Die NASA GeneLab-Plattform bietet ungehinderten Zugang zu wertvollen Omics Daten aus biologischen Raumfahrt Experimenten. Wir beschreiben, wie eine typische Maus-Experiment im Raum durchgeführt wird und wie Daten aus solchen Experimenten zugegriffen und analysiert werden können.
Biologische Experimente erfordert im Raum spezielle Einrichtungen und Verfahren zur Gewährleistung, dass diese Untersuchungen effektiv und effizient durchgeführt werden. Darüber hinaus angesichts der Seltenheit dieser Experimente ist es unerlässlich, dass deren Auswirkungen maximiert werden. Die rasante Weiterentwicklung der Omics-Technologien bietet die Möglichkeit, drastisch erhöhen das Volumen der Daten, die aus kostbaren Raumfahrt Exemplare hergestellt. Um dies zu nutzen, hat die NASA die GeneLab-Plattform, um uneingeschränkten Zugriff auf Raumfahrt Omics Daten sorgen und fördern seine weit verbreitete Analyse entwickelt. Nagetiere (Ratten und Mäuse) werden gemeinsame Modellorganismen, die von Wissenschaftlern zur raumbezogenen biologische Auswirkungen zu untersuchen. Das Gehäuse, dass Haus Nagetiere während Spaceflight Nagetier Lebensräume (ehemals Tier Gehäuse Module) heißen, und unterscheiden sich wesentlich von standard Vivarium Käfige in ihren Dimensionen, Luftstrom und Zugang zu Wasser und Nahrung. Darüber hinaus sind aufgrund von Umwelt- und atmosphärischen Bedingungen auf der internationalen Raumstation (ISS), einen höheren CO2 -Konzentration Tiere ausgesetzt. Wir berichteten kürzlich, dass Mäuse in den Nager Lebensräumen erleben Sie große Veränderungen in ihrer Transkriptom unabhängig davon, ob die Tiere auf dem Boden waren oder im Weltraum. Darüber hinaus waren diese Änderungen konsistent mit einer hypoxischen Antwort, potenziell höheren CO2 Konzentrationen angetrieben. Hier beschreiben wir, wie ein typisches Nagetier Experiment im Raum durchgeführt wird, wie Omics Daten aus diesen Experimenten über die GeneLab-Plattform zugegriffen werden kann und wie man Schlüsselfaktoren in diesen Daten zu identifizieren. Mit diesem Prozess kann jeder einzelne kritische Entdeckungen machen, die das Design der zukünftigen Weltraummissionen und Aktivitäten ändern könnte.
Das übergeordnete Ziel dieser Handschrift soll eine klare Methodik wie NASA GeneLab Gleis1 und wie Nagetier Experimente im Weltraum verwendet werden übersetzt Omics-Daten für die Analyse. Raumfahrende Menschen sind den zahlreichen gesundheitlichen Risiken aus veränderten Schwerkraftfeldern, Raumstrahlung, losgelöst von der Erde und anderen feindlichen Umgebungsfaktoren2,3,4,5, ausgesetzt. 6. biologische Experimente im Weltraum und am Boden haben dazu beigetragen, zu definieren und zu quantifizieren diese Risiken7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. im Raum, diese Experimente auf der internationalen Raumstation (ISS), das Space Shuttle und anderen orbitalen Plattformen durchgeführt wurden. Diese Experimente erfordert spezielle Hardware und Methodik, die angesichts der einzigartigen sorgen der Durchführung von Experimenten im Weltraum einschließlich begrenzt Mannschaft Zeit und der Schwerelosigkeit. Verschiedenen Plattformen gibt es jetzt für die Durchführung von anspruchsvollen Experimente im Raum mithilfe von Pflanze, Tier und mikrobielle Modelle15.
Nager-Modelle schon besonders wichtig für unser Verständnis von Säugetieren, einschließlich Menschen, wie Raumfahrt zu reagieren. Dazu gehören die Auswirkungen der Raumfahrt auf den Muskel Struktur16,17,18 und Immunfunktionen19,20,21. Die standard Vivarium Käfige verwendet für Gehäuse Nagetiere auf der Erde sind nicht geeignet für Raumfahrt Experimente22,23. Daher unbemannten über die Jahre Mäuse und Ratten wurden geflogen und befindet sich in verschiedenen Käfigen einschließlich der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Lebensraum Käfig24, Tier tragen Raumkapseln auf der BION-M1 verwendet russischen Satelliten25 ,26,27, entworfen von der italienischen Raumfahrtagentur28,29,30, der NASA Tier Gehäuse Modul (AEM) und nun die NASA Mäuse Schublade System (MDS) Nager Transporter und Lebensräume23. Nagetier Experimente erstmals an Bord des Space Shuttle mit Käfigen als Tier Gehäuse Modul (AEM) bezeichnet. Diese Hardware wurde in 27 Nagetier Experimente auf der Space Shuttle-23verwendet. Die AEM wurde ursprünglich entwickelt für relativ kurze Experimente an Bord das Shuttle (< 20 Tage). Seit der Entwicklung der ISS der Beschäftigtenanteil für längere Dauer Experimente geändert wurden und werden jetzt als Nagetier Lebensräume22,23bezeichnet. Der neue Nager Lebensräume sollen langer Dauer Missionen in der ISS mit der Beschleunigung der Verarbeitung von Experimenten für Raumstation (EXPRESS)-Rack-Schnittstelle unterstützen. Nagetier Lebensräume unterscheiden sich erheblich von standard Vivarium Käfige in ihren Dimensionen, Luftstrom, Filter und Auspuffanlage und Zugang zu Nahrungsmitteln und Trinkwasser (Abbildung 1). Dennoch, diese Hardware erweist sich eine effektive Forschungsplattform, damit wichtige Einblicke in die Raumfahrt-induzierte Änderungen an Säugetieren Physiologie19,31,32,33 ,34,35,36.
Große Datenmengen Omics können jetzt aus biologischen Raumfahrt Experimente durchgeführt mit Nagetieren einschließlich generiert werden. Vor kurzem, Daten aus diesen Omics-Experimenten wurden öffentlich durch die NASA GeneLab Gleis1 ist eine umfassende Daten-Repository und Analyseplattform, die jedermann ermöglicht, Hypothesen von Raumfahrt-Experimente zu entwickeln. GeneLab bietet Werkzeuge für die Entdeckung, Zugang, gemeinsame Nutzung und Analyse von Daten. Wir nutzten GeneLab Datasets zu zeigen, dass Unterschiede zwischen den standard Vivarium Käfige und spezialisierte Nagetier Lebensräume im Weltraum eingesetzt massive Unterschiede in das Transkriptom Mäuse36verursachen. Vier verschiedene öffentlich verfügbare Datensätzen, analysierten wir vergleichen von verschiedenen Geweben von Nagetieren in der Nager Lebensräume oder standard Vivarium Käfigen untergebracht. Verwenden eine unvoreingenommene Systemanalyse Biologie, festgestellt, dass die Haupttreiber und Wege, die geändert wurden entsprachen einem hypoxischen Reaktion aufgrund der hohen CO2 verursacht durch höheren CO2 -Konzentrationen auf ISS, führt zu höheren CO 2 -Konzentrationen in der Nagetier-Lebensraum gegeben, sie sind passive Systeme, die in der Umgebungsluft zu nehmen. Dies zeigt, wie Wissenschaftler mithilfe von open-Source-Tools und Daten generieren neue Erkenntnisse mit Auswirkung auf, wie die Umgebung der ISS Astronaut Gesundheit auswirkt.
Hier beschreiben wir, wie Nagetier experimentiert werden im Raum und wie Daten aus diesen Experimenten durch ein Open-Source, zugegriffen werden kann, Omic Plattform im Zusammenhang mit Weltraumbiologie durchgeführt. Wir diskutieren die Konfiguration der Nager Lebensräume für Weltraum-Missionen und die Verarbeitung Raumfahrt Gewebe verwendet. Wir beschreiben auch, wie die Raumfahrt, die Omics Daten können entdeckt und auf GeneLab und wie wichtige Faktoren, die die gesamte Antwort für Raumfahrt zugegriffen werden können36identifiziert. Das konkrete Beispiel wir stellen auf die Implementierung dieses Protokolls werden die biologischen Unterschiede auftreten bei Nagetieren untergebracht in Nagetier-Lebensraum und die Vivarium-Steuerelemente, die von Beheshti veröffentlicht wurden vergleichen Et Al.36. Es ist wichtig zu beachten, dass Boden Steuerelemente für Raumfahrt Nagetier Experimente unerlässlich sind. Wie in diesem Protokoll beschrieben, erfolgen diese Kontrollen mit beiden identischen Bedingungen (d. h. CO2 Bedingungen, Feuchtigkeit, Temperatur, Käfig Abmessungen, etc.) in die Nagetier-Lebensräume auf der ISS und standard Vivarium Käfige, die den Standard Umwelt (d. h., CO2 Bedingungen, Feuchtigkeit und Temperatur) Bedingungen auf der Erde. Die Nagetiere in Nagetier-Lebensraum Boden Steuerelemente untergebracht ermöglichen den direkten Vergleich zu Nagetiere im Raum. Während Nagetiere im Vivarium Käfige untergebracht für den biologischen Vergleich zwischen den verschiedenen Gehäuse (z. B. Vivarium Käfige vs. Nagetier Hardware) ermöglichen. Das Nagetier-Lebensraum ist anders als Vivarium Käfige konstanten Luftstrom hat (0,1-0,3 m/s), eine sehr lange Lebensdauer und eine sekundäre Auspuff-Filter, die erfasst und absorbiert die tierischen Abfälle von kontinuierlichen Luftstrom in der Schwerelosigkeit, die Auspuff-Filter geleitet. Darüber hinaus haben Nagetier Lebensräume passive Systeme und ambient Ansaugluft; Deshalb haben sie auch höhere CO-2 -Konzentrationen durch erhöhte Werte in der ISS-Kabine (~ 5.000 ppm).
Die NASA GeneLab-Plattform ist eine umfassende Omics Datenbank und Analyse-Plattform, die die wissenschaftliche Gemeinschaft, neuartige Hypothesen, die im Zusammenhang mit Weltraumbiologie generieren kann. Hier haben wir ein umfassendes Verfahren zur Nagetier Experimente aus den Beginn der Raumfahrt an die Generation der Roman Hypothese aus der Analyse von Daten unter Verwendung einer öffentlich zugänglichen Weltraumbiologie Plattform vorgestellt. Darüber hinaus haben wir auch eine umfangreichere Protokoll eine unvoreingenommene Systeme Biologie Analyse bereitgestellt zur Identifizierung Schlüsselgene Antrieb des Systems untersucht. Wir haben unsere jüngsten Studie36 als ein Beispiel dafür, wie effektiv dieses Protokoll verwendet wird verwendet, um eine neue Hypothese für Weltraumbiologie generieren. Wir hoffen, dass dies Ermittlern besser zu verstehen hilft, wie Raumfahrt Experimente durchgeführt werden und wie die Daten von ihnen in die verfügbaren Daten auf GeneLab führen und letztlich klarer Interpretation der öffentlich zugänglichen Weltraumbiologie Omics Daten ermöglichen.
Es gibt mehrere wichtige Schritte in unserem Protokoll bezüglich Nagetier Raumfahrt Experimente und Analyse der Daten hergestellt. Das Nagetier-Habitat Setup entscheidend für ist das Verständnis entwickeln Sie und konstruieren Sie die optimale Experiment für bemannte Raumfahrt. Dies würde insbesondere das Protokoll und die Beschreibung, die wir in Schritt 1 des unser Protokoll zur Verfügung gestellt haben. Sobald ein Ermittler die unterschiedlichen Bedingungen in die Nagetier-Lebensräume im Vergleich zum Vivarium Käfige vorhanden versteht, können die biologische Ergebnisse interpretiert werden ordnungsgemäß an die Umweltbedingungen im Raum korreliert werden. In Ergänzungen können nicht Änderungen an der Nagetier-Lebensraum erfolgen, da die Nagetier-Lebensraum optimal entwickelt und zugelassen von der NASA für den Einsatz der Raumfahrt.
Um die biologische Ergebnisse interpretieren, haben wir eine gründliche Protokoll auf jedem Schritt beteiligten Hochladen Ihrer Daten zur GeneLab, Analyse der Daten, neuartige Weltraumbiologie Hypothese zu generieren von bereitgestellt. Obwohl alle Schritte wichtig zu verstehen, wie Daten zu generieren, sind die wichtigsten Schritte für die Datenanalyse Schritte 9 und 10. Schritt 9 enthält ein Protokoll zur Analyse von transkriptomischen Daten mithilfe einer unvoreingenommenen Systeme Biologie Methode Gene/Wege zu bestimmen, die wirklich die Versuchsbedingung analysierten unterwegs sind. Schritt 10 ist wichtig, da es Nutzern bietet eine einfache Methode Omics GeneLab Datasets mit dem GeneLab-Plattform zu analysieren. Änderungen des Protokolls zur Verfügung gestellt können für einige Schritte getan werden zur Analyse von Daten. Schritte 9,4 – 9,6 können insbesondere erfolgen mit R-Programmierung oder andere Lieblings-Tools, die der Benutzer bevorzugt. Abhängig von der Datenmenge verschiedene Statistiken und Falten-Änderung Cutoffs lässt sich die stark regulierten Gene bestimmen. Darüber hinaus für die Bestimmung der Schlüsselgene in Schritten 9,5 und 9,6, kann der Benutzer dieses Protokoll zu ändern und verwenden Sie jedes Tool, das die stark regulierten Gene um vorherzusagen, Funktionen nutzt. Das wichtigste Konzept ist, dass mit mehreren prädiktive funktionale Omics Tools zur Bestimmung der Gene mit die meisten Funktionen in das zu untersuchende System reguliert.
Die GeneLab-Plattform weiter zu entwickeln, und zwar die hier beschriebenen Analysen wurden durchgeführt, nachdem Daten herunterladen, die nächste Phase der GeneLab wird zur Analyse der Omics können Daten direkt auf GeneLab Plattform, die einen einfachen Workflow erzeugen zur Verfügung stellt verarbeiteten Daten für die Analyse von höherer Ordnung. Darüber hinaus, während wir auf ein Protokoll für die Interpretation der transkriptomischen Daten konzentriert haben, GeneLab enthält eine Vielzahl von Omics Daten einschließlich der Proteomik, genomische, Metabolomic und epigenomischen Daten. Die eventuelle Plattform enthält Rohrleitungen und Leitlinien für die Analyse dieser verschiedenen Arten von Omics. Die letzte Phase der GeneLab implementieren auch eine Ebene Visualisierung Systemschnittstelle damit die grundlegende Benutzer leicht Weltraumbiologie Hypothesen zu generieren kann.
Zu guter Letzt unserer Systeme Biologie-Analyse bietet eine einzigartige und unvoreingenommene Methode zum Bestimmen der wichtigsten treibenden Gene/Wege in jedem System mit Omics Datasets untersucht. Wir haben diese Methode in mehreren verschiedenen unabhängigen Studien mit großem Erfolg verwendet, bestimmen die Schlüsselfaktoren beteiligten36,45,46,47,48,49 ,50. Bei einem Krebs im Zusammenhang mit Omics Studie, mit dieser Methodik wir experimentell bestätigt, dass unsere vorhergesagten wichtige Gene/Wege durch Ausschlagen Schlüsselgene in Vitro45tatsächlich das Medikament Behandlungserfolg fuhren. Wir beobachteten, wie wir durch dieses Protokoll vorausgesagt hatte, dass die Behandlung nicht mehr wegen des Fehlens der Schlüsselgene wirksam war. Wir glauben, dass dieses unvoreingenommene Systeme Biologie Protokoll kann ein nützliches Instrument zur wichtigsten Wege für jede Omics-Studie zu bestimmen.
Dieses Protokoll bietet eine schnelle und effiziente Methode zur Erzeugung von neuartigen Weltraumbiologie Hypothesen. Von GeneLab generierten Daten können von den Forschern für zukünftige Finanzierungsmöglichkeiten, experimentelle Validierung und mögliche Ziele für die Entwicklung von Gegenmaßnahmen gegen die Schwerelosigkeit und Raum Strahlung genutzt werden. Das Protokoll hier zur Verfügung gestellten erlauben für zukünftige Weltraumbiologie Untersuchungen mit optimaler Effizienz auftreten, um sichere langfristige Weltraummissionen zu ermöglichen.
The authors have nothing to disclose.
Wir würden gerne Alison French am NASA Ames Life Science Data Archive Danke für ihre Hilfe bei der Erlangung des Videos rund um das Nagetier-Lebensräume und allgemeine Hilfe bei Erlangung Käfig Informationen. Wir sind auch gerne Marla Smithwick am NASA Ames Research Center für ihre Hilfe bei der Beschaffung der richtigen Informationen danken. Forschungsförderung lieferte das GeneLab-Projekt am NASA Ames Research Center der NASA Weltraumbiologie Programm in der Division Space Leben und Physical Sciences Forschung und Anwendungen (SLPSRA). Jede Verwendung von Markennamen dient lediglich zu beschreibenden Zwecken und impliziert keine Billigung durch die US-Regierung.
C57BL/6 Mice | The Jackson Laboratoy | C57BL/6J | C57BL/6 mice were used for datasets related to Rodent Research-1 experiments |
BALB/C Mice | Taconic | BALB | BALB/C mice were used for datasets related to Rodent Research-3 experiments |
Vivarium Cages | Charles River Laboratory | Standard murine cages purchased from Charles River Laboratory | |
Rodent Habitat | NASA | This cage and all components are built internally at NASA | |
RNAlater | ThermoFisher Scientific | AM7020 | RNAlater is used to store the tissue for further RNA isolation |