据研究团队说,把事情搞砸的方式有千千万万种。一个打翻的样品瓶,一种测量有误的化学物质,都可能毁掉多年的筹备,使这会儿我们头顶上的太空舞蹈变成徒劳。

什么?我的DNA变了7%!还有这种超展开?我刚从这篇文章里知道。这可以算作好消息!我不需要再说
@ ShuttleCDRKelly 是我的同卵双胞胎了。
—— 斯科特·凯利(@StationCDRKelly)

文章题图:NASA/Robert Markowitz

 

研究人员希望通过这一信息,探索昼夜节律扰乱与小鼠——以及人类——其他系统之间的联系。NASA打算将这些经验纳入火星登陆计划。从地球到火星,宇航员要经历九个月的航行,而且他们在火星上的驻留时间未定。(火星重力不到地球的一半。)

简单来说,改变的是基因表达

人类有约20000个基因,分布在23对染色体之中。你身体内的每个细胞都有这些基因的全套。尽管如此,我们的细胞是不一样的——比如,神经细胞跟胃壁细胞一点都不相似。它们的功能也大不相同:一个是在神经系统里传递电信号和化学信号的,另一个则释放胃酸帮助人类消化食物。

这些功能差异不是因为DNA的不同,而是由于它们表达的不同。复杂的化学路径以及反馈环路会让一些特定基因打开或关闭。每个基因会编码蛋白质(人体内的一个构建块),根据基因的开闭状态,建造出不同的结构,产生不同的反应。

基因表达如果发生了微妙变化,也不会让你的神经元变成血细胞,但是它可以改变细胞的工作状态。基因表达的变化可以导致细胞癌变,或者引出一连串事件导致心脏病患病率增大。

确定基因表达的变化有几种不同的方法。一种是查看RNA的水平,这个信号分子帮助基因执行并创建它编码的蛋白质。另一种方法是查看甲基化水平。甲基化是指DNA分子被一种化学物质标记。正如《自然》解释的一样,这种化学物质可以让基因的一部分无法开启。

NASA表示基因表达的变化与“斯科特·凯利的免疫系统、DNA修复、骨骼构建网络、缺氧以及高碳酸血症有关”。这段话说的太简略了,所以我们必须等待最后的论文才能更好地评估这些发现。NASA更新了新闻稿,声明凯利7%的基因表达变化是“非常小”的,而且很可能处于“人类承受压力时——比如登山或潜水——发生变化的正常范围之内。”

双胞胎研究还涉及对凯利端粒变化的研究。端粒是染色体上像帽子一样的DNA序列。端粒长度的变化是衡量细胞健康的一个粗略标准。随着年龄的增长,端粒往往会变短。但古怪的是,NASA的报告说凯利的端粒在太空中变长了。这是我们在最终论文发表时要更仔细评估的另一件事情。

金沙国际平台 1金沙国际平台,别让那抹胡子欺骗了你的眼睛:美国航空航天局(NASA)的宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly,右)和他兄弟马克(Mark
Kelly,左)可是同卵双胞胎。图片来源:Robert Markowitz/NASA

国际空间站上的生活会如何影响肠道菌群?研究人员正在展开实验。

不过在本月里你可能已经有了这种印象,因为许多媒体都错误地报道了这位宇航员在国际空间站度过一年后基因变化了7%的消息。

(Jerrusalem/编译)在美国航空航天局(NASA)的宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly)于3月28日前往国际空间站执行为期一年的太空任务的同时,他也将展开一项前所未有的研究,探秘人类在长期太空旅行中可能发生的生物学变化。

空间站的数据被发送到阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心,接受存储与归档。相关数据还会被发送至佛罗里达州的肯尼迪航天中心,在那里,技术人员将小鼠生存环境程序化,以匹配国际空间站的环境条件。相对于太空小鼠,地球小鼠存在三天的同步延迟,以便团队基于空间站的准确测量数据,对环境进行复制。从温度、湿度到二氧化碳含量,一切条件都严格匹配国际空间站;从动物处置、喂食到换笼,一切程序也都保持一致。

这件事是一次彻底的新闻失误,起因就是NASA那篇被误读的新闻稿。(在因措辞造成混乱后,NASA于3月15日修改了新闻稿,强调凯利的DNA没有发生根本性变化。)但是这起闹剧也说明我们需要对这件事做出更多解释,从“为什么一开始NASA会对凯利的基因感兴趣”到“DNA的基因表达是如何作用的”。现在就让我们来说明吧!

双子研究

大约一半的研究内容在航天领域是史无前例的。NASA和俄罗斯航天局已经就人体如何适应太空飞行进行了长时间的探讨。但这次的双胞胎研究则首次将这类探讨带入了现代基因组学领域。

这项研究是第一个比较两位分别置身在太空和地球、有着完全相同基因的人类的研究。双胞胎之中的一个将在很长的一段时间内暴露于宇宙辐射以及近乎零重力的环境下,而另一个则呆在地球进行正常的生活。除了对凯利兄弟进行全基因组测序,科学家们还将探讨基因表达情况、基因标志物、染色体缩短情况等等衡量健康与衰老的指标。

根据NASA的介绍,整个研究内容将分为四个部分。

  1. 人体生理学:
    生理学方面的研究着眼于航天环境如何改变心脏、肌肉和大脑等器官,包括与动脉粥样硬化、体液转移、视觉损伤以及颅内压方面的研究;
  2. 行为健康:
    这个方面的研究内容关注太空环境下宇航员的认知推理、决策和警觉性的变化。有宇航员报告称,在轨道上工作时感到大脑的警觉性下降,并且思维反应速度也变慢了;
  3. 微生物学:
    研究主要调查双胞胎的饮食差异和应激物情况,并了解它们如何影响双胞胎的肠道菌群。之前研究人员已经研究过宇航员在太空时的肠道菌群变化,而这次将更进一步,因为凯利兄弟的肠道微生物在一开始是相似的。兄弟俩将记录自己每日的食物,只是马克不受限于冷冻干燥的太空食品;
  4. 分子学/组学:
    这个领域的研究将主要包括航天环境可能导致的基因表达变化,以及辐射、幽闭环境和微重力等条件对蛋白质和代谢物的影响。这方面的研究囊括了为数最多的课题。

康奈尔医学院的遗传学家克里斯托弗·梅森(Christopher
Mason)研究DNA与RNA的甲基化。“这次的研究将为我们呈现人类有史以来最全面的分子信息。”他说,“而且,还是双份的!”

“虽然只有一双胞胎,但我们将分别在飞行前、飞行中和飞行后都进行研究。”科罗拉多州立大学的辐射生物学家苏珊·贝利(Susan
Bailey)说道,“最后我们会得到足够好的数据以得出统计学显著的结论。”贝利的团队着眼于关于端粒的研究。端粒位于染色体末端,会随着人年龄的增长而缩短。在太空中,由于宇宙射线的作用,端粒的损耗可能会加速。贝利认为,一年后,斯科特的端粒会比马克的更短。了解这一现象背后的原理,将对理解人们在地球上衰老产生广泛影响。

医生们可能从更广阔的视角解决与衰老或疾病有关的一般问题。珍妮弗·哈里斯(Jennifer
Harris)是一位遗传流行病学家,她表示,通过研究哪些基因会在太空中发生表达变化,研究者能更好地理解生理变化背后的基因通路。哈里斯专攻双胞胎研究,但并没有参与这项研究。她认为:“这项重要的研究产生的巨大影响将不限于双胞胎群体之内。”——如果这些结果能够公开的话。

(编辑:Calo)

这场小鼠任务有一长串的问题要解答。该课题由西北大学的弗雷德·塔瑞克(Fred
Turek)和玛莎·维塔特纳(Martha
Vitaterna)负责,多家学术机构的研究人员参与,旨在研究微重力条件对动物肠道菌群、胃肠功能、免疫功能、新陈代谢、睡眠以及昼夜节律的影响(或言干扰)。

斯科特·凯利在太空度过了一年,NASA很好奇这会对他的身体造成什么影响

斯科特·凯利和俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼延科(Mikhail
Kornienko)在2015至2016年间在国际太空站度过了340天,是人类在单次太空任务中的最长停留记录。

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NASA前宇航员斯科特·凯利,现已退休。图片来源:Wikipedia

但是凯利和科尔尼延科飞上太空并不仅仅是为了打破记录。这次任务的长度为日后登录火星等其他长期任务提供了重要测试。一次前往火星的旅途需要几个月到一年,NASA很好奇在太空中停留这么长时间会对人造成何种损害。

NASA和它的国际伙伴通常会让宇航员在国际空间站执行六个月的任务。但是只呆六个月也会对宇航员造成一些负面影响。

宇航员在执行任务的时候通常会报告视力衰退,而且在返回地球后也没有立即恢复正常。骨骼可以在微重力的情况下变得脆弱。肌肉会萎缩。在太空中也更难入睡。科学家还担心更长时间的任务会对人体生理造成更严重的影响,从改变肠道中的益生菌水平到降低免疫系统的能力。

NASA将会对比凯利和其他执行了较短太空任务的宇航员的身体。研究的根本问题是:是不是在太空中的时间越长,对身体的损害就越大?

作为一个实验对象,斯科特·凯利有点特殊性。也许你已经听说过,他有一个同卵双胞胎兄弟叫马克·凯利(Mark
Kelly)。马克也是一名宇航员。

这对双胞胎一起去了NASA,指出既然他俩既然有相同的DNA,那么马克·凯利也许能为实验提供有趣的对照。NASA喜欢这个主意,于是公开征集外部研究者来提交如何研究凯利兄弟区别的提案。

最后,NASA的这个命名为“双胞胎实验”的项目总计收获了10个研究项目,内容从研究凯利兄弟的认知能力到通过他们基因表达的变化去找代谢变化的征兆。

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马克(左)与斯科特(右)。图片来源:extremetech

实验的控制做得不算完美(后面部分会有更多解释),但是因为研究者有两个双胞胎在多个节点的数据,所以可以进行比较。如果在这段时间里,斯科特与马克在任何一项测试中的水平相差太大,那也许就可以把这种变化归咎于斯科特在太空中停留的时间。

孪生悖论

爱因斯坦曾提出过一个著名的“孪生悖论”:想象有一对双胞胎兄弟,其中的一个进行着相对论速度的宇宙旅行,而另一个则停留在地球上。若干年后,当前者返回地球时,他会发现自己比他的双胞胎兄弟年轻了许多。虽然这次的研究不会那么“高速”,不过仍然有着重大意义。

研究的想法最开始来源于凯利兄弟自己。斯科特已经有180天的太空经历,而这次,他将与俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼扬科(Mikhail
Kornienko)在地球轨道上呆整整一年。(而和他们一同出发的宇航员根纳季·帕达尔卡则会停留6个月,届时他将打破目前总停留太空时间的记录,803天。)

至于马克呢,他在2011年退役前进行过4次,总计54天的短途航天飞机飞行。而当斯科特返回地球时,他积累的太空飞行时间将是马克的近10倍。这就是区分这对双胞胎的关键点:不同的太空暴露时间。

斯科特·凯利对《自然》表示:“马克的太空经历与我有很大的不同。他呆的时间比较短,不足以让他适应太空环境,并对这种环境感到自然。而我可以。”

这对双胞胎已经提供了他们的血液、唾液、尿液以及粪便样品。从斯科特在太空的时候到他回来之后,这项工作将定期持续进行。双胞胎还将就分析结果的含义进行遗传咨询。只有10位主要研究者能得到所有的全基因组信息。

如果没有双胞胎的同意,他们将不能够发表结果。换言之,这个价值150万美元的双胞胎研究的结果可能会永远不见天日。因为凯利兄弟们进行的是全基因组测序。
如果他们发现自己的基因序列中有他们不愿公开的敏感的信息——比如易患某些特定的疾病——那么研究结果或许永远不会发表。NASA约翰逊航天中心的人类研究项目副总科学家克雷格·坤德罗特(Craig
Kundrot)说:“这是一个全新的领域,我们不可能预料到会发生怎样的事情。”

克雷格指出,遗传信息的采集将对未来的宇航员产生重大影响。比如,如果一个宇航员的基因组表明他或她对空间辐射电离作用有遗传敏感性,那么这些信息很可能影响NASA在考虑送谁上太空时所做的决定。

在过去,NASA曾大肆宣传其对宇航员约翰·格伦(John
Glenn)进行的监测研究。约翰曾在1962年进入过地球轨道,并在77岁高龄再次乘坐航天飞机翱翔天宇。不过,对于他衰老机体的研究除了显示约翰仍然能承受进入太空的压力之外没得到太多结果。相比之下,这次的双胞胎研究可能能获得更多有用的数据——地球上呆着一个基因完全相同的双胞胎,长时间的样品采集。“这给了我们更多的能力。”西北大学的神经生物学家玛莎·维塔特纳(Martha
Vitaterna)说道。

金沙国际平台 4双胞胎宇航员马克·凯利(左)和斯科特·凯利(右)。图片来源:issetdirectorblog.wordpress.com

在国际空间站(ISS)上,宇航员的粪便先是经由小孔,进入一个密封的马桶,然后被喷射入地球大气层,化成一团火焰。

就如许多人已经指出的那样,这样的解读是完全错误的。凯利的遗传编码——组成他DNA的成千上万组碱基对——没有改变。在这项关于凯利的长期研究中,NASA分享的(措辞上让人迷惑的)初步证据,其实是指凯利在太空中和返回时,他的基因使用方式发生了变化。

更新:美国东部时间2016年3月1日晚,已经在国际空间站上度过340天的美国宇航员斯科特·凯利和俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼延科一道乘坐俄罗斯的“联盟号”飞船从空间站返回地球。科学家们随后将能够对斯科特和他在地球的兄弟马克进行一系列监测比较。

尽管所有小鼠都将接受一连串的试验,但相对于地球,太空版的试验更需要一双巧手。在地球上,要收集小鼠粪便,或做一个小实验,这些都轻而易举;但没有了重力的协助,要操作一只扭来扭曲的小鼠,恐怕就没那么简单了。在这种棘手的条件下,每两周时间,宇航员都要从每只小鼠那儿,收集一颗珍贵的粪便。他们要测量每只小鼠的体重和骨密度,整个实验期间至少两次;还要给小鼠抽血,并用摄像机拍摄小鼠的栖息空间,共计三次,每次48小时。30天后,他们将对其中10只进行“处理”(安乐死并解剖的委婉说法)。幸存的10只可以再活两个月,但等待它们的将是同样的命运。

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研究人员将大量收集斯科特的基因组、分子及生理数据以及其他资料,并将它们和他呆在地球上的双胞胎兄弟——前宇航员马克·凯利的资料做比较。数据上的差异或许能揭示人体是如何应付极端环境的。

来源:popsci.com

NASA的新闻稿是如何被误读的

现在来讲讲事情是如何失去控制的。2018年1月31日,NASA在发布的新闻稿写道:

“研究者现在知道斯科特93%的基因在返回地球后恢复了正常。然而,剩下的7%可能导致与免疫系统、DNA修复、骨骼形成网络、低氧以及高碳血酸症相关基因的长期变化。”

这篇新闻稿在一月发出时吸引了一定的关注。NASA没有提到最终研究的结果(预计在今年晚些时候放出)。这更像是一个提醒:嘿,我们还在做这项研究呢。

如《大西洋月刊》所说,在三月中旬,一些媒体“因为尚不清楚的原因”盯上了这篇新闻稿。

举个例子,《新闻周刊》的头条是“斯科特·凯利:NASA双胞胎实验确认宇航员的DNA在太空中会发生变化”。“生活科学”网站(Live
Science)发布了一篇类似的文章,但随后令人敬佩地承认了错误:“关于斯科特·凯利太空基因的故事,我们完全搞错了。”

这篇新闻稿被大肆误报的部分原因是NASA没有解释“基因变化”的含义。斯科特·凯利的DNA并没有改变。如果你的DNA改变了7%,你将不再是一个人类。人类和黑猩猩拥有98.8%相同遗传编码。如果你7%的基因发生了变化,谁知道你会变成什么。NASA还在报道中说这种基因变化发生在一个“太空基因”中,这也造成了误解。事实上,NASA所说的“太空基因”仅仅是指在太空旅行中有可能受到影响的基因。

斯科特·凯利仍然是一个人类。而且他还是马克·凯利的双胞胎,他们有着一样的DNA。那么,是什么改变了呢?

在小鼠生命周期内,三个月并不算短,但对美国西北大学的团队而言,这是一场漫长的等待。等这些小鼠回到地球,他们的工作才算真正开始。技术人员将评估死鼠的蛋白质水平和激素状况,并分析视频记录下来的小鼠行为。技术人员还将用盐水溶解小鼠粪便,提取其中的DNA,并加以测序。

(锦衣Reload/译,vicko238、Ent/校)在国际空间站生活的一年里,NASA宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly)并没有变异成基因怪物。

听着耳熟?没错。2015年,美国宇航局(NASA)就做过同样的试验,只不过对象是人,名为“双胞胎研究”:宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly)在空间站上生活了一年,而他的哥哥马克·凯利(Mark
Kelly)在地球上充当控制组。科学家耗时数年,钻研该实验生成的数据。此次的“啮齿类研究7号”(Rodent
Research-7)任务,就由其中部分研究人员所设计。

图片来源:网络截图

小鼠实验也不能等同于“双胞胎研究”,说“兄弟实验”倒是可以。

现在来说一年的太空旅行如何影响凯利的长期健康还为时过早

总的来说,现在很难知道是太空飞行的哪些方面导致了这些改变(如果这些改变是真实的)。

原因是:基因一直在打开、关闭,而“基本上所有事物”都可以影响开闭,明尼苏达大学的遗传学研究员兰·贝克曼(Ran
Blekhman)说。压力、饮食、接触病原体、肢体活动,甚至孤独都可能会调整基因开启和关闭的方式。许多基因还会以昼夜节律运行,这意味着它们以24小时为周期循环开闭。甚至有一项研究发现冥想改变了基因表达。

所有这些干扰,都让辨别基因表达中有意义的变化(比如让癌细胞和健康细胞产生差异的变化)和找出造成这些变化的根本原因变得非常困难。

如果基因表达出现变化,那也很难说是太空旅行的哪一个因素导致的。这些变化可以被归咎为生活在微重力的环境下、缺乏运动、睡眠质量差或是吃冷冻干燥的食物。同时,也有随机变化的可能。

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