A plataforma da NASA GeneLab fornece acesso irrestrito para omics preciosos dados de experiências biológicas voos espaciais. Descrevemos como uma experiência típica de rato é conduzida no espaço e como dados de tais experiências podem ser acessados e analisados.
Realizar experiências biológicas no espaço requer acomodações especiais e procedimentos para assegurar que estas investigações são executadas eficazmente e eficientemente. Além disso, dada a raridade destas experiências é imperativo que seus impactos ser maximizada. O avanço rápido das tecnologias omics oferece uma oportunidade para aumentar drasticamente o volume de dados produzidos a partir de espécimes preciosos voos espaciais. Para capitalizar este, NASA desenvolveu a plataforma GeneLab para fornecer acesso irrestrito ao voo espacial omics dados e incentivar sua análise generalizada. Roedores (ratos e camundongos) são organismos-modelo comum usados pelos cientistas para investigar impactos biológicos relacionados ao espaço. O recinto que roedores de casa durante o voo espacial são chamados roedores Habitats (anteriormente Animal recinto módulos) e são substancialmente diferentes das gaiolas viveiro padrão em suas dimensões, fluxo de ar e acesso para água e comida. Além disso, devido às condições atmosféricas e ambientais na estação espacial internacional (ISS), os animais são expostos a uma maior concentração de CO2 . Recentemente, informou que os ratos nos Habitats roedor experimentam grandes mudanças em sua transcriptome independentemente dos animais serem no chão ou no espaço. Além disso, essas alterações foram consistentes com uma resposta hipóxica, potencialmente impulsionada por altas concentrações de CO2 . Aqui descrevemos como um experimento de roedor típico é executado no espaço, como dados de omics destas experiências podem ser acessados através da plataforma GeneLab e como identificar fatores-chave para esses dados. Usando este processo, qualquer pessoa pode fazer descobertas críticas que poderiam mudar o projeto de missões espaciais futuras e atividades.
O objetivo geral do presente manuscrito é apresentar uma metodologia clara de como usar o GeneLab plataforma1 e roedores como experimentos feitos no espaço da NASA são traduzidos para omics dados para análise. Spacefaring seres humanos estão expostos a inúmeros riscos para a saúde de campos de gravidade alterado, radiação espacial, isolamento da terra e outros fatores ambientais hostis2,3,4,5, 6. experiências biológicas realizadas no espaço e no chão têm ajudado a definir e quantificar esses riscos7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. no espaço, esses experimentos foram conduzidos em outras plataformas orbitais, o ônibus espacial e da estação espacial internacional (ISS). Estes experimentos requer hardware especializado e metodologia, tendo em conta os interesses originais de realizando experiências no espaço, incluindo o tempo limitado de tripulação e o ambiente de microgravidade. Várias plataformas já existem para a realização de experimentos sofisticados no espaço usando a planta, animal e microbiana modelos15.
Modelos de roedores foram particularmente importantes para fazer avançar a nossa compreensão de como mamíferos, incluindo humanos, respondem à exploração espacial. Estes incluem o impacto da exploração espacial no músculo estrutura16,17,18 e as funções imunológicas19,20,21. As gaiolas viveiro padrão usadas para roedores habitação na terra não são adequadas para experimentos de voo espacial22,23. Portanto, acabou a anos e ratos foram voados e alojados em gaiolas diferentes, incluindo a Agência Japonesa de exploração Aeroespacial (JAXA) Habitat gaiola24, animal carregando cápsulas espaciais utilizadas na BION-M1 não tripulados satélite russo25 ,26,27, os ratos gaveta sistema (MDS) desenhado pela agência espacial italiana28,29,30, a NASA Animal cerco módulo (AEM) e agora a NASA Roedor transportador e Habitats23. Experimentos de roedores começaram a bordo do ônibus espacial usando gaiolas referidas como módulo de gabinete o Animal (AEM). Este equipamento foi usado em 27 experimentos roedores em ônibus espacial23. A AEM foi originalmente desenvolvido para relativamente curtas experiências a bordo da nave (< 20 dias). Desde o desenvolvimento da ISS, as AEMs foram modificados para experimentos de duração mais longos e são agora referidos como Habitats de roedor22,23. Os novos Habitats de roedores são projetados para apoiar missões de longa duração na ISS usando o Expedito o processamento de experimentos para interface de Rack de estação espacial (EXPRESS). Habitats de roedores são substancialmente diferentes das gaiolas viveiro padrão em suas dimensões, fluxo de ar, filtro e sistema de escape e acesso à comida e água (Figura 1). No entanto, este hardware tem provado para ser uma plataforma de pesquisa eficaz, permitindo ideias-chave para as mudanças induzidas pelo voo espacial a fisiologia de mamífero19,31,32,33 ,34,35,36.
Grandes volumes de dados omics agora podem ser gerados a partir de experimentos spaceflight biológica, incluindo aquelas realizadas com roedores. Recentemente, dados destas experiências omics foram disponibilizados publicamente através da NASA GeneLab plataforma1 , que é um repositório de dados abrangente e plataforma de análise que permite a qualquer pessoa criar hipóteses de experiências de voo espacial. GeneLab fornece ferramentas para a detecção, acesso, partilha e análise de dados. Utilizamos o GeneLab datasets para mostrar que as diferenças entre o padrão de viveiro gaiolas e Habitats de roedor especializado usado no espaço causam enormes diferenças na transcriptoma de ratos36. Foram analisados quatro diferentes à disposição do público conjuntos de dados, comparando os diferentes tecidos de roedores alojados em gaiolas viveiro padrão ou do roedor Habitats. Usando uma análise de biologia de sistemas imparcial, determinamos que os drivers principais e vias que foram alteradas foram consistentes com uma resposta hipoxia devido aos elevados níveis de2 CO causada por altas concentrações de2 CO na ISS, o que leva a maior CO 2 concentrações no Habitat de roedores, tendo em conta que eles são sistemas passivos que levam no ar ambiente. Isso demonstra como os cientistas podem usar ferramentas open source e dados para gerar novos achados com implicação sobre como o ambiente da ISS impacto sobre a saúde de astronauta.
Aqui descrevemos como roedores experimentos são realizados no espaço e como dados destas experiências podem ser acessados através de uma código-fonte aberto, plataforma omic relacionados à biologia de espaço. Vamos discutir a configuração dos roedores Habitats utilizados para missões espaciais, e como o voo espacial tecidos são processados. Também descreveremos como spaceflight omics dados podem ser descobertos e acessados na GeneLab e como principais fatores que levam a resposta global ao voo espacial podem ser identificados36. O exemplo específico que apresentaremos em como este protocolo é implementado irá ser comparando as diferenças biológicas ocorrem em roedores alojados no Habitat de roedores e os controles de viveiro que foram publicados por Beheshti et al.36. É importante notar que controles de solo são essenciais para roedores experiências de voo espacial. Conforme descrito no presente protocolo, esses controles são feitos com ambas as condições idênticas (isto é, condições de CO2 , umidade, temperatura, dimensões da gaiola, etc.) nos Habitats roedor na ISS e em gaiolas viveiro padrão que têm o padrão ambientais (ou seja,, CO2 condições, umidade e temperatura) condições na terra. Os roedores alojados nos controles de solo do Habitat de roedor permitem a comparação direta de roedores no espaço. Enquanto roedores alojados em gaiolas viveiro permitem a comparação biológica entre a carcaça diferente (por exemplo, gaiolas viveiro vs ferragem de roedores). O Habitat do roedor é diferente do viveiro gaiolas em que tem o fluxo de ar constante (0.1-0.3 m/s), uma longa duração e um filtro de exaustão secundário que capta e absorve os resíduos animais guiados para o filtro de exaustão por fluxo de ar contínuo em microgravidade. Além disso, os Habitats de roedores têm sistemas passivos e entrada de ar ambiente; Portanto, eles também têm altas concentrações de CO2 , devido aos níveis elevados da cabine do ISS (~ 5.000 ppm).
A plataforma da NASA GeneLab é uma plataforma de banco de dados e análise de omics abrangente que permitirá que a comunidade científica gerar novas hipóteses relacionados à biologia de espaço. Aqui nós apresentamos um procedimento abrangente para roedores experiências desde o início da exploração espacial para a geração de nova hipótese de análise de dados utilizando uma plataforma de biologia de espaço à disposição do público. Além disso, também oferecemos um extenso protocolo em uma análise de biologia de sistemas imparcial para a identificação de genes-chave conduzir o sistema a ser estudado. Nós usamos nosso recente estudo36 como um exemplo de como este protocolo é utilizado eficazmente para gerar uma hipótese de romance para espaço de biologia. Esperamos que isso ajuda os investigadores a entender melhor como são realizados os experimentos de voo espacial e como dados a partir deles levam com os dados disponíveis na GeneLab e, finalmente, permitir a interpretação mais clara dos dados de omics publicamente disponível espaço de biologia.
Existem várias etapas críticas dentro de nosso protocolo relativo a ambos os experimentos spaceflight roedores e análise dos dados produzidos. Noções básicas sobre o Habitat de roedor instalação é fundamental para desenvolver e projetar o experimento ideal para voo espacial. Isto implicaria, especificamente, o protocolo e nós fornecemos na etapa 1 do nosso protocolo de descrição. Uma vez que um investigador compreende totalmente as diferentes condições existentes nos Habitats roedor em comparação com as gaiolas viveiro, os resultados biológicos sendo interpretados podem ser correlacionados adequadamente para as condições ambientais no espaço. Em adições, modificações para o Habitat do roedor não podem ser feitas, já que o Habitat do roedor otimamente projetado e aprovado pela NASA para uso dos voos espaciais.
Para interpretar os resultados biológicos, nós fornecemos um protocolo completo sobre cada passo envolvido de carregar seus dados para o GeneLab para análise dos dados para gerar hipótese de romance de espaço de biologia. Apesar de todas as etapas são importantes na compreensão de como gerar dados, os passos mais críticos para análise de dados são as etapas 9 e 10. Passo 9 fornece um protocolo para analisar dados de transcriptomic usando um método de biologia de sistemas imparcial para determinar genes/caminhos que são verdadeiramente conduzir a condição experimental sendo analisada. Passo 10 é fundamental, pois fornece usuários com uma metodologia fácil de analisar omics GeneLab conjuntos de dados usando a plataforma GeneLab. Modificações no protocolo fornecido podem ser feitas de algumas etapas de análise de dados a respeito. Especificamente, passos 9.4 – 9.6 podem ser feitos usando programação R ou quaisquer outras ferramentas favoritas que o usuário prefere. Dependendo do conjunto de dados, estatísticas diferentes e pontos de corte dobra-mudança podem ser usados para determinar os genes significativamente regulamentados. Além disso, para determinar os genes chaves em etapas 9.5 e 9.6, o usuário pode modificar este protocolo e usar qualquer ferramenta que utiliza os genes significativamente regulamentados para prever as funções. O conceito importante é que usar várias ferramentas preditivas omics funcional permite a determinação de genes envolvido com a maioria das funções a ser regulada no sistema a ser estudado.
A GeneLab plataforma continua a desenvolver e enquanto as análises descritas aqui foram realizadas após o download de dados, a próxima fase da GeneLab permitirá uma análise de omics dados diretamente na plataforma GeneLab, que irá fornecer um fluxo de trabalho fácil para gerar dados processados para análise de ordem superior. Além disso, Considerando que nos focamos em um protocolo para interpretação dos dados transcriptomic, GeneLab contém uma grande variedade de dados omics incluindo proteômica, genômica, metabolómica e epigenomic. A eventual plataforma conterá condutas e orientações para a análise destes tipos diferentes de omics. A última fase da GeneLab irá também implementar uma interface de visualização de nível de sistema para permitir que o usuário básico para facilmente gerar hipóteses de biologia do espaço.
Por último, nossa análise de biologia de sistemas fornece um método exclusivo e imparcial para determinar a chave genes/vias de condução em qualquer sistema sendo estudado usando datasets omics. Nós usamos esta metodologia em vários diferentes estudos independentes, com grande sucesso para determinar os impulsores-chave envolvidas36,45,46,47,48,49 ,50. Em um câncer relacionado omics estudo, usando esta metodologia nós experimentalmente validados que nossos genes/caminhos chaves previstos na verdade estava dirigindo a resposta de tratamento de drogas ao nocautear os genes chaves em vitro45. Observamos, como nos havia previsto pelo presente protocolo, que o tratamento não foi eficaz mais devido à ausência de genes chaves. Acreditamos que este protocolo de biologia de sistemas imparcial pode ser uma ferramenta útil para determinar os caminhos principais para qualquer estudo de omics.
Este protocolo fornece um método rápido e eficiente para a geração de hipóteses de romance de espaço de biologia. Os dados gerados a partir de GeneLab podem ser aproveitados pelos investigadores para futuras oportunidades de financiamento, validação experimental e alvos potenciais para o desenvolvimento de contramedidas contra radiação de microgravidade e espaço. O protocolo fornecido aqui permitirá para investigações futuras espaço biologia ocorra com eficiência otimizada para permitir a missões de espaço seguro a longo prazo.
The authors have nothing to disclose.
Gostaríamos de agradecer a Alison French no arquivo de dados da NASA Ames Ciências da vida pela sua assistência com a obtenção de vídeo relacionado com os Habitats de roedores e da gaiola ajuda global com a obtenção de informações relacionadas. Também queremos agradecer a ajuda com a obtenção da informação adequada Marla Smithwick no NASA Ames Research Center. Financiamento de pesquisa foi fornecido pelo projecto GeneLab no NASA Ames Research Center, através do programa de biologia do espaço da NASA na divisão do espaço de vida e pesquisa de ciências físicas e aplicações (SLPSRA). Qualquer uso de nomes comerciais é apenas para fins descritivos e não implica o endosso pelo governo.
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 |