美国宇航局基因实验室平台提供了不受限制地获取来自生物太空飞行实验的珍贵组学数据的途径。我们描述了典型的鼠标实验是如何在太空中进行的, 以及如何访问和分析这些实验的数据。
在空间进行生物实验需要特殊的便利和程序, 以确保有效和高效地进行这些调查。此外, 鉴于这些实验很少, 必须最大限度地扩大其影响。组学技术的迅速发展为大幅增加从宝贵的航天标本中产生的数据量提供了机会。为了利用这一点, 美国宇航局开发了 genelab 平台, 以便不受限制地获取航天组学数据, 并鼓励其广泛分析。老鼠 (包括老鼠和老鼠) 是科学家用来调查与空间有关的生物影响的常见模型生物。在太空飞行过程中, 饲养啮齿类动物的圈地被称为啮齿类动物栖息地 (前动物外壳模块), 在尺寸、气流以及获得水和食物方面与标准的 vivarium 笼子有很大的不同。此外, 由于国际空间站 (iss) 的环境和大气条件, 动物接触到较高的二氧化碳浓度.我们最近报告说, 啮齿类动物栖息地的老鼠在转录组中经历了巨大的变化, 无论动物是在地面上还是在太空中。此外, 这些变化与缺氧反应一致, 可能是由较高的二氧化碳浓度驱动的 。在这里, 我们描述了典型的啮齿类动物实验是如何在太空中进行的, 如何通过 genelab 平台访问这些实验中的组学数据, 以及如何识别这些数据中的关键因素。利用这一过程, 任何个人都可以作出关键的发现, 改变未来空间飞行任务和活动的设计。
本手稿的总体目标是提供一个清晰的方法, 说明如何使用 nasa 的 genelab 平台1 , 以及如何将在太空中进行的啮齿动物实验转化为组学数据进行分析。太空生物面临着许多来自改变的重力场、空间辐射、与地球的隔离以及其他敌对环境因素的健康风险 2、3、4、5、6.在空间和地面进行的生物实验有助于界定和量化这些风险7、8、9、10、11、12,13,14. 在空间, 这些实验是在国际空间站、航天飞机和其他轨道平台上进行的。鉴于在空间进行实验的独特关切, 包括乘员时间有限和微重力环境, 进行这些实验需要专门的硬件和方法。现在有各种平台可以利用植物、动物和微生物模型15 在太空进行复杂的实验。
啮齿类动物模型对于促进我们了解包括人类在内的哺乳动物对太空飞行的反应特别重要。其中包括航天对肌肉结构16、17、18 和免疫功能19、20、21 的影响。用于在地球上容纳啮齿类动物的标准维变种笼子不适合进行太空飞行实验22,23。因此, 多年来, 老鼠被空运并安置在各种笼子里, 包括日本宇宙航空研究开发机构 (日本宇宙航空研究开发机构) 生境笼子 24, 这些动物携带空间舱用于 biong-m1 俄罗斯无人卫星25 ,26,27, 老鼠抽屉系统 (mds) 设计的意大利航天局 28,29, 30, 美国宇航局动物外壳模块 (aem), 现在的美国宇航局啮老鼠运输车和栖息地23。啮齿类动物实验首先在航天飞机上开始, 使用的笼子被称为动物外壳模块 (aem)。该硬件用于23航天飞机上的27次啮齿类动物实验.aem 最初是为航天飞机上相对较短的实验而开发的 (< 20天)。自国际空间站发展以来, 对 am 进行了长时间的修改, 现在被称为啮7号动物生境 22、23.新的啮齿类动物栖息地旨在使用 “可扩展空间站 (express) 机架” 接口支持国际空间站的长期飞行任务。啮齿类动物栖息地在尺寸、气流、过滤器和排气系统以及获得食物和水方面与标准的活体保持架有很大的不同 (图 1)。然而, 这种硬件已被证明是一个有效的研究平台, 使关键的见解空间飞行引起的变化, 哺乳动物的生理 19,31,32, 33 ,34,35,36。
现在可以从生物航天实验中产生大量的组学数据, 包括与啮齿类动物进行的实验。最近, 这些组学实验的数据已通过 nasa genelab 平台1公开, 该平台是一个全面的数据存储库和分析平台, 任何人都可以从太空飞行实验中得出假设。genelab 提供了用于发现、访问、共享和分析数据的工具。我们利用基因实验室数据集显示, 标准的病毒网箱和太空中使用的专门啮齿类动物生境之间的差异导致小鼠转录组的巨大差异 36.我们分析了四种不同的公开数据集, 比较了位于啮齿类动物栖息地或标准病毒笼中的啮齿类动物的不同组织。通过无偏出的系统生物学分析, 我们确定, 由于 iss 中二氧化碳浓度较高导致二氧化碳浓度较高, 导致 co 含量升高, 导致低氧反应, 因此改变的主要驱动因素和途径与缺氧反应一致。2浓度在啮齿类动物栖息地, 因为他们是被动系统, 采取在周围的空气。这说明了科学家如何利用开源工具和数据生成新的发现, 并暗示国际空间站的环境如何影响航天员的健康。
在这里, 我们描述了如何在空间中进行啮齿动物实验, 以及如何通过与空间生物学相关的开源、组学平台访问这些实验中的数据。我们讨论了用于空间飞行任务的啮罗斯生境的配置, 以及如何处理航天组织。我们还描述了如何在 genelab 上发现和访问航天组学数据, 以及如何确定驱动对航天整体反应的关键因素 36.我们将介绍关于如何执行该议定书的具体例子, 将比较位于啮齿类动物栖息地的啮齿类动物的生物差异和 beheshti 等人发表的 vivarium 控制.需要注意的是, 地面控制对于航天啮齿类动物实验至关重要。如本协议所述, 这些控制是在国际空间站上的啮齿类动物栖息地和具有标准标准的标准 vivarium 笼子中, 在两个相同的条件下进行的 (即二氧化碳条件、湿度、温度、网箱尺寸等)。环境 (即二氧化碳条件、湿度和温度).位于啮齿动物栖息地控制装置中的啮齿类动物可以直接与太空中的啮齿类动物进行比较。而啮齿类动物被安置在 vivarium 笼子中, 可以对不同的外壳进行生物比较 (例如, vivarium 笼子与啮齿类动物硬件)。啮齿类动物栖息地不同于病毒保持架, 因为它具有恒定的气流 (0.1–0.3 m)、长时间和辅助排气过滤器, 该过滤器通过微重力下的连续气流捕获和吸收引导到排气过滤器的动物废物。此外, 啮齿类动物栖息地有被动系统和进气环境空气;因此, 由于国际空间站机舱内的浓度较高 (约为 5, 000 ppm), 它们的 co2 浓度也较高。
美国宇航局基因实验室平台是一个全面的组学数据库和分析平台, 将使科学界能够产生与空间生物学有关的新假设。本文提出了从航天开始到新假设产生的广泛的啮齿类动物实验程序, 从利用公开的空间生物学平台分析数据。此外, 我们还提供了一个广泛的协议, 关于无偏见的系统生物学分析, 以确定关键基因驱动的系统正在研究。我们利用我们最近的研究36作为一个例子, 说明如何有效地利用这一协议来产生一个新的空间生物学假设。我们希望这有助于调查人员更好地了解空间实验是如何进行的, 以及其中的数据如何导致基因实验室上的数据, 并最终能够更清楚地解释公开获得的空间生物学数据。
在我们的协议中, 有几个关键步骤涉及啮齿类动物航天实验和所产生数据的分析。了解啮齿类动物栖息地的设置对于开发和设计最佳的航天实验至关重要。这将特别包含我们在协议的步骤1中提供的协议和描述。一旦调查人员充分了解啮齿类动物生境与活体网箱之间存在的不同条件, 所解释的生物结果就可以与空间的环境条件适当相关。此外, 由于美国航天局对啮罗应生境进行了优化设计并批准了用于空间飞行的改良, 因此无法对啮罗应栖息地进行改造。
为了解释生物结果, 我们在从将数据上传到 genelab 到分析数据以生成新的空间生物学假设的每一步都提供了一个完整的协议。尽管所有步骤对于了解如何生成数据都很重要, 但数据分析最关键的步骤是步骤9和10。步骤9提供了一种协议, 用于使用无偏的系统生物学方法分析转录过程数据, 以确定真正驱动实验条件被分析的基因路径。步骤10至关重要, 因为它为用户提供了一种使用 genelab 平台分析组学基因实验室数据集的简单方法。对于有关分析数据的一些步骤, 可以对所提供的协议进行修改。具体来说, 步骤9.4-9.6 可以使用 r 编程或用户喜欢的任何其他喜爱的工具来完成。根据数据集的不同, 可以使用不同的统计数据和折叠更改截止时间来确定受显著调控的基因。此外, 为了确定步骤9.5 和9.6 中的关键基因, 用户可以修改此协议, 并使用任何利用显著调控基因的工具来预测功能。重要的概念是, 使用多重预测功能组学工具可以确定与所研究系统中调节的大多数功能有关的基因。
genelab 平台继续开发, 虽然此处描述的分析是在数据下载后执行的, 但 genelab 的下一阶段将允许直接在 genelab 平台上分析组学数据, 这将提供一个轻松的工作流程来生成用于高阶分析的处理数据。此外, 虽然我们专注于解释转录性数据的协议, 而基因实验室包含了各种各样的组学数据, 包括蛋白质组学、基因组、代谢组学和表观基因组数据。最终的平台将包含分析这些不同类型的组学的管道和指南。genelab 的最后一个阶段还将实现系统级可视化界面, 使基本用户能够轻松生成空间生物学假设。
最后, 我们的系统生物学分析提供了一种独特和公正的方法来确定使用组学数据集进行研究的任何系统的关键驱动途径。我们在几项不同的独立研究中使用了这一方法, 并取得了很大成功, 以确定涉及36、45、46、47、48、49的关键驱动因素 ,50。在一项与癌症相关的组学研究中, 我们用这种方法实验验证了我们预测的关键基因途径实际上是通过在体外敲掉关键基因45来推动药物治疗反应的。正如我们通过这一协议所预测的, 我们观察到, 由于缺乏关键基因, 这种治疗已经无效。我们相信, 这种无偏见的系统生物学协议可以成为一个有用的工具, 以确定任何组学研究的关键途径。
该协议为生成新的空间生物学假设提供了一种快速有效的方法。调查人员可以利用 genelab 产生的数据, 为今后的供资机会、实验验证以及制定针对微重力和空间辐射的对策的潜在目标提供资金。这里提供的议定书将允许今后以最佳效率进行空间生物学调查, 以便进行安全的长期空间飞行任务。
The authors have nothing to disclose.
我们要感谢美国宇航局艾姆斯生命科学数据档案馆的艾莉森法语, 感谢她在获取与啮罗斯栖息地有关的视频方面提供的协助, 并在获取笼子相关信息方面提供了总体帮助。我们还要感谢美国宇航局艾姆斯研究中心的玛拉史密斯威克帮助获得了适当的信息。美国航天局艾姆斯研究中心的 genelab 项目通过美国航天局在空间生命和物理科学研究和应用司的空间生物学方案提供了研究资金。任何使用商品名称的目的都只是为了描述性的目的, 并不意味着美国政府的认可。
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 |