La plataforma de la NASA GeneLab proporciona acceso sin restricciones a ómicas preciosos datos de experimentos biológicos vuelo espacial. Describimos cómo se realiza un experimento típico del ratón en el espacio y cómo se pueden acceder y analizar datos de dichos experimentos.
Realizar experimentos biológicos en el espacio requiere adaptaciones especiales y procedimientos para asegurar que estas investigaciones se realizan con eficacia y eficiencia. Por otra parte, dada la poca frecuencia de estos experimentos es imprescindible maximizar su impacto. El rápido avance de las tecnologías ómicas ofrece una oportunidad para aumentar dramáticamente el volumen de datos producidos a partir de vuelos espaciales preciosas muestras. Para aprovechar esto, la NASA ha desarrollado la plataforma GeneLab para proporcionar acceso sin restricciones a los vuelos espaciales tripulados ómicas datos y fomentar su análisis extenso. Roedores (ratas y ratones) son organismos comunes del modelo utilizados por los científicos para investigar impactos biológicos relacionados con el espacio. El recinto que casa roedores durante vuelos espaciales se llaman hábitats de roedor (antes módulos de alojamiento de animales) y son substancialmente diferentes de jaulas vivero estándar en sus dimensiones, el flujo de aire y el acceso a agua y alimentos. Además, debido a las condiciones ambientales y atmosféricas en la estación espacial internacional (ISS), los animales están expuestos a una mayor concentración de CO2 . Recientemente nos informaron que ratones en los hábitats de roedor experimentan grandes cambios en su transcriptoma independientemente de si los animales estaban en el suelo o en el espacio. Además, estos cambios eran constantes con una respuesta hipóxica, potencialmente impulsada por mayores concentraciones de CO2 . Aquí describimos cómo se realiza un experimento típico de roedor en el espacio, cómo ómicas datos de estos experimentos se pueden acceder a través de la plataforma GeneLab y cómo identificar los factores claves en estos datos. Mediante este proceso, cualquier persona puede hacer descubrimientos importantes que podrían cambiar el diseño de actividades y misiones de espacio futuras.
El objetivo general de este manuscrito es proporcionar una metodología clara de cómo utilizar GeneLab plataforma1 y cómo roedores experimentos realizados en espacio de la NASA se traducen a datos ómicas para el análisis. Los viajeros del espacio seres humanos están expuestos a numerosos riesgos para la salud de campos de gravedad alterada, radiación de espacio, aislamiento de la tierra y otros factores ambientales hostiles2,3,4,5, 6. experimentos biológicos realizados en el espacio y en el suelo han contribuido a definir y cuantificar estos riesgos7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. en el espacio, estos experimentos se han realizado en la estación espacial internacional (ISS), la lanzadera de espacio y otras plataformas orbitales. Realización de estos experimentos requiere hardware especializado y metodología dada la preocupación única de realizar experimentos en el espacio como el tiempo limitado del equipo y el ambiente de microgravedad. Varias plataformas ahora existen para realizar sofisticados experimentos en el espacio usando la planta, animal y microbiana modelos15.
Modelos de roedores han sido particularmente importantes para avanzar en nuestra comprensión de cómo los mamíferos, incluyendo a seres humanos, responden a vuelos espaciales. Estos incluyen el impacto de los vuelos espaciales tripulados del músculo estructura16,17,18 y las funciones inmunológicas19,20,21. Las jaulas vivero estándar utilizadas para los roedores de la vivienda en la tierra no son adecuadas para el vuelo espacial experimentos22,23. Por lo tanto, sobre los años ratones y ratas han sido voladas y alojados en jaulas diferentes, incluyendo la Agencia de exploración aeroespacial japonesa (JAXA) hábitat jaula24, animal llevando cápsulas de espacio usados en la M1 de BION no tripulado ruso vía satélite25 ,26,27, el sistema de cajón de ratones (MDS) diseñado por la Agencia Espacial Italiana28,29,30, el módulo de caja Animal de NASA (AEM) y ahora la NASA Roedor transportador y hábitats23. Experimentos de roedores comenzaron a bordo de la lanzadera de espacio usando jaulas que se refiere a como el módulo de caja de Animal (AEM). Este hardware se utilizó en 27 experimentos roedores en la lanzadera de espacio23. La AEM fue desarrollada originalmente para experimentos relativamente corto a bordo el transbordador (< 20 días). Desde el desarrollo de la ISS, las AEMs se han modificado para experimentos de duración más larga y ahora se denomina habitat roedor22,23. Los nuevos hábitats de roedores están diseñados para apoyar a las misiones de larga duración en la ISS con el acelere el procesamiento de los experimentos de interfaz de Rack de la estación espacial (EXPRESS). Hábitats de roedores son substancialmente diferentes de jaulas vivero estándar en sus dimensiones, el flujo de aire, filtro y sistema de escape y acceso a alimentos y agua (figura 1). Sin embargo, este hardware ha demostrado para ser una plataforma de investigación eficaz, permitiendo a ideas claves en los cambios inducidos por el vuelo espacial a fisiología mamífera19,31,32,33 ,34,35,36.
Ahora se pueden generar grandes volúmenes de datos ómicos de vuelo espacial biológico experimentos los realizados con roedores como. Recientemente, los datos de estos experimentos ómicos se hicieron disponibles al público a través de la NASA GeneLab plataforma1 que es un repositorio de datos y la plataforma de análisis que permite desarrollar hipótesis de los experimentos de vuelo espacial. GeneLab proporciona herramientas para el descubrimiento, acceso, intercambio y análisis de datos. Se utilizaron datos GeneLab para mostrar que las diferencias entre el vivero estándar jaulas y hábitats de roedor especializados utilizados en el espacio causan enormes diferencias en el transcriptoma de ratones36. Se analizaron cuatro diferentes disponibles conjuntos de datos, comparación de diferentes tejidos de roedores en el hábitat del roedor o jaulas vivero estándar. Usando un análisis de la biología de sistemas imparciales, determinamos que los controladores principales y vías que se han modificado eran constantes con una respuesta hipóxica debido a los altos niveles de2 CO causado por altas concentraciones de CO2 en la ISS, que lleva a mayor CO 2 concentraciones del hábitat del roedor ya que son sistemas pasivos que en el aire ambiente. Esto demuestra cómo los científicos pueden utilizar datos y herramientas de código abierto para generar resultados nuevos con implicación en cómo el ambiente de la ISS afecta salud de astronauta.
Aquí describimos cómo roedor experimentos se realizan en el espacio y cómo los datos de estos experimentos pueden accederse a través de un código abierto, omic plataforma relacionados con la biología del espacio. Discutimos la configuración de los hábitats de roedor utilizado para misiones espaciales, y cómo se procesan los tejidos de los vuelos espaciales tripulados. También describimos cómo vuelo espacial ómicas datos pueden ser descubiertos y accesible en GeneLab y claves cómo manejar la respuesta al vuelo espacial pueden ser identificado36. El ejemplo nos presentará cómo se implementa este Protocolo será comparar las diferencias biológicas que ocurren en los roedores alojados en hábitat de los roedores y los controles de vivero de Beheshti publicaron et al.36. Es importante tener en cuenta que suelo controles son esenciales para roedores experimentos de vuelo espacial. Como se describe en este protocolo, estos controles se realizan con ambas condiciones idénticas (es decir, CO2 condiciones, humedad, temperatura, dimensiones de la jaula, etc.) en los hábitats de roedor en la ISS y en jaulas vivero estándar que tienen el estándar medio ambiente (es decir,, CO2 condiciones, la humedad y temperatura) las condiciones en la tierra. Los roedores alojados en los controles de tierra Habitat roedor permiten la comparación directa a los roedores en el espacio. Mientras que los roedores alojados en jaulas vivero permiten la comparación biológica entre la carcasa diferente (por ejemplo, jaulas de vivero vs hardware de roedor). El hábitat del roedor es diferente que las jaulas vivero que tiene el flujo de aire constante (0,1 – 0,3 m/s), una larga duración y un filtro de escape secundario que capta y absorbe los residuos animales guiados para el filtro de salida por flujo de aire continuo en condiciones de microgravedad. Además, hábitats de roedor tienen sistemas pasivos y toma aire ambiente; por lo tanto, también tienen altas concentraciones de CO2 debido a niveles elevados en la cabina de la ISS (~ 5.000 ppm).
La plataforma de la NASA GeneLab es una plataforma de base de datos y análisis de omics integral que permitirá a la comunidad científica generar nuevas hipótesis relacionadas con la biología del espacio. Aquí presentamos un procedimiento general para roedores experimentos desde el principio del vuelo espacial para la generación de hipótesis de la novela de análisis de datos utilizando una plataforma de Biología de espacio disponible para el público. Además, también hemos proporcionado un protocolo extenso en un análisis de la biología de sistemas imparciales para la identificación de genes clave, conduciendo el sistema en estudio. Hemos utilizado nuestro reciente estudio36 como ejemplo de cómo este protocolo se utiliza con eficacia para generar una hipótesis novedosa para la biología del espacio. Esperamos que esta ayuda a los investigadores comprender mejor cómo se realizan los experimentos de vuelo espacial y cómo datos de ellos llevan a los datos disponibles en GeneLab y en última instancia permiten más clara interpretación de los datos de ómicas biología de espacio disponible para el público.
Hay varios pasos esenciales dentro de nuestro protocolo con respecto a los experimentos del roedor vuelo espacial y el análisis de los datos producidos. Comprensión del hábitat del roedor instalación es fundamental para desarrollar y diseñar el experimento óptima para el vuelo espacial. Esto implicaría concretamente el protocolo y la descripción que hemos proporcionado en el paso 1 de nuestro protocolo. Una vez que un investigador entiende perfectamente las diferentes condiciones existentes en el hábitat del roedor comparado con jaulas de vivero, los resultados biológicos interpretados pueden correlacionarse adecuadamente a las condiciones ambientales en el espacio. En las adiciones, modificaciones del hábitat del roedor no se puede hacer, ya que el hábitat del roedor ha sido óptimamente diseñado y aprobado por la NASA para el uso de vuelos espaciales tripulados.
Para interpretar los resultados biológicos, hemos proporcionado un protocolo exhaustivo de cada paso involucrado de subir sus datos a GeneLab al análisis de los datos para generar hipótesis de la novela de espacio de biología. Aunque todos los pasos son importantes para comprender cómo generar datos, los pasos más críticos para el análisis son pasos 9 y 10. Paso 9 proporciona un protocolo para analizar datos transcriptómicos utilizando un método de Biología de sistemas imparciales para determinar genes/vías que realmente conduce la condición experimental se analiza. Paso 10 es fundamental ya que proporciona a los usuarios con una metodología fácil para analizar ómicas GeneLab conjuntos utilizando la plataforma GeneLab. Modificaciones en el protocolo siempre se pueden hacer por algunas medidas en relación con el análisis de datos. Específicamente, se pueden hacer pasos 9.4-9.6 usando programación R o cualquier otras herramientas que el usuario prefiera. Según el conjunto de datos, estadísticas diferentes y doble cambio atajos pueden utilizarse para determinar los genes significativamente regulados. Además, para la determinación de los genes claves en los pasos 9.5 y 9.6, el usuario puede modificar este protocolo y utilizar cualquier herramienta que utiliza los genes significativamente regulados para predecir funciones. El concepto importante es que usando múltiples herramientas de predictivo ómicas funcional para la determinación de los genes involucrado en la mayoría de funciones regulada en el sistema en estudio.
La plataforma GeneLab continúa a desarrollar, mientras que los análisis aquí descritos se realizaron después de descargar datos, la siguiente fase del GeneLab permitirá análisis de omics datos directamente en plataforma GeneLab, que proporcionará un flujo de trabajo fácil para generar datos para el análisis de orden superior. Por otra parte, considerando que nos hemos centrado en un protocolo para la interpretación de datos transcriptómicos, GeneLab contiene una gran variedad de datos ómicos como proteómica, genómica, metabolómica y epigenómica. La eventual plataforma contendrá tuberías y normas para el análisis de estos diferentes tipos de omics. La última fase del GeneLab también pondrá en marcha una interfaz de visualización de nivel de sistema para permitir al usuario básico fácilmente generar hipótesis espacio biología.
Por último, nuestro análisis de la biología de sistemas proporciona un método único e imparcial para determinar la clave de conducir vías de genes en cualquier sistema de ser estudiado usando datasets ómicas. Hemos utilizado esta metodología en varios estudios independientes diferentes con gran éxito para determinar la clave involucrados36,45,46,47,48,49 ,50. En un cáncer relacionado con omics estudio, utilizando esta metodología hemos validado experimentalmente que nuestros genes/vías claves predichas realmente estaba manejando la respuesta al tratamiento medicamento al noquear a los genes claves en vitro45. Observamos, como habíamos predicho a través de este protocolo, que el tratamiento no fue efectivo ya debido a la ausencia de los genes claves. Creemos que este protocolo de Biología de sistemas imparcial puede ser una herramienta útil para determinar las vías claves para cualquier estudio de omics.
Este protocolo proporciona un método rápido y eficiente para la generación de nuevo espacio biología hipótesis. Los datos generados por GeneLab pueden aprovecharse por los investigadores para futuras oportunidades de financiamiento, validación experimental y potenciales dianas para el desarrollo de las contramedidas contra la radiación del espacio y la microgravedad. El protocolo que aquí permitirá futuro espacio biología investigaciones producir con eficiencia óptima para permitir misiones de espacio a largo plazo seguro.
The authors have nothing to disclose.
Nos gustaría agradecer a Alison French en el archivo de datos de la NASA Ames Ciencias de la vida por su ayuda con la obtención del vídeo relacionado con los hábitats de roedor y ayuda general con la obtención de información relacionada de la jaula. También queremos agradecer a Marla Smithwick en el NASA Ames Research Center por su ayuda con la obtención de la información adecuada. Financiación de la investigación fue proporcionada por el proyecto GeneLab de NASA Ames Research Center, a través del programa de Biología del espacio de la NASA en la división de espacio de vida, investigación de ciencias físicas y aplicaciones (SLPSRA). Cualquier uso de nombres comerciales está para los propósitos descriptivos solamente y no implica la aprobación por el gobierno.
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 |