NASA GeneLab plattform gir ubegrenset tilgang til verdifulle omics data fra biologiske romfart eksperimenter. Vi beskriver hvordan en typisk musen eksperimentet utføres i rommet og hvordan data fra slike eksperimenter kan nås og analysert.
Utføre biologiske eksperimenter i rommet krever spesielle tilpasninger og prosedyrer for å sikre at disse undersøkelsene utføres effektivt. Videre, gitt lite av disse eksperimentene er det viktig at deres konsekvenser maksimeres. Rask fremgang av Omika teknologier tilbyr en mulighet til å dramatisk øke volumet av data produsert fra dyrebare romfart prøver. For å kapitalisere på dette, har NASA utviklet GeneLab plattformen for å gi ubegrenset tilgang til romfart omics data sin omfattende analyse. Gnagere (rotter og mus) er vanlige modellen organismer brukes av forskere for å undersøke relatert til verdensrommet biologiske virkninger. Kabinettet at huset gnagere under romferder kalles gnager habitater (tidligere dyr kabinett moduler), og er vesentlig forskjellig fra standard vivarium burene sine dimensjoner, luftstrøm og tilgang til vann og mat. Dessuten, på grunn av miljømessige og atmosfæriske forhold på den internasjonale romstasjonen (ISS), er dyrene utsatt for en høyere CO2 konsentrasjonen. Vi har nylig rapportert at mus i gnager habitater opplever store endringer i deres transcriptome uansett om dyr var på bakken eller mellomrom. Videre var disse endringene konsekvent med hypoxic respons, potensielt drevet av høyere CO2 -konsentrasjoner. Her beskriver vi hvordan en typisk gnager eksperimentet utføres på plass, hvordan omics data fra disse eksperimentene kan nås gjennom GeneLab plattform og identifisere viktige faktorer i dataene. Bruker denne prosessen, kan en person gjøre viktige funn som kan endre utformingen av fremtidige misjoner og aktiviteter.
Det overordnede målet med dette manuskriptet er å gi en klar metodikk på hvordan NASA GeneLab plattform1 og hvordan gnager eksperimenter gjort i rommet er oversatt til omics data for analyse. Spacefaring mennesker er utsatt for mange helserisiko fra endrede tyngdekraften felt, plass stråling, isolasjon fra jorden og andre fiendtlige miljøfaktorer2,3,4,5, 6. biologisk eksperimenter utført i rommet og på bakken har bidratt til å definere og kvantifisere disse risikoene7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. i rommet, disse eksperimentene er utført på den internasjonale romstasjonen (ISS), romfergen og andre orbital plattformer. Gjennomføre disse eksperimenter krever spesialisert maskinvare og metodikk gitt unike bekymringene til å utføre eksperimenter i verdensrommet med begrenset mannskap tid og av mikrogravitasjon miljø. Ulike plattformer finnes nå for å utføre avansert eksperimenter i rommet plante, dyr og mikrobiell modeller15.
Gnager modeller har vært spesielt viktig å fremme vår forståelse av hvordan pattedyr, inkludert mennesker, svare på romfart. Disse inkluderer effekten av romfart på muskelen strukturen16,17,18 og immun funksjoner19,20,21. Standard vivarium merdene brukes til bolig gnagere på jorden er ikke egnet for romfart eksperimenter22,23. Derfor, over år mus og rotter er fløyet og plassert i ulike bur inkludert japansk Aerospace Exploration Agency (JAXA) Habitat bur24, dyr bærer plass kapsler brukes på BION-M1 ubemannet russisk satellitt25 ,26,27, mus skuff System (Lederne) designet av italienske romorganisasjonen28,29,30, NASA dyr kabinett modul (AEM) og nå NASA Gnager Transporter og habitater23. Gnager eksperimenter startet på romfergen bruker burene omtales som dyr kabinett modul (AEM). Denne maskinvaren ble brukt i 27 gnager eksperimenter på romfergen23. AEM ble opprinnelig utviklet for relativt kort eksperimenter on-board shuttle (< 20 dager). Siden utviklingen av ISS, AEMs er endret for lengre varighet eksperimenter og som nå omtales som gnager habitater22,23. De nye gnager habitatene er utformet for å støtte lengre oppdrag i ISS benytter EXpedite behandling av eksperimentene romstasjonen (EKSPRES) Rack-grensesnittet. Gnager habitater er vesentlig forskjellig fra standard vivarium bur i dimensjoner, luftstrøm, filter og eksos-systemet, og tilgang til mat og vann (figur 1). Likevel denne maskinvaren har vist seg for å være en effektiv forskning plattform, slik at viktige innsikter romfart-induserte endringer i pattedyrceller fysiologi19,31,32,33 ,34,35,36.
Store mengder omics data kan nå genereres fra biologiske romfart eksperimenter inkludert de med gnagere. Data fra disse omics eksperimenter har nylig gjort offentlig tilgjengelig gjennom NASA GeneLab plattform1 som er et omfattende data oppbevaringssted og analyse plattform som tillater alle å utvikle hypoteser fra romfart eksperimenter. GeneLab inneholder verktøy for oppdagelse, tilgang, deling og analyse av data. Vi utnyttet GeneLab datasett for å vise at forskjellene mellom standard vivarium bur og spesialiserte gnager habitater brukes i verdensrommet forårsake massive forskjeller i transcriptome på mus36. Vi analyserte fire forskjellige offentlig tilgjengelige datasett, sammenligne forskjellige vev fra gnagere ligger i gnager habitater- eller standarden vivarium burene. Bruker en upartisk biologi systemanalyse, bestemt vi at de viktigste driverne og veier som ble endret var forenlig med hypoxic svar på grunn av de høye CO2 skyldes høyere CO2 -konsentrasjoner på ISS, som fører til høyere CO 2 -konsentrasjoner hos gnager Habitat gitt at de er passiv systemer som tar i luften. Dette viser hvordan forskere kan bruke åpen kildekode verktøy og data til å generere nye funn med Implikasjonen om hvordan miljøet ISS påvirker astronaut helse.
Her beskriver vi hvordan gnager eksperimenter utføres i rommet og hvordan data fra disse eksperimentene fås gjennom en åpen-kildekode, omic plattform knyttet til space biologi. Vi diskutere konfigurasjonen av gnager leveområder for romferder og hvordan romfart vev behandles. Vi beskriver også hvordan romfart omics kan oppdaget og tilgang til GeneLab og hvordan nøkkelfaktorer driving den generelle responsen til romfart kan bli identifisert36. Det spesifikke eksemplet vi vil presentere på hvordan denne protokollen er implementert vil være sammenlignende biologiske forskjellene forekommer i gnagere i gnager Habitat og vivarium kontrollene som ble utgitt av Beheshti et al.36. Det er viktig å merke seg at bakken kontroller er avgjørende for romfart gnager eksperimenter. Som beskrevet i denne protokollen, er disse kontrollene gjort med begge identiske betingelsene (dvs. CO2 forhold, fuktighet, temperatur, bur dimensjoner, etc.) den gnager habitater på ISS og standard vivarium bur som har standard miljø (dvs., CO2 forhold, fuktighet og temperatur) forhold på jorden. Gnagere i gnager Habitat bakken kontrollene tillater direkte sammenligning for gnagere i rommet. Mens gnagere i vivarium burene tillate biologiske sammenligningen mellom ulike boliger (f.eks vivarium burene vs gnager maskinvare). Gnager Habitat er annerledes enn vivarium bur ved at den har konstant luftstrømmen (0.1-0.3 m/s), en lang varighet, og en sekundær utblåsningsfilteret som fanger og absorberer animalsk avfall guidet eksos filter av kontinuerlig luftstrømmen i mikrogravitasjon. I tillegg har gnager habitater passiv systemer og inntak luften; Derfor, de har også høyere CO2 -konsentrasjoner på grunn av forhøyede nivåer i ISS hytte (~ 5000 ppm).
NASA GeneLab plattformen er en omfattende omics databasen og analyse plattform som gjør det vitenskapelige samfunnet til å generere nye hypoteser knyttet til space biologi. Her har vi presentert en omfattende prosedyre for gnager eksperimenter fra begynnelsen av romfart til generasjon av romanen hypotesen fra analysere data bruker en offentlig tilgjengelig space biologi plattform. Dessuten, har vi også gitt en omfattende protokoll på en upartisk systemer biologi analyse for å identifisere viktige gener kjører systemet blir studert. Vi har brukt vår siste studie36 som et eksempel på hvordan denne protokollen er effektivt brukt til å generere en ny hypotese for space biologi. Vi håper at dette hjelper etterforskerne bedre forstå hvordan romfart eksperimenter utføres og hvordan data fra dem føre til tilgjengelige data på GeneLab, og til slutt gi klarere tolkning av offentlig tilgjengelige space biologi omics data.
Det er flere avgjørende skritt i våre protokollen om både gnager romfart eksperimenter og analyse av data produsert. Forstå gnager Habitat er oppsett avgjørende for å utvikle og utforme optimal eksperimentet for romfart. Dette ville spesielt innebære protokollen og beskrivelse har vi gitt i trinn 1 i våre protokollen. Når en etterforsker fullt ut forstår de ulike forholdene i den gnager habitater sammenlignet vivarium bur, kan biologiske resultatene som tolkes være koblet riktig til miljøforhold i rommet. I tillegg, modifikasjoner av gnagere Habitat kan ikke utføres, siden gnager Habitat er optimalt designet og godkjent av NASA for bruk av romfart.
For å tolke biologiske resultatene, har vi gitt en grundig protokoll på hvert trinn involvert fra sender dataene til GeneLab til analyse av dataene for å generere romanen space biologi hypotese. Selv om alle trinnene er viktig å forstå hvordan å generere data, er de viktigste trinnene for dataanalyse trinn 9 og 10. Trinn 9 gir en protokoll for å analysere transcriptomic data ved hjelp av en upartisk systemer biologi metode for å avgjøre gener/veier som virkelig driver eksperimentelle betingelsen blir analysert. Trinn 10 er kritisk som det gir brukerne en enkel metode for å analysere omics GeneLab datasett ved hjelp av GeneLab-plattformen. Endringer i protokollen gitt kan gjøres for noen trinn om analysere data. Spesielt trinnene 9.4-9.6 kan gjøres ved hjelp av R programmering eller andre favoritt verktøy som du foretrekker. Avhengig av datasettet kan ulike statistikk og fold-endring konsentrasjon brukes til å bestemme betydelig regulert gener. I tillegg til å bestemme nøkkel genene i trinn 9.5 og 9.6, kan brukeren endre denne protokollen og bruke verktøy som utnytter betydelig regulert genene å forutsi funksjoner. Viktig konseptet er at hvis du bruker flere prediktiv funksjonelle omics verktøy kan for fastsettelse av gener involvert med fleste funksjonene blir regulert i systemet blir studert.
Den GeneLab plattformen fortsetter å utvikle, og mens analysene beskrevet her ble utført etter data laste ned, den neste fasen av GeneLab vil tillate for analyse av Omika data direkte på GeneLab plattform, som gir en enkel arbeidsflyt til å generere behandlet for høyere orden analyse. Videre mens vi har fokusert på en protokoll for å tolke transcriptomic data, inneholder GeneLab en rekke omics data inkludert proteomic, genomisk, metabolomic og epigenomic data. Eventuell plattformen inneholder rørledninger og retningslinjer for analyse av disse typer omics. Den siste fasen av GeneLab vil også implementere et system nivå visualisering grensesnitt for å tillate basic brukeren å generere space biologi hypoteser.
Endelig, vår biologi systemanalyse gir en unik og upartisk metode for å finne nøkkelen kjører gener/veier i ethvert system blir studert bruker omics datasett. Vi har brukt denne metodikken i flere forskjellige uavhengige studier med stor suksess for å bestemme den sentrale drivere involvert36,45,46,47,48,49 ,50. I en kreft relatert omics studie, med denne metoden vi eksperimentelt validert at våre spådd nøkkel gener/pathways kjørte faktisk narkotika behandling svaret ved å slå ut viktige genene i vitro45. Vi observerte, som vi hadde spådd gjennom denne protokollen, at behandling ikke var effektive lenger på grunn av fravær av nøkkelen genene. Vi tror at denne upartiske systemer biologi protokollen kan være et nyttig verktøy å finne viktige veier for noen omics studier.
Denne protokollen gir en rask og effektiv metode for generering av romanen space biologi hypoteser. Dataene som genereres fra GeneLab kan utnyttes av etterforskere for fremtidige finansieringsmuligheter, eksperimentelle validering og potensielle mål for utvikling av mottiltak mot mikrogravitasjon og plass stråling. Protokollen her vil tillate for fremtidige space biologi undersøkelser oppstå med optimal effektivitet å tillate sikre langsiktig romferder.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke Alison French ved NASA Ames Life Science Data arkivet for henne hjelp med å skaffe videoen er relatert til gnager habitater og generell hjelp med å få cage relatert informasjon. Vi liker også å takke Marla Smithwick ved NASA Ames Research Center for hennes hjelp med å få riktig informasjon. Forskningsmidler ble levert av GeneLab prosjektet ved NASA Ames Research Center, gjennom NASAS Space biologi programmet i divisjonen plass livets og Physical Sciences Research og programmer (SLPSRA). Enhver bruk av merkenavn er for beskrivende formål og innebærer ikke godkjenning av amerikanske myndigheter.
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 |