多组学时代下的航天员健康风险研究.pdf

WeChat:kexuemag19RONTIER前沿多组学时代下的航天员健康风险研究侯斐姜伟近年来，我国载人航天事业取得了突飞猛进的发展，然而，随着航天员在太空驻留时间的延长，迫切需要深入研究空间环境，如辐射、失重等对人体健康的影响。近2 0 年来，随着高通量测序技术的发展和普及，以多组学数据为代表的生物医学大数据极大地推动了生命科学的研究，与空间环境相关的分子组学数据的出现，使得航天医学研究进入了多组学时代，为系统解析空间环境影响人体健康的分子机制、风险评估及药物研发提供了重要的机遇和挑战中国载人航天CMSCHINAMANNEDSPACE中国行星探测1992年PEC中国载人2021年航天工程启动神舟十三、“921工程”2003年十四、十五号三名航天员载人飞船空间实验室空卖2021年天宫空间站神舟五号2005年6个月搭载中国首位航天员杨利伟2016年神舟十二号前往太空神舟六号2008年三名航天员21小时费俊龙、聂海胜2012年2013年天宫空间站神舟十一号首次进行3个月神舟七号两名航天员多人多天飞行搭载三名航天神舟十号天宫二号115小时神舟九号员进入太空，三名航天员33天三名航天员翟志刚首次完天宫一号首次载人空间成太空行走交会对接15天68小时天宫一号12天中国历次载人航天任务太空飞行时间2022年1 1 月30 日，神舟十五号飞船搭载的三名航天员顺利进驻中国空间站，与神舟十四号乘组在太空成功会师，这是中国航天员首次“太空会师”，也是中国航天的又一个历史性时刻。回顾中国载人航天的历史，从1 9 9 2 年中国载人航天工程（9 2 1 工程）正式实施以来，已成功发射了载人飞船、空间实验室，并建造了空间站。在此过程中，越来越多的航天员进入太空，在轨驻留时间也从最初的2 0 多个小时增加到现在的6 个月，而在未来的火星探测中，航天员将在太空中驻留超过3年的时间。随着航天员在太空飞行的时间越来越长，如何保障航天员的安全，减轻空间环境对航天员健康的危害已成为航天医学研究的重点之一。侯斐，博士研究生；姜伟，教授：南京航空航天大学，南京2 1 1 1 0 6。Hou Fei,Doctoral Candidate;Jiang Wei,Professor:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 21ll06.75卷3 期202023年5月SCIENCE科学太空飞行风险因素人类在进行太空飞行时，会面临诸多极端空间环境的挑战，航天员的健康和安全会受到严重威胁。美国国家航空航天局（NationalAeronauticsand SpaceAdministration，NA SA）将人类在太空飞行时面临的风险因素归为5类：辐射、隔离和限制、与地球的距离、重力和恶劣封闭的环境。隔离和限制与地球的距离辐射重力恶劣封闭的环境人类太空飞行时所面临的5类风险因素（图片引自NASA官网）辐射航天员在长期太空飞行中所受到的辐射主要来自被地球磁场捕获的粒子、太阳高能粒子和宇宙射线。长期的辐射会增加罹患癌症的风险、损害中枢神经系统、改变认知功能等。目前，可以通过辐射探测器和辐射屏蔽材料来进行辐射的检测和防护。同时，研究人员也在积极研发防御辐射的药物。隔离和限制航天员长期工作和生活在狭小的空间内，移动受到限制，平时只能与航天员同伴进行交流。而如果在国际空间站，还要面对来自不同国家、具有不同文化背景的航天员，这使得沟通交流更加困难，会承受难以想象的孤独。长期的隔离可能会导致睡眠障碍、疲倦、情绪低落等不良后果与地球的距离空间站轨道距离地球约40 0 干米，而火星距离地球最远超过4亿干米，通信延迟将达到2 0 分钟。在国际空间站，一旦出现紧急医疗事件，航天员可以在数小时内返回地球，货运飞船也会及时补给新鲜食物、医疗设备等。而一旦进行深空探索，遥远的距离可能会使航天员面临设备故障、医疗紧急情况等问题时处于孤立无援的境地。重力在太空微重力环境下，人体会面临骨质疏松、肌肉萎缩、心血管功能失调、视力损伤等问题。此外，重力场的改变对航天员也是一个巨大的挑战。目前，研究人员已经开发出了企鹅服、太空跑台、太空自行车、拉力器等设备帮助航天员对抗失重，防治骨质疏松和肌肉萎缩。同时，航天员还可以通过服用一些药物来防治骨丢失。恶劣封闭的环境航天器内封闭的生态系统不利于航天员的健康例如，噪声水平的升高会导致航天员的心血管受损、睡眠障碍和认知缺陷；二氧化碳浓度的增加会导致缺氧和高碳酸反应；有限的微生物则会导致环境微生物组的多样性减少，从而对人体免疫功能和新陈代谢产生不利影响。因此，在长期太空飞行中，必须对包括温度、空气质量、微生物、压力、照明和噪声等宜居性相关的环境因素进行监测，以确保航天员工作和生活的舒适和健康多组学时代的来临近二三十年是高通量测序技术快速发展的阶段，从1 9 9 0 年的人类基因组计划开始，到人类单体型图计划、DNA元件百科全书计划、癌症基因组图谱计划、干人基因组计划、表观基因组学路线图计划、人类蛋白质组计划等，以基因组、转录组、表观组、蛋白质组等为代表的多组学数据呈现爆炸式增长，极大地推动了生物医学各领域的研究。同时，如何从这些海量的数据中挖掘有用信息，也为研究人员带来了巨大的挑战。双胞胎实验在航天医学领域，越来越多的天基或地基多组学数据的获取，使得研究人员能够从多个分子层面深人解析太空环境对航天员健康影响的分子机制，开发能够缓解症状或治疗疾病的药物。其中,具有里程碑意义的一项研究是2 0 1 9 年的双胞胎实验 2 ,该研究旨在全面探究长时间的太空飞行对人体各健康层面的影响WeChat:kexuemag21RONTIER前沿美国航天员马克凯利（MarkKelly）和斯科特凯利（ScottKelly）是一对同卵双胞胎，作为双胞胎实验的测试对象，斯科特在国际空间站连续驻留了340 天，而他的双胞胎兄弟马克则在地球上作为对照测试者，这是NASA首次以携带相同遗传信息的对象作为地面对照从斯科特太空飞行前到飞行后，该实验的时间跨度超过了2 5个月，研究人员采集了双胞胎的血液、粪便、尿液等样本，检测了包括基因组、转录组、蛋白质组和代谢组在内的多组学数据以及航天员的认知和身体变化。共有1 0 个研究团队从生化、认知、端粒、免疫、转录组、表观组、代谢组、微生物组、蛋白质组和多组学整合等多个角度对这些数据进行了系统的分析。研究发现，在飞行期间，斯科特的体重下降了7%；认知表现，如精神警觉性、空间定向、情绪识别等没有太大变化，但当斯科特返回地球后，其认知的速度和准确性表现出了显著的下降，且持续了半年之久；端粒显著增长，但在返回地球的48 小时内迅速变短。此外，研究者首次在太空中给航天员注射疫苗，结果表明斯科特在太空中对疫苗的反应是正常的。在转录组层面，随着太空飞行时间的延长，双胞胎差异表达基因的数量也随之增多，但在斯科特返回地球后，大部分基因表达的改变恢复到了正常水平。在表观组层面，在太空飞行中，斯科特的DNA甲基化程度发生了改变，但变化幅度与地面上的马克相差不多，且在返回地球后，大部分的甲基化差异可恢复至飞行前的水平。然而，斯科特和马克的差异甲基化的区域是不同的，且其功能也有差异在代谢组层面，通过对双胞胎颈动脉的超声图像和来自血液、尿液的样本进行分析后发现，在斯科特飞行期间和飞行后4天，其颈动脉壁增厚，并伴有一些炎症相关的特征，而在马克身上并没有发现这些特征。在微生物层面，与飞行前相比，斯科特的肠道菌群结构和微生物的类别等在飞行期间发生了显著的改变。在蛋白质组层面，斯科特尿液中的LRG1蛋白质表达水平在飞行中下降，该蛋白质在视网膜血管病变中发挥重要作用；同时，另有两个可能与血管壁尺寸相关的蛋白质的表达水平升高。端粒组学蛋白质代谢物RNA人类细胞甲基端粒T染色体端粒染色质双胞胎实验涉及的组学数据类型（图片引自NASA官网）75卷3 期222023年5月科学SCIENCE在多组学整合层面，研究人员将代谢组学、蛋白质组学、细胞因子、认知和微生物组的数据进行整合，并对各种检测指标及特征进行聚类分析，揭示了一些和太空飞行相关的模式。太空飞行相关的多组学数据平台除双胞胎实验外，近年来，在越来越多的太空飞行相关研究中开展了多组学数据的检测,因此NASA专门构建了一个太空飞行组学数据库GeneLab3。GeneLab是世界上首个全面收录由太空飞行或模拟太空飞行实验产生的多组学数据平台。截至2022年底，GeneLab已包含39 9 套可供免费下载的多组学数据集。GeneLab中近一半的数据来自在真实的太空飞行环境（空间站、航天飞机等）下完成的实验，其他数据则是来自在地面模拟环境下（失重、辐射等）完成的实验。实验模型包括以人和小鼠为主的1 0 多种动植物以及细胞系。数据类型涵盖转录组（芯片、RNA-seq）蛋白质组、基因组、宏基因组、DNA甲基化组、RNA甲基化组、代谢组等。GeneLab收集的太空飞行多组学数据不仅有助于研究人员利用系统生物学方法进行数据整合和分子网络分析，还可最大限度地对这些宝贵的数据资源进行重复利用和深度挖掘，产生新的发现或提出新的假设，为人类太空探索提供精准的健康风险管理，生物信息学在空间生命科学中的应用生物信息学是将计算机与信息科学技术运用到生命科学研究中的一门新兴交叉学科。随着航天医学领域进人多组学时代，已经有越来越多的研究团队开始尝试利用信息学的方法对这些海量数据进行挖掘。研究者整合了GeneLab数据库中多个在太空飞行下细胞系和组织样本的转录组、蛋白质组、表观组、代谢组数据，基于差异表达分析、功能富集分析以及功能网络构建，揭示了线粒体功能失调是太空飞行影响人体健康的中心枢纽 4另有学者基于太空飞行相关的转录组数据，利用差异表达分析和上游调控子分析，识别了多个太空飞行相关的上游驱动基因，其中，最显著的驱动基因转化生长因子-1（T G F-1）可能作为一个潜在的药物干预靶点。此外，还预测了可以调控这些上游驱动基因的微小RNA集合，并通过实验证实使用拮抗剂抑制其中3个微小RNA（m iR-1 2 5、m iR-1 6 和miR-let-7a）的表达，可以显著减轻由于太空辐射造成的心血管损伤 5.6 。基于多组学数据，科研人员可以更加细致、全面地解析太空飞行影响人体健康的分子机理，识别健康风险驱动因素，筛选药物靶点和候选药物。我国科研人员也基于多组学数据，开展了多项探究航天员健康风险的研究，结果发现miR-214可以通过靶向ATF4蛋白质抑制成骨细胞的活性，造成骨丢失；同时，使用miRNA拮抗剂AMO抑制miR-214的表达后，可显著减轻失重引起的小鼠骨丢失【7 。此外，研究者还对长期处于隔离环境下的人体唾液、粪便、尿液的微生物组和代谢组数据进行了时间序列分析和相关性研究 8 。结果显示，粪便中抗炎症的微生物数量在隔离过程中表现出上升的趋势，而促炎症的微生物数量则表现出下降的趋势。这些研究结果对于我们理解长期太空飞行中可能出现的健康风险具有重要意义。尽管已有不少研究探索了miRNA调控在骨丢失中的重要作用,但很少有研究者将miRNA和基因的调控网络结合起来分析骨丢失的分子机制。笔者团队基于模拟失重下的mRNA和miRNA转录组数据，识别了失重状态下表达失调的前馈环路。通过对失调的前馈环路中的基因和miRNA进行功能注释，构建了由失重引起的，与人体五大系统（免疫、心血管、内分泌、神经和骨骼）失调相关的子网。骨骼系统子网中的基因和miRNA会通过减少成骨细胞、增加破骨细胞的方式导致机体骨丢失，而中药大黄素和人参皂武Rh2则可能通过抑制miR-221-3p和miR-125b-5p的表达来缓解骨丢失。此外,笔者团队还基于基因表达数据，系统探索了失重与2 2 种癌症的关系,结果显示5种癌症（头颈部鳞状细胞癌、肺腺癌、胆管癌、结肠腺癌、直肠腺癌）的基因差异表达模式与失重时一致，这说明失重可能促进这些癌症的发展。以直肠腺癌为例，失重可能通过减少抗原呈递，并抑制能够分泌IgA抗体的细胞迁移到小肠固有层来促进肿瘤的形成 9 。WeChat:kexuemag23RONTIER前沿此外，笔者团队还基于“火星-50 0”试验中6 位志愿者在隔离前、中、后6 个时间点的DNA甲基化谱，识别出时间序列中差异甲基化的位点，并通过对这些差异甲基化位点的聚类分析，发现了在长期太空隔离过程中的6 种DNA甲基化动态模式。进一步对具有不同DNA甲基化模式的基因进行功能富集分析和疾病关联分析，结果显示，这些DNA甲基化模式具有很强的功能特异性,并且一些模式与神经系统疾病、消化系统疾病和癌症显著相关 1 0 。因此，DNA甲基化动态模式的揭示，可能为航天员的健康保护提供一定的参考价值。目前，生物信息学在空间生命科学中的应用还处于起步阶段，数据分析方法相对比较单一和简单，相信随着该领域关注度的提高以及越来越多生物信息学家的加人，一定能够从这些宝贵的数据中获得重大发现，保障航天员长期安全、高效地在轨工作和生活。展望当前，我国载人航天已全面迈人空间站时代，但探索太空的步伐不会止步于近地轨道。我国已启动了“中国行星探测”工程，“天问一号”火星探测器的成功发射已为中国载人航天迈人深空探索提供了坚实的基础。相比于近地轨道，深空探索将面临高延迟通信、补给困难、不能快速撤离或得到及时救援、更多地暴露于宇宙辐射等诸多问题。尽管目前已经有很多太空飞行相关的健康风险管理和保障的研究，并且在监测仪器、训练设备、缓解药物等方面取得了一定的成功，但是由于航天员身体素质、生理指标、生活方式、遗传物质等方面的个体差异，导致其对太空环境的适应程度、风险大小等也不尽相同。因此，在未来的深空探索中，开发设计实时的、个性化的、自动化的集健康监测、风险预测、临床决策于一体的精准太空健康系统，对于保障航天员的健康和航天任务的成功是十分必要的。受限于太空飞行苛刻的实验条件以及高昂的实验费用，目前太空环境相关的组学数据还相对较少，航天医学的多组学研究才刚刚起步。随着越来越多的地面模拟实验的推进，以及对于航天医学领域投入力度的加大，将产生多层次、多阶段、多模态的太空生物医学大数据，如航天器环境监测指标：物理（湿度、温度等）、化学（二氧化碳、氧气等）生物（微生物群落、特定物种等），基于可穿戴设备、护理点诊断设备、认知测试等生成的生理指标：血压、超声波、呼吸、行为、认知等，基于各种拭子、血液、唾液取样等获得的基因组、表观组、蛋白质组、代谢组等。此外，以机器学习、深度学习为代表的人工智能技术将实现对太空生物医学多模态数据的整合和分析，在航天员健康监测、健康状态评估、生物标志物识别、风险预测、临床决策及药物研发等方面发挥重要作用，为构建“精准太空健康系统”提供重要的技术支持。1 Afshinnekoo E,Scott R T.Fundamental biological features ofspaceflight:Advancing the field to enable deep-space exploration.Cell,2020,183:1162-1184.2 Garrett-Bakelman F E,Darshi M.The NASA twins study:Amultidimensional analysis of a year-long human spaceflight.Science,2019,364:eaau8650.3 Berrios D C,Galazka J.NASA GeneLab:interfaces for theexploration of space omics data.Nucleic Acids Research,2021,49:D1515-D1522.4 da Silveira W A,Fazelinia H.Comprehensive multi-omicsanalysis reveals mitochondrial stress as a central biological hub forspaceflight impact.Cell,2020,183:1185-1201.5 Beheshti A,Ray S.A microRNA signature and TGF-1 responsewere identified as the key master regulators for spaceflight response.PloS One,2018,13:e0199621.6 Malkani S,Chin C R.Circulating miRNA spaceflight signaturereveals targets for countermeasure development.Cell Reports,2020,33:108448.7 Wang X,Guo B.miR-214 targets ATF4 to inhibit bone formation.Nature Medicine,2013,19:93-100.8 Feng Q,Lan X.Time series analysis of microbiome andmetabolome at multiple body sites in steady long-term isolationconfinement.Gut,2021,70:1409-1412.9 Yuan M,Liu H.Integrative analysis of regulatory module revealsassociations of microgravity with dysfunctions of multi-bodysystems and tumorigenesis.International Journal of MolecularSciences,2020,21:7585.10 Hou F,Zhou X.DNA methylation dynamics associated withlong-term isolation of simulated space travel.iScience,2022,25:104493.关键词：多组学数据航天医学航天员生物信息学高通量测序