Nat Comm|多组学分析揭示短期太空飞行后的生理变化

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九天揽月,五洋捉鳖。

人类的足迹已抵达万米深的海沟和数百千米的太空。去年夏天,英国一家公司将私人乘客送往太空,全球首趟商业太空飞行成功。

太空旅行,不再是遥不可及的梦。

试想一下,你是一位太空旅行者,刚刚完成了一次为期三天的太空之旅。

回到地球后,科学家们把你层层围住,并抽取了你的血样,他们迫不及待想看看你的身体里发生了怎样的变化。

他们发现,在短短三天的太空旅行后,你血液中的一些蛋白质和代谢物都发生了变化。细胞外囊泡里的151种蛋白质和血液中的40种蛋白质都发生了变化,太空旅行似乎给这些蛋白质来了个大洗牌!

好消息是:细胞外囊泡中的大多数蛋白质在回到地球后很快就恢复到了正常水平。

坏消息是:血液中的一些蛋白质就没那么快恢复了,甚至在82天后还没完全回到原来的样子。就像是,你的身体经历了一场狂欢大派对后,需要很长时间才能彻底恢复元气。

此外,科学家们还在你体内发现了100种代谢物的变化,不过这些变化也很快就恢复了正常。

一趟天外之旅,对你身体的内在运作产生了深远的影响,比如增加氧化应激和影响免疫系统。你的身体会启动一些紧急机制,增加抗氧化蛋白和代谢产物来保护自己。

更有趣的是,科学家还发现太空旅行可能会影响你的免疫细胞和大脑功能,这可能意味着在太空中,你的大脑和免疫系统要面对额外的挑战。

 

这场奇幻的太空-科研之旅,不是科幻电影,而是科学家们在现实世界中的研究内容。

6月11日,美国威尔康奈尔医学院的 Christopher E. Mason 团队在 Nature Communications 发表了新的文章 Secretome profiling reveals acute changes in oxidative stress, brain homeostasis, and coagulation following short-duration spaceflight研究了为期3天的太空飞行对宇航员血浆和细胞外囊泡(EVP)蛋白质组和代谢组的影响。

图1 论文截图


- 提纲挈领 -

研究人员通过分析太空飞行前后不同时间点的血液样本,发现EVP中的差异蛋白数量(151个)显著多于血浆中的(40个),其中大多数EVP差异蛋白在长时间内恢复至飞行前水平,而血浆中的差异蛋白大部分(72.5%)在飞行后82天仍未恢复。代谢组分析显示,太空飞行后立即有100种代谢物发生显著变化,但这些变化在随后迅速恢复。研究还揭示了太空飞行导致的氧化应激和免疫失调,并指出抗氧化蛋白和代谢产物的上调可能是为了应对增加的活性氧。此外,血浆和EVP中的蛋白质和代谢物网络分析显示太空飞行对免疫细胞和脑功能有显著影响,提示太空环境可能会引起血脑屏障破坏。


研究人员采集了执行SpaceX Inspiration4任务的4名航天员(2男2女)飞行前(92天, 44天, 3天)和飞行结束返回地球后(1天, 45天, 82天)的血样,利用蛋白质组学和代谢组学等方法,分析了血浆和EVPs中的蛋白质和代谢物。

研究结果如下:

1. 3天太空飞行后血浆和EVPs蛋白质组的变化

对飞行前后的航天员血浆进行分析后,研究人员识别出了2992种独特的血浆蛋白和1443种独特的EVP蛋白,两者之间有1030种蛋白重叠。这些蛋白可能是血浆EVP蛋白或是可以存在于溶液中(即自由溶解在血浆中)或与EVP相关的蛋白。

进一步分析发现,尽管EVPs中检测到的蛋白较少,但其差异表达的蛋白(DAPs)比血浆中更多(EVPs中151种,血浆中40种)。大多数EVP DAPs在飞行后逐渐恢复到飞行前的水平,而血浆中的大部分DAPs在82天后仍然存在。

EVPs和血浆蛋白质组提供了不同的空间飞行相关信息。研究人员发现有9种DAPs在EVPs和血浆中均显著变化,提示氧化应激和脑炎症的可能性,并通过富集分析确认了ROS生成、氧化应激、伤口愈合、凝血、免疫功能等通路在EVP和血浆中均显著富集。

图2 3天太空飞行后血浆和EVP的蛋白质组学变化


2. 3天太空飞行后血浆代谢谱的变化

为了捕捉与太空飞行相关的代谢变化,研究人员对4名航天员血浆中的1135种代谢物进行了分析。他们发现100种代谢物在飞行后立即显著变化,但这些变化在随后的时间点上不再显著,表明代谢变化是急性的,且代谢稳态在返回地球后迅速恢复。

其中,嘌呤代谢途径的代谢物显著增加,磷脂代谢途径中的代谢物显著减少,这可能与脂质过氧化相关。

通过TBARS分析,研究人员发现脂质过氧化在飞行后显著增加,并在几周后恢复到基线水平,表明太空飞行引起了脂质过氧化和氧化应激。

 

3. 太空飞行对抗氧化物质产生的影响

太空飞行后,航天员的血浆显示出抗氧化蛋白的上调和独特的代谢特征,这种变化在飞行后即刻和长时间点都存在。
在中期时间点,EVP中抗氧化蛋白和与合成代谢及细胞生长相关的代谢蛋白显著富集,可能提高供体细胞的抗氧化能力和细胞生物能量。在飞行后即刻,血浆和EVP中抗氧化蛋白的增加可能是为了补偿增加的活性氧(ROS)。
在长期时间点,EVP中的这些蛋白水平恢复正常,但血浆中仍保持抗氧化蛋白的上调和代谢特征的改变。这些数据表明,太空飞行后体内的ROS水平和代谢特征至少在着陆后80天内仍可能存在差异。

 

4. 蛋白/代谢组学揭示抗氧化防御和免疫失调的共同特征

通过相关性分析,研究人员研究发现了ROS(reactive oxygen species)和免疫失调是飞行后最常见的分子变化。
ROS亚网络中涉及的抗氧化酶(如PRDX1、SOD1和GCLC)在飞行后显著增加,表明身体在飞行后通过增加抗氧化物质来应对氧化应激。

研究人员还发现,免疫亚网络中大多数免疫细胞的蛋白质标志物在飞行后显著减少,但抗炎和抗氧化分子(如肌苷和牛磺酸)增加,表明免疫系统在飞行后出现了抑制和抗炎反应。

图3 综合蛋白质组学和代谢组学分析揭示了抗氧化防御和免疫功能障碍的共同特征



5. 免疫细胞对太空飞行后分泌组变化的贡献

研究人员比较了PBMCs(外周血单个核细胞)的基因表达与血浆和EVPs蛋白质的变化,发现部分蛋白质变化与PBMCs的基因表达变化一致。

通过进一步分析,研究人员发现淋巴细胞(T细胞、B细胞、NK细胞)对分泌组(secretome)变化的贡献大于髓系细胞。

此外,具体的免疫基因(如ILK和C8A)在EVPs和PBMCs中均表现出显著变化。

 

6. 红细胞对太空飞行后分泌组的变化不起作用

研究人员通过对太空飞行前后i4乘组全血和外泌体的RNA测序数据进行比较,发现红细胞对分泌组(secretome)变化没有贡献。虽然EVP中的蛋白质丰度与全血中的基因表达呈负相关(EVP中增加,而全血中减少),但PBMC中的基因表达与蛋白质丰度大多一致。

研究还确定了几个与血液和脑功能相关的基因在分泌组中的表达变化,并发现这些变化可能与血红素代谢、贫血、血液疾病以及脑功能相关。

 

7. 太空飞行后分泌组中的大脑相关特征

越来越多的证据表明,太空环境可能会导致血脑屏障(BBB)破坏。为了验证这一点,研究人员分析了太空飞行后血浆和外泌体中的脑相关蛋白质。

结果发现,这些蛋白质在飞行后显著增加,特别是在返回地球后的第一天和第三天。这些蛋白质的增加可能是由于BBB破损,导致脑蛋白质渗漏入血液。

研究还使用小鼠模型,进一步确认了这种蛋白质变化,并发现了与BBB完整性相关的标志物(PECAM-1)的增加。

图4 太空飞行后,大脑相关蛋白质在分泌组中富集

这些发现表明,太空飞行可能通过破坏BBB,导致脑蛋白质释放到血液中(而不是由脑组织特异性EVPs的分泌引起)。


总的来说,这项研究通过全面的蛋白质组学和代谢组学分析,揭示了3天太空飞行对人类分泌组的影响(包括氧化应激、免疫失调、代谢变化以及脑相关特征的增加)。研究结果对理解太空飞行对人体健康的长期影响具有重要意义,未来的研究和应用可以利用这些发现开发针对太空飞行相关健康风险的监测和对策工具。

下一次,若你在电视上看到宇航员们在太空中飘来飘去,请记住,他们的身体正在经历一场不为人知的冒险!


文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48841-w

 

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