelse er anderledes. Fra starten, efterforskerne i Twins Study har planlagt at integrere deres resultater før publicering.

Hver undersøgelse er som et instrument. På egen hånd, den spiller solomusik. Men sæt dem alle sammen, og du har noget utroligt.

"Det smukke ved denne undersøgelse er, når man integrerer rige datasæt af fysiologiske, neuroadfærdsmæssig og molekylær information, man kan tegne sammenhænge og se mønstre, " sagde Tejaswini Mishra, Ph.D., stipendiat ved Stanford University School of Medicine, hvem opretter den integrerede database, registrerer resultater og leder efter sammenhænge. "Ingen har nogensinde set så dybt på et menneskeligt emne og profileret dem i denne detalje. De fleste forskere kombinerer måske to til tre typer data, men denne undersøgelse er en af ​​de få, der indsamler mange forskellige typer data og en hidtil uset mængde af data. Information."

Næste trin i tvillingestudiet er at komponere symfonien. Mens individuelle forskere analyserer og kompilerer deres data, vil de dele deres individuelle og integrerende analyser med Stanford-teamet ledet af Mike Snyder, Ph.D., som vil anvende forskellige metoder til yderligere at integrere det i store datasæt og begynde at komponere et mesterligt ensemble. Efter det, efterforskerne vil begynde at gennemgå det integrerede datasæt for enten at bekræfte eller modificere deres første resultater.

"Der er mange førstegange med dette studie, og det gør det spændende, " sagde Brinda Rana, Ph.D., lektor i psykiatri, University of California San Diego School of Medicine. "En sammenlignende undersøgelse med en tvilling i rummet og en på Jorden er aldrig blevet lavet før. Hver undersøgelse i undersøgelsen supplerer den anden."

Forskerne ser undersøgelsen som et nyt stykke musik, hvor de lærer deres individuelle dele og derefter går sammen med dirigenten for at spille noderne. Gennem integration af data fra biokemiske markører, kognitive evner, tarmbakteriesammensætning, og biomolekyler (DNA, RNA, proteiner, metabolitter), de håber at identificere sundhedsrelaterede molekylære virkninger af rumflyvning for at beskytte astronauter ved fremtidige missioner.

"De menneskelige systemer i kroppen er alle sammenflettet, hvorfor vi bør se dataene på en holistisk måde, "sagde Scott M. Smith, Ph.D., NASA-leder for ernæringsbiokemi ved Johnson Space Center. Han udfører biokemiske profiler på astronauter og hans forskning er rettet mod specifikke metabolitter, slutprodukter af forskellige biologiske veje og processer.

"Hvis vi ser proteinændringer, kan vi se på RNA'et, og hvis vi ser RNA-ændringer, kan vi se på DNA'et, sagde Rana. "Ved at integrere data kan vi lave en tidslinje for at give os en indikation af, om det er en forløber eller et resultat af genetik. Regulerer et specifikt gen proteinændringer eller ændrer andre gener? Når vi ved, kan vi fastslå årsag og virkning og bruge molekyler til at måle ."

Nogle gange overrasker videnskaben os.

Susan Bailey, Ph.D., professor i strålingskræftbiologi og onkologi, Veterinærhøjskolen og biomedicinsk videnskab, Colorado State University, modtog foreløbige resultater i modstrid med hendes hypotese. Telomerer forkortes, når vi bliver ældre, så hun forventede at se Scott Kellys telomerer forkortes efter at have levet i rummet næsten et år. Men til hendes overraskelse, de foreløbige resultater viste en stigning i den gennemsnitlige telomerlængde eller en stigning i populationen af ​​celler, som har længere telomerer. Derfor, hun søger efter mekanistiske data for at forklare, hvad hun ser. For at afgøre, om det er en anomali eller ej, hun kigger på Scotts træningsplan, food logs and behavioral data. She also is looking at data from Andy Feinberg, M.D., M.P.H., direktør, Center of Epigenetics, Johns Hopkins University School of Medicine, who is analyzing methylation patterns, a major factor in gene regulation and gene expression, such as which genes are turned on and off.

Bailey will also look at data from Chris Mason, Ph.D., associate professor, Department of Physiology and Biophysics Weill Cornell Medicine, for mutations in the promoter region of the telomerase, to help form a correlation and confirm or refute her preliminary finding.

Mason said, "Both the universe and the human body are complicated systems and we are studying something hard to see. It's like having a new flashlight that illuminates the previously dark gears of molecular interactions. It is a more comprehensive way to conduct research."

"There is no doubt, the learnings from integrating our data will be priceless, " said Emmanuel Mignot, M.D., Ph.D., director of Center for Sleep Science and Medicine, Stanford University School of Medicine. He studies the immune system and is enthusiastic to study specific immune cell populations because many of the other immune studies focus only on general factors.

The orchestra is only warming up now. As the data from individual investigations start filtering into the integrated composition, researchers and NASA eagerly await the results. When the full score of integrated data is ready, the summary of results will be published in late 2017 or early 2018. After that, individual investigators will publish theme papers with more detailed findings of the various investigations. As NASA embarks on its next journey, the results of the Twins Study will provide a front-row seat in this grand performance of human exploration.