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从太空返回地球后,宇航员与留在地球的双胞胎兄弟之间无长期和重大表观遗传差异

Johns Hopkins Medicine

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IMAGE: Andrew Feinberg and Lindsay Rizzardi test procedures for purifying blood samples on NASA's microgravity plane called the "Vomit Comet." view more 

Credit: Johns Hopkins Medicine

在一项具有里程碑意义的研究中,一群美国科学家(包括约翰�霍普金斯的研究人员)发现,在国际空间站待了一年的宇航员Scott Kelly与其留在地球的双胞胎兄弟Mark之间无长期和重大的表观遗传差异。 科学家表示,对于太空旅行对人类基因组的影响,该研究能为我们带来何种结论尚不明确。如果能对登上太空的其他宇航员开展研究,就能帮助科学家们进行预测,了解他们在漫长的太空之旅中可能会遇到哪些类型的医疗风险。毕竟太空中的引力比地球小,而且人体会暴露在有害的紫外线中,同时还面临着其他健康风险。

�这是研究人类基因组在太空的表现的开端。�约翰�霍普金斯大学医学、生物医学工程和心理健康学彭博杰出教授、医学博士Andrew Feinberg说,�我们开发出了进行此类人类基因组研究的方法,今后我们应该开展更多研究,探索人类在进入太空后身体会发生怎样的变化。�

表观遗传变化涉及DNA的化学�调整�,可影响基因活性。但这些变化不会影响基础遗传密码本身,而是会影响基因在执行蛋白编码指令时的读取或表达的时间和方式。当表观遗传变化发生在错误的时间或身体部位时,这种变化过程也会在错误的时间和身体部位开启或关闭基因。

长久以来,科学家一直在监测和研究太空旅行对宇航员的生理影响。但是,大多数宇航员的航天任务时间为六个月或更短,而非像登陆火星或其他地方那样需要较长的时间。

Feinberg指出,同卵双胞胎在本质上具有相同的遗传物质,能在其中一位登上太空而另一位留在地球时对他们的生理和基因组变化进行对比,这是一个重要而且极为难得的机会。

�由于我们的研究对象只有两人,因此不能直接判定这些变化是由太空旅行本身造成的,�Feinberg表示,�我们需要开展更多有关宇航员的研究才能得出此等结论。�

该研究已在4月12日的《科学》杂志上发表,据其描述,在Scott执行为期一年的航天任务之前、期间和之后共达27个月的不同时间点,科学家分别收集了Scott Kelly和Mark Kelly的血液样本、生理数据和认知测量结果。Scott执行任务期间的样本于从地球运送的货物抵达联盟号火箭时在空间站收集,并于当天通过该火箭运回地球,以便在48小时内进行处理。

Feinberg和前博士后学生Lindsay Rizzardi重点研究了Scott和Mark的基因组表观遗传变化。

具体而言,Feinberg及其团队检验了从Mark和Scott的血液中分离出的两种白细胞(CD4+和CD8+)。他们重点观察了表观遗传标记,这些标记包括被称为�甲基基团�的化学修饰,而甲基基团在�甲基化�过程中附着到DNA上。

总体而言,他们发现Mark和他那位登上太空的双胞胎兄弟的DNA表观遗传变化并无多少差异。在Scott执行任务期间,双胞胎的总甲基化率之差低于5%。差异最大时发生在执行任务的第九个月,当时Scott的DNA甲基化率为79%,Mark的则为83%。

双胞胎基因组的甲基化改变部位有所不同。例如,科学家们发现,在Scott登陆太空期间,其基因附近的甲基化改变涉及到了免疫系统反应,但Mark的并没有。这与参与当前研究的其他研究人员提供的数据具有相关性,他们发现Scott与炎症相关的某些生化指标增加,但Mark的没有。

�Mark和Scott的表观基因组未出现大量破坏的情况,这是一个令人振奋的结果。�Rizzardi表示,�由于研究对象只有两人,我们无法肯定地得出关于太空旅行对基因组的影响的结论。但这些研究结果为我们提供了线索,了解到在未来的宇航员研究中应当更侧重哪些方面。� 科学家还发现,Scott眼球的形状在太空飞行过程中发生了变化,包括视神经变厚、眼球周围的脉络膜折叠。这些变化通常会影响视力,其他男性宇航员身上也曾出现,但尚未出现在女性身上。科学家还观察到,Scott在太空飞行过程中出现了认知变化和压力增加,这可能不仅仅是太空飞行所致。

此项研究为预测宇航员在执行长期任务时的基因相关功能和生理功能奠定了基础。�如果我们能预测到会发生什么,就可以预见到宇航员可能会遇到的健康问题,并确保在其执行任务期间可随时获得药物和其他补救方法。�Feinberg说。

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