基因剪上太空了 國(guó)際空間站首次成功使用新技術(shù)研究酵母DNA修復(fù)

研究人員在國(guó)際空間站研究DNA損傷修復(fù)。課題組供圖

太空中彌漫著大量電離輻射，這讓宇航員面臨著更大的DNA損傷風(fēng)險(xiǎn)。而在人類和其他動(dòng)物中，受損DNA會(huì)誘發(fā)癌癥等問(wèn)題。

雖然，細(xì)胞能自行修復(fù)受損DNA，但由于技術(shù)和安全等原因，太空中DNA修復(fù)過(guò)程整體研究止步不前。

幸運(yùn)的是，美國(guó)JES Tech、MiniPCR Bio、麻省理工學(xué)院、懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)研究人員，開(kāi)發(fā)并展示了一種研究細(xì)胞如何在太空中修復(fù)受損DNA的新方法。這標(biāo)志著“基因剪”首次在國(guó)際空間站亮出閃亮刀鋒。

7月1日，相關(guān)論文刊登于《公共科學(xué)圖書館—綜合》。

“宇航細(xì)胞”自我修復(fù)可還行？

當(dāng)人們沖出大氣層探索地球以外的空間時(shí)，可能面臨電離輻射造成的有害DNA損傷。

實(shí)際上，在正常的生物過(guò)程中，生物體DNA損害時(shí)有發(fā)生，但環(huán)境因素（如紫外線）也可能加重這種問(wèn)題。幸運(yùn)的是，細(xì)胞有幾種不同的自然策略來(lái)修復(fù)受損的DNA。

其中，雙鏈斷裂是DNA損傷的一種類型，其可以通過(guò)兩種主要的細(xì)胞途徑進(jìn)行修復(fù)：非同源端連接和同源重組。非同源端連接可以在斷裂位點(diǎn)進(jìn)行額外的添加或刪除，同源重組則通常保持DNA序列不變。

先前的研究表明，太空條件可能會(huì)影響DNA修復(fù)路徑的選擇。例如，之前有表明，微重力條件可能會(huì)影響人體對(duì)DNA修復(fù)策略的選擇，引發(fā)了人們對(duì)細(xì)胞自身修復(fù)能力可能不夠的擔(dān)憂。

因此，隨著載人航天的不斷發(fā)展，弄清人體在太空中采用哪種特定的DNA修復(fù)策略變得尤為重要。

“我們?cè)诘厍蛏鲜褂玫脑S多破壞DNA的技術(shù)（比如輻射），在太空中使用都被認(rèn)為是不安全的?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧iniPCR Bio的Emily Gleason告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)利用CRISPR酶對(duì)人類DNA進(jìn)行切割，能夠人為有效地改變DNA。”該技術(shù)在此之前還沒(méi)有在太空中進(jìn)行過(guò)，但這次我們利用新技術(shù)成功地在國(guó)際空間站使用了它。這也是第一次在太空中完成整個(gè)分子生物學(xué)工作流程。”

“剪開(kāi)”DNA雙鏈

“太空基因”項(xiàng)目的Sarah Stahl-Rommel及其同事于，開(kāi)發(fā)了一種研究酵母細(xì)胞DNA修復(fù)的新方法，它主要基于CRISPR/Cas9技術(shù)，能誘導(dǎo)DNA斷裂和評(píng)估生物體如何選擇針對(duì)完全在空間中出現(xiàn)的雙鏈斷裂的修復(fù)途徑。

“這種方法完全可以在太空中進(jìn)行?！盧ommel表示，“這項(xiàng)技術(shù)借助‘基因剪’對(duì)DNA鏈進(jìn)行精確損傷，這樣與輻射或其他原因造成的非特異性損傷相比，人們可以更詳細(xì)地觀察到雙鏈斷裂后的DNA修復(fù)機(jī)制?！?/p>

研究人員在國(guó)際空間站上的酵母細(xì)胞中證明了這種新方法的可行性。他們希望借助這項(xiàng)技術(shù)在太空中進(jìn)行廣泛的DNA修復(fù)研究。他們不僅在極端環(huán)境下成功部署了CRISPR/Cas9基因組編輯、聚合酶鏈反應(yīng)和納米孔測(cè)序等新技術(shù)，而且能夠?qū)⑺鼈冋系揭粋€(gè)功能完整的生物技術(shù)工作流程中，適用于DNA修復(fù)和微重力條件下其他基本細(xì)胞過(guò)程研究。

這不僅標(biāo)志著CRISPR/Cas9基因組編輯首次在太空中成功進(jìn)行，也是活細(xì)胞首次在太空中成功進(jìn)行轉(zhuǎn)化——整合來(lái)自生物體外部的遺傳物質(zhì)。這些里程碑標(biāo)志著國(guó)際空間站上分子生物學(xué)工具包的重大擴(kuò)展。資深作者Sebastian Kraves說(shuō)，“這些發(fā)展讓團(tuán)隊(duì)對(duì)人類探索和居住廣闊太空的新探索充滿了希望?！?/p>

NASA約翰遜太空中心微生物學(xué)家Sarah Castro-Wallace說(shuō)：“我其令人難以置信的復(fù)雜性所震撼，我們看到，當(dāng)一個(gè)生物體被轉(zhuǎn)化時(shí)，它的基因組被CRISPR/Cas9編輯，出現(xiàn)DNA斷裂，然后生長(zhǎng)并修復(fù)DNA，最后，人們?cè)贉y(cè)序它的DNA，所有這些都是在國(guó)際空間站的太空飛行環(huán)境中完成的。執(zhí)行這種包羅萬(wàn)象、端到端調(diào)查的能力是空間生物學(xué)向前邁出的巨大一步?！?/p>

“成為太空六號(hào)基因計(jì)劃的一員是我職業(yè)生涯的亮點(diǎn)。我親眼看到，當(dāng)學(xué)生們的創(chuàng)新想法得到來(lái)自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和美國(guó)宇航局的支持時(shí)，可以取得多大的成就。團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)也使學(xué)生們能夠在地球之外進(jìn)行高質(zhì)量、復(fù)雜的科學(xué)研究?！盧ommel告訴記者，“我希望這一影響深遠(yuǎn)的合作能夠繼續(xù)向?qū)W生和高級(jí)研究人員展示我們實(shí)驗(yàn)室在太空中的可能性。”

創(chuàng)造了無(wú)數(shù)首次的高中生挑戰(zhàn)

太空六號(hào)基因計(jì)劃實(shí)際上是“太空基因計(jì)劃”的一部分。

波音公司和miniPCR生物公司合作開(kāi)展的“太空基因計(jì)劃”始于2015年，是一項(xiàng)免費(fèi)的高中生科學(xué)競(jìng)賽，國(guó)際空間站美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和新英格蘭生物實(shí)驗(yàn)室等為該項(xiàng)目提供了支持。

參賽學(xué)生可以為國(guó)際空間站設(shè)計(jì)DNA實(shí)驗(yàn)。太空一號(hào)基因計(jì)劃是由首個(gè)獲勝者Anna-Sophia Bogaraev設(shè)計(jì)的，而太空六號(hào)基因計(jì)劃是由來(lái)自明尼蘇達(dá)州的高中生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的，他們?cè)?018年的競(jìng)賽中獲勝。

太空一號(hào)基因計(jì)劃標(biāo)志著聚合酶鏈反應(yīng)首次在太空中使用miniPCR熱循環(huán)擴(kuò)增DNA，隨后不久研究人員開(kāi)始能使用MinION設(shè)備測(cè)序DNA。太空三號(hào)基因計(jì)劃結(jié)合了這兩項(xiàng)成果，進(jìn)行了在微重力下微生物鑒定完整過(guò)程，這是首次在空間站上完成完整樣本測(cè)序。

在太空中識(shí)別微生物可以幫助宇航員實(shí)時(shí)診斷和治療疾病，也有助于識(shí)別其他星球上以DNA為基礎(chǔ)的生命。該研究首先采集微生物樣本，進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增，然后進(jìn)行測(cè)序和鑒定。NASA宇航員 Peggy Whitson在國(guó)際空間站進(jìn)行了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，Wallace團(tuán)隊(duì)在休斯頓觀察并指導(dǎo)她。

作為常規(guī)微生物監(jiān)測(cè)的一部分，培養(yǎng)皿被置于空間站的不同表面。大約一周后，Whitson將培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的菌落中的細(xì)胞轉(zhuǎn)移到微型試管中，這在太空中是前所未有的。成功收集到這些細(xì)胞后，Whitson就可以分離DNA并為測(cè)序做準(zhǔn)備，進(jìn)而鑒定未知的生物體——這是太空微生物學(xué)的又一個(gè)首次。

“在技術(shù)方面，太空六號(hào)基因計(jì)劃利用了太空一號(hào)和三號(hào)基因計(jì)劃開(kāi)發(fā)的技術(shù)，但增加了在太空轉(zhuǎn)化和編輯活細(xì)胞的額外步驟。”Gleason說(shuō)，未來(lái)，研究人員將改進(jìn)這種新方法，以更好地模擬電離輻射造成的復(fù)雜DNA損傷。這項(xiàng)技術(shù)還可以作為研究與長(zhǎng)期空間接觸和探索有關(guān)的許多其他分子生物學(xué)主題的基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253403

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