Name: Badanie wpływu lotów kosmicznych na fizjologię myszy przy użyciu platformy NASA GeneLab o otwartym dostępie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 8 s
Description: Poznaj metodologię badań myszy w mikrograwitacji przy użyciu platformy NASA GeneLab. Naucz się analizować dane omics i generować hipotezy dotyczące biologii kosmicznej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Chcielibyśmy podziękować Alison French z NASA Ames Life Science Data Archive za pomoc w zdobyciu filmu związanego z siedliskami gryzoni i ogólną pomoc w uzyskaniu informacji związanych z klatkami. Chcielibyśmy również podziękować Marli Smithwick z NASA Ames Research Center za jej pomoc w uzyskaniu odpowiednich informacji. Finansowanie badań zostało zapewnione przez projekt GeneLab w NASA Ames Research Center, za pośrednictwem Programu Biologii Kosmicznej NASA w Wydziale Badań i Zastosowań Życia Kosmicznego i Nauk Fizycznych (SLPSRA). Jakiekolwiek użycie nazw handlowych służy wyłącznie celom opisowym i nie oznacza poparcia ze strony rządu Stanów Zjednoczonych.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Platforma NASA GeneLab to kompleksowa omiczna baza danych i platforma analizy, która pozwoli społeczności naukowej na generowanie nowych hipotez związanych z biologią kosmiczną. W tym miejscu przedstawiliśmy kompleksową procedurę eksperymentów na gryzoniach od początku lotów kosmicznych do wygenerowania nowej hipotezy na podstawie analizy danych z wykorzystaniem publicznie dostępnej platformy biologii kosmicznej. Ponadto dostarczyliśmy również obszerny protokół dotyczący bezstronnej analizy biologii systemowej w celu identyfikacji kluczowych genów napędzających badany system. Wykorzystaliśmy nasze ostatnie badanie36 jako przykład tego, jak ten protokół jest skutecznie wykorzystywany do generowania nowej hipotezy dla biologii kosmicznej. Mamy nadzieję, że pomoże to badaczom lepiej zrozumieć, w jaki sposób przeprowadzane są eksperymenty lotów kosmicznych i jak dane z nich prowadzą do danych dostępnych w GeneLab, a ostatecznie pozwoli na jaśniejszą interpretację publicznie dostępnych danych omicznych z zakresu biologii kosmicznej.
W naszym protokole znajduje się kilka krytycznych kroków dotyczących zarówno eksperymentów z lotami kosmicznymi gryzoni, jak i analizy uzyskanych danych. Zrozumienie konfiguracji siedliska gryzoni ma kluczowe znaczenie dla opracowania i zaprojektowania optymalnego eksperymentu dla lotów kosmicznych. Wiązałoby się to w szczególności z protokołem i opisem, które przedstawiliśmy w kroku 1 naszego protokołu. Gdy badacz w pełni zrozumie różne warunki panujące w siedliskach gryzoni w porównaniu z klatkami wiwariowymi, interpretowane wyniki biologiczne mogą być odpowiednio skorelowane z warunkami środowiskowymi w kosmosie. Ponadto nie można dokonywać modyfikacji siedliska gryzoni, ponieważ siedlisko gryzoni zostało optymalnie zaprojektowane i zatwierdzone przez NASA do użytku w lotach kosmicznych.
Aby zinterpretować wyniki biologiczne, dostarczyliśmy dokładny protokół na każdym etapie, od przesłania danych do GeneLab po analizę danych w celu wygenerowania nowej hipotezy biologii kosmicznej. Chociaż wszystkie kroki są ważne dla zrozumienia, jak generować dane, najbardziej krytycznymi krokami analizy danych są kroki 9 i 10. Krok 9 zawiera protokół analizy danych transkryptomicznych przy użyciu bezstronnej metody biologii systemowej w celu określenia genów/ścieżek, które naprawdę napędzają analizowany stan eksperymentalny. Krok 10 ma kluczowe znaczenie, ponieważ zapewnia użytkownikom łatwą metodologię analizy zestawów danych omicznych GeneLab przy użyciu platformy GeneLab. Modyfikacje dostarczonego protokołu można wykonać dla niektórych kroków dotyczących analizy danych. W szczególności kroki 9.4–9.6 można wykonać przy użyciu programowania w języku R lub innych ulubionych narzędzi preferowanych przez użytkownika. W zależności od zestawu danych, różne statystyki i punkty odcięcia zmiany fałdowania mogą być używane do określenia istotnie regulowanych genów. Ponadto, w celu określenia kluczowych genów w krokach 9.5 i 9.6, użytkownik może zmodyfikować ten protokół i użyć dowolnego narzędzia, które wykorzystuje znacząco regulowane geny do przewidywania funkcji. Ważną koncepcją jest to, że użycie wielu predykcyjnych narzędzi omiki funkcjonalnej pozwala na określenie genów zaangażowanych w większość funkcji regulowanych w badanym systemie.
Platforma GeneLab wciąż się rozwija i choć opisane tu analizy zostały wykonane po pobraniu danych, to kolejna faza GeneLab pozwoli na analizę danych omicznych bezpośrednio na platformie GeneLab, co zapewni łatwy przepływ pracy w celu generowania przetworzonych danych do analizy wyższego rzędu. Ponadto, podczas gdy skupiliśmy się na protokole interpretacji danych transkryptomicznych, GeneLab zawiera szeroką gamę danych omicznych, w tym dane proteomiczne, genomiczne, metabolomiczne i epigenomiczne. Ostateczna platforma będzie zawierać potoki i wytyczne do analizy tych różnych rodzajów omiki. Ostatnia faza GeneLab zaimplementuje również interfejs wizualizacji na poziomie systemu, aby umożliwić podstawowemu użytkownikowi łatwe generowanie hipotez biologii kosmicznej.
Wreszcie, nasza analiza biologii systemowej zapewnia unikalną i bezstronną metodę określania kluczowych genów/szlaków napędzających w dowolnym systemie badanym przy użyciu zestawów danych omicznych. Zastosowaliśmy tę metodologię w kilku różnych niezależnych badaniach z dużym sukcesem, aby określić kluczowe czynniki zaangażowane w ten proces 36,45,46,47,48,49,50. W badaniu omicznym związanym z rakiem, stosując tę metodologię, eksperymentalnie potwierdziliśmy, że nasze przewidywane kluczowe geny/szlaki faktycznie napędzają odpowiedź na leczenie farmakologiczne poprzez wyeliminowanie kluczowych genów in vitro45. Zaobserwowaliśmy, zgodnie z naszymi przewidywaniami w tym protokole, że leczenie nie było już skuteczne ze względu na brak kluczowych genów. Wierzymy, że ten bezstronny protokół biologii systemowej może być użytecznym narzędziem do określenia kluczowych ścieżek dla każdego badania omicznego.
Protokół ten zapewnia szybką i skuteczną metodę generowania nowatorskich hipotez z zakresu biologii kosmicznej. Dane wygenerowane przez GeneLab mogą być wykorzystane przez badaczy do przyszłych możliwości finansowania, walidacji eksperymentalnej i potencjalnych celów rozwoju środków zaradczych przeciwko mikrograwitacji i promieniowaniu kosmicznemu. Przedstawiony tutaj protokół pozwoli na prowadzenie w przyszłości badań biologii kosmicznej z optymalną wydajnością, co pozwoli na bezpieczne, długoterminowe misje kosmiczne.

Ogólnym celem tego manuskryptu jest dostarczenie jasnej metodologii korzystania z platformy GeneLab NASA1 oraz jak eksperymenty z gryzoniami przeprowadzone w kosmosie są przekształcane w dane omiczne do analizy. Podróżujący w kosmos ludzie są narażeni na liczne zagrożenia dla zdrowia związane ze zmienionymi polami grawitacyjnymi, promieniowaniem kosmicznym, izolacją od Ziemi i innymi wrogimi czynnikami środowiskowymi2,3,4,5,6. Eksperymenty biologiczne przeprowadzone w przestrzeni kosmicznej i na ziemi pomogły zdefiniować i określić ilościowo te zagrożenia7,8,9,10,11,12,13,14. W kosmosie eksperymenty te były prowadzone na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), promach kosmicznych i innych platformach orbitalnych. Przeprowadzanie tych eksperymentów wymaga specjalistycznego sprzętu i metodologii, biorąc pod uwagę wyjątkowe problemy związane z przeprowadzaniem eksperymentów w kosmosie, w tym ograniczony czas załogi i środowisko mikrograwitacji. Obecnie istnieją różne platformy do przeprowadzania zaawansowanych eksperymentów w kosmosie przy użyciu modeli roślinnych, zwierzęcych i mikrobiologicznych15.
Modele gryzoni były szczególnie ważne dla naszego zrozumienia, jak ssaki, w tym ludzie, reagują na loty kosmiczne. Obejmują one wpływ lotów kosmicznych na strukturę mięśni16,17,18 i funkcje odpornościowe19,20,21. Standardowe klatki wiwarium używane do trzymania gryzoni na Ziemi nie nadają się do eksperymentów z lotami kosmicznymi22,23. Dlatego przez lata myszy i szczury latały i były trzymane w różnych klatkach, w tym w klatkach Habitat Cage Japońskiej Agencji Eksploracji Przestrzeni Kosmicznej (JAXA)24, kapsułach kosmicznych przenoszących zwierzęta używanych na rosyjskim satelicie bezzałogowym BION-M125,26,27, system szuflad na myszy (MDS) zaprojektowany przez Włoską Agencję Kosmiczną28,29,30, moduł NASA Animal Enclosure Module (AEM), a teraz NASA Rodent Transporter and Habitats23. Eksperymenty z gryzoniami rozpoczęły się na pokładzie promu kosmicznego przy użyciu klatek określanych jako Animal Enclosure Module (AEM). Ten sprzęt został użyty w 27 eksperymentach z gryzoniami na promie kosmicznym23. AEM został pierwotnie opracowany z myślą o stosunkowo krótkich eksperymentach na pokładzie wahadłowca (< 20 dni). Od czasu powstania ISS, AEM zostały zmodyfikowane do eksperymentów o dłuższym czasie trwania i są obecnie określane jako Rodent Habitats22,23. Nowe siedliska gryzoni zostały zaprojektowane do obsługi długotrwałych misji na ISS przy użyciu interfejsu EXpedite the PRocessing of Experiments for Space Station (EXPRESS) Rack. Siedliska gryzoni znacznie różnią się od standardowych klatek wiwariowych pod względem wymiarów, przepływu powietrza, filtra i układu wydechowego oraz dostępu do pożywienia i wody (ryc. 1). Niemniej jednak sprzęt ten okazał się skuteczną platformą badawczą, umożliwiającą uzyskanie kluczowych informacji na temat zmian w fizjologii ssaków wywołanych lotami kosmicznymi19,31,32,33,34,35,36.
Duże ilości danych omicznych mogą być teraz generowane z eksperymentów biologicznych lotów kosmicznych, w tym tych przeprowadzanych na gryzoniach. Ostatnio dane z tych eksperymentów omicznych zostały udostępnione publicznie za pośrednictwem platformy NASA GeneLab1, która jest kompleksowym repozytorium danych i platformą analizy, która pozwala każdemu opracowywać hipotezy na podstawie eksperymentów lotów kosmicznych. GeneLab dostarcza narzędzia do odkrywania, dostępu, udostępniania i analizy danych. Wykorzystaliśmy zestawy danych GeneLab, aby pokazać, że różnice między standardowymi klatkami wiwarium a wyspecjalizowanymi siedliskami gryzoni używanymi w kosmosie powodują ogromne różnice w transkryptomie myszy36. Przeanalizowaliśmy cztery różne publicznie dostępne zestawy danych, porównując różne tkanki gryzoni trzymanych w siedliskach gryzoni lub standardowych klatkach wiwariów. Korzystając z bezstronnej analizy biologii systemowej, ustaliliśmy, że główne czynniki i szlaki, które zostały zmienione, były zgodne z reakcją hipoksyjną spowodowaną wysokim poziomem CO2 spowodowanym wyższymi stężeniami CO2 na ISS, co prowadzi do wyższych stężeń CO2 w siedlisku gryzoni, biorąc pod uwagę, że są to systemy pasywne, które pobierają powietrze z otoczenia. Pokazuje to, w jaki sposób naukowcy mogą wykorzystać narzędzia i dane open source do generowania nowatorskich odkryć, które mają wpływ na to, jak środowisko ISS wpływa na zdrowie astronautów.
Tutaj opisujemy, jak przeprowadza się eksperymenty na gryzoniach w kosmosie i jak można uzyskać dostęp do danych z tych eksperymentów za pośrednictwem platformy omicznej o otwartym kodzie źródłowym związanej z biologią kosmiczną. Omawiamy konfigurację siedlisk gryzoni wykorzystywanych w misjach kosmicznych oraz sposób przetwarzania tkanek podczas lotów kosmicznych. Opisujemy również, w jaki sposób można odkryć i uzyskać dostęp do danych omicznych dotyczących lotów kosmicznych w GeneLab oraz jak można zidentyfikować kluczowe czynniki wpływające na ogólną reakcję na loty kosmiczne36. Konkretnym przykładem, który przedstawimy, w jaki sposób ten protokół jest wdrażany, będzie porównanie różnic biologicznych występujących u gryzoni trzymanych w siedlisku gryzoni i kontrolnych wiwariów, które zostały opublikowane przez Beheshti et al.36. Ważne jest, aby pamiętać, że kontrola naziemna jest niezbędna do eksperymentów z gryzoniami podczas lotów kosmicznych. Jak opisano w niniejszym protokole, kontrole te są przeprowadzane w identycznych warunkach (tj. warunki CO2 , wilgotność, temperatura, wymiary klatki itp.) w siedliskach gryzoni na ISS oraz w standardowych klatkach wiwariowych, które mają standardowe warunki środowiskowe (tj. warunki CO2 , wilgotność i temperatura) na Ziemi. Gryzonie trzymane w naziemnych kontrolach siedlisk gryzoni pozwalają na bezpośrednie porównanie z gryzoniami w kosmosie. Podczas gdy gryzonie trzymane w klatkach wiwarium pozwalają na biologiczne porównanie różnych pomieszczeń (np. klatki wiwarium a sprzęt dla gryzoni). Siedlisko gryzoni różni się od klatek wiwarium tym, że ma stały przepływ powietrza (0,1–0,3 m/s), długi czas trwania i wtórny filtr wylotowy, który wychwytuje i pochłania odchody zwierzęce kierowane do filtra wylotowego przez ciągły przepływ powietrza w mikrograwitacji. Ponadto siedliska gryzoni mają systemy pasywne i zasysają powietrze z otoczenia; w związku z tym mają również wyższe stężenia CO2 ze względu na podwyższony poziom w kabinie ISS (~5 000 ppm).

<table><tbody><tr><td>Myszy C57BL/6</td><td>Myszy Jackson Laboratoy</td><td>C57BL/6J</td><td>C57BL/6 wykorzystano do zestawów danych związanych z eksperymentami Rodent Research-1</td></tr><tr><td>Myszy BALB/C</td><td>Taconic</td><td>BALB</td><td>Myszy BALB/C wykorzystano do zestawów danych związanych z eksperymentami Rodent Research-3</td></tr><tr><td>Klatki wiwarium</td><td>Charles River Laboratory</td><td></td><td>Standardowe klatki mysie zakupione w Charles River Laboratory</td></tr><tr><td>Rodent Habitat</td><td></td><td></td> NASA: <td>Ta klatka i wszystkie komponenty są zbudowane wewnętrznie w NASA</td></tr><tr><td>RNAlater</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>AM7020</td><td>RNAlater służy do przechowywania tkanki do dalszej izolacji RNA</td></tr></tbody></table>

badanie wpływu lotów kosmicznych na fizjologię myszy przy użyciu platformy nasa genelab o otwartym dostępie

Exploring the Effects of Spaceflight on Mouse Physiology using the Open Access NASA GeneLab Platform

Przeprowadzanie eksperymentów biologicznych w kosmosie wymaga specjalnych udogodnień i procedur, aby zapewnić, że te badania są przeprowadzane skutecznie i efektywnie. Co więcej, biorąc pod uwagę rzadkość tych eksperymentów, konieczne jest maksymalizowanie ich wpływu. Szybki postęp technologii omicznych daje szansę na radykalne zwiększenie ilości danych pochodzących z cennych próbek pochodzących z lotów kosmicznych. Aby to wykorzystać, NASA opracowała platformę GeneLab, aby zapewnić nieograniczony dostęp do danych omicznych dotyczących lotów kosmicznych i zachęcić do ich powszechnej analizy. Gryzonie (zarówno szczury, jak i myszy) są powszechnymi organizmami modelowymi wykorzystywanymi przez naukowców do badania wpływów biologicznych związanych z kosmosem. Wybieg, w którym przebywają gryzonie podczas lotów kosmicznych, nazywany jest siedliskiem gryzoni (dawniej modułami wybiegu dla zwierząt) i znacznie różni się od standardowych klatek wiwarium pod względem wymiarów, przepływu powietrza oraz dostępu do wody i pożywienia. Ponadto, ze względu na warunki środowiskowe i atmosferyczne panujące na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), zwierzęta są narażone na wyższe stężenie CO2 . Niedawno informowaliśmy, że myszy w siedliskach gryzoni doświadczają dużych zmian w transkryptomie, niezależnie od tego, czy zwierzęta znajdowały się na ziemi, czy w kosmosie. Co więcej, zmiany te były zgodne z reakcją niedotlenienia, potencjalnie spowodowaną wyższymi stężeniami CO2 . W tym miejscu opisujemy, w jaki sposób przeprowadza się typowy eksperyment na gryzoniach w kosmosie, w jaki sposób można uzyskać dostęp do danych omicznych z tych eksperymentów za pośrednictwem platformy GeneLab oraz jak zidentyfikować kluczowe czynniki w tych danych. Korzystając z tego procesu, każda osoba może dokonać krytycznych odkryć, które mogą zmienić projekt przyszłych misji i działań kosmicznych.

Określenie kluczowych czynników sterujących na podstawie transkrypomicznych danych z lotów kosmicznych pomoże NASA w określaniu ryzyk zdrowotnych i opracowywaniu potencjalnych środków przeciwdziałania negatywnym skutkom dla zdrowia astronautów. W naszej niedawnej publikacji zastosowaliśmy powyższe kroki i wykorzystaliśmy zestawy danych GeneLab, aby skutecznie wykazać nowe odkrycie, zgodnie z którym stężenia CO2 na ISS mogą wpływać na zdrowie36. Wykorzystaliśmy również powyższą technikę w innych badaniach, aby pomyślnie określić kluczowe czynniki sterujące badanym układem45,46,47,48,49,50. Poniżej pokażemy, w jaki sposób wyniki uzyskane przy użyciu tego protokołu mogą zostać skutecznie wykorzystane do określenia kluczowych czynników sterujących.
W niniejszym badaniu skupiliśmy się przede wszystkim na różnicach biologicznych występujących u gryzoni utrzymywanych w kontrolnych warunkach naziemnych w klatkach Rodent Habits oraz w kontrolnych warunkach wiwariowych. Jak opisano powyżej, jest to klucz do lepszego zrozumienia tych dwóch siedlisk, co dostarczy nam informacji o możliwych czynnikach zakłócających, które mogą wpływać na stan zdrowia ze względu na środowisko panujące na ISS. W przypadku wszystkich eksperymentów z gryzoniami podczas lotów kosmicznych, kontrole naziemne są również niezbędne do określenia, które czynniki biologiczne są bezpośrednio związane z lotem w kosmos, a które wynikają z warunków środowiskowych na ISS. Zgodnie z protokołem, warunki środowiskowe w siedlisku wiwariowym nie obejmują ekspozycji na wyższy poziom CO2, który występuje w siedlisku Rodent Habitat. W siedlisku wiwariowym panuje normalny poziom CO2 występujący na Ziemi (obecnie od 300 do 380 ppm). Temperatura i wilgotność w obu siedliskach są zbliżone.
Aby określić kluczowe geny odpowiedzialne za różnice między gryzoniami utrzymywanymi w kontrolnych warunkach naziemnych Rodent Habitat a kontrolnymi warunkami naziemnymi w wiwarium, wykorzystaliśmy następujące zestawy danych z platformy GeneLab: GLDS-21, GLDS-111, GLDS-25 oraz GLDS-63. Analizę w celu wyłonienia istotnych genów przeprowadzono zgodnie z powyższym opisem pomiędzy grupą Rodent Habitat (wcześniej AEM) a kontrolą w wiwarium, niezależnie dla każdego zestawu danych. Wykresy PCA wykazały grupowanie powtórzeń biologicznych (Rycina 4 przedstawia wykresy PCA dla GLDS-21). Na podstawie wstępnie przetworzonych danych określiliśmy geny wiodące (leading-edge genes) z różnych zestawów genów GSEA. Wykorzystując geny o zmianie krotności 1,2-fold-change (log2), byliśmy w stanie przewidzieć geny zaangażowane w regulację nadrzędną, szlaki kanoniczne i biofunkcje. Następnie dla każdego zestawu danych znaleźliśmy wspólne/nakładające się geny zaangażowane we wszystkich analizowanych przypadkach (Rycina 5). Obecnie uważa się, że geny te odpowiadają za reakcję gryzoni w Rodent Habitats (lub AEM) w porównaniu z kontrolą w wiwarium. Reprezentacja sieciowa powiązań między tymi kluczowymi genami wskazuje centralne węzły dla każdego analizowanego zestawu danych (Rycina 6). Na przykład MAPK1 jest centralnym węzłem dla tkanek mięśni szkieletowych myszy z misji STS-108 (Rycina 6A). Interpretuje się to jako gen sterujący kluczowymi genami, który najprawdopodobniej odgrywa centralną rolę w powodowaniu różnic biologicznych u myszy utrzymywanych w Rodent Habitats w porównaniu do klatek w wiwarium. W naszej poprzedniej pracy omawiamy na podstawie istniejącej literatury naukowej, w jaki sposób kluczowe geny te są powiązane z odpowiedzią na CO2 i w jaki sposób mogą one odpowiadać za obserwowane u myszy zmiany biologiczne36.
Stosując podejście biologii systemowej, wyznaczyliśmy następnie „główny regulator” (master regulator), który łączy wszystkie zestawy danych/tkanki i jest potencjalnie odpowiedzialny za uniwersalne efekty biologiczne u gryzoni utrzymywanych w AEM w porównaniu do klatek w wiwarium. Dokonano tego poprzez wskazanie genu spośród wszystkich analizowanych zestawów danych, który wykazuje największą liczbę połączeń podczas konstruowania sieci ze wszystkich kluczowych genów. Wykazaliśmy, że MAPK1 jest genem o największej liczbie połączeń i stanowi centralny węzeł spośród wszystkich kluczowych genów (Rysunek 7). Aby potwierdzić, czy MAPK1 może być odpowiedzialny za zmiany biologiczne u myszy wynikające z wyższych poziomów CO2 w AEM, przeszukaliśmy literaturę naukową w poszukiwaniu dowodów wspierających tę hipotezę. Znaleźliśmy kilka badań wskazujących na korelację MAPK1 z CO259 oraz hipoksją19,60,61.
<img alt="Schemat modułu klatki dla zwierząt (Animal Enclosure Module) i konfiguracja klatki w wiwariach do biologicznych badań naukowych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Porównanie siedliska dla gryzoni (wcześniej AEM) z klatkami wiwaryjnymi. (A) Zdjęcie klatki AEM dostarczonej przez NASA (Źródło: NASA/Dominic Hart). (B) Standardowa klatka wiwaryjna obecnie stosowana (zdjęcie wykonane w naszym laboratorium). Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Beheshti et al.36. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat jednostek zawierających modułu kosmicznego; konfiguracja sprzętu do eksperymentów w mikrograwitacji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: System sprzętowy Rodent Habitat z trzema różnymi modułami wykorzystywanymi podczas transportu na misje kosmiczne i z powrotem. Moduł po lewej (A) to moduł Rodent Habitat (wcześniej AEM), moduł środkowy (B) to Transporter, a moduł po prawej (C) to Animal Access Unit (AAU). (D)Mouse Transfer Box (MTB). (Źródło: NASA/Dominic Hart). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat procesu przetwarzania danych genomowych; konfiguracja dopasowania sekwencji i analizy dla bioinformatyki." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Przykładowy schemat analizy, który można wykorzystać w interfejsie GeneLab Galaxy do przetwarzania danych RNA-seq. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres 3D analizy głównych składowych (PCA); porównanie danych z mięśni szkieletowych myszy, AEM vs. Vivarium." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Analiza głównych składowych (PCA) reprezentatywnego zbioru danych po etapach wstępnego przetwarzania. Przedstawiono zbiór danych GLDS-21 dla AEM vs. klatki w vivarium dla mięśni szkieletowych myszy z misji STS-118. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Diagram Venna analizy genów z wykorzystaniem przewidywanych regulatorów upstream IPA, szlaków i biofunkcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Diagram Venna przedstawiający kluczowe geny zidentyfikowane przy użyciu różnych narzędzi do przewidywania szlaków. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat regulacji ekspresji genów; up- i downregulacja kinaz i regulatorów transkrypcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Kluczowe geny określone dla wszystkich warunków i tkanek mysich w porównaniu klatek AEM vs. klatek w wiwariach. (A-E) Reprezentacja sieciowa kluczowych genów dla każdego zestawu danych/tkanki gryzonia. Log2 fold-change (przy progu 1,2-krotnej zmiany) ekspresji genów posłużył do uzyskania różnych odcieni zieleni dla fold-change w genach downregulowanych, podczas gdy różne odcienie czerwieni obrazują fold-change w genach upregulowanych. Im ciemniejszy odcień zieleni lub czerwieni, tym większa wartość fold-change. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Beheshti et al.36. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat sieci regulacji genów; strzałki wskazują interakcje genetyczne i szlaki sygnalizacyjne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58447/58447fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7: Wyznaczanie „głównego regulatora” dla gryzoni w klatkach Rodent Habitat w porównaniu do klatek wiwaryjnych. Połączenia między wszystkimi poszczególnymi kluczowymi genami (Rycina 6) zostały określone i przedstawione jako sieć za pomocą programu IPA. Sieć została przedstawiona na wykresie radialnym, z najbardziej połączonym kluczowym genem, MAPK1, w centrum. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/58447fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Rycina dodatkowa 1: Integracja GeneLab-GenomeSpace z ISACreator w celu usprawnienia operacji przetwarzania danych.  <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/Supplemental_Figure_1.tif" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać tę rycinę.</a>
Rycina dodatkowa 2: Zrzut ekranu z wyszukiwań w GeneLab z wykorzystaniem federacji/integracji z zewnętrznymi heterogenicznymi bazami bioinformatycznymi (GEO, PRIDE, MG-RAST). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/Supplemental_Figure_2.tif" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać tę rycinę</a>
Rycina uzupełniająca 3: Zrzut ekranu wspólnej przestrzeni roboczej GeneLab przedstawiający zarządzanie kontami użytkowników oraz kontrole dostępu (np., foldery prywatne, współdzielone i publiczne). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58447/Supplemental_Figure_3.tif" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać tę rycinę</a>

Platforma GeneLab NASA zapewnia nieskrępowany dostęp do cennych danych omicznych z biologicznych eksperymentów kosmicznych. Opisujemy, w jaki sposób typowy eksperyment na myszach jest przeprowadzany w przestrzeni kosmicznej i jak można uzyskać dostęp do danych z takich eksperymentów i je przeanalizować.

Badanie wpływu lotów kosmicznych na fizjologię myszy przy użyciu platformy NASA GeneLab o otwartym dostępie

Performing biological experiments in space requires special accommodations and procedures to ensure that these investigations are performed effectively ...

Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie biologii kosmicznej dotyczące generowania hipotez, które pomogą w przyszłych badaniach z wykorzystaniem publicznie dostępnych danych dotyczących wszystkich mieszanek. Główną zaletą tej techniki jest to, że może być używana jako narzędzie do generowania danych z biologii kosmosu. Publicznie dostępne dane na temat GeneLab pozwalają naukowcom opracowywać teorie kliniczne na temat terapii chorób lub środków zaradczych w opiece zdrowotnej związanej z lotami kosmicznymi przy stosunkowo niewielkich kosztach.Siedliska gryzoni zademonstruje Yasaman Shirazi-Fard, który jest naukowcem misji ISS zajmującym się badaniami nad gryzoniami. Po porodzie pogrupuj gryzonie w standardowych klatkach wiwariowych. I niech zwierzęta zaaklimatyzują się w batonach dla gryzoni, batonach dla gryzoni i podniesionych podłogach z drutu, dopóki zwierzęta nie zostaną załadowane do transportera.W przypadku podróży między Ziemią a Międzynarodową Stacją Kosmiczną umieść dziesięć myszy z każdej strony w każdym transporterze, co daje w sumie 20 myszy na transporter. Po dotarciu na Międzynarodową Stację Kosmiczną przymocuj jednostkę dostępu do zwierząt do transportera i użyj skrzynek transferowych myszy, aby przenieść pięć myszy naraz do siedlisk. Aby załadować myszy do siedliska, odłącz jednostkę dostępu dla zwierząt od transportera i przymocuj ją do siedliska gryzoni.Następnie przenieś zwierzęta ze skrzynek transferowych myszy do siedlisk gryzoni, w których będą przebywać przez czas trwania misji. Każdego dnia przeszkolony personel bada nagrania wideo zwierząt w siedliskach w celu monitorowania zdrowia i dobrostanu gryzoni. Wskazówki i nadzór nad wszystkimi pracami z udziałem zwierząt zapewnia lekarz weterynarii prowadzący.Obrazowanie w podczerwieni służy do oglądania zwierząt wewnątrz siedlisk podczas ciemnej fazy cyklu światło-ciemność, kiedy myszy są zazwyczaj najbardziej aktywne. Ten widok z kamery pokazuje bary spożywcze w górnej części kadru, drzwi wejściowe i okno po lewej stronie oraz oświetlenie w podczerwieni po prawej. Źródło wody znajduje się poza widokiem kamery, za barami spożywczymi w tym widoku.Jest to naziemne siedlisko kontrolne w drugim dniu badań, podczas ciemnej fazy cyklu światło-ciemność. To siedlisko jest zorientowane na ziemi z tacą na odpady na dnie klatki, widok kamery patrzy w dół wzdłuż wektora grawitacji. Zwierzę znajdujące się najbliżej kamery siedzi na batonach z jedzeniem i je.W tym siedlisku jest pięć myszy, chociaż zwykle obserwuje się tylko kilka jednocześnie. Myszy mają tendencję do preferowania zamkniętych miejsc przypominających gniazda, takich jak wgłębiona przestrzeń między prętami z jedzeniem a ścianą klatki, gdzie można je zobaczyć gromadzące się w tym widoku. Jest to również lokalizacja źródła wody.Myszy poruszają się, pielęgnują i wykazują interakcje społeczne, które są typowymi zachowaniami dla myszy na ziemi. Myszy używają wszystkich sześciu ścian siedliska do swobodnego poruszania się i obserwuje się, jak często wspinają się po ścianach. Jest to siedlisko lotu w drugim dniu badania podczas ciemnej fazy cyklu światło-ciemność, kiedy myszy są zazwyczaj najbardziej aktywne.Podczas lotów kosmicznych, podobnie jak na Ziemi, myszy poruszają się po siedlisku, wykorzystując wszystkie sześć boków klatki. Myszy aktywnie eksplorują i poruszają się w całym siedlisku i wykazują te same zachowania, co myszy na ziemi, w tym jedzenie, picie, pielęgnację i interakcje społeczne. Myszy używają różnych metod do poruszania się po komorze.Na początku lotu myszy były zwykle widziane używające przednich kończyn do ciągnięcia się wzdłuż drucianej siatki, później podczas lotu myszy miały tendencję do używania wszystkich czterech kończyn do biegania po siatce drucianej wyściełającej siedlisko. Myszy poruszały się również, unosząc się z jednego miejsca na drugie. Gdy myszy zaaklimatyzowały się w środowisku podczas jednego badania gryzoni, nie tylko stały się biegłe w poruszaniu się po przedziale, ale także nauczyły się zakotwiczać w ścianach za pomocą ogonów i/lub łap.Analizę danych, oś metadanych i opis badania zademonstruje Sam Gebre, koordynator danych w zespole GeneLab. Aby znaleźć zestawy danych do analizy w GeneLab, otwórz stronę internetową GeneLab i kliknij repozytorium danych. Wprowadź słowa kluczowe w polu wyszukiwania danych, aby wyszukać określone obszary zainteresowania i wybrać inne interesujące bazy danych zgodnie z potrzebami.Następnie kliknij ikonę lupy, aby rozpocząć wyszukiwanie. Po wyszukaniu wszystkich słów kluczowych i przejrzeniu zestawów danych kliknij Narzędzia, a następnie Wspólny obszar roboczy i zaloguj się lub zarejestruj nowe konto, zgodnie z potrzebami. Po zalogowaniu kliknij pomoc i instrukcję obsługi, aby uzyskać dostęp do szczegółowych instrukcji dotyczących korzystania z przestrzeni roboczej.Dla każdego użytkownika wybierz publiczne laboratorium genowe, aby uzyskać dostęp do wszystkich zestawów danych w repozytorium laboratorium genów i otwórz folder z interesującymi go danymi. Aby skopiować interesujące zestawy danych do obszaru roboczego katalogu lokalnego, kliknij prawym przyciskiem myszy pojedynczy plik, wybierz kopiuj/przenieś w wyświetlonym menu, wybierz folder, do którego chcesz skopiować plik i kliknij kopiuj. Następnie znajdź zestawy danych związane z poprzednimi publikacjami, które znajdują się w wyszukiwaniu zestawów danych, i skopiuj pliki metadanych do lokalnego obszaru roboczego.Aby uzyskać dostęp do plików metadanych dla każdego zestawu danych będących przedmiotem zainteresowania, otwórz publiczny podfolder zestawu danych laboratorium genowego i uzyskaj dostęp do jednego lub więcej plików metadanych zawartych w podfolderze metadanych każdego zestawu danych, aby zlokalizować informacje o metadanych dla interesującego zestawu danych. Upewnij się, że każdy zestaw danych ma pojedynczy spakowany plik, który zawiera metadane zgodnie ze specyfikacją karty badania, badania i testu. Otwórz odpowiedni edytor tekstu, aby wizualizować i uzyskiwać dostęp do metadanych karty badania, badania, testu zawierających opis tekstowy badania i metadane testu dla każdego zestawu danych.Następnie sprawdź, czy nie ma plików danych wyjściowych testu, które znajdują się w każdym podfolderze zestawu danych według typu testu. Aby przeanalizować dane transkryptomiczne, kliknij Narzędzia w menu Do, a następnie kliknij Galaktyka. Użyj narzędzia importera przestrzeni genomu, aby zaimportować dane z laboratorium genetycznego, przestrzeni genomu.Dane pojawią się w historii sekcji analizy. Po potwierdzeniu wyglądu i zaimportowanych zestawów danych oraz bieżącej historii, użyj narzędzia GeneLab galaxy, aby wypełnić formularz w panelu środkowym opcjami analizy i specyfikacją danych wejściowych. Wypełnij formularz i kliknij przycisk Wykonaj, aby utworzyć zadania do wykonania analizy i sprawdzić, czy przesłane zadania są reprezentowane w historii i oznaczone kolorami wskazującymi stan wykonania, a następnie połącz narzędzia ze złożonym przepływem pracy, zarządzając przepływami pracy za pomocą narzędzia przepływów pracy i użyj menu udostępnionych danych, aby udostępnić przepływy pracy i historie zestawów danych innym badaczom.Jak pokazano na tym reprezentatywnym wykresie, przy użyciu wykresów analizy głównych składowych w celu grupowania kontrprób biologicznych można określić wiodące geny z zestawów genów analizy wzbogacenia zestawu genów. Korzystając z genów z 1,2-krotną zmianą, można przewidzieć geny zaangażowane w przewidywania dla regulatorów wyższego szczebla, szlaków kanonicznych i funkcji biologicznych, co pozwala na grupowanie wspólnych nakładających się genów zaangażowanych we wszystkie geny. Następnie sieciowa reprezentacja tego, w jaki sposób te kluczowe geny napędzają reakcję między gryzoniami a siedliskami gryzoni i kontrolami wiwarium, wyświetla centralne węzły dla każdego analizowanego zestawu danych.Na przykład, pierwsza kinaza mapowa jest centralnym węzłem dla tkanek mięśni szkieletowych misji STS108 promu kosmicznego od myszy i może być interpretowana jako gen, który napędza kluczowe geny i najprawdopodobniej główny gracz powodujący różnice biologiczne u myszy trzymanych w siedliskach gryzoni w porównaniu z klatkami wiwarium. Przyjmując podejście biologii systemowej, gen ze wszystkich zestawów danych, który jest najbardziej połączony podczas konstruowania sieci ze wszystkich kluczowych genów, został następnie określony, ujawniając, że pierwsza kinaza mapowa jest rzeczywiście najbardziej połączonym genem i centralnym węzłem ze wszystkich kluczowych genów. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że naukowcy prowadzący eksperymenty badawcze z gryzoniami w biologii kosmicznej będą ściśle współpracować z naukowcami z misji badawczej NASA ds. gryzoni, ustawią i przeprowadzą eksperymenty.Ponadto wszystkie dane dotyczące biologii kosmicznej są dostępne na platformie NASA GenesLab, a zastosowanie tej procedury jest najbardziej efektywną metodą opracowywania nowych hipotez związanych z biologią kosmiczną. Technika ta może być również zastosowana do dowolnych innych zestawów danych wszystkich mieszanek związanych z systemami biologicznymi, takimi jak biologia raka, choroba Alzheimera i choroby sercowo-naczyniowe. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom z dziedziny biologii kosmicznej do rozpoczęcia rozważań nad badaniami nad wpływem dwutlenku węgla na astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

exploring-effects-spaceflight-on-mouse-physiology-using-open-access

Research

JoVE Journal

Genetics

Genetyka

Opracowaliśmy model naprzemiennego odciążenia kończyn tylnych u myszy. Główną zaletą naszej metody odciążania kończyn tylnych z wykorzystaniem pierścienia ogonowego w stosunku do konwencjonalnej techniki trakcji ogona Morey-Holton jest prosta i bezpośrednia procedura, która minimalizuje stres u zwierzęcia.

Alternatywna metoda dla tradycyjnego modelu odciążenia kończyn tylnych według NASA u myszy

Ten film opisuje test zachowania w otwartym polu, używany do badania ogólnych nawyków lokomocyjnych i eksploracyjnych u gryzoni.

Test zachowania w otwartym terenie: metoda oceny ogólnych nawyków lokomocyjnych i eksploracyjnych

W pełni zautomatyzowany system do pomiaru fizjologicznie istotnych właściwości mechanizmów pośredniczących w lokalizacji przestrzennej, lokalizacji czasowej, czasie trwania, szacowaniu szybkości i prawdopodobieństwa, ocenie ryzyka, impulsywności oraz dokładności i precyzji pamięci, w celu oceny wpływu manipulacji genetycznych i farmakologicznych na podstawowe mechanizmy poznawcze u myszy.

Zautomatyzowane, ilościowe badania poznawczo-behawioralne myszy: do genetyki, farmakologii, poznania zwierząt i nauczania na studiach licencjackich

Zmęczenie jest powszechnym, niedostatecznie leczonym i często słabo rozumianym objawem wielu chorób i zaburzeń. Nowe przedkliniczne testy zmęczenia mogą pomóc w lepszym zrozumieniu i przyszłym leczeniu zmęczenia. W tym celu obecny protokół zapewnia nowatorski sposób pomiaru zachowania podobnego do zmęczenia u myszy.

Test zmęczenia bieżni: prosty, wysokowydajny test zachowania podobnego do zmęczenia myszy

Wysoce obiecującą techniką generowania konstruktów tkankowych bez użycia matrycy jest hodowla komórek w symulowanych warunkach mikrograwitacji. Korzystając z systemu hodowli rotacyjnej, zbadaliśmy wzrost pęcherzyków jajnikowych i dojrzewanie oocytów pod kątem przeżycia pęcherzyków, morfologii, wzrostu i funkcji oocytów w symulowanych warunkach mikrograwitacji.

In vitro Wzrost pęcherzyków przedantralnych myszy w symulowanej mikrograwitacji

Korzystając z innowacyjnego naziemnego modelu analogowego, jesteśmy w stanie symulować misję kosmiczną, w tym podróż na (0 g) i pobyt na Marsie (0,38 g) u szczurów. Model ten pozwala na podłużną ocenę zmian fizjologicznych zachodzących podczas dwóch hipograwitacyjnych etapów misji.

Naśladowanie misji kosmicznej na Marsa przy użyciu rozładunku kończyn tylnych i częściowego obciążania szczurów

Prezentujemy protokół wykorzystujący obrazowanie mikrokomputerowe o wysokiej rozdzielczości w celu określenia, czy lot kosmiczny spowodował uszkodzenie struktur oka. Protokół przedstawia pomiar struktur oka gryzoni ex vivo za pomocą mikrotomografii komputerowej. Wykazujemy zdolność do oceny zmian morfologicznych oka po locie kosmicznym przy użyciu nieniszczącej techniki trójwymiarowej do oceny uszkodzenia oka.

Ocena globalnej struktury gałki ocznej po locie kosmicznym z wykorzystaniem metody obrazowania metodą mikrotomografii komputerowej (Micro-CT)

Rola niedawno odkrytych genów związanych z chorobą w patogenezie zaburzeń neuropsychiatrycznych pozostaje niejasna. Zmodyfikowana technika obustronnej elektroporacji in utero pozwala na transfer genów w dużych populacjach neuronów i badanie przyczynowego wpływu zmian ekspresji genów na zachowania społeczne.

Rurociąg wykorzystujący obustronną elektroporację in utero do badania wpływów genetycznych na zachowanie gryzoni

Tutaj opisujemy strukturę i procedury operacyjne, w tym środki powstrzymywania mikroorganizmów w obiekcie dla "dzikich myszy", używając próbki krwi do immunofenotypowania jako przykładu.

Procedury operacyjne i hermetyzacji biologicznej w obiekcie dla myszy laboratoryjnych z naturalnym mikrobiomem: procedura immunofenotypowania

Ta praca przedstawia prostą i wizualną metodę wykrywania polimorfizmów wielonukleotydowych na pneumatycznej platformie do manipulacji kropelkami. Dzięki proponowanej metodzie cały eksperyment, w tym manipulacja kropelkami i wykrywanie polimorfizmów wielonukleotydowych, może być przeprowadzony w temperaturze około 23 °C bez pomocy zaawansowanych urządzeń.

Wizualna detekcja kolorymetryczna polimorfizmów wielonukleotydowych na pneumatycznej platformie do manipulacji kropelkami

Poznaj metodologię badań myszy w mikrograwitacji przy użyciu platformy NASA GeneLab. Naucz się analizować dane omics i generować hipotezy dotyczące biologii kosmicznej.

Badanie wpływu lotów kosmicznych na fizjologię myszy przy użyciu platformy NASA GeneLab o otwartym dostępie

Przeglądaj więcej filmów