In een baanbrekende studie, een groep Amerikaanse wetenschappers van Johns Hopkins, Stanford University en andere instellingen hebben geen langdurige, grote verschillen tussen de epigenomen van astronaut Scott Kelly, die een jaar in de ruimte aan boord van het internationale ruimtestation ISS heeft doorgebracht, en zijn tweelingbroer, Markering, die op aarde bleef.

Wat deze studie ons vertelt over de gevaren van ruimtereizen op het genoom van een persoon is niet duidelijk, zeggen de wetenschappers, maar onderzoek naar extra astronauten in de ruimte zou wetenschappers uiteindelijk kunnen helpen bij het voorspellen van de soorten medische risico's waarmee ze te maken kunnen krijgen tijdens lange ruimtereizen waar mensen minder zwaartekracht ervaren dan op aarde, blootstelling aan schadelijke ultraviolette stralen en andere gezondheidsrisico's.

"Dit is het begin van de menselijke genomica in de ruimte, " zegt Andrew Feinberg, MD, de Bloomberg Distinguished Professor of Medicine, Biomedische technologie en geestelijke gezondheid aan de Johns Hopkins University. "We hebben de methoden ontwikkeld om dit soort menselijke genomische studies te doen, en we zouden meer onderzoek moeten doen om conclusies te trekken over wat er met mensen in de ruimte gebeurt."

Epigenetische veranderingen omvatten chemische "tweaks" aan DNA die genactiviteit kunnen beïnvloeden, maar de veranderingen hebben geen invloed op de onderliggende genetische code zelf. De veranderingen beïnvloeden wanneer en hoe een gen wordt gelezen, of uitgedrukt, voor zijn eiwitcoderende instructies. Wanneer epigenetische veranderingen plaatsvinden op het verkeerde moment of op de verkeerde plaats, het proces kan genen op de verkeerde tijd en plaats aan- of uitzetten, te.

Wetenschappers hebben lang de fysiologische effecten van ruimtereizen op astronauten gevolgd en bestudeerd. Echter, de meeste van deze astronauten reizen op ruimtevluchten van zes maanden of minder, niet de langere missies die nodig zijn om naar Mars of elders te reizen. Er is meer onderzoek nodig om de impact van lange ruimtevluchten op het menselijk lichaam te begrijpen, waar meer blootstelling aan straling is, beperkt dieet, minder sporten, lagere zwaartekracht en verstoorde slaapcycli.

Feinberg merkt op dat het bestuderen van identieke tweelingen - die, van nature, hetzelfde genetische materiaal hebben - was een belangrijke en zeldzame kans om fysiologische en genomische veranderingen te vergelijken toen de ene tweeling de ruimte in ging en de andere op aarde bleef. "Echter, aangezien we maar twee mensen in onze studie hebben, we kunnen niet zeggen dat deze veranderingen te wijten zijn aan de ruimtevaart zelf, ", zegt Feinberg. "We hebben meer studies van astronauten nodig om dergelijke conclusies te trekken."

Voor de studie, beschreven in het nummer van 12 april van Wetenschap , wetenschappers verzamelden bloedmonsters, fysiologische gegevens en cognitieve metingen van Scott en Mark Kelly op verschillende tijdstippen meer dan 27 maanden eerder, tijdens en na Scotts eenjarige ruimtemissie. De monsters van Scott tijdens de vlucht werden verzameld op het ruimtestation toen zendingen van de aarde arriveerden op een Sojoez-raket en, diezelfde dag, met de raket terug naar de aarde verscheept, zodat de monsters binnen 48 uur konden worden verwerkt.

Feinberg en voormalig postdoctoraal student Lindsay Rizzardi, nu senior wetenschapper aan het HudsonAlpha Institute for Biotechnology, gericht op epigenetische veranderingen in de genomen van Scott en Mark.

specifiek, Feinberg en zijn team onderzochten twee soorten witte bloedcellen (CD4+ en CD8+) geïsoleerd uit het bloed van Mark en Scott. Ze concentreerden zich op epigenetische kenmerken bestaande uit chemische modificaties die methylgroepen worden genoemd en die aan het DNA worden toegevoegd in een proces dat methylering wordt genoemd.

Algemeen, ze ontdekten dat er ongeveer net zoveel epigenetische veranderingen plaatsvonden in het DNA van Mark aan de aarde als in zijn ruimtevliegende tweeling. Er was minder dan 5 procent verschil in algehele methylering tussen de tweelingen tijdens de missie. Het grootste verschil deed zich negen maanden na de missie voor toen 79 procent van Scotts DNA gemethyleerd was, vergeleken met 83 procent van Mark's.

De locaties van methyleringsveranderingen in het genoom waren verschillend voor elke tweeling. Bijvoorbeeld, de wetenschappers vonden methylatieveranderingen in de buurt van genen die betrokken zijn bij de reacties van het immuunsysteem in Scott tijdens zijn tijd in de ruimte, maar niet in Marcus. Dit correleerde met gegevens van andere onderzoekers die betrokken waren bij de huidige studie, die verhogingen vonden van bepaalde biochemische markers die verband houden met ontsteking bij Scott, maar niet bij Mark.

"Het was bemoedigend om te zien dat er geen massale verstoring van het epigenoom was in Mark of Scott, "zegt Rizzardi. "Echter, met slechts twee mensen in de studie, we zijn beperkt in de conclusies die we kunnen trekken over het effect van ruimtevaart op het genoom. Maar de bevindingen geven ons aanwijzingen voor wat we nader zouden moeten onderzoeken in toekomstige studies van astronauten."

In de huidige studie, Scott's biologische monsters werden onmiddellijk teruggestuurd naar de aarde, maar in de toekomst astronauten moeten mogelijk monsters op het ruimtevaartuig verwerken en opslaan. Feinberg, Rizzardi en NASA-wetenschapper Brian Crucian ontwikkelden gedetailleerde instructies voor het doen van gecompliceerde experimenten in microzwaartekracht. Feinberg en Rizzardi reisden een week lang op de beroemde "Komeetkomeet, " een vliegtuig dat gewichtloosheid simuleert, om hun protocollen te testen voor het overwinnen van de uitdagingen van het verzamelen, het zuiveren en opslaan van bloedmonsters aan boord van het ruimtestation.

Van de onderzoeken onder leiding van wetenschappers van Stanford University, Colorado Staatsuniversiteit, Cornell University en anderen, enkele van de opmerkelijke resultaten waren onder meer Scott's verlenging van telomeren tijdens de vlucht, de beschermende eindkapjes op chromosomen. De telomeer verlenging, zoals eerder gemeld, keerde terug naar normaal toen Scott terugkeerde naar de aarde.

In aanvulling, meer dan 90 procent van de genen die het activiteitsniveau tijdens Scott's vlucht veranderden, keerde zes maanden na de vlucht terug naar normaal. Nog, Feinberg merkt op, deze veranderingen zijn niet alleen indicatief voor ruimtevluchten, ze verschillen ook niet van wat normaal zou kunnen gebeuren.

De wetenschappers ontdekten ook dat de vorm van Scott's oogbol in de loop van de vlucht veranderde, inclusief een dikkere retinale zenuw en plooien in de choroïde laag die het oog omringt. Deze veranderingen hebben meestal invloed op de gezichtsscherpte en, zegt Feinberg, zijn voorgekomen bij andere mannelijke astronauten, maar niet bij vrouwen. De wetenschappers observeerden ook cognitieve veranderingen en verhoogde stressniveaus in Scott tijdens de vlucht, die, opnieuw, kan niet alleen worden toegeschreven aan ruimtevluchten.

Feinberg zegt dat deze studie de basis legt om voorspellingen te doen over de gengerelateerde en fysiologische functie van een astronaut tijdens een langetermijnmissie:"Als we weten wat we kunnen verwachten, we kunnen anticiperen op gezondheidsproblemen die astronauten kunnen tegenkomen en ervoor zorgen dat medicijnen en andere remedies bij de hand zijn tijdens een missie."