يوفر منصة “جينيلاب ناسا” الوصول غير المقيد للبيانات اوميكس الثمينة من التجارب البيولوجية ارتياد الفضاء. يصف لنا كيف تجري تجربة ماوس المعتاد في الفضاء، وكيف يمكن الوصول إلى البيانات من هذه التجارب وتحليلها.
ويتطلب إجراء التجارب البيولوجية في الفضاء أماكن الإقامة الخاصة وإجراءات لضمان أن تجري هذه التحقيقات من الفعالية والكفاءة. وعلاوة على ذلك، ونظرا لندرة هذه التجارب من المحتم أن تعظيم آثارها. التقدم السريع لتكنولوجيات اوميكس يوفر فرصة لزيادة كبيرة في حجم البيانات المنتجة من العينات ارتياد الفضاء الثمينة. للاستفادة من هذا، وضعت وكالة ناسا منصة جينيلاب توفير وصول غير مقيد إلى ارتياد الفضاء اوميكس البيانات وتشجيع التحليل على نطاق واسع. القوارض (الجرذان والفئران) هي نموذج الكائنات الحية الشائعة المستخدمة من قبل العلماء للتحقيق في الآثار البيولوجية ذات الصلة بالفضاء. العلبة أن القوارض البيت أثناء رحلات الفضاء تسمى “القوارض الموائل” (سابقا وحدات الحاوية الحيوان)، وتختلف اختلافاً كبيرا عن أقفاص فيفاريوم القياسية في الأبعاد وتدفق الهواء، والوصول إلى المياه والغذاء. وبالإضافة إلى ذلك، نظراً للظروف البيئية والجوية في محطة الفضاء الدولية (ISS)، تتعرض الحيوانات لأعلى تركيز2 CO. ونحن أفادت مؤخرا أن الفئران في “موائل القوارض” تشهد تغييرات كبيرة في الترنسكربيتوم بهم بغض النظر عن ما إذا كانت الحيوانات على الأرض أو في الفضاء. وعلاوة على ذلك، كانت هذه التغييرات متسقة مع استجابة التاكسج، يحتمل أن تكون مدفوعة بتركيزات أعلى من2 CO. هنا ونحن تصف كيفية إجراء تجربة القوارض نموذجية في الفضاء، وكيف يمكن الوصول إلى البيانات اوميكس من هذه التجارب من خلال منصة جينيلاب، وكيفية التعرف على العوامل الرئيسية في هذه البيانات. باستخدام هذه العملية، يمكن أن تجعل أي فرد الاكتشافات الهامة التي يمكن أن تغير تصميم الأنشطة والبعثات الفضائية في المستقبل.
والهدف العام من هذه المخطوطة تقديم منهجية واضحة لكيفية استخدام منصة جينيلاب1 التابع لناسا وتجارب القوارض كيفية القيام به في الفضاء يتم ترجمتها إلى اوميكس البيانات للتحليل. قاعد البشر معرضون لمخاطر صحية عديدة من حقول الجاذبية المتغيرة والإشعاع الفضائي وعزله عن الأرض وأخرى معادية العوامل البيئية2،3،،من45، 6-وقد ساعدت التجارب البيولوجية التي يؤديها في الفضاء وعلى الأرض لتحديد وتقدير حجم هذه المخاطر7،،من89،،من1011، 12 , 13 , 14-في الفضاء، وقد أجريت هذه التجارب على محطة الفضاء الدولية (ISS) والمكوك الفضائي وغيرها من منصات مدارية. ويتطلب إجراء هذه التجارب المنهجية نظراً لمخاوف فريدة من نوعها لإجراء تجارب في الفضاء بما في ذلك الوقت طاقم محدود وبيئة الجاذبية الصغرى والأجهزة المتخصصة. مختلف منصات موجودة الآن لإجراء التجارب المتطورة في الفضاء باستخدام النبات والحيوان، ونماذج الميكروبية15.
وكانت نماذج القوارض أهمية خاصة لتعزيز فهمنا للكيفية التي تستجيب بها الثدييات، بما في ذلك البشر، للتحليق في الفضاء. وتشمل هذه تأثير رحلات الفضاء على العضلات هيكل16،،من1718 ووظائف المناعة19،،من2021. أقفاص فيفاريوم القياسية المستخدمة للقوارض الإسكان على وجه الأرض ليست مناسبة لرحلات الفضاء تجارب22،23. ولذلك، أكثر تم جوا عاماً الفئران والجرذان ويسكنون في أقفاص مختلفة بما في ذلك وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (اليابانية) “الموئل القفص”24، الحيوانات تحمل الكبسولات الفضائية المستخدمة في بيون-M1 غير المأهولة الأقمار الصناعية الروسية25 ،،من2627، نظام درج الفئران (MDS) الذي صممه29،،من2830وكالة الفضاء الإيطالية وناسا الحيوان العلبة الوحدة النمطية (AEM)، والآن ناسا القوارض الناقل والموائل23. تجارب القوارض بدأت لأول مرة على متن مكوك الفضاء استخدام الأقفاص المشار إليها كوحدة نمطية الضميمة الحيوان (AEM). واستخدمت هذه الأجهزة في تجارب القوارض 27 في مكوك الفضاء23. وزراء اقتصاد الآسيان وضعت أصلاً لتجارب قصيرة نسبيا على متن المكوك (< 20 يوما). منذ تطوير المحطة الفضائية الدولية، ذلك تم تعديل لأطول مدة التجارب ويشار إليها الآن بوصفها "موائل القوارض"22،23. موائل القوارض جديدة مصممة لدعم البعثات مدة طويلة في المحطة الفضائية الدولية استخدام التعجيل “تجهيز تجارب” لواجهة الرف “المحطة الفضائية” (إكسبريس). موائل القوارض تختلف اختلافاً كبيرا عن أقفاص فيفاريوم القياسية في الأبعاد وتدفق الهواء، وتصفية ونظام العادم، والوصول إلى الغذاء والماء (الشكل 1). ومع ذلك، أثبتت هذه الأجهزة لتكون منصة فعالة لبحث، تمكن أفكاراً رئيسية في التغيرات المستحثة بالتحليق في الفضاء لفسيولوجيا الثدييات19،،من3132،33 ،34،،من3536.
الآن يمكن أن تتولد كميات كبيرة من البيانات اوميكس من التجارب البيولوجية رحلات الفضاء بما في ذلك تلك التي يؤديها مع القوارض. في الآونة الأخيرة، بذلت البيانات من هذه التجارب اوميكس متاحة للجمهور من خلال منصة “جينيلاب ناسا”1 الذي مستودع بيانات شاملة ومنصة التحليل الذي يسمح لأي شخص وضع فرضيات من التجارب ارتياد الفضاء. جينيلاب يوفر أدوات لاكتشاف والوصول، وتقاسم وتحليل البيانات. ونحن تستخدم مجموعات البيانات جينيلاب لإظهار أن تؤدي الاختلافات بين أقفاص فيفاريوم القياسية و “الموائل القوارض” المتخصصة المستخدمة في مساحة الاختلافات الهائلة في الترنسكربيتوم من الفئران36. قمنا بتحليل أربع مجموعات البيانات المختلفة المتاحة للجمهور، مقارنة أنسجة مختلفة من القوارض في “الموائل القوارض” أو أقفاص فيفاريوم القياسية. باستخدام تحليل بيولوجيا أنظمة غير منحازة، عقدنا العزم على أن برامج التشغيل الرئيسية والممرات التي تم تغييرها تتسق مع استجابة التاكسج نظراً لارتفاع مستويات2 أول أكسيد الكربون الناجم عن أعلى تركيزات2 CO في المحطة الفضائية الدولية، الأمر الذي يؤدي إلى ارتفاع أول أكسيد الكربون 2 تركيزات في “الموئل القوارض” نظراً لأن هم النظم السلبية التي تتخذ في الهواء المحيط. وهذا يوضح كيفية استخدام العلماء أدوات مفتوحة المصدر والبيانات لتوليد نتائج رواية مع الآثار المترتبة على كيفية تأثير البيئة في المحطة الفضائية الدولية الصحية رائد الفضاء.
هنا ونحن تصف كيفية مكافحة القوارض والتجارب تجري في الفضاء وكيفية البيانات من هذه التجارب يمكن الوصول إليها عن طريق مفتوح مصدر، منصة omic المتعلقة ببيولوجيا الفضاء. ونحن نناقش تكوين “موائل القوارض” المستخدمة للبعثات الفضائية، وكيف تتم معالجة الأنسجة ارتياد الفضاء. كما يصف لنا كيف حددت رحلات الفضاء يمكن أن تكون اوميكس يمكن اكتشاف البيانات والوصول إليها في جينيلاب وكيف الرئيسية العوامل المحركة للاستجابة الشاملة لرحلات الفضاء36. مثال محدد سوف نقدم على الكيفية التي يتم بها تنفيذ هذا البروتوكول سوف تكون مقارنة الاختلافات البيولوجية التي تحدث في القوارض يسكنون في “الموئل القوارض” وعناصر التحكم التي تم نشرها بهشتي فيفاريوم et al.36. من المهم أن نلاحظ أن عناصر الأرض ضرورية لرحلات الفضاء تجارب القوارض. كما هو موضح في هذا البروتوكول، عناصر التحكم هذه يتم مع كل شروط متطابقة (أي CO2 شروط، والرطوبة، ودرجة الحرارة، وأبعاد القفص، إلخ) في “موائل القوارض” في المحطة الفضائية الدولية وفي أقفاص فيفاريوم القياسية التي تحتوي المعيار البيئية (أي، CO2 الشروط، والرطوبة، ودرجة الحرارة) الظروف على الأرض. القوارض في عناصر التحكم الأرضي “الموئل القوارض” تسمح بالمقارنة المباشرة للقوارض في الفضاء. بينما تسمح القوارض يسكنون في أقفاص فيفاريوم البيولوجية المقارنة بين الإسكان مختلفة (مثلاً، فيفاريوم في أقفاص مقابل الأجهزة القوارض). “الموئل القوارض” مختلفة من أقفاص فيفاريوم في ذلك فقد تدفق الهواء المستمر (0.1 – 0.3 m/s)، مدة طويلة، وفلتر عادم ثانوي الذي يلتقط ويمتص النفايات الحيوانية التي تسترشد بتصفية العادم تدفق الهواء المستمر في ظروف الجاذبية الصغرية. وبالإضافة إلى ذلك، قد “الموائل القوارض” النظم السلبية والمدخول الهواء المحيط؛ ولذلك، لديهم أيضا تركيزات أعلى من2 CO نظراً لمستويات مرتفعة في طاقم المحطة الفضائية الدولية (~ 5,000 جزء في المليون).
منصة “جينيلاب ناسا” هو منصة قاعدة البيانات وتحليل اوميكس شاملة التي سوف تسمح للمجتمع العلمي لتوليد فرضيات الرواية المتعلقة ببيولوجيا الفضاء. وقدمنا هنا إجراء شامل لتجارب القوارض ابتداء من رحلات الفضاء لتوليد الفرضية رواية من تحليل البيانات استخدام منصة بيولوجيا الفضاء متاحة للجمهور. وباﻹضافة إلى ذلك، كما قدمنا بروتوكولا واسعة النطاق على تحليل بيولوجيا أنظمة غير متحيزة لتحديد الجينات الرئيسية قيادة النظام قيد الدراسة. أننا استخدمنا لنا الدراسة الأخيرة36 كمثال عن كيفية استخدام هذا البروتوكول هو فعال لتوليد فرضية رواية لبيولوجيا الفضاء. ونأمل أن يساعد هذا المحققون فهم أفضل لكيفية تنفيذ التجارب ارتياد الفضاء وكيف تؤدي البيانات منها على البيانات المتاحة في جينيلاب، وتسمح في نهاية المطاف لتفسير أكثر وضوحاً للبيانات اوميكس بيولوجيا الفضاء متاحة للجمهور.
وهناك العديد من الخطوات الحاسمة ضمن بروتوكول لدينا فيما يتعلق بالتجارب ارتياد الفضاء القوارض وتحليل للبيانات التي تنتجها. فهم “الموئل القوارض” إعداد أمر بالغ الأهمية لتطوير وتصميم التجربة المثلى لارتياد الفضاء. وسيستتبع على وجه التحديد البروتوكول والوصف وقد قدمنا في الخطوة 1 من البروتوكول لدينا. مجرد محقق تتفهم الظروف المختلفة الموجودة في “موائل القوارض” بالمقارنة مع أقفاص فيفاريوم، يمكن أن يرتبط النتائج البيولوجية التي يجري تفسيرها بشكل صحيح للظروف البيئية في الفضاء. في الإضافات، لا يمكن أن يتم إدخال تعديلات على “الموئل القوارض”، حيث صمم الموئل القوارض على النحو الأمثل ووافقت عليها وكالة ناسا للاستخدام لرحلات الفضاء.
لتفسير النتائج البيولوجية، وقد قدمنا بروتوكول شامل في كل خطوة المعنيين من تحميل البيانات الخاصة بك إلى جينيلاب لتحليل البيانات لتوليد الفرضية رواية بيولوجيا الفضاء. على الرغم من أن جميع الخطوات الهامة في فهم كيفية توليد البيانات، هي أهم الخطوات اللازمة لتحليل البيانات الخطوات 9 و 10. الخطوة 9 يوفر بروتوكول لتحليل البيانات ترانسكريبتوميك باستخدام أسلوب بيولوجيا أنظمة غير متحيزة لتحديد الجينات/المسارات التي تدفع حقاً حالة تجريبية يجري تحليلها. الخطوة 10 أمر بالغ الأهمية، كما أنه يوفر للمستخدمين مع طريقة سهلة لتحليل اوميكس جينيلاب مجموعات البيانات باستخدام منصة جينيلاب. يمكن أن يتم إدخال تعديلات على البروتوكول بتقديم بعض الخطوات فيما يتعلق بتحليل البيانات. على وجه التحديد، يمكن أن يتم الخطوات 9.4 – 9.6 استخدام البرمجة R أو غيرها من الأدوات المفضلة التي يفضل المستخدم. اعتماداً على مجموعة البيانات، يمكن استخدام إحصاءات مختلفة وتجليد-تغيير سقف لتحديد الجينات التنظيم إلى حد كبير. وبالإضافة إلى ذلك، لتحديد الجينات الرئيسية في خطوات 9.5 و 9.6، يمكن للمستخدم تعديل هذا البروتوكول واستخدام أي أداة تستخدم الجينات التنظيم إلى حد كبير على التنبؤ بالوظائف. مفهوم هام أن استخدام أدوات تنبؤية اوميكس وظيفية متعددة تسمح بتحديد الجينات المعنية بمعظم المهام التي يجري تنظيمها في النظام قيد الدراسة.
النظام الأساسي جينيلاب وتواصل تطوير، وفي حين أجريت التحاليل الموصوفة هنا بعد تحميل البيانات، سيسمح المرحلة التالية من جينيلاب لتحليل اوميكس البيانات مباشرة على منصة جينيلاب، والتي سوف تقدم سير عمل سهلة لتوليد تجهيز البيانات لتحليل مرتبة أعلى. وعلاوة على ذلك، في حين أننا ركزنا على بروتوكول لتفسير البيانات ترانسكريبتوميك، يحتوي جينيلاب على طائفة واسعة من البيانات اوميكس بما في ذلك البروتين، الجينوم، metabolomic، وبيانات ابيجينوميك. المنصة في نهاية المطاف سوف تحتوي على خطوط الأنابيب، والمبادئ التوجيهية لتحليل هذه الأنواع المختلفة من اوميكس. وستنفذ المرحلة الأخيرة من جينيلاب أيضا واجهة تصور مستوى نظام للسماح للمستخدم الأساسية لتوليد فرضيات بيولوجيا الفضاء بسهولة.
وأخيراً، يقدم تحليلنا بيولوجيا الأنظمة طريقة فريدة من نوعها وغير متحيزة لتحديد مفتاح القيادة الجينات/مسارات في أي نظام تجري دراستها باستخدام مجموعات البيانات اوميكس. وقد استخدمنا هذه المنهجية في عدة دراسات مستقلة مختلفة بنجاح كبير لتحديد برامج التشغيل الرئيسية المعنية36،45،46،47،48،49 ،50. في سرطان ذات الصلة بدراسة اوميكس، باستخدام هذه المنهجية تجريبيا علينا التحقق من أن الجينات لدينا الرئيسية المتوقعة/المسارات كانت القيادة فعلا استجابة معاملة المخدرات قبل انقطاع الجينات الرئيسية في المختبر45. لاحظنا، كما قد توقعنا من خلال هذا البروتوكول، وأن العلاج لم يكن فعالاً بعد الآن نظراً لعدم وجود الجينات الرئيسية. ونحن نعتقد أن هذا البروتوكول بيولوجيا الأنظمة غير متحيزة يمكن أن تكون أداة مفيدة لتحديد المسارات الرئيسية لأية دراسة اوميكس.
هذا البروتوكول يوفر طريقة سريعة وفعالة لتوليد فرضيات الرواية بيولوجيا الفضاء. يمكن أن تكون الاستدانة البيانات الناتجة من جينيلاب من المحققين لفرص التمويل في المستقبل والتحقق التجريبي، وأهدافاً محتملة لتطوير تدابير مضادة ضد الإشعاع الفضاء والجاذبية الصغرية. وسوف تسمح البروتوكول المقدمة هنا للتحقيقات بيولوجيا الفضاء المستقبلية تحدث مع الكفاءة المثلى للسماح للبعثات الفضائية الطويلة الأجل آمنة.
The authors have nothing to disclose.
أننا نود أن أشكر الفرنسية أليسون في “ناسا أميس علوم الحياة بيانات الأرشيف” لمساعدتها مع الحصول على شريط الفيديو ذات الصلة “الموائل القوارض” وقفص المساعدة الشاملة في الحصول على المعلومات ذات الصلة. كما نود أن نشكر سميثويك مارلا في مركز أبحاث ايمز التابع لناسا ليساعدها في الحصول على المعلومات الصحيحة. تم توفير التمويل للبحث بالمشروع جينيلاب في مركز أبحاث ايمز ناسا، من خلال “برنامج بيولوجيا الفضاء” التابع لناسا في شعبة الحياة الفضاء وأبحاث العلوم الفيزيائية والتطبيقات (سلبسرا). أي استخدام للأسماء التجارية لأغراض وصفية فقط ولا يعني تأييد “حكومة الولايات المتحدة”.
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 |