了解空间外观遗传学研究

高级植物实验03-2 (APEX-03-2)研究了拟南芥(或称thale cress)在微重力下的表观遗传变化。安娜-丽莎·保罗,佛罗里达大学

越来越多的研究体系与蜂窝水平以令人惊讶的行为和身体变化,有机体对其环境反应的方式。该机制是遗传,但它涉及向DNA添加额外信息而不是改变它。科学家称这种机制表观生物学,它在人类和其他生物在太空中经历的变化中起着作用。

现在在生物科学中进行了热门的研究领域,表观生物学正在为国际空间站上的许多特定生物产生研究。

根据A.美国国家环境健康科学研究所(National Institute of Environmental Health Sciences)的研究表明,表观遗传学包括任何在不改变实际DNA序列的情况下改变基因活动并导致遗传给后代的修改的过程。从本质上讲,它涉及到将信息添加到DNA的四个碱基或构建块的DNA序列中:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。

“DNA序列是任何生物的蓝图,因为你是谁以及你是谁,”NASA的Johnson Space Center中的微生物学家Sarah Wallace说。“表皮遗传学是指因被表达的基因的变化或打开或关闭而导致的生物体的变化,而不会改变该蓝图。将其视为不改变窗户在房子的墙壁上,但在那个窗口中添加窗帘窗口阴影。“

各种环境暗示可导致生物揭示其遗传蓝图的新方面。与遗传变化或突变不同,如果生物体离开导致它的环境,表观遗传变化会逆转。

任何身体能察觉到的外部刺激——从化学物质到创伤再到运动——都有可能引起表观遗传的变化。许多表观遗传变化是积极的,甚至是必要的,但有些会导致严重的不良健康和行为影响,包括癌症、心血管和自身免疫性疾病,以及认知功能的改变。

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在空间站上使用的MiniON DNA测序器表明,DNA测序在轨道航天器中是可行的,可以识别微生物、诊断疾病和了解机组人员的健康状况,并可能帮助探测太阳系其他地方以DNA为基础的生命。学分:美国国家航空航天局较大的图像

微重力环境下的表观遗传学研究涉及多种生物。“我们从多年的分析中发现,太空飞行环境改变了基因表达,”华莱士说。“在我们送往太空的每一种生物体和细胞类型中,我们都看到了变化。我们不知道的是如何或为什么,表观遗传学可以帮助我们知道。通过表观遗传学的研究,我们可能能够描绘出细胞在微重力环境下适应和生存的途径。当我们理解了它如何发生和为什么发生的机制,我们就可以整合整个过程,学会控制积极的变化或防止消极的变化。”

美国宇航局的人类研究计划的里程碑间孪生研究汇集了来自全国各地的10名研究队,在几年长期暴露于太空危险后观察人体的变化。该研究比较了广泛的样本和测量,在宇航员斯科特凯莉(现已退休)的使命的长度上收集到他仍然在地球上的相同双胞胎兄弟的那些,退休宇航员标记凯利。一个方面的研究人员比较是兄弟的表观遗传变化,发现斯科特经历了epigenetic的变化,但到了地球上没有大于马克的程度。此外,大多数斯科特的表观遗传变化发生在特派团的第二个六个月内,可能在较短的任务中未被观察到。

宇航员在扩展任务方面的经验研究骨质损失依赖于表观遗传学。使用人体血液衍生的干细胞(BDSC)作为模型中的微疱疹中骨细胞的研究人员评估了骨髓细胞中的骨细胞的形成。报道了空间中细胞的特异性表观遗传变化。意大利空间机构调查称为内胆碱系统在多能人干细胞中的角色在微匍匐条件下重编程的作用(Serism)。

APEX-03和APEX-04是研究植物在微重力下如何生长的。这些研究检测了从空间站上的种子长成的拟南芥植物的DNA甲基化和基因表达。这种植物是芥菜科的一员,通常作为开花植物的细胞和遗传研究的模型生物。

华盛顿州美国宇航局总部的NASA人力勘探和运营机构的空间寿命和物理科学研究和应用部门(SPRASRA)赞助了作为其开展研究的使命的一部分的APEX调查。

除了广泛改变基因表达模式之外,研究人员发现空间生长的植物中的表观遗传变化。

“这回答了佛罗里达大学研究员罗伯特J.Ferl说,答案是表观遗传学是否对植物的生理适应作用。”“植物正在使用表观遗传方法来修饰它们的基因组,以便在空间中茁壮成长。在Apex-04中,我们扰乱了一种植物使那些表观遗传变化的能力,以了解这些植物在空间中更多的压力,答案是肯定的。那不仅告诉我们它发生了,而且还有很重要的是它发生在太空中。“

当植物经历不寻常的环境时,它们会改变基因表达模式。利用表观遗传过程来标记基因,为下一代面对同样的环境做准备。研究人员可以检测到的一种表观遗传过程是甲基化,即脱氧核糖核酸中甲基(CH3)的添加或去除,主要是在C碱基连续发生的地方。

“特定的甲基化模式表明,植物认为在空间中的植物认为是重要的基因,”Ferl说。“使用该信息,我们可以培育植物更好的空间,就像我们可以养殖地球上的高盐环境更好地培育植物。”

下一步,他补充说,是要研究这些标记是否会在几代人中持续存在。事实上,一个热门的研究领域是表观遗传学是否会遗传给后代,或者,如华莱士所说,母亲是否会遗传给她的后代。

“在即将到来的太空实验中,我们正在测试一代拟南芥在一代拟南芥中诱导的表观遗传变化是在下一代继承的,”佛罗里达大学研究员安娜 - 丽莎保罗,Ferl的共同调查员。“大问题是一种遗传的外延引脚是否赋予下一代空间种植植物的优势。这就是我们希望确定的。”

期望在太空中看到更多关于表观遗传学的研究。“这是那种乞求的工作,”Ferl说。“现在,我们有能力开始做更多这项工作,例如能够在太空中序列DNA。”

华莱士解释说,虽然暴露在太空中的生物体的DNA水平一直存在变化,但我们并不总是能够看到它们。大多数传统的DNA测序仪在没有对样本进行事先处理的情况下无法提供这样的信息,但空间站上一种名为“小黄人”(MinION)的工具可以提供这样的信息。例如,我们可以在船上培养生物体,观察甲基化模式的变化,而不需要固定或冻结样本,这些过程本身就可以改变事情。我们可以得到实时快照,帮助我们定义正在发生的这些变化,以及它们可能如何传递下去。”

最终,表观遗传学可以帮助科学家们在需要窗帘的窗户上安装窗帘,并让窗帘远离那些不需要的窗户。

天体学,基因组学

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