NASA GeneLab 플랫폼 생물 spaceflight 실험에서 소중한 omics 데이터를 자유롭게 액세스를 제공합니다. 어떻게 일반적인 마우스 실험 공간에서 실시 하 고 같은 실험에서 데이터를 액세스 하 고 분석할 수 있습니다 어떻게 설명 합니다.
생물 실험을 수행 하는 공간에서 특별 한 숙박 시설 및 효과적이 고 효율적으로 이러한 조사 수행 되도록 절차 필요 합니다. 또한,이 실험의 infrequency 주어진 그들의 영향 최대화 수 필수적입니다. Omics 기술의 급속 한 발전은 소중한 spaceflight 표본에서 생산 하는 데이터의 양을 극적으로 증가 하는 기회를 제공 합니다. 이것에 대 한 투자, 미 항공 우주국 spaceflight omics 데이터에 대 한 무제한 액세스를 제공 하 고 광범위 한 분석을 장려 GeneLab 플랫폼을 개발 했습니다. 설치류 (쥐, 쥐)는 과학자 들에 의해 공간 관련 생물 학적 영향을 조사 하는 데 사용 하는 일반적인 모형 유기 체. 인클로저 spaceflight 동안 집 설치류 쥐 서식 지 (이전 동물 인클로저 모듈), 라고 하며 물과 음식에 그들의 크기, 공기 흐름 및 액세스 표준 물고기 연습장에서 실질적으로 다른. 또한, 환경 및 대기 조건 국제 우주 정거장 (ISS)에, 때문에 동물 높은 CO2 농도에 노출 됩니다. 우리는 최근 쥐 쥐 서식 지에 땅에 동물 들이 있는지 여부에 관계 없이 그들의 transcriptome 또는 공간에 큰 변화를 경험 했다. 또한, 이러한 변경 내용을 잠재적으로 더 높은 CO2 농도 의해 구동 hypoxic 응답 일치 했다. 여기 우리는 일반적인 설치류 실험 공간에서 수행 되는 방법을, 어떻게 이러한 실험에서 omics 데이터 GeneLab 플랫폼을 통해 액세스할 수 있습니다 및이 데이터에서 중요 한 요소를 식별 하는 방법을 설명 합니다. 이 프로세스를 사용 하 여, 모든 개인 미래 우주 임무 및 활동의 디자인을 바꿀 수 있는 중요 한 발견을 만들 수 있습니다.
이 원고의 전반적인 목표는 NASA의 GeneLab 플랫폼1 공간에서 어떻게 설치류 실험을 사용 하는 방법의 명확한 방법론 omics 데이터 분석에 대 한 변환 됩니다 제공. 있어요 인간 바꾸 인된 중력 분야, 우주 방사선, 지구에서 격리 및 다른 적대적인 환경 요인2,3,,45, 에서 수많은 건강 위험에 노출 되는 6. 생물학 실험 수행 공간 및 지상에 정의 하 고 이러한 위험7,,89,10,11, 를 계량 도움이 12 , 13 , 14. 공간에서 이러한 실험 국제 우주 정거장 (ISS), 우주 왕복선 및 다른 궤도 플랫폼에 실시 되었습니다. 이러한 실험 전문된 하드웨어 및 공간 제한 대원 시간 등 microgravity 환경에서에서 실험을 수행의 독특한 관심사를 주어 방법론 필요 합니다. 다양 한 플랫폼, 동물, 식물과 미생물 모델15를 사용 하 여 공간에 정교한 실험을 수행 하기 위한 지금 존재 한다.
설치류 모델 특히 포유동물, 인간을 포함 한 우주선에 응답 하는 방법에 대 한 우리의 이해를 전진 하는 것이 중요 했습니다. 근육 구조16,,1718 과 면역 기능19,,2021에 spaceflight의 영향 포함 됩니다. 지구에 주택 설치류에 사용 되는 표준 물고기 연습장 spaceflight 실험22,23적합 하지 않습니다. 따라서, 오버 년 쥐 및 쥐 비행 되었고 일본 항공 우주 탐험 기관 (JAXA) 서식 지 케이지24, 이온-m 1에 사용 하는 공간 캡슐을 운반 하는 동물을 포함 하 여 다양 한 감 금 소에 무인 러시아 위성25 ,,2627, 쥐 서랍 시스템 (MDS) 이탈리아 우주 기관28,,2930, NASA 동물 인클로저 모듈 (AEM), 그리고 이제는 NASA에 의해 설계 된 설치류 전송 및 서식 지23. 설치류 실험 동물 인클로저 모듈 (AEM)로 언급 하는 감 금 소를 사용 하 여 우주 왕복선에서 처음 시작 했다. 이 하드웨어는 우주 왕복선2327 설치류 실험에 사용 되었다. AEM 원래 개발 되었다 상대적으로 짧은 실험 보드에 대 한 셔틀 (< 20 일). ISS의 개발 이후는 AEMs 더 긴 기간 실험에 대 한 수정 된 하 고 지금 쥐 서식 지22,23라고. 새로운 쥐 서식 지는 우주 정거장 (익스프레스) 랙 인터페이스에 대 한 긴급 처리의 실험을 사용 하 여 ISS에 긴 내구 임무를 지원 하기 위해 설계 되었습니다. 설치류 서식 지는 음식과 물 (그림 1) 표준 물고기 감 금 소 그들의 크기, 공기 흐름, 필터 및 배기 시스템, 액세스에서에서 실질적으로 다르다. 그럼에도 불구 하 고,이 하드웨어 입증 포유류 생리학19,,3132,33 우주선 유도 된 변화에 중요 한 통찰력을 사용 하는 효과적인 연구 플랫폼 ,,3435,36.
대용량의 omics 데이터 이제 설치류와 수행을 포함 한 생물 학적 spaceflight 실험에서 생성할 수 있습니다. 최근, 이러한 omics 실험에서 데이터 되었습니다 NASA GeneLab 플랫폼1 는 포괄적인 데이터 저장소 및 분석 플랫폼을 우주선 실험에서 가설을 개발 하는 사람을 허용을 통해 공개적으로 사용할 수 있습니다. GeneLab 검색, 액세스, 공유 및 데이터의 분석을 위한 도구를 제공합니다. 우리는 표준 물고기 장과 전문된 쥐 서식 지 공간에 사용 간의 차이 쥐36transcriptome에 엄청난 차이가 발생할 보여 GeneLab 데이터 집합을 활용. 우리가 비교 하는 다른 조직에서 설치류 쥐 서식 지 또는 표준 물고기 감 금 소에 4 개의 다른 공개적으로 사용 가능한 데이터 집합 분석. 우리 주요 드라이버와 변경 된 경로 높은 CO2 농도 더 높은 CO에 이르게 ISS에 기인한 높은 CO2 수준 때문에 hypoxic 응답 일치 했다 결정 편견된 시스템 생물학 분석을 사용 하 여, 2 농도 주어진 쥐 서식 지에서 그들은 주위 공기에 수동 시스템입니다. 이 어떻게 과학자 사용 하 여 오픈 소스 도구 및 데이터 생성 ISS의 환경 우주 비행사 건강에 미치는 영향에 대 한 암시가와 소설 결과 보여 줍니다.
여기 우리가 어떻게 설치류 실험 설명 어떻게 이러한 실험에서 데이터를 통해 액세스할 수는 오픈-소스, omic 플랫폼 공간 생물학에 관련 된 공간에서 수행 됩니다. 우리는 우주 임무 및 spaceflight 조직 처리 방법 사용 쥐 서식 지의 구성 논의. 우리는 또한 spaceflight omics 데이터를 발견 하 고 GeneLab 및 우주선에 전체 응답을 촉진 하는 주요 요인에 액세스할 수 있습니다 수36을 식별 하는 방법을 설명 합니다. 우리가에이 프로토콜을 구현 하는 방법을 제시 하는 구체적인 예를 설치류 쥐 서식 지와 물고기 컨트롤 Beheshti에 의해 출판에에서 발생 하는 생물학적 차이 비교 것입니다 외.36. 그라운드 컨트롤은 spaceflight 설치류 실험에 필수적인 중요 하다. 이 프로토콜에서 설명 된 대로 이러한 컨트롤 모두 동일한 조건 (즉, CO2 조건, 습도, 온도, 케이지 크기, 등)는 ISS에 쥐 서식 지 및 표준 물고기 감 금 소는 표준 완료 환경 (예:, CO2 조건, 온도 습도) 지구에 조건. 설치류 쥐 서식 지 지상 컨트롤에 공간에서 설치류를 직접 비교 하실 수 있습니다. 설치류 물고기 감 금 소에 있는 동안 다른 주택 (예를 들어, 물고기 감 금 소 설치류 하드웨어 대) 사이 생물학 비교 하실 수 있습니다. 쥐 서식 지는 다른 물고기에 지속적인 공기 흐름은 연습장 (0.1-0.3 m/s), 긴 기간, 그리고 보조 배기 필터를 캡처하고 microgravity에 지속적인 공기 흐름에 의해 배기 필터를 유도 동물 폐기물을 흡수. 또한, 설치류 서식 지는 수동 시스템 및 입구 주변 공기; 따라서, 그들은 또한 ISS 오두막 (~ 5000 ppm)에 높은 수준으로 인해 더 높은 CO2 농도 있다.
미 항공 우주국 GeneLab 플랫폼은 우주 생물학 관련 새로운 가설을 생성 하는 과학계 수 있도록 포괄적인 omics 데이터베이스 및 분석 플랫폼이입니다. 여기 우리는 공개적으로 사용 가능한 공간 생물학 플랫폼을 활용 하 여 데이터 분석에서 새로운 가설의 세대에 spaceflight의 시작 부분에서 설치류 실험에 대 한 포괄적인 절차를 제시. 또한, 우리는 또한 제공 된 광범위 한 프로토콜 편견된 시스템 생물학 분석에 공부 되 고 시스템을 운전 하는 핵심 유전자를 식별. 공간 생물학에 대 한 새로운 가설을 생성 하 우리의 최근 연구36 이 프로토콜 효과적으로 활용 되는 방법의 예제로 사용 했습니다. 우리는이 더 나은 이해와 spaceflight 실험 수행 하는 방법을 어떻게 그들 로부터 데이터 GeneLab에 사용할 수 있는 데이터를이 끌 고 궁극적으로 공개적으로 사용 가능한 공간 생물학 omics 데이터의 명확 하 게 해석에 대 한 조사를 통해 희망.
설치류 spaceflight 실험 및 생산 데이터의 분석에 관한 우리의 프로토콜 내에서 몇 가지 중요 한 단계가 있습니다. 쥐 서식 지 이해 설치 개발 하 고 우주에 대 한 최적의 실험 디자인 중요 하다. 이 구체적으로 프로토콜 및 우리는 우리의 프로토콜의 1 단계에서 제공 하는 설명 수반할 것 이다. 조사 물고기 감 금 소에 비해 쥐 서식 지에서 존재 하는 다른 조건에 완벽 하 게 이해 하 고, 일단 생물 학적 결과 해석 되 고 공간에서 환경 조건에 제대로 상관 될 수 있다. 추가에 쥐 서식 지 수정 할 수 없습니다, 때문에 쥐 서식 지 최적 설계 및 우주 비행의 사용을 위해 NASA에 의해 승인 되었습니다.
생물 학적 결과 해석 하는 GeneLab를 소설 공간 생물학 가설 생성 하는 데이터의 분석 데이터를 업로드 관련 된 모든 단계에서 철저 한 프로토콜 제공 우리. 모든 단계는 데이터를 생성 하는 방법을 이해에서 중요 하다, 비록 데이터 분석을 위한 가장 중요 한 단계는 단계 9 및 10. 9 단계는 진정으로 분석 되 고 실험 조건 주도하 고 있는 유전자/경로 결정 하는 편견된 시스템 생물학 메서드를 사용 하 여 transcriptomic 데이터를 분석 하는 프로토콜을 제공 합니다. 10 단계가 중요 omics GeneLab 플랫폼을 사용 하 여 GeneLab 데이터 집합을 분석 하는 쉬운 방법을 가진 사용자를 제공 합니다. 제공 하는 프로토콜에 대 한 수정 일부 단계에 행 해질 수 있다 데이터 분석에 관한. 특히, 단계 9.4-9.6 해질 수 있다 R 프로그래밍 또는 사용자가 선호 하는 다른 좋아하는 도구를 사용 하 여. 데이터 집합에 따라 다른 통계 및 배 변경 차단 크게 규제 하는 유전자를 결정 하기 위해 사용할 수 있습니다. 또한, 9.5 및 9.6 단계에서 핵심 유전자를 결정, 사용자 수 있습니다 수정이 프로토콜 하 고 크게 규제 유전자 예측 함수를 사용 하는 모든 도구를 사용 하 여. 중요 한 개념은 여러 예측 기능 omics 도구를 사용 하 여 허용 하는지 결정 유전자의 공부 되 고 시스템에서 통제 되 고 기능의 대다수와 관련 된.
GeneLab 플랫폼 개발, 하는 동안 계속 데이터 다운로드 후 여기에 설명 된 분석 수행, GeneLab의 다음 단계 하면 omics의 분석에 대 한 데이터를 생성 하는 간편한 워크플로우를 제공 합니다 GeneLab 플랫폼에서 직접 더 높은 순서 분석을 위해 데이터 처리. 또한, 우리 transcriptomic 데이터를 해석 하기 위한 프로토콜에 집중 했다, 반면 GeneLab omics 데이터 proteomic, 게놈을 포함 하 여, metabolomic, 및 epigenomic 데이터의 광범위 한 포함 되어 있습니다. 결국 플랫폼 파이프라인 및 omics의 이러한 종류의 분석에 대 한 지침을 포함 합니다. GeneLab의 마지막 단계 또한 쉽게 공간 생물학 가설 생성 하는 기본 사용자를 허용 하도록 시스템 수준의 시각화 인터페이스를 구현 합니다.
마지막으로, 우리의 시스템 생물학 분석 어떤 시스템에서 유전자/경로 운전 하는 키를 확인 하려면 독특하고 편견 메서드를 제공 합니다 omics 데이터 집합을 사용 하 여 공부 되 고. 우리가이 방법론에서에서 사용 큰 성공 함께 몇 가지 다른 독립적인 연구는 키 드라이버 관련된36,45,,4647,48,49 결정 ,50. 암 관련 omics 연구, 우리는 우리의 예측된 키 유전자/경로 실제로 운전 약물 치료 응답 체 외45핵심 유전자를 노크 하 여 유효성을 실험적으로이 방법론을 사용 하 여. 우리가, 우리는이 프로토콜을 통해 예측 했다 관찰, 치료 핵심 유전자의 부재로 인해 더 이상 효과적 이었습니다. 우리는이 편견된 시스템 생물학 프로토콜 모든 omics 연구에 대 한 주요 경로 결정 하는 유용한 도구가 될 수 믿습니다.
이 프로토콜의 소설 공간 생물학 가설 생성 신속 하 고 효율적인 방법을 제공 한다. GeneLab에서 생성 된 데이터 미래 자금 기회, 실험 검증과 microgravity 그리고 우주 방사선에 대 한 대책의 개발에 대 한 잠재적인 대상에 대 한 조사에 의해 활용 될 수 있습니다. 여기에 제공 된 프로토콜 것입니다 안전한 장기 우주 임무에 대 한 수 있도록 최적의 효율으로 발생할 미래의 공간 생물학 조사 허가.
The authors have nothing to disclose.
우리 쥐 서식 지에 관련 된 비디오를 얻는 그녀의 지원에 대 한 NASA Ames 생명 과학 데이터 보관에서 앨리슨 프랑스를 감사 하 고 싶습니다 하 고 전반적인 도움말 얻기 케이지 관련된 정보. 우리는 또한 모 렐 Smithwick NASA 에임스 연구 센터에서 적절 한 정보를 얻는 그녀의 도움에 대 한 감사 하 고 싶습니다. 연구 자금 GeneLab 프로젝트 공간 생명의 사단 및 물리 과학 연구와 응용 프로그램 (SLPSRA)에 NASA의 우주 생물학 프로그램을 통해 NASA 에임스 연구 센터에 의해 제공 했다. 상호의 사용 설명 목적 으로만 이며 미국 정부에 의해 승인을 의미 하지는 않습니다.
C57BL/6 Mice | The Jackson Laboratoy | C57BL/6J | C57BL/6 mice were used for datasets related to Rodent Research-1 experiments |
BALB/C Mice | Taconic | BALB | BALB/C mice were used for datasets related to Rodent Research-3 experiments |
Vivarium Cages | Charles River Laboratory | Standard murine cages purchased from Charles River Laboratory | |
Rodent Habitat | NASA | This cage and all components are built internally at NASA | |
RNAlater | ThermoFisher Scientific | AM7020 | RNAlater is used to store the tissue for further RNA isolation |