四十余篇Nature系列文章，共绘太空组学和医学图谱SOMA
太空飞行可引起宇航员的分子、细胞和生理变化，并对人体构成无数的生物医学挑战，随着太空科学的不断发展，这些挑战变得越来越重要。目前的航空航天医学领域尚处于起步阶段，远远落后于地球上精确医学的进展，这突出表明了迅速发展空间医学数据库、工具和协议的需要。
近期，Nature及其子刊以专刊形式发表了太空组学和医学图谱（SOMA）的系列研究成果，共计44篇文章。SOMA由来自超过25个国家地区的100多个机构合作构建，是航空航天医学和太空生物学有史以来最大的数据集，包括广泛的分子和生理图谱，包含基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组数据集，揭示了跨任务的一些一致特征，包括细胞因子转移、端粒延伸和基因表达变化，以及任务特异性分子反应和与同源、组织特异性小鼠数据集的链接。利用SOMA中的数据集、工具和资源可以帮助加速精确航空航天医学发展，为即将到来的月球、火星和探索级任务带来所需的健康监测、风险缓解和对策数据。总体来说，此次SOMA树立了几个里程碑：将源自太空的NGS数据量增加了10倍以上；源自太空的单细胞数量增加了4倍；推出了第一个太空医学生物库（CAMbank）；获得了第一个来自宇航员的直接RNA测序数据；处理生物样本数量（2911个）最多的一次太空任务，第一个来自宇航员的空间分辨转录组数据。SOMA展示了分子生物学和精准医学的现代工具如何帮助人类跨入更具挑战性的领域。以下为SOMA系列部分文章的内容简介。
一、SOMA概述
研究团队认为，有必要对宇航员进行更大、更详细的多基因组分析，以描述航天飞行对人体功能的生理变化影响的多样性。2021年，SpaceX公司Inspiration4（I4）任务成功发射，宇航员在任务之前、期间和之后都参与了一系列生物标本的收集。研究人员使用I4生物标本深入了分析航天压力（例如微重力和空间辐射）对宇航员生理和健康的影响，并将这些结果与之前的任务和控制数据集进行了比较，创建了迄今为止最大的太空飞行对人体影响的分子和生理图谱，包括近3000个样本和超过750亿个核酸的测序。
据发表在Nature的综述文章“The Space Omics and Medical Atlas (SOMA) and international astronaut biobank”介绍，SOMA收集了NASA Twins研究、JAXA CFE研究、SpaceX I4，以及Axiom和Polaris的数据。SOMA代表了可公开获得的人类太空组学数据10倍以上的增长，匹配的样本可从康奈尔航空航天医学生物银行获得。该文章提供了SOMA图谱的详细指南，其中包括I4任务期间收集的2911个样本11,12，以及空间转录组学数据，宇航员RNA长读长测序数据、微生物组数据、外泌体谱和深度免疫多样性图。同时，文章还提供了来自Inspiration4任务的生物样本收集方法，包括静脉血、毛细血管血、唾液、尿液、粪便、皮肤活检、身体拭子和环境拭子样本，为SOMA建立了标准。
二、转录组变化
研究团队对4名SpaceX I4宇航员在飞行前、返回当天和飞行后恢复7个时间点纵向取样的全血进行了长读长、直接RNA纳米孔测序和Ultima高覆盖RNA测序。文章报告了关键的遗传途径，包括红细胞调节、应激诱导和受航天影响的免疫变化的变化。研究提出了人类太空任务的第一个m6A甲基化谱，表明m6A水平在飞行后立即显著上升；直接RNA测序数据还详细描述了同种异构体的剪接事件，同时证实了宇航员的异常剪接总体上非常低。以上数据和结果代表了宇航员每个基因的第一个纵向长读长RNA图谱和RNA修饰图谱，提高了我们对人类转录组对太空飞行的动态反应的理解。
甲基化差异最大的基因通路
太空探索会导致分子变化，可能对宇航员的健康产生重大影响。这些变化包括基因组不稳定、线粒体功能障碍、炎症增加、稳态失调和各种表观基因组变化，它们与地球环境的衰老过程中观察到的变化有相似之处。虚弱综合征是一种与生物衰老相关的临床综合征，在航天飞行中尚未得到全面的研究。为弥补这一差距，利用从美国宇航局基因实验室获得的小鼠数据，以及从JAXA和I4任务中收集的宇航员数据，研究人员评估了在航天环境中与虚弱、衰老和肌肉减少症相关的生物标志物和通路。结果发现了基因表达模式的显著变化，表明太空任务中可能出现了类似虚弱的状况，与衰老过程有相似之处。因此，似乎有必要进一步调查虚弱指数在监测宇航员健康方面的效用。
三、表观遗传变化
为了更好地表征太空飞行如何诱导宇航员产生免疫反应，研究人员为SpaceX I4任务的宇航员生成了单细胞、多组学、cfRNA、生化和血液学数据。分析发现，航天飞行后，与炎症、衰老和肌肉稳态相关的18种细胞因子/趋化因子发生了变化。在单细胞多组学数据中发现了以氧化磷酸化、紫外线反应、免疫功能和TCF21通路富集为特征的基因表达的“太空特征”，并在独立数据集中证实了这种特征的存在，包括美国宇航局Twins研究、I4皮肤空间转录组和817美国宇航局GeneLab小鼠转录组。此外，还观察到T细胞表现出FOXP3的上调，MHC I类基因表现出长期抑制，以及感染相关的免疫通路与微生物组的变化有关。总之，这项研究揭示了正在发生的保守和独特的免疫破坏，并详细介绍了保护宇航员健康的潜在对策。
四、微生物变化
在太空飞行期间维持宇航员的健康需要监测甚至可能需要调节微生物群。研究人员进行了一项为期6个月的纵向研究，量化了4位宇航员在太空3天的高分辨率人类微生物组反应。利用配对宏基因组学和宏转录组学以及单核免疫细胞图谱，研究人员在太空飞行前、期间和之后的8个时间点，对750个样本和10个身体部位的时间依赖性、多部位微生物组变化进行了表征。结果显示，各个身体部位大多数微生物改变都是短暂的，例如飞行过程中病毒主要在皮肤部位增加。不过，口腔微生物组中观察到了长期变化，例如与免疫细胞基因表达相关的斑块相关细菌（例如梭杆菌）有所增加。此外，与噬菌体活性、毒素-抗毒素系统和应激反应相关的微生物基因在多个身体部位富集。总的来说，该研究揭示了宇航员在短期太空飞行中经历的微生物组和免疫反应变化以及相关的生活环境变化的深入特征，这有助于指导未来的太空任务、航天器设计和太空栖息地规划。
五、线粒体反应
液体活检使得微创多组学评估得以实现，内部组织的分子异质性解析也成为可能。该研究人员报告了JAXA航天任务样本的细胞游离表观基因组研究的初步结果，包括6名在国际空间站居住超过120天的宇航员的血浆样本。研究人员对太空飞行之前、期间和之后收集的血浆细胞游离RNA（cfRNA）进行了分析，证实了此前报道的太空线粒体失调。研究利用361细胞表面标记物抗体筛选鉴定出与清除剂受体CD36相关的线粒体DNA富集部分。CD36片段的RNA测序揭示了组织富集RNA种类，表明血浆线粒体成分来源于各种组织。将上述血浆cfRNA数据与先前JAXA任务中使用的小鼠血浆cfRNA数据进行比较，发现微重力与观察到的线粒体反应之间存在联系。
六、细胞状态变化
太空环境激活了一系列参与调节基本细胞通路的基因，例如与血液稳态和红细胞生成相关的基因，尤其是参与珠蛋白链产生的基因。研究人员利用一套独特的多组数据集，从美国宇航局Twins研究、JAXA CFE研究和I4任务中，检测了血红蛋白随时间和空间上的发育表达。结果揭示了与所收集样本的不同时空特征相对应的珠蛋白基因表达的显著变化。该研究揭示了珠蛋白基因在空间环境下调控的动态响应，并为空间组学研究的更广泛意义提供了宝贵的见解。
与珠蛋白基因开关机制和红细胞生成有关的基因差异表达综述。
研究团队为了减轻上述报道的生物变化并限制航天和空间环境对人体造成的损害，关键是要制定对策。对策可能涉及新药生产、重新利用FDA批准的药物或基因组/表观基因组修饰系统。资料显示，在任务期间和任务后从宇航员获得的所有原始和处理数据都可以在美国宇航局开放科学数据存储库中使用。此外，该系列研究还创建了四个新的数据门户，用于浏览该任务的结果，其中包括来自美国宇航局Twins研究的相关数据，从而增强人们对太空中人类健康的了解。
细胞空间图谱
I4研究的首席研究员Chris Mason表示：“这是有史以来公布的最大的宇航员和太空生物学数据宝库。我们希望共享数据将有助于加快太空飞行对健康影响的发现，并在人类整体健康方面产生根本性的发现。”
系列文章及关键实验室、研究团队信息：
https://www.nature.com/immersive/d42859-024-00009-8/index.html
参考资料：
https://www.genomeweb.com/gene-expression-rna-sequencing/spaceflight-biology-studies-help-launch-new-multiomics-database
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