Близнецы в космосе: как космические путешествия влияют на экспрессию генов

Ученые получили редкую возможность увидеть, как условия на Международной космической станции сказались на экспрессии генов, сравнив идентичных астронавтов-близнецов: один из них провел в космосе около года, другой остался на Земле. Окружающая среда на космической станции вызвала изменения в экспрессии генов посредством процесса эпигенетики. Ученые NASA уже знают, что астронавты будут по-разному подвергаться физическим стрессам.

Исследования генетического фона астронавтов могут объяснить, почему некоторые из них более подвержены проблемам со здоровьем, когда возвращаются на Землю. Эти результаты могут привести к индивидуальным профилактическим мерам для уязвимых астронавтов. И что удивительнее всего, эти открытия могут также привести к разработке методов лечения всяких синдромов, влияющих на нас на Земле.

Что происходит с человеком в космосе: пример близнецов
NASA изучает последствия космических путешествий для человеческого организма с самого начала космической эры. На пресс-конференции, состоявшейся примерно через неделю после прибытия на Международную космическую станцию (МКС), канадский астронавт Дэвид Сен-Жак сказал, что чувствует себя «несколько перегруженным» и «с большим опухшим красным лицом, будто висишь вверх ногами на перекладине». Это неудобное чувство появилось из-за перераспределения жидкости от нижней части к верхней части тела.

Здоровье космонавтов после длительных миссий
Последствия для здоровья, возникающие в результате длительных полетов в космос, изучены недостаточно. В целом, астронавты сохраняют отличное психическое и физическое здоровье по сравнению с населением, даже по возвращении из долгосрочных миссий. И все же, последствия таких миссий для здоровья были признаны научно, в том числе проблемы с сердечно-сосудистой системой и зрением, причины которых изучаются.

Ученые NASA исследуют, как экспрессия генов — как ДНК преобразуется в ткани — изменяется в ответ на влияние окружающей среды на МКС. Область эпигенетики описывает механизмы, посредством которых факторы окружающей среды, такие как микрогравитация, относительно высокий уровень углекислого газа и возможные скачки излучения, изменяют способ считывания ДНК.

Также они хотят знать, как уникальная ДНК каждого астронавта будет определять их реакцию на среду космической станции. Сейчас из 37 исследований, которые проводятся на космической станции, 3 посвящены именно генетическим исследованиям.

Две стороны одной медали
Предварительные результаты исключительного исследования идентичных близнецов поддерживают идею того, что космические путешествия могут влиять на экспрессию генов в различных органах. С 2015 по 2016 год астронавт Скотт Келли находился на борту МКС в течение 340 дней подряд. Его брат-близнец Марк остался на Земле. Основной генетический код Скотта не изменился, но среда космической станции повлияла на то, как этот код преобразовался в ткани.

По словам одного из ведущих ученых в этом исследовании близнецов Кристофера Мейсона, эти изменения произошли в важных биологических путях, имеющих отношение к образованию костей и иммунной системе. Изменения экспрессии генов были классифицированы в отношении возможного риска как «низкий, средний или высокий».

Изменения экспрессии генов с низким риском (примерно 93% всех изменений) вернулись к норме, когда Скотт вернулся на Землю. По словам Мейсона, возможные изменения от среднего к высокому риску не изменились через шесть месяцев и «за ними они будут приглядывать». К примеру, произошли изменения экспрессии, которые привели к постановке иммунной системы в режим «повышенной готовности».

Хотя исследование идентичных близнецов обеспечивает наилучшую оценку влияния космического пространства на экспрессию генов, вокруг не так уж и много астронавтов-близнецов.

Подтверждение результатов у близнецов Келли потребует исследований у других астронавтов. В настоящее время эти исследования для подтверждения проводятся на Международной космической станции, поскольку для анализа собирается жидкая биопсия (бесклеточные образцы ДНК и РНК из крови). Но эксперименты с участием близнецов послужили «трамплином для всех последующих исследований», говорит Мейсон.

Миссии меняют мнение
Предыдущие исследования здоровья глаз в группе астронавтов предполагают, что не все астронавты будут одинаково реагировать на жизнь на космической станции. Офтальмологический синдром астронавта — это состояние, которое поражает некоторых астронавтов. Эти глазные изменения классифицируются NASA как «значительный риск для космических путешественников» и включают в себя изменения хрусталика и формы глаза.

В некоторых случаях астронавты с отличным зрением перед космическим полетом «возвращаются с необходимостью носить очки», говорит Скотт Смит, ведущий биохимик по питанию в NASA. «Мы видели химические изменения в образцах крови (от астронавтов) перед полетом, поэтому решили изучить генетику».

Для этого исследования образцы крови предоставили 72 астронавта. Анализ показал, что генетический фон каждого астронавта играет определенную роль в определении уязвимости их глаз или эпигенетической реакции на вредные триггеры на космической станции.

Космические глаза и земные черви
Исследование предполагает, что некоторых астронавтов можно предупреждать о личном риске развития проблем со зрением во время длительных космических полетов. А еще лучше применить и реализовать индивидуальные профилактические меры для людей с самым большим риском заболевания.

«Практически вся работа в NASA имеет значение для населения в целом», говорит Смит.

Офтальмологический синдром астронавтов связан с другой, гораздо более распространенной проблемой со здоровьем здесь, на Земле. Оказывается, что те же генетические варианты и изменения в сывороточных факторах, которые связаны с глазными проблемами у космонавтов, также связаны с синдромом поликистозных яичников, формой бесплодия у женщин.

Генетические и эпигенетические исследования на астронавтах обеспечат астронавтов персонализированными медицинскими подходами в космосе. И они же могли бы обеспечить людей на Земле потенциальными методами лечения сложных заболеваний. Таковы предварительные результаты исследования.