NASA GeneLab platform giver uhindret adgang til dyrebare omik data fra biologisk rumflyvninger eksperimenter. Vi beskriver hvordan en typisk mus eksperiment er gennemført i rummet, og hvordan data fra sådanne eksperimenter kan tilgås og analyseret.
Udfører biologiske eksperimenter i rummet kræver særlige accommodations og procedurer for at sikre, at disse undersøgelser udføres effektivt. Derudover givet få tilfælde af disse eksperimenter er det bydende nødvendigt, at deres virkninger maksimeres. Den hurtige udvikling af omik-teknologier giver mulighed for at dramatisk øge omfanget af de data, der er fremstillet af ædle rumflyvninger prøver. For at udnytte dette, har NASA udviklet GeneLab platform for at give ubegrænset adgang til rumflyvning omik data og fremme sin omfattende analyse. Gnavere (både rotter og mus) er fælles modelorganismer anvendes videnskabsfolk til at undersøge rumrelaterede biologiske virkninger. Skabet at huset gnavere under rumflyvninger kaldes gnaver levesteder (tidligere animalsk kabinet moduler), og er væsentligt forskellige fra standard vivarium bure i deres dimensioner, luftstrøm og adgang til vand og mad. Desuden, på grund af miljømæssige og atmosfæriske betingelser på den internationale rumstation (ISS) udsættes dyr for en højere CO2 -koncentration. Vi har for nylig rapporteret, at mus i gnaver levesteder oplever store ændringer i deres transkriptom uanset om dyrene var på jorden eller i rummet. Desuden, disse ændringer var i overensstemmelse med en hypoksiske svar, potentielt drevet af højere CO2 koncentrationer. Her beskriver vi, hvordan en typisk gnaver eksperiment udføres i rummet, hvordan omik data fra disse eksperimenter kan tilgås via GeneLab platform, og hvordan til at identificere vigtige faktorer i denne data. Brug denne proces, kan enhver person gøre kritiske opdagelser, der kunne ændre udformningen af fremtidige rummissioner og aktiviteter.
Det overordnede mål for dette manuskript er at give en klar metode til hvordan NASA’S GeneLab perron1 og hvordan gnaver forsøg udført i rummet er oversat til omik data til analyse. Rummission mennesker udsættes for talrige sundhedsrisici fra ændrede tyngdekraften felter, plads stråling, isolation fra jorden og andre fjendtlige miljøfaktorer2,3,4,5, 6. biologiske forsøg udført i rummet og på jorden har medvirket til at definere og kvantificere disse risici7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. i rummet, disse eksperimenter er blevet udført på den internationale rumstation (ISS), rumfærge og andre orbital platforme. Gennemføre disse eksperimenter kræver specialiseret hardware og metodologi givet entydige bekymringer udfører eksperimenter i rummet herunder begrænset besætning tid og vægtløshed miljø. Forskellige platforme nu eksisterer for at udføre avancerede eksperimenter i rummet ved hjælp af plante-, dyre- og mikrobielle modeller15.
Gnavere modeller har været særligt vigtigt at fremme vores forståelse af hvordan pattedyr, herunder mennesker, reagere på rumflyvninger. Disse omfatter virkningen af rumflyvninger på muskel struktur16,17,18 og immune funktioner19,20,21. Standard vivarium stolpepallerne for boliger gnavere på jorden er ikke egnet til rumflyvning eksperimenter22,23. Derfor ubemandet over år mus og rotter er blevet fløjet og har til huse i forskellige bure herunder den japanske Aerospace Exploration Agency (JAXA) Habitat bur24, dyret bærer plads kapsler bruges på BION-M1 russiske satellit25 ,26,27, mus skuffe System (MDS) designet af italienske Rumagentur28,29,30, NASA dyr kabinet modul (AEM), og nu NASA Gnaver Transporter og levesteder23. Gnaver eksperimenter startede om bord på rumfærgen bruger bure omhandlet som dyr kabinet modul (AEM). Denne hardware blev brugt i 27 gnaver eksperimenter med rumfærge23. I AEM blev oprindeligt udviklet til relativt korte eksperimenter on-board shuttle (< 20 dage). Siden udviklingen af ISS, AEMs er blevet ændret til længere varighed eksperimenter og omtales nu som gnaver levesteder22,23. Den nye gnaver levesteder er designet til at understøtte langvarige missioner i ISS bruger EXpedite behandling af eksperimenter til rumstation (EXPRESS) Rack interface. Gnaver levesteder er væsentligt forskellig fra standard vivarium bure i deres dimensioner, luftstrøm, filter og udstødningssystem og adgang til fødevarer og vand (figur 1). Ikke desto mindre, denne hardware har vist sig for at være en effektiv forskning platform, aktivering nøglen indblik i de rumflyvninger-inducerede ændringer i pattedyr fysiologi19,31,32,33 ,34,35,36.
Store mængder af omik data kan nu blive genereret fra biologiske spaceflight forsøg herunder udført med gnavere. For nylig, data fra disse omik eksperimenter er blevet gjort offentligt tilgængelige gennem NASA GeneLab platform1 som er en omfattende datalager og analyse-platform, der giver mulighed for nogen til at udvikle hypoteser fra spaceflight forsøg. GeneLab indeholder værktøjer til opdagelse, adgang, udveksling og analyse af data. Vi udnyttede GeneLab datasæt for at vise, at forskelle mellem standard vivarium bure og specialiserede gnaver levesteder bruges i rummet forårsage massive forskelle i transkriptom mus36. Vi analyserede fire forskellige offentligt tilgængelige datasæt, sammenligne forskellige væv fra gnavere har til huse i enten gnaver levesteder eller standard vivarium bure. Ved hjælp af en uvildig systemer biologi analyse, vi har besluttet, at de vigtigste drivkræfter og veje, der blev ændret var i overensstemmelse med en hypoksiske svar på grund af de høje CO2 niveauer skyldes højere CO2 koncentrationer på ISS, som fører til højere CO 2 koncentrationer i de gnaver levesteder i betragtning af at de er passive systemer, der tager i den omgivende luft. Dette viser, hvordan videnskabsfolk bruger open source-værktøjer og data til at generere nye fund med implikation om, hvordan miljøet af ISS påvirker astronaut sundhed.
Her beskriver vi, hvordan gnaver eksperimenter er udført i rummet og hvordan data fra disse eksperimenter kan tilgås via en open-source, omic platform relateret til rummet biologi. Vi diskutere konfigurationen af gnaver levesteder bruges til rummissioner, og hvordan rumflyvninger væv behandles. Vi beskriver også, hvordan rumflyvninger omik data kan blive opdaget og adgang til GeneLab og hvordan nøglefaktorer kørsel den samlede respons til rumflyvninger kan være identificeret36. Det specifikke eksempel vil vi præsentere på hvordan denne protokol er gennemført vil være at sammenligne de biologiske forskelle forekommende hos gnavere har til huse i gnaver levesteder og vivarium kontrolelementer, der blev udgivet af Beheshti et al.36. Det er vigtigt at bemærke, at jorden kontrol er afgørende for rumflyvninger gnaver eksperimenter. Som beskrevet i denne protokol, er disse kontrolelementer færdig med både identiske forhold (dvs. CO2 betingelser, fugtighed, temperatur, bur dimensioner, osv.) i de gnaver levesteder på ISS og standard vivarium bure, der har standarden miljømæssige (dvs., CO2 betingelser, fugtighed og temperatur) forhold på jorden. Gnavere har til huse i gnaver Habitat jorden kontrollen giver mulighed for en direkte sammenligning til gnavere i rummet. Mens gnavere har til huse i vivarium bure mulighed for de biologiske sammenligning mellem de forskellige boliger (fx vivarium bure vs gnaver hardware). Gnaver vækststeder er anderledes end vivarium bure i, at det har konstant luftstrøm (0,1-0,3 m/s), en lang varighed, og en sekundær udstødning filter, der indfanger og absorberer det animalske affald guidet til filteret udstødning af kontinuerlig luftstrøm i vægtløshed. Derudover har gnaver levesteder passive systemer og luftens fugtindhold; Derfor har de også højere CO2 koncentrationer på grund af forhøjede niveauer i ISS kabine (~ 5.000 ppm).
NASA GeneLab platform er en omfattende omik database og analyse platform, der giver mulighed for det videnskabelige samfund til at generere nye hypoteser vedrører rummet biologi. Her har vi præsenteret en omfattende procedure for gnavere forsøg fra begyndelsen af rumflyvninger til generation af roman hypotese fra dataanalyse udnytter en offentligt tilgængelig plads biology platform. Derudover har vi også givet en omfattende protokol på en uvildig systemer biologi analyse for at identificere centrale gener kørsel systemet undersøgt. Vi har brugt vores seneste undersøgelse36 som et eksempel på, hvordan denne protokol er effektivt udnyttet til at generere en roman hypotese for rummet biologi. Vi håber, at dette hjælper efterforskere bedre at forstå hvordan spaceflight forsøg udføres og hvordan data fra dem føre til de foreliggende data på GeneLab, og i sidste ende gøre det muligt for klarere fortolkning af offentligt tilgængelige rum biologi omik data.
Der er flere kritiske trin inden for vores protokol vedrørende både gnaver rumflyvninger eksperimenter og analyse af data produceret. Forstå gnaver Habitat er opsætning afgørende for at udvikle og designe den optimale eksperiment for rumflyvninger. Dette medfører specielt protokol og beskrivelse vi har givet i trin 1 i vores protokol. Når en investigator fuldt ud forstår de forskellige forhold i de gnaver levesteder i forhold til vivarium bure, kan biologiske resultaterne fortolkes være korreleret korrekt miljøforhold i rummet. I tilføjelser, kan ikke ændringer til gnaver Habitat gøres, da gnaver Habitat har været optimalt designet og godkendt af NASA til rumflyvninger.
For at fortolke de biologiske resultater, har vi givet en grundig protokol på alle trin involveret i at overføre dine data til GeneLab til analyse af data til at generere nye rummet biologi hypotese. Selv om alle foranstaltninger er vigtige for at forstå hvordan man kan generere data, er de mest kritiske trin til dataanalyse trin 9 og 10. Trin 9 indeholder en protokol for at analysere transkriptom data ved hjælp af en uvildig systemer biologi metode til at bestemme gener/veje, som virkelig kører den eksperimentelle betingelse ved at blive analyseret. Trin 10 er kritisk, da det giver brugerne en nem metode til at analysere omik GeneLab datasæt ved hjælp af GeneLab platform. Ændringer af protokollen i henhold kan gøres for nogle skridt med hensyn til analyse af data. Specifikt, trin 9.4-9.6 kan gøres ved hjælp af R programmering eller andre foretrukne værktøjer, som brugeren foretrækker. Afhængigt af datasættet, kan statistikker og fold-ændre cutoffs bruges til at bestemme de betydeligt regulerede gener. Derudover til bestemmelse af de centrale gener i trin 9.5 og 9.6, kan brugeren ændre denne protokol og bruge et værktøj, som udnytter de betydeligt regulerede gener for at forudsige funktioner. Det vigtige koncept er, ved hjælp af flere prædiktive funktionelle omik værktøjer giver mulighed for bestemmelse af gener involveret med fleste funktioner er reguleret i systemet ved at blive undersøgt.
GeneLab platform fortsætter med at udvikle, og mens de analyser, der er beskrevet her blev udført efter data download, den næste fase af GeneLab giver mulighed for analyse af omik data direkte på GeneLab platform, som vil give en let arbejdsgang til at generere behandlede data for højere-ordens analyse. Desuden, mens vi har fokuseret på en protokol for at fortolke transkriptom data, GeneLab indeholder en bred vifte af omik data herunder proteom, genomisk, metabolomic og epigenomiske data. Den endelige platform vil indeholde rørledninger og retningslinjer for analyse af disse forskellige typer af omik. Den sidste fase af GeneLab vil også gennemføre et system niveau visualisering interface til at tillade grundlæggende brugeren kan let generere rummet biologi hypoteser.
Endelig, vores systemer biologi analyse giver en unik og upartiske metode til at bestemme nøglen kørsel gener/veje i ethvert system undersøges ved hjælp af omik datasæt. Vi har brugt denne metode i flere forskellige uafhængige undersøgelser med stor succes til at bestemme de centrale drivkræfter involveret36,45,46,47,48,49 ,50. I en cancer relaterede omik undersøgelse, ved hjælp af denne metode vi eksperimentelt bekræftet, at vores forventede centrale gener/veje faktisk kørte stof behandling svar ved at udskære de centrale gener i vitro45. Vi observerede, som vi havde forudsagt gennem denne protokol, at behandlingen ikke var effektivt længere på grund af fravær af de vigtige gener. Vi mener, at dette objektiv systemer biologi protokol kan være et nyttigt redskab til at bestemme nøglen veje for enhver omik undersøgelse.
Denne protokol giver en hurtig og effektiv metode for generation af roman rummet biologi hypoteser. De data, der genereres fra GeneLab kan udnyttes af efterforskere for fremtidige finansieringsmuligheder, eksperimentelle validering og potentielle mål for udvikling af modforanstaltninger mod vægtløshed og plads stråling. Protokollen i henhold her vil tillade fremtidige plads biologi undersøgelser at forekomme med optimal effektivitet for at give mulighed for sikker langsigtet rummissioner.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke Alison French på NASA Ames Life Science dataarkiv for hendes hjælp med at få videoen relateret til gnaver levesteder og samlede hjælp med at opnå bur relaterede oplysninger. Vi vil også gerne takke Marla Smithwick på NASA Ames Research Center for hendes hjælp med at få de korrekte oplysninger. Forskningsmidler blev leveret af GeneLab projektet på NASA Ames Research Center, gennem NASAs Space biologi Program i opdeling af rummet liv og Physical Sciences Research og programmer (SLPSRA). Enhver brug af handelsnavne er til beskrivende formål og er ikke ensbetydende med påtegning af den amerikanske regering.
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 |