Astronaut har ingen dvælende, store epigenetiske forskelle fra jordbundne tvillingebror

I en skelsættende undersøgelse, en gruppe amerikanske videnskabsmænd fra Johns Hopkins, Stanford University og andre institutioner har ikke fundet nogen langvarig, store forskelle mellem epigenomerne af astronaut Scott Kelly, som tilbragte et år i rummet ombord på den internationale rumstation, og hans tvillingebror, Mærke, som blev på jorden.

Hvad denne undersøgelse fortæller os om farerne ved rumrejser på en persons genom er ikke klart, siger forskerne, men forskning i yderligere astronauter i rummet kan i sidste ende hjælpe videnskabsmænd med at forudsige de typer medicinske risici, de kan stå over for på lange rumrejser, hvor mennesker oplever mindre tyngdekraft end på Jorden, udsættelse for skadelige ultraviolette stråler og andre sundhedsrisici.

"Dette er begyndelsen af ​​menneskelig genomik i rummet, " siger Andrew Feinberg, M.D., Bloomberg Distinguished Professor of Medicine, Biomedicinsk teknik og mental sundhed ved Johns Hopkins University. "Vi udviklede metoderne til at udføre disse typer af humane genomiske undersøgelser, og vi burde lave mere forskning for at drage konklusioner om, hvad der sker med mennesker i rummet."

Epigenetiske ændringer involverer kemiske "tweaks" til DNA, der kan påvirke genaktivitet, men ændringerne påvirker ikke selve den underliggende genetiske kode. Ændringerne påvirker, hvornår og hvordan et gen aflæses, eller udtrykt, for dets protein-kodende instruktioner. Når epigenetiske ændringer opstår på det forkerte tidspunkt eller sted, processen kan tænde eller slukke for gener på det forkerte tidspunkt og sted, også.

Forskere har længe overvåget og studeret de fysiologiske virkninger af rumrejser på astronauter. Imidlertid, de fleste af disse astronauter rejser på rumflyvningsmissioner på seks måneder eller mindre, ikke de længere missioner, der kræves for at rejse til Mars eller andre steder. Mere forskning er nødvendig for at forstå virkningen af ​​lange rumflyvningsmissioner på den menneskelige krop, hvor der er mere udsættelse for stråling, begrænset diæt, mindre motion, lavere tyngdekraft og forstyrrede søvncyklusser.

Feinberg bemærker, at man studerer enæggede tvillinger - som, af natur, har det samme genetiske materiale - var en vigtig og sjælden mulighed for at sammenligne fysiologiske og genomiske ændringer, når den ene tvilling gik ud i rummet, og den anden blev på Jorden. "Imidlertid, da vi kun har to personer i vores undersøgelse, vi kan ikke sige, at disse ændringer skyldes rumrejsen i sig selv, " siger Feinberg. "Vi har brug for flere undersøgelser af astronauter for at drage sådanne konklusioner."

Til studiet, beskrevet i 12. april-udgaven af Videnskab , videnskabsmænd indsamlede blodprøver, fysiologiske data og kognitive målinger fra Scott og Mark Kelly på forskellige tidspunkter over 27 måneder før, under og efter Scotts etårige rummission. Prøverne fra Scott under flyvningen blev indsamlet på rumstationen, da forsendelser fra Jorden ankom på en Soyuz-raket og, samme dag, sendt tilbage til Jorden med raketten, så prøverne kunne behandles inden for 48 timer.

Feinberg og tidligere postdoc-studerende Lindsay Rizzardi, nu seniorforsker ved HudsonAlpha Institute for Biotechnology, fokuseret på epigenetiske ændringer af Scott og Marks genomer.

Specifikt, Feinberg og hans team undersøgte to typer hvide blodlegemer (CD4+ og CD8+) isoleret fra Mark og Scotts blod. De fokuserede på epigenetiske mærker bestående af kemiske modifikationer kaldet methylgrupper, der tilføjes til DNA'et i en proces kaldet methylering.

Samlet set, de fandt ud af, at der skete lige så mange epigenetiske ændringer i jordbundne Marks DNA som i hans rumflyvende tvilling. Der var en forskel på mindre end 5 procent i den samlede methylering mellem tvillingerne under missionen. Den største forskel fandt sted ni måneder inde i missionen, da 79 procent af Scotts DNA var methyleret, sammenlignet med 83 procent af Marks.

Placeringerne af methyleringsændringer i genomet var forskellige for hver tvilling. For eksempel, forskerne fandt methyleringsændringer nær gener involveret i immunsystemets reaktioner i Scott under hans tid i rummet, men ikke i Mark. Dette korrelerede med data fra andre forskere involveret i den aktuelle undersøgelse, som fandt stigninger i visse biokemiske markører forbundet med inflammation hos Scott, men ikke Mark.

"Det var opmuntrende at se, at der ikke var nogen massiv forstyrrelse af epigenomet i hverken Mark eller Scott, " siger Rizzardi. "Men, med kun to personer i undersøgelsen, vi er begrænsede i de konklusioner, vi kan drage om effekten af ​​rumrejser på genomet. Men resultaterne giver os fingerpeg om, hvad vi bør undersøge nærmere i fremtidige undersøgelser af astronauter."

I den aktuelle undersøgelse, Scotts biologiske prøver blev sendt tilbage til Jorden med det samme, men i fremtiden, astronauter skal muligvis behandle og opbevare prøver på rumfartøjet. Feinberg, Rizzardi og NASA-videnskabsmanden Brian Crucian udviklede detaljerede instruktioner til at lave komplicerede eksperimenter i mikrogravitation. Feinberg og Rizzardi rejste i en uge på den berømte "Vomit Comet, "et fly, der simulerer vægtløshed, at teste deres protokoller for at overvinde udfordringerne med at indsamle, oprensning og opbevaring af blodprøver ombord på rumstationen.

Af undersøgelser ledet af forskere ved Stanford University, Colorado State University, Cornell University og andre, nogle af de bemærkelsesværdige resultater inkluderede Scotts forlængelse af telomerer under flyvningen, de beskyttende endehætter på kromosomerne. Telomeren forlænges, som tidligere rapporteret, vendte tilbage til det normale, da Scott vendte tilbage til Jorden.

Ud over, mere end 90 procent af generne, der ændrede aktivitetsniveauet under Scotts flyvning, vendte tilbage til det normale seks måneder efter flyvningen. Endnu, Feinberg bemærker, disse ændringer er ikke tegn på rumflyvning alene, de adskiller sig heller ikke fra, hvad der normalt kan forekomme.

Forskerne fandt også ud af, at formen på Scotts øjeæble ændrede sig i løbet af flyvningen, herunder en tykkere retinalnerve og folder i årehindelaget, der omgiver øjet. Disse ændringer påvirker typisk synsstyrken og, siger Feinberg, er forekommet hos andre mandlige astronauter, men ikke hos kvinder. Forskerne observerede også kognitive ændringer og øgede stressniveauer hos Scott under flyvningen, hvilken, igen, kan ikke tilskrives rumflyvning alene.

Feinberg siger, at denne undersøgelse danner grundlaget for at lave forudsigelser om en astronauts gen-relaterede og fysiologiske funktion under en langsigtet mission:"Hvis vi ved, hvad vi kan forvente, vi kan forudse sundhedsproblemer, astronauter kan støde på, og sikre, at medicin og andre midler er ved hånden under en mission."