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雙胞胎研究表明空間旅行不會帶來基因變化

來源:不詳       更新時間:2019/4/17 16:43:00
 

 Mark Kelly(右)與比他早六分鐘出生的雙胞胎哥哥Scott。圖片來源:NASA/Alamy

■本報記者 唐鳳

“該研究是理解表觀遺傳學和人類航天活動對基因影響的重要一步。隨著美國宇航局(NASA)不斷前往月球和火星,這有助于了解個性化醫療及其在深空探索中保持宇航員健康的作用。”NASA 首席健康醫療官J.D. Polk說。

“據我們所知,這個團隊進行了一項史無前例的研究,其范圍跨越了人類生物學的各個層面:從人體細胞和微生物組的分子分析,再到人類生理學和認知學。”NASA空間生命與物理科學研究與應用部主任Craig Kundrot說。

“它為使用新研究方法更好地了解宇航員面臨的挑戰,以便推進星際任務邁出了重要的第一步。”NASA人類研究項目主管Bill Paloski說。

……

這項一經發表便引起人們熱議的成果便是NASA著名的雙胞胎實驗。這個始于5年前的實驗,近日在《科學》刊登了初步結果:NASA的雙胞胎宇航員Scott Kelly和Mark Kelly又恢復到幾乎一模一樣的狀態。

Scott曾于2015年至2016年在國際空間站上工作,而Mark則留在地球上。該研究跟蹤了Scott的身體在近一年的太空飛行中發生的變化。研究人員表示,Scott從太空返回地球后,很多影響他的基因、生化和其他方面的變化基本上都消失了。

“了解長時間太空飛行對健康的影響,對于確保宇航員在未來可能持續數年的深空任務中的安全、健康和表現至關重要。同樣,這也將增進我們對地球人類健康的了解,因為它將提供一個不同的視角,研究人類正常生理過程在航天飛行,特別是失重的獨特環境中的功能和變化。”該研究通訊作者之一、威爾康乃爾醫學院的John B. Charles告訴《中國科學報》。

這些結果填補了在太空逗留6個月以上的宇航員可能會有的健康后果的空白;然而人們還不清楚,Scott返回地球時其身體改變是否只與太空飛行有關以及它會持續多久。

無論如何,德國達姆施塔特技術大學輻射生物學和DNA修復專家Markus L?觟brich在接受《中國科學報》采訪時表示,了解長期太空飛行的健康風險對于最佳地“保護”宇航員免受微重力和電離輻射的影響至關重要。“也就是說,如果風險是已知的,就可以考慮采取相應的對策,將其影響降到最低。”

此外,L?觟brich表示,了解帶電粒子空間輻照的影響也將有助于評估電離輻射對地球的影響,例如放射學檢查或帶電粒子腫瘤治療可能對接受者產生的影響。

距離“最遠”的雙胞胎

在愛因斯坦著名的雙生子佯謬中,有一對雙生兄弟,一個登上宇宙飛船作長期太空旅行,而另一個則留在地球。結果當旅行者回到地球后,他比留在地球的兄弟更年輕。

這是一個有關狹義相對論的思想實驗,佯謬產生是基于對狹義相對論中時間膨脹的考慮。然而,真實空間旅行中面臨的諸多挑戰,可能會對雙胞胎健康產生更多意想不到的影響。

L?觟brich提到,在太空中遇到的挑戰包括噪音、隔離、缺氧和晝夜節律紊亂,而且,暴露于電離輻射和失重狀態也可能會引發重要的健康風險。

幾十年來,研究人員一直在研究低重力、高輻射的太空環境如何影響人體。由于Scott和Mark擁有幾乎相同的基因信息和相似的生活經歷,NASA有了一個比較太空生活對人體影響的前所未有的機會。

在研究期間,Scott在太空中共飛行了520天。Mark曾在太空中飛行了54天,均為4次相對較短的航天飛機飛行任務。

在25個月里,10個研究小組對這對雙胞胎進行了一系列測試,包括在太空飛行前、飛行中和飛行后采集血液、尿液和糞便樣本。Mark想吃就吃想喝就喝,也能做想做的任何事,而Scott在空間站上必須遵守嚴格飲食和鍛煉制度。

多種變化

結果,Scott的身體經歷了一系列變化,但這些變化在他回到地球后大部分都發生了逆轉。約翰斯·霍普金斯大學醫學院遺傳學家Andrew Feinberg說,其中也包括與壓力有關的基因標記的改變,也許是由環境的變化所導致。

Scott回到地球后的6個月里,他的染色體發生了很大程度上持續的基因變化。部分倒置,或端對端翻轉。這將導致DNA損傷,并可能與他在太空中經歷的高劑量輻射有關。

科羅拉多州立大學放射癌癥生物學家Susan Bailey表示,Scott染色體末端的許多端粒,在太空飛行中也神秘地變長了。這與預期正好相反,因為端粒會隨著年齡的增長而縮短,而科學家預測太空飛行對身體的壓力與衰老的作用基本相同。

但端粒在Scott返回地球后的48小時內就縮短了,大部分都回到了飛行前的長度,現在他的端粒比飛行前更短。Bailey提到,這可能會增加他患心血管疾病或某些癌癥的風險。

Feinberg團隊還檢驗了從Mark和Scott的血液中分離出的兩種白細胞(CD4+和CD8+)。他們重點觀察了表觀遺傳標記,這些標記包括被稱為甲基基團的化學修飾,而甲基基團在甲基化過程中附著在DNA上。

結果顯示,這對雙胞胎兄弟的DNA表觀遺傳變化并無多少差異。在Scott執行任務期間,雙胞胎的總甲基化率之差低于5%。差異最大時發生在執行任務的第9個月,當時Scott的DNA甲基化率為79%,Mark為83%。

但雙胞胎基因組的甲基化改變部位有所不同。例如,科學家發現,在Scott登陸太空期間,其基因附近的甲基化改變涉及到免疫系統反應,但Mark并沒有。

此外,Scott眼球的形狀在太空飛行過程中發生了變化,包括視神經變厚、眼球周圍的脈絡膜折疊。

但令人興奮的是,Mark和Scott的表觀基因組未出現大量被破壞的情況。

“10位科學家在論文中各自都得出了具體成果,而在我看來,作為一個擁有多年管理和支持太空生命科學研究經驗的人,有趣的是,幾乎所有的結果都反映了幫助正常、健康的生理過程適應太空飛行獨特環境的遺傳因素。因此,這些結果為解釋太空飛行如何影響人體提供了一個新的工具。”Charles說。

回到地球

Kundrot表示,這篇論文是這項高度整合的研究的第一份報告,“我們期待著發表更多的分析和后續研究,因為我們將繼續提高在太空生活和工作的能力,并探索月球和火星”。

“這無疑是對許多生物參數進行監測的最全面的長期研究,將有助于更全面地了解微重力和電離輻射對人類的影響。這項研究的美妙之處在于,地球上有一對同卵雙胞胎作為對照。”L?觟brich說。

但因為這項研究只涉及兩個人,所以這項發現不太可能廣泛適用于其他宇航員。“在我看來,這是最大的限制。由于對電離輻射(可能也對微重力)的反應有相當多的個體間異質性,因此對于其他人結果可能不同。”L?觟brich說。

NASA希望利用這些信息指導未來對宇航員健康的研究,包括計劃中的實驗,例如將3組10名宇航員分別送入太空,間隔1年、6個月和兩到三個月。

“NASA已經為未來可能進行的為期1年的國際空間站任務征集了更多的實驗,以便在統計上對其掌握的有關技術進行驗證。”Charles說。

現在,Kelly兄弟都已從NASA退休。Scott一直在寫作和談論他在太空中的生活,而Mark正在競選亞利桑那州參議員,明年將舉行選舉。

相關論文信息:DOI:10.1126/science.aau8650

《中國科學報》 (2019-04-16 第3版 綜合)
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