Stacja naukowa 101: Badania nad epigenetyką w kosmosie
Rosnąca liczba badań sugeruje związek między mechanizmami epigenetycznymi a szeroką gamą chorób i zachowań, w tym rakiem, chorobami sercowo-naczyniowymi i autoimmunologicznymi oraz zaburzeniami funkcji poznawczych. Epigenetyka odgrywa również rolę w zmianach, jakich ludzie i inne żywe istoty doświadczają w kosmosie.
Zjawisko to stało się częścią badań w wielu różnych dziedzinach, w tym badań mikrograwitacyjnych prowadzonych na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Czym więc jest epigenetyka? Według artykułu z National Institute of Environmental Health Sciences, obejmuje ona każdy proces, który zmienia aktywność genów bez zmiany rzeczywistej sekwencji DNA i prowadzi do modyfikacji, które mogą być przekazywane potomstwu. Zasadniczo wiąże się to z informacją dodaną do sekwencji DNA czterech zasad: adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C) i tyminy (T).
Sekwencja tych zasad tworzy kod genetyczny dla rozwoju i funkcjonowania - zasadniczo plan dla każdej żywej istoty. Epigenetyka zmienia organizm, zmieniając, które geny są wyrażane - zasadniczo włączane lub wyłączane - bez zmiany tego podstawowego schematu. Innymi słowy, epigenetyka powoduje zmianę poprzez modyfikację ekspresji genów, a nie zmianę samego kodu genetycznego.
Zmiany epigenetyczne mogą być spowodowane wieloma bodźcami zewnętrznymi, od chemikaliów po urazy i ćwiczenia. W przeciwieństwie do zmiany genetycznej lub mutacji, zmiana epigenetyczna może się odwrócić, jeśli bodziec zostanie usunięty. Wiele zmian epigenetycznych jest pozytywnych, a nawet niezbędnych, ale niektóre powodują poważne negatywne skutki zdrowotne i behawioralne.
Lata analiz wykazały, że środowisko lotu kosmicznego zmienia ekspresję genów w każdym organizmie i typie komórek. Epigenetyka może pomóc naukowcom dowiedzieć się, jak to się dzieje i dlaczego. Badanie epigenetyki może ujawnić ścieżkę, którą komórki wykorzystują do adaptacji i przetrwania w mikrograwitacji oraz ujawnić sposoby kontrolowania pozytywnych zmian lub zapobiegania negatywnym.
Badanie epigenetyki przeprowadzone przez JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) dotyczyło tego, czy okrągły robak C. elegans doświadczył zmian epigenetycznych i czy zmiany te przenosiły się z pokolenia na pokolenie. Naukowcy zaobserwowali zmiany epigenetyczne i doszli do wniosku, że ekspresja niektórych genów, w tym negatywnych regulatorów wzrostu i rozwoju, jest epigenetycznie dostrojona, aby dostosować się do mikrograwitacji.1
JAXA's Mouse Epigenetics badała zmienione wzorce ekspresji genów u myszy i zmiany DNA u ich potomstwa. Badanie zidentyfikowało zmiany genetyczne, które zachodzą po ekspozycji na środowisko mikrograwitacji w przestrzeni kosmicznej.
Badanie Włoskiej Agencji Kosmicznej dotyczące utraty kości doświadczanej przez astronautów podczas dłuższych misji jest związane ze zmianami epigenetycznymi. Badanie SERISM (Role of the Endocannabinoid System in Pluripotent Human Stem Cell Reprogramming under Microgravity Conditions) oceniało tworzenie się komórek kostnych w warunkach mikrograwitacji, wykorzystując jako model ludzkie komórki macierzyste pochodzące z krwi. Naukowcy zgłosili konkretne zmiany epigenetyczne, które zaszły w komórkach w przestrzeni kosmicznej.2
Jednym z procesów epigenetycznych, które badacze mogą wykryć, jest metylacja, czyli dodawanie lub usuwanie grupy metylowej (CH3) do zasad DNA, głównie tam, gdzie cytozyna lub zasady C występują kolejno. Eksperymenty APEX-03-1 i APEX-03-2 badały metylację DNA i ekspresję genów u roślin Arabidopsis thaliana wyhodowanych z nasion na pokładzie stacji kosmicznej i wykazały rozległe zmiany we wzorcach ekspresji genów.3 Zaobserwowano również zmiany epigenetyczne, wskazujące, że odgrywają one rolę w fizjologicznej adaptacji rośliny do lotu kosmicznego.4
APEX-04 potwierdził to odkrycie. Kiedy badacze zakłócili zdolność rośliny do dokonywania tych zmian epigenetycznych, roślina ta bardziej zmagała się w kosmosie.5 Plant Habitat-03 zbadał następnie, czy te zmiany epigenetyczne przechodzą na kolejne pokolenia.
Ogólnie rzecz biorąc, praca ta wykazała, że rośliny zmieniają wzorce ekspresji genów, gdy doświadczają obcych środowisk i wykorzystują procesy epigenetyczne do oznaczania genów, które pomagają przygotować następne pokolenie do tego samego środowiska. Te markery pokazują, które geny są ważne dla rośliny, aby mogła żyć w kosmosie. Naukowcy mogą wykorzystać te informacje do hodowli roślin lepiej przystosowanych do przestrzeni kosmicznej i trudnych warunków na Ziemi.
Spodziewajmy się większej liczby badań nad epigenetyką na orbicie, ponieważ dostępnych jest więcej narzędzi umożliwiających natychmiastowe sekwencjonowanie DNA na poziomie, który ujawnia zmiany epigenetyczne, takie jak metylacja. Tradycyjne sekwenatory DNA nie zapewniają takiego poziomu informacji bez wcześniejszego przetworzenia próbki, ale MinION na stacji kosmicznej może. Naukowcy mogą korzystać z tych narzędzi, aby uzyskać w czasie rzeczywistym migawki zmian, które zachodzą i potencjalnie, w jaki sposób są one przekazywane kolejnym pokoleniom.
Melissa Gaskill
International Space Station Program Science OfficeJohnson Space Center
Przeszukaj tę bazę danych eksperymentów naukowych, aby dowiedzieć się więcej o tych wymienionych powyżej.
Cytaty:
1 Higashitani A, Hashizume T, Takiura M, Higashitani N, Teranishi M, Oshima R, Yano S, Kuriyama K, Higashibata A. Histone deacetylase HDA-4-mediated epigenetic regulation in space-flown C. elegans. npj Microgravity. 2021 wrzesień 1; 7(1): 33. DOI: 10.1038/s41526-021-00163-7.PMID: 34471121.
2 Gambacurta A, Merlini G, Ruggiero C, Diedenhofen G, Battista N, Bari M, Balsamo M, Piccirillo S, Valentini G, Mascetti G, Maccarrone M. Human osteogenic differentiation in Space: proteomic and epigenetic clues to better understand osteoporosis. Scientific Reports. 2019 June 6; 9(1): 8343. DOI: 10.1038/s41598-019-44593-6.PMID: 31171801.
3 Nakashima J, Pattathil S, Avci U, Chin S, Sparks JA, Hahn MG, Gilroy S, Blancaflor EB. Profilowanie glikomu i immunohistochemia ujawniają zmiany w ścianach komórkowych korzeni Arabidopsis thaliana podczas lotu kosmicznego. npj Microgravity. 2023 sierpień 22; 9(1): 1-13. DOI: 10.1038/s41526-023-00312-0.
4 Zhou M, Sng NJ, LeFrois CE, Paul AL, Ferl RJ. Epigenomika w środowisku pozaziemskim: Specyficzna dla narządów zmiana metylacji DNA i ekspresji genów wywołana lotem kosmicznym u Arabidopsis thaliana. BMC Genomics. 2019 March 12; 20(1): 205. DOI: 10.1186/s12864-019-5554-z.
5 Paul AL, Haveman NJ, Califar B, Ferl RJ. Regulatory epigenomowe podjednostka 2 kompleksu elongatora i metylotransferaza 1 w różny sposób warunkują odpowiedź na lot kosmiczny u Arabidopsis. Frontiers in Plant Science. 2021 wrzesień 13; 12691790. DOI: 10.3389/fpls.2021.691790.
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
