La plate-forme de la NASA GeneLab fournit un accès sans entraves aux omics précieux données d’expériences biologiques de vols spatiaux habités. Les auteurs décrivent comment une expérience typique de la souris est réalisée dans l’espace et comment les données de telles expériences sont accessibles et analysées.
Réaliser des expériences biologiques dans l’espace requiert des accommodements spéciaux et des procédures visant à garantir que ces enquêtes soient effectuées avec efficacité et efficience. En outre, compte tenu de la rareté de ces expériences, il est impératif que leurs impacts maximisés. L’avancement rapide des technologies d’omique offre l’occasion d’augmenter considérablement le volume de données produits à partir de vols spatiaux précieux spécimens. Pour tirer parti de cela, la NASA a mis au point la plate-forme GeneLab pour fournir un accès illimité aux données omics vol spatial et encourager son analyse très répandue. Rongeurs (souris et rats) sont des organismes modèles communs utilisées par les scientifiques pour étudier les impacts biologiques liées à l’espace. L’enceinte que maison rongeurs au cours des vols spatiaux habités sont appelés rongeur Habitats (anciennement Animal enceinte Modules) et sont sensiblement différentes de cages standard vivarium dans leurs dimensions, débit d’air et l’accès à l’eau et de nourriture. En outre, en raison des conditions atmosphériques et environnementales sur la Station spatiale internationale (ISS), les animaux sont exposés à une plus forte concentration de CO2 . Nous avons récemment rapporté que la souris dans les Habitats de rongeurs connaissent des changements importants dans leur transcriptome indépendamment de savoir si les animaux était sur le terrain ou dans l’espace. En outre, ces changements correspondent à une réponse à l’hypoxie, potentiellement pilotée par des concentrations plus élevées de2 CO. Nous décrivons ici comment une expérience typique de rongeur est effectuée dans l’espace, comment omics données de ces expériences sont accessibles par le biais de la plateforme GeneLab et comment identifier les facteurs clés de ces données. Grâce à ce processus, tout individu peut faire des découvertes essentielles qui pourraient changer la conception des futures missions spatiales et activités.
L’objectif global de ce manuscrit est de fournir une méthode claire de l’utilisation de la NASA GeneLab plate-forme1 et comment rongeurs expériences réalisées dans l’espace sont converties en données omiques pour analyse. Les activités spatiales humains sont exposés à nombreux risques pour la santé des champs de gravité altérée, rayonnement spatial, l’isolation de la terre et autres facteurs environnementaux hostiles2,3,4,5, 6. des expériences biologiques dans l’espace et sur le terrain ont contribué à définir et à quantifier ces risques7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. dans l’espace, ces expériences ont été menées sur la Station spatiale internationale (ISS), la navette spatiale et autres plates-formes orbitales. Ces expériences nécessite le matériel spécialisé et la méthodologie compte tenu des préoccupations uniques de réaliser des expériences dans l’espace, y compris les temps d’équipage limité et la microgravité. Diverses plates-formes existent maintenant pour réaliser des expériences sophistiquées dans l’espace à l’aide de plantes, animaux et microbiens modèles15.
Les modèles de rongeurs ont été particulièrement importants pour faire progresser notre compréhension de comment les mammifères, y compris les humains, répondent aux vols habités. Il s’agit de l’impact du vol spatial sur le muscle structure16,17,18 et les fonctions immunitaires19,20,21. Les cages de vivarium standard utilisés pour les rongeurs de logement sur la terre ne conviennent pas aux vols spatiaux habités expériences22,23. Par conséquent, plus les années souris et les rats ont été volés et logés dans des cages différentes, dont l’agence d’Exploration aérospatiale japonaise (JAXA) Habitat Cage24, animal portant des capsules spatiales utilisées sur le BION-M1 sans pilote satellite russe25 ,26,27, le système de tiroir de souris (SDM) conçu par l’Agence spatiale italienne28,29,30, la NASA Animal boîtier Module (AEM) et maintenant la NASA Transporteur et Habitats rongeurs23. Expériences de rongeurs d’abord commencèrent à bord de la navette spatiale à l’aide de cages dénommés comme l’Animal boîtier Module (AEM). Ce matériel a été utilisé dans des expériences de rongeurs 27 sur la navette spatiale23. L’AEM a été initialement développé pour des expériences relativement courtes bord de la navette (< 20 jours). Depuis le développement de l’ISS, l’AEMs ont été modifiés pour des expériences de durée plus longues et sont maintenant appelés rongeur Habitats22,23. Les nouveaux Habitats de rongeurs sont conçus pour appuyer les missions de longue durée à bord de l’ISS à l’aide de l’accélérer le traitement des expériences pour interface Rack Station spatiale (EXPRESS). Habitats de rongeurs sont sensiblement différentes de cages standard vivarium dans leurs dimensions, débit d’air, filtre et système d’échappement et l’accès à la nourriture et l’eau (Figure 1). Néanmoins, ce matériel s’est avéré pour être une plateforme de recherche efficace, permettant aux clés mieux comprendre les changements induits par spaceflight physiologie mammifères19,31,32,33 ,34,35,36.
Grands volumes de données omics maintenant peuvent être générés à partir des expériences de vols spatiaux biologiques y compris celles effectuées sur des rongeurs. Récemment, les données de ces expériences omiques ont été rendues accessibles au public par le biais de la NASA GeneLab plate-forme1 qui est un référentiel de données complètes et la plateforme d’analyse qui permet à quiconque de développer des hypothèses à partir d’expériences de vol spatial. GeneLab fournit des outils pour la découverte, de l’accès, du partage et de l’analyse des données. Nous avons utilisé des ensembles de données GeneLab pour montrer que les différences entre les cages standard vivarium et Habitats spécialisés de rongeurs utilisés dans l’espace causent énormes différences dans le transcriptome de souris36. Nous avons analysé quatre différents ensembles de données accessibles au public, en comparant les différents tissus de rongeurs logés dans les Habitats de rongeur ou cages standard vivarium. À l’aide d’une analyse de biologie des systèmes non biaisée, nous avons déterminé que les principaux moteurs et les voies qui ont été modifiés étaient conformes à une réponse à l’hypoxie en raison des niveaux de2 CO élevés causé par des concentrations plus élevées de2 de CO sur l’ISS, ce qui conduit à CO supérieur 2 les concentrations dans l’Habitat rongeur étant donné qu’ils sont des systèmes passifs qui prennent dans l’air ambiant. Cela démontre comment scientifiques peuvent utiliser des outils open source et données pour générer de nouveaux résultats avec implication sur la santé des astronautes à l’impact l’environnement de la station spatiale internationale.
Ici, nous décrivons comment rongeur des expériences sont effectuées dans l’espace et comment les données de ces expériences sont accessibles via une open source, plateforme omic liées à la biologie de l’espace. Nous discutons de la configuration des Habitats rongeurs utilisés pour les missions spatiales, et comment sont traités les tissus de vols spatiaux habités. On décrit aussi comment spaceflight omics données peuvent être découvert et accessible sur GeneLab et comment principaux facteurs à l’origine de la réponse globale aux vols spatiaux habités peut être identifié à36. L’exemple précis, nous allons présenter sur comment ce protocole est implémenté va comparer les différences biologiques survenant chez les rongeurs, abrité au sein d’Habitat rongeur et les contrôles de vivarium qui ont été publiées par Bent et al.,36. Il est important de noter que les contrôles au sol sont essentielles pour rongeurs expériences de vols habités. Comme décrit dans le présent protocole, ces contrôles sont effectués avec les deux conditions identiques (2 conditions de CO, humidité, température, dimensions de la cage, etc.) dans les Habitats de rongeur sur l’ISS et dans des cages de vivarium standard disposant de la norme environnementaux (p. ex., CO2 conditions, l’humidité et température) conditions sur la terre. Les rongeurs logés dans les contrôles de terrain rongeurs Habitat permettent la comparaison directe de rongeurs dans l’espace. Tandis que les rongeurs logés dans des cages de vivarium permettent la comparaison biologique entre les différents logements (p. ex., les cages de vivarium vs matériel rongeurs). L’Habitat rongeur est différente de celle de vivarium cages dans lequel il a débit d’air constant (0,1 à 0,3 m/s), une longue durée et un filtre secondaire d’échappement qui capture et absorbe les déchets animaux guidé vers le filtre d’échappement par circulation d’air continue en microgravité. En outre, Habitats de rongeurs ont des systèmes passifs et l’air ambiant d’admission ; par conséquent, ils ont aussi des concentrations plus élevées de2 CO en raison des niveaux élevés dans la cabine de l’ISS (~ 5 000 ppm).
La plate-forme de la NASA GeneLab est une plateforme de base de données et l’analyse d’omics complet qui permettra à la communauté scientifique générer de nouvelles hypothèses relies à la biologie spatiale. Ici, nous avons présenté une procédure globale pour rongeurs expériences depuis le début des vols habités à la génération de la nouvelle hypothèse de l’analyse des données utilisant une plateforme de biologie d’espace accessible au public. En outre, nous avons également fourni un vaste protocole sur une analyse de biologie des systèmes non biaisée pour identifier les gènes clés conduire le système à l’étude. Nous avons utilisé notre récente étude36 comme un exemple de comment le présent protocole est effectivement utilisé pour générer une nouvelle hypothèse pour la biologie de l’espace. Nous espérons que cela aide les enquêteurs de mieux comprendre comment les expériences de vols habités sont appliquées et comment les données de leur part conduisent les données disponibles sur GeneLab et finalement permettre une interprétation plus claire des publiquement disponible espace biologie omics données.
Il y a plusieurs étapes cruciales dans notre protocole concernant les expériences de vols habités rongeurs et analyse des données produites. Comprendre l’Habitat rongeur installation est essentielle pour développer et concevoir l’expérience optimale pour les vols spatiaux habités. Plus précisément, cela entraînerait le protocole et la description que nous avons fourni à l’étape 1 de notre protocole. Une fois que l’enquêteur comprend parfaitement les différentes conditions existant dans les Habitats de rongeur par rapport aux cages de vivarium, le bilan biologique étant interprétée peut être corrélée correctement aux conditions environnementales dans l’espace. Dans les ajouts, modifications de l’Habitat rongeur ne peuvent se faire, puisque l’Habitat rongeur a été optimale conçu et approuvé par la NASA pour des vols spatiaux.
Pour interpréter les résultats biologiques, nous avons fourni un protocole complet sur chaque étape a consisté de télétransmettre vos données sur GeneLab à l’analyse des données pour générer la nouvelle biologie spatiale hypothèse. Bien que toutes les étapes sont importantes pour comprendre comment générer des données, des opérations plus critiques pour l’analyse des données sont les étapes 9 et 10. Étape 9 fournit un protocole pour analyser des données transcriptomiques en utilisant une méthode de biologie des systèmes impartiale pour déterminer les gènes et des sentiers qui conduisent vraiment la condition expérimentale étant analysée. Étape 10 est critique car il offre aux utilisateurs une méthode facile pour analyser les omiques GeneLab ensembles de données à l’aide de la plateforme GeneLab. Modifications au protocole fourni peuvent être effectuées pour des mesures en ce qui concerne l’analyse des données. Plus précisément, les étapes 9.4 – 9,6 peuvent se faire à l’aide de la programmation R ou autres outils préférés que l’utilisateur préfère. Selon le groupe de données, les différentes statistiques et seuils de pli-changement peuvent servir à déterminer les gènes considérablement réglementées. En outre, pour déterminer les gènes clés en étapes 9.5 et 9.6, l’utilisateur peut modifier le présent protocole et utiliser tout outil qui utilise les gènes considérablement réglementées afin de prédire les fonctions. Le concept important est qu’à l’aide de multiples outils prédictifs omics fonctionnelle permet pour la détermination des gènes impliqué avec la plupart des fonctions réglementées dans le système à l’étude.
La plate-forme GeneLab continue à développer et alors que les analyses décrites ici ont été réalisées après le téléchargement de données, la prochaine phase de GeneLab permettra d’analyse des omiques données directement sur la plateforme GeneLab, qui fournit un flux de travail facile à générer le traitement des données pour l’analyse d’ordre supérieur. En outre, alors que nous nous sommes concentrés sur un protocole pour l’interprétation des données transcriptomiques, GeneLab contient une grande variété de données omics y compris protéomique, génomique, métabolomique et épigénomique. La plate-forme éventuelle contiendra les pipelines et les lignes directrices pour l’analyse de ces différents types d’omique. La dernière phase du GeneLab sera également implémenter une interface de visualisation de niveau système pour permettre à l’utilisateur de base générer facilement des hypothèses de biologie spatiale.
Enfin, notre analyse de biologie des systèmes fournit une méthode unique et impartiale pour déterminer la clé conduite des gènes et des sentiers dans n’importe quel système étudiée l’utilisation de datasets omique. Nous avons utilisé cette méthode dans plusieurs différentes études indépendantes avec beaucoup de succès pour déterminer les principaux facteurs impliqués36,45,46,47,48,49 ,,50. Dans un cancer du sein liés omics étude, en utilisant cette méthode, nous avons validé expérimentalement que nos sentiers/gènes clés prévus roulaient effectivement la réponse au traitement médicamenteux en assommant les gènes clés en vitro45. Nous avons observé, comme nous l’avions prévu par le présent protocole, que le traitement n’était pas efficace plus en raison de l’absence des gènes clés. Nous pensons que ce protocole de biologie des systèmes non biaisée peut être un outil utile pour déterminer les voies principales pour toute étude d’omique.
Ce protocole fournit une méthode rapide et efficace pour la génération de nouveaux espace biologie hypothèses. Les données générées de GeneLab peuvent être exploitées par les enquêteurs pour les futures possibilités de financement et validation expérimentale des cibles potentielles pour le développement de contre-mesures contre les radiations en microgravité et l’espace. Le protocole fourni ici permettra à des investigations futures biologie spatiale assorti d’une efficacité optimale pour permettre des missions spatiales à long terme sans danger.
The authors have nothing to disclose.
Nous tenons à remercier Alison Français à la NASA Ames Life Science Data Archive pour son aide à l’obtention de la vidéo en relation avec les Habitats des rongeurs et aide globale avec l’obtention d’informations connexes en cage. Nous aimerions également remercier Marla Smithwick au Ames Research Center de la NASA pour son aide à obtenir l’information adéquate. Recherche a été financé par le projet de GeneLab à la NASA Ames Research Center, via le programme de biologie spatiale de la NASA dans la Division of Life de l’espace et les Sciences physiques recherche et les Applications (SLPSRA). Toute utilisation des noms commerciaux est uniquement à des fins descriptives et n’implique pas l’approbation par le gouvernement américain.
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 |