上太空会改变基因？NASA宇航员双胞胎对比实验数据公布

自1961年以来，已有数百人经历了太空飞行，通过飞行前后的数据比对分析，人们对太空环境因素，如失重、辐射暴露等对人体生理功能产生的影响有了一定的了解，例如会造成骨质、肌肉流失等，需要锻炼来对抗。不过，大部分的飞行任务都是在6个月以内，而未来探索火星的任务时长可能达3年，因此我们有必要了解长时间的太空飞行，处于长时间的辐射暴露、限制饮食、减少体力工作、昼夜节律扰乱和失重的情况下，人类的免疫系统、代谢功能尤其是基因组会产生怎样的变化。

我们正好有这样一个机会。

Scott Kelly和Mark Kelly是同卵双胞胎，兄弟俩人无论外貌还是身形都十分接近，并且他们都是美国宇航局（NASA）的宇航员。2015年Scott前往太空时，他的双胞胎兄弟Mark留在了地球上，Mark将作为对照目标——一个几乎相同的基因拷贝，NASA可以用它来弄清太空环境会如何改变Scott的身体。在太空驻留340天后，2016年3月Scott重返地球。从那时开始，研究人员开始不断收集他的各种样本并与Mark的数据进行比较。

近日，NASA在《Science》杂志上公布了其“双胞胎研究”（NASA Twins Study）的具体研究结果，报告指出，Scott在执行太空任务期间，出现了颈动脉和视网膜增厚、体重减轻、肠道微生物变化、认知能力降低、DNA损伤、基因表达出现变化，染色体末端的端粒拉长等，不过回到地球之后很多功能又恢复了原始状态。

来自于12所大学的共84名科学家组成10个研究小组对Scott和Mark的身体数据进行了研究，包括粪便、尿液和全血在内的样本(n = 317)，研究人员将它们分离为外周血单核细胞(PBMCs)、免疫细胞和血浆，并进行了表观基因组、代谢组、转录组、蛋白质组、分子和微生物组的变化分析。

太空生活一年后，Scott出现的具体变化在于：

1、端粒变长

端粒是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，对维持基因组的完整性至关重要，它能保护染色体末端免于融合和退化，并与细胞凋亡、细胞转化和永生化密切相关。端粒长度随着细胞分裂和年龄的增长而缩短，同时也受到各种生活因素的影响，如压力、环境暴露、空气污染和辐射等。

研究人员评估了飞行前、飞行中和飞行后的平均端粒长度，两人在飞行前端粒长度相似，但在飞行期间，Scott的端粒长度显著增加(14.5%)，不过在他返回地球后，端粒长度在48小时内迅速缩短，并在几个月内稳定到接近飞行前的平均水平，现在他的端粒比飞行前更短。

Scott染色体中出现了倒置和易位等变异

“我们感到很惊讶，”科罗拉多州立大学的端粒专家Susan Bailey说，她无法解释这一现象，虽然这并不意味着Scott变得更年轻了，而经常锻炼和健康饮食也可能是其中一部分原因，Bailey表示，也有可能是太空唤醒了他体内某部分沉睡的细胞。

2、DNA甲基化变化

DNA甲基化（DNA methylation）为DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA序列的前提下，改变遗传表现。大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。

研究人员在四个时间点——一次飞行前、两次飞行中(早、晚)和一次飞行后，测量了从两人血液中分离的CD4和CD8淋巴细胞的全基因组DNA甲基化水平。在前往太空前，两人的DNA甲基化都很正常，且十分相似。但当Scott进入太空后，他的DNA甲基化平均水平就开始下降，Mark的则在上升，其中最大的差异发生在宇航任务进行到第9个月时，当时Scott的DNA甲基化率为79%，而Mark的为83%，并且二人DNA甲基化的位置也有所不同，Scott的变化发生在与免疫反应有关的基因附近，并且有关炎症反应的生化标记物也相应升高了。不过在太空任务结束后，DNA甲基化水平又回到了常态。霍普金斯大学遗传学家Andy Feinberg表示，他尚不清楚DNA甲基化变化的影响，摄入的营养、暴露于辐射或中毒等因素，都可能影响DNA甲基化。

3、免疫反应与炎症状态提高

为了进一步研究T细胞和免疫功能在太空飞行中的变化，研究人员评估了细胞因子数据的炎症信号。虽然两人基线检测的细胞因子无显著性差异，但在Scott飞行前、飞行中和飞行后检测的62种细胞因子中，有50种细胞因子存在差异。

研究人员观察到三个明显的炎症特征：部分细胞因子水平在回归后的几天内升高，并在返回后的6个月内继续升高；部分细胞因子在飞行前处于相对较高的水平，飞行中继续保持高水平，返回后下降，其中几种细胞因子参与炎症、细胞生长和细胞增殖，以及肿瘤的增殖和血管化；部分细胞因子在飞行返回后立刻出现高达8倍的变化。同时，研究人员在Scott飞行中和飞行后检测到花生四烯酸（促炎）水平升高，二十碳五烯酸（抗炎）水平降低，提示炎症状态升高。

4、微生物的分类和功能的变化

Scott的肠道微生物群发生改变，研究期间Scott的粪便微生物组的丰富度始终低于Mark，其肠道微生物组经历了两种主要细菌比例的转变：在太空中，肠道细菌的厚壁菌门数量增加而肠道细菌拟杆菌门减少，这两个门的比例相对于他基线检测时增加了大约五倍，不过在回到地球后菌群比例恢复正常，并且Scott的微生物组中细菌多样性在太空飞行期间没有改变。

研究人员表示，许多变量都可能影响Scott在太空中的肠道微生物组，包括微重力、辐射增加、昼夜节律变化、睡眠时间减少、空气循环不足、生活在封闭空间的压力和饮食改变等，尚不能确定。

芝加哥伊利诺伊大学测序核心主任、论文作者之一Stefan Green表示，Scott在太空飞行期间，肠道微生物组的整体变化小而短暂，且微生物多样性保持不变，“从我的角度来看，这是一个积极的发现，表明胃肠道微生物群具有显著的恢复力”，同时表明微生物的多样性和功能可以在更长的飞行中保持，不过这需要进一步的研究来证实。

其他的变化还包括：

心血管变化：在心血管结构和功能方面，研究人员观察到了与以往报道的类似的空间飞行特有的变化，包括心脏输出量增加10%，相对于地球上直立姿势的收缩压和平均动脉压适度的下降，以及在整个飞行过程中持续发生的颈动脉出现扩张，颈动脉壁的最内两层出现增厚，这可能与潜在的心脑血管疾病相关。

眼部变化：像大约40％的宇航员一样，Scott经历了“太空飞行相关神经眼综合征”的症状，包括视神经变厚、眼球周围的脉络膜折叠等，这些现象可能是由于没有重力的流体移位造成的。

认知变化：执行太空任务期间，除了情绪识别任务和数字符号替换任务速度下降以及抽象匹配准确性下降之外，Scott的认知能力基本保持不变，但在飞行结束后显著降低，并且这种下降在飞行后6个月内在速度和准确性方面持续存在，这也许与重新适应地球重力有关。

“该研究是理解表观遗传学和人类航天活动对基因影响的重要一步。随着NASA不断前往月球和火星，这有助于了解个性化医疗及其在深空探索中保持宇航员健康的作用。”NASA首席健康医疗官J.D. Polk说道。

参考文献

《The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight》