利用开放获取的 NASA GeneLab 平台研究太空飞行对小鼠生理学的影响

该方法有助于解答空间生物学领域中的关键问题，通过生成假设来推动未来利用公开的全组学数据开展研究。此技术的主要优势在于，可作为空间生物学数据生成的工具。GeneLab 上提供的公开数据使研究人员能够以相对较低的成本，针对与太空飞行相关的疾病疗法或医疗对策建立临床理论。

展示啮齿类动物栖息地的将是啮齿类动物研究项目的国际空间站任务科学家Yasaman Shirazi-Fard。在动物送达后，将其分组安置于标准的动物饲养笼中，并让动物适应NASA营养强化的啮齿类食物棒、饮水头以及抬高的金属丝网底板，直至动物被装入运输装置。

在地球与国际空间站之间运输时，每个运输箱每侧放置10只小鼠，每个运输箱共容纳20只小鼠。到达国际空间站后，将动物接入单元连接至运输箱，并使用小鼠转移盒每次将5只小鼠转移至栖息舱内。将小鼠装载到栖息舱时，需先将动物接入单元从运输箱上拆下，再将其连接至啮齿类栖息舱。

然后，将动物从小鼠转运箱转移到啮齿类动物栖息装置中，动物将在任务期间一直生活在其中。每天，经过培训的工作人员会检查栖息装置内动物的视频，以监测啮齿类动物的健康状况和福利情况。所有涉及动物的操作均在驻场兽医的指导和监督下进行。

红外成像用于在明暗循环的黑暗阶段观察栖息环境中的动物，此时小鼠通常最为活跃。该摄像画面显示，画面顶部为食物条，左侧为进出通道和窗口，右侧为红外照明光源。在此视角下，水源位于摄像视野之外，处于食物条后方。

这是研究第二天在明暗循环的黑暗阶段的地面控制栖息环境。该栖息环境在地球上放置时，废物托盘位于笼子底部，摄像头视图沿重力方向向下观察。距离摄像头最近的动物正坐在食物条上方进食。

该栖息地中共有五只小鼠，但通常一次只能观察到其中几只。小鼠倾向于偏好封闭的巢状空间，例如食物条与笼壁之间的凹陷区域；在此视角下，可见它们聚集于此处。此处同时也是水源的位置。

小鼠能够自由行走、理毛，并表现出与地球上小鼠典型行为一致的社交互动。小鼠利用栖息箱的六个壁面自由活动，经常被观察到在壁面上上下攀爬。此为研究第2天明暗循环的暗期阶段的飞行栖息箱情况，此时小鼠通常最为活跃。

在太空飞行期间，小鼠在栖息环境中会利用笼子的六个面进行移动，这与在地球上的活动方式相同。小鼠会主动探索并穿梭于整个栖息环境，表现出与地球上的小鼠相同的行为，包括进食、饮水、理毛以及社交互动。小鼠采用不同的方式在舱室内移动自身。

飞行初期，小鼠通常被观察到使用前肢在金属丝网上拉动身体前行；随着飞行任务的进行，小鼠逐渐倾向于使用四肢在栖息地内衬的金属丝网格上奔跑移动。小鼠还通过在不同位置之间漂浮进行移动。在“啮齿类动物研究一”实验期间，随着小鼠对栖息环境的适应，它们不仅在舱室内活动的能力逐渐增强，还学会了利用尾巴和/或爪子将自己固定在舱壁上。

GeneLab 团队的数据协调员 Sam Gebre 将演示数据分析、元数据轴和研究描述。要在 GeneLab 上查找用于分析的数据集，请打开 GeneLab 网页并点击数据存储库。在搜索数据框中输入关键词，以搜索特定的兴趣领域，并根据需要选择其他感兴趣的数据库。

然后，点击放大镜图标以开始搜索。当所有关键词都已搜索完毕并查看了数据集后，点击工具，然后选择协作工作区，根据需要登录或注册新账户。登录后，点击帮助和用户手册，以获取有关如何使用工作区的详细说明。

为每个用户，选择公共基因实验室以访问基因实验室数据库中的所有数据集，并打开包含目标数据的文件夹。要将感兴趣的数据集复制到本地目录工作区，可右键单击单个文件，在弹出菜单中选择“复制/移动”，选择目标文件夹，然后点击“复制”。随后，在数据集搜索中找到与之前出版物相关的数据集，并将元数据文件复制到本地工作区。

要访问每个感兴趣数据集的元数据文件，请打开公共基因实验室数据集的子文件夹，并进入各数据集中的元数据子文件夹，以获取相应数据集的元数据信息。确保每个数据集均包含一个单独的压缩文件，该文件根据“研究、研究项目、检测表”规范提供元数据。使用合适的文本编辑器打开文件，以查看和访问包含研究文本描述以及每个数据集检测元数据的“研究、研究项目、检测表”元数据。

然后，按检测类型检查每个数据集子文件夹中是否存在相应的输出检测数据文件。要分析转录组数据，请点击顶部菜单中的“工具”，然后点击“Galaxy”。使用基因组空间导入工具从基因实验室（Gene Lab）的基因组空间导入数据。

数据将显示在分析部分的历史记录中。确认数据的显示情况、已导入的数据集以及当前的历史记录后，使用 GeneLab Galaxy 工具在中心面板中填充一个包含分析选项和数据输入设定的表单。填写完表单后，点击执行以创建用于运行分析的任务，并检查历史记录中所显示的已提交任务，这些任务以颜色编码标识其执行状态，随后将工具链接成复杂的分析流程，使用工作流工具管理这些工作流，并通过共享数据菜单将数据集、工作流和历史记录与其他研究人员共享。

如该代表性图表所示，通过主成分分析图对生物学重复样本进行聚类，可确定基因集富集分析所得基因集中的核心基因。利用表达倍数变化为1.2倍的基因，可预测与上游调控因子、经典通路及生物功能相关的基因，从而将所有基因中共同重叠的基因进行归类。随后，通过构建网络图展示这些关键基因在啮齿类动物及其栖息环境与动物房对照组之间响应关系的调控网络，可揭示每个数据集分析结果中的核心枢纽基因。

例如，MAP激酶1是来自小鼠航天飞机任务STS108骨骼肌组织的核心枢纽，可被解释为驱动关键基因的基因，最有可能是导致饲养在啮齿类动物栖息装置与普通动物房笼具中的小鼠之间产生生物学差异的核心因子。采用系统生物学方法，通过整合所有关键基因构建基因网络，进一步确定在所有数据集中连接性最强的基因，结果表明MAP激酶1确实是所有关键基因中连接性最强的基因，是核心枢纽。在实施该实验流程时，重要的是要记住，开展空间生物学啮齿类动物研究的科研人员将与美国国家航空航天局（NASA）啮齿类动物研究任务的科学家密切合作，共同设计并执行实验。

此外，所有与空间生物学相关的全组学数据均可在 NASA GenesLab 平台上获取，使用该方法是提出空间生物学相关新假说的最高效途径。该技术也可应用于其他任何与生物系统相关的全组学数据集，例如癌症生物学、阿尔茨海默病和心血管疾病。该技术建立后，为空间生物学领域的研究人员开启了研究国际空间站内宇航员所受二氧化碳影响的新方向。