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揭秘太空之旅的生理秘密:宇航员血液RNA直接测序展现m6A水平攀升与造血新变化

 

民用航空的发展使得普通人也可以飞上太空,然而无论是短期还是长期太空飞行,均会对宇航员的器官或细胞造成一定的生理影响,尤其是血液系统在分子和生理层面可能会发生显著变化。因此深入探究太空旅行对人体分子及细胞层面的影响至关重要。本研究使用纳米孔Direct RNA测序(DRS)技术,追踪了四名乘坐Space X灵感4号飞船(Inspiration4)的宇航员在飞行前后七个关键时间点(含发射前夕、返回当天及恢复阶段)的全血样本,绘制了人类在太空飞行中的生理影响转录组图谱,揭示了太空飞行引起的遗传和免疫变化,如红细胞调控、应激反应和免疫系统变化,并首次展示了太空任务中的人类m6A修饰图谱。这些发现展现出首个详细具体的 long-read RNA变化图谱和m6A修饰图谱,加深了我们对人体转录组动态响应太空飞行的理解。

 

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文章标题:Direct RNA sequencing of astronaut blood reveals spaceflight-associated m6A increases and hematopoietic transcriptional responses

发表杂志:Nature Communications(IF=16.6)

发表时间:2024.6.11

发表单位:美国纽约威尔康奈尔医学

 

材料和方法

 

材料:对四名乘坐Space X灵感4号飞船的宇航员的全血样品进行取样,采样时间跨越了飞行前、返回日以及返回地球后的恢复期,包括以下七个时间点:飞行前92天(L-92)、飞行前44天(L-44)、飞行前3天(L-3)、着陆当天(R+1)、恢复期45天(R+45)、恢复期82天(R+82)和恢复期194天(R+194)。

 

方法:Direct RNA测序、短读长RNA-seq

 

主要结果

 

1.差异基因表达和基因集协同调节分析揭示与短期太空飞行效应相关的基因和途径

该研究对测序下机数据分别使用Nanopore的pipeline-transcriptome-de流程与subread软件两种方法来进行表达定量分析和差异表达分析。这两种方法虽有所不同,但在基因表达相对丰度估计上高度一致(r=0.98),并在所有时间点变化趋势上基本吻合(图1a、1b)。

 

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图1 比较DGE pipelines

 

通过基因集协同调节分析(GESECA)来分析已知通路和分子功能的变化,特别是针对那些在R+1时间点(立即飞行后)偏离基线值的通路。在鉴定的6336条通路中有789条通路的变化存在显著共调控。虽然在R+1时存在2829个下调基因,但绝大多数显著可变的通路是由上调基因驱动的。变化最为显著的通路与血红细胞的功能发挥相关,包括CO2/O2代谢及AHSP相关通路(AHSP:血红蛋白的伴侣分子蛋白),表明太空飞行对血红细胞功能发挥有着重大影响(图2)。

 

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图2 在变化最大的通路中的基因表达模式

 

这些通路变化趋势各异,有的在返回地球后立即中断(图3a),有的则逐渐恢复至基线(图3b)。尽管大多数改变的血红素相关通路在返回地球时表现出基因表达增加,但有两个红细胞相关通路显示出不同的反应,比如红细胞CO2和O2吸收(和释放)的相关通路减少,以及Steiner膜基因的增加,表明太空飞行对红细胞造成了显著的压力。

 

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图3 飞行前、返回及恢复过程中通路共调节的模式

 

此外,通过转录因子富集分析来识别所有时间点共有的转录因子,并结合CHIP-seq和共表达分析,鉴定到排名前三名的调节因子——KLF1、GATA1和TAL1,均为红细胞分化过程中的关键转录因子。由此不仅强调了太空飞行中细胞类型的变化,也暗示了在GESECA分析中观察到的趋势可能存在的转录因子驱动因素。

 

2.m6A修饰分析识别差异纵向甲基化的位点

进一步探索了太空飞行前后不同时间点RNA分子中m6A修饰的动态变化,通过DRS测序识别出1190个在飞行前后以及恢复期间有显著差异的m6A修饰位点,这些位点富集于193个基因的200个转录本中,其中与飞行前的时间点相比,返回地球当天(R+1)的差异最为显著。这些变化与GESECA分析得到的通路变化相关,特别是那些与红细胞功能相关的通路,如AHSP途径(图4a,b)。研究发现,尽管存在差异甲基化位点的基因与差异表达基因在很大程度上是不同的,但在前30个高甲基化基因中有11个属于HSIAO_HOUSEKEEPING_GENES通路,涉及到HBA、HBB和HLA等位基因,表明,对太空飞行作出响应的基因的转录水平与其RNA修饰是不同的,并且这种差异性在免疫和造血相关通路中是一致的。

 

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图4 具有最多差异甲基化基因的通路

 

进一步对比飞行和返回阶段的m6A修饰差异,鉴定了331个高甲基化的位点,并观察到若干特定基因(例如HBA家族成员)在返回地球后45至82天期间经历显著的去甲基化过程。其中,SLC25A37基因的一个位点在着陆后45天时显示出甲基化水平的升高。然而,在长期追踪的时间点上,未发现其他位点有甲基化水平升高的现象,表明太空飞行对m6A甲基化状态的最剧烈调整主要发生在重返地球后的最初几天内。

 

3.de novo转录组分析揭示了L-92、L-3、R+1和R+194的特异性转录本

随后采用de novo转录组分析来揭示特定时间点的特异性转录本。通过分析飞行前后及恢复期的两个时间段的转录本,发现不同时间点存在特异性的转录本,如飞行前的L-92有8个,L-3有7个,返回当天R+1有6个特有转录本,这些特有转录本可能代表着对太空飞行的一种非常特殊的响应,在以往的研究中未曾观察到。此外还分析了太空飞行压力是否引起转录本剪接异常,结果发现多种转录本存在内含子保留等变化,说明太空环境影响了RNA的加工。

 

值得注意的是,该研究鉴别出两种仅与R+1时间点相关的特有转录本,它们在返回地球后表达减少,一个是未知功能lncRNA转录本,另一个是未注释的新转录本。为了验证这些新转录本,使用Ultima Genomics UG100平台对相同的全血样本进行深度RNA-seq,结果与纳米孔数据有高度一致性,平均基因表达量的相关系数在0.56至0.71之间(图5B)。通过这种方法,确认了92%通过de novo方式鉴定出的时间点特异性转录本,包括未被注释的,与R+1时间点相关lncRNA转录本(图5C)。

 

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图5 利用Ultima Genomics深度RNA-seq验证转录本变体

 

该研究使用Direct RNA测序技术,分析了太空飞行前后人体生理的基因表达、可变剪接及m6A甲基化,揭示了太空旅行引起的血液转录组的广泛的动态变化,尤其体现在血管和免疫系统对压力的反应及返回地球后的分子适应上,为研究太空环境对人类的深刻影响提供了重要见解。

 

参考文献:

Grigorev, K., Nelson, T.M., Overbey, E.G. et al. Direct RNA sequencing of astronaut blood reveals spaceflight-associated m6A increases and hematopoietic transcriptional responses. Nat Commun 15, 4950 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48929-3

 

 


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