NASA GeneLab plattformen ger oinskränkt tillgång till värdefulla omics data från biologiska rymdfärder Experiment. Vi beskriver hur en typisk musen experiment utförs i rymden och hur data från sådana experiment kan nås och analyseras.
Utföra biologiska experiment i rymden kräver särskilda boenden och förfaranden för att säkerställa att dessa undersökningar utförs effektivt och ändamålsenligt. Dessutom ges infrekvent av dessa experiment är det absolut nödvändigt att deras effekter maximeras. Den snabba avancemang omics teknik erbjuder en möjlighet att dramatiskt öka mängden data som produceras från dyrbara rymdfärder exemplar. För att kapitalisera på detta, utvecklat NASA GeneLab plattformen ger obegränsad tillgång till rymdfärder omics data och uppmuntra sin omfattande analys. Gnagare (både råttor och möss) är gemensamma modellorganismer som används av forskare för att undersöka rymdrelaterad biologiska effekter. Inneslutningen hus gnagare under rymdfärder kallas gnagare livsmiljöer (tidigare djur kapsling moduler), som väsentligen skiljer sig från standard vivarium burar i deras dimensioner, luftflöde och tillgång till vatten och mat. Dessutom, på grund av miljö- och atmosfäriska förhållanden på den internationella rymdstationen (ISS) utsätts djur för en högre CO2 -koncentration. Vi rapporterade nyligen att möss i gnagare livsmiljöer uppleva stora förändringar i deras transkriptom oavsett om djuren var på marken eller i rymden. Dessa förändringar var dessutom konsekvent med hypoxisk svar, potentiellt driven av högre CO2 koncentrationer. Här beskriver vi hur en typisk gnagare experiment utförs i rymden, hur omics data från dessa experiment kan nås via den GeneLab plattformen och hur att identifiera viktiga faktorer i denna data. Använder denna process, kan varje individ göra viktiga upptäckter som kan förändra utformningen av framtida rymduppdrag och aktiviteter.
Detta manuskript övergripande mål är att ge en tydlig metod för hur du använder NASAS GeneLab platform1 och hur gnagare experiment gjort i rymden omräknas till omics data för analys. Spacefaring människor utsätts för många hälsorisker från förändrad gravitation fält, utrymme strålning, isolering från jorden och andra fientliga miljöfaktorer2,3,4,5, 6. biologiska experiment som utförs i rymden och på marken har bidragit till att definiera och kvantifiera dessa risker7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. i rymden, dessa experiment har utförts på den internationella rymdstationen (ISS), rymdfärjan och andra orbital plattformar. Genomföra dessa experiment kräver specialiserad hårdvara och metodik som ges den unika oro att utföra experiment i rymden inklusive begränsad besättning tid och mikrogravitation miljö. Olika plattformar finns nu för att utföra sofistikerade experiment i rymden med hjälp av växt-, djur- och mikrobiella modeller15.
Djurmodeller har varit särskilt viktigt att främja vår förståelse av hur däggdjur, inklusive människor, svarar på rymdfärder. Dessa inkluderar effekterna av rymdfärder på muskel struktur16,17,18 och immunförsvaret19,20,21. Standard vivarium burar används för bostäder gnagare på jorden lämpar sig inte för rymdfärder Experiment22,23. Därför obemannade över de år möss och råttor har flugit och inrymt i olika burar inklusive japanska Aerospace Exploration Agency (JAXA) livsmiljö bur24, djuret bär utrymme kapslar används på BION-M1 ryska satellit25 ,26,27, möss låda System (MDS) designad av den italienska rymdorganisationen28,29,30, NASA djur kapsling modul (AEM) och nu NASA Gnagare transportör och livsmiljöer23. Gnagare experiment började först ombord på rymdfärjan använder burar som avses som djur kapsling modul (AEM). Denna hårdvara användes i 27 gnagare experiment på rymdfärjan23. Miljöstödens utvecklades ursprungligen för relativt kort experiment fordonsbaserade fjäderbollen (< 20 dagar). Sedan utvecklingen av ISS, miljöstöd har modifierats för längre varaktighet experiment och benämns nu som gnagare livsmiljöer22,23. Den nya gnagare livsmiljöer är utformade för att stödja långvariga uppdrag i ISS använder expediera bearbetning av experimenten för rymdstationen (EXPRESS) Rack interface. Gnagare livsmiljöer är väsentligen skiljer sig från standard vivarium burar i deras dimensioner, luftflöde, filter och avgassystemet och tillgång till mat och vatten (figur 1). Ändå, denna hårdvara har visat sig vara en effektiv forskningsplattform, viktiga insikter om rymdfärder-inducerad ändringarna till däggdjur fysiologi19,31,32,33 ,34,35,36.
Stora volymer omics data kan nu genereras från biologiska rymdfärder Experiment inklusive de som utförs med gnagare. Nyligen, data från dessa omics experiment har gjorts allmänt tillgänglig via NASA GeneLab platform1 som är en omfattande Patientdataarkivet och analysplattform som tillåter vem som helst att utveckla hypoteser från rymdfärder Experiment. GeneLab innehåller verktyg för identifiering, åtkomst, spridning och analys av data. Vi utnyttjade GeneLab datamängder för att visa att skillnaderna mellan standard vivarium burar och specialiserade gnagare livsmiljöer används i rymden orsaka stora skillnader i transkriptom möss36. Vi analyserade fyra olika offentligt tillgängliga datauppsättningar, jämföra olika vävnader från gnagare inrymt i gnagare livsmiljöer eller standard vivarium burar. Med hjälp av en opartisk system biologi analys vi fast beslutna att de huvudsakliga drivkrafterna och vägar som ändrats överensstämde med hypoxisk svar på grund av de höga CO2 nivåer orsakas av högre CO2 koncentrationer på ISS, vilket leder till högre CO 2 koncentrationer i gnagare livsmiljö med tanke på att de är passiva system som tar i luften. Detta visar hur forskare kan använda öppen källkodsverktyg och data för att generera nya rön med implikationen på hur påverkar miljön av ISS astronaut hälsa.
Här beskriver vi hur gnagare experiment utförs i rymden och hur data från dessa experiment kan nås via en öppen källkod, miska plattform relaterade till utrymme biologi. Vi diskutera konfigurationen av gnagare livsmiljöer används för rymduppdrag och hur rymdfärder vävnader bearbetas. Vi beskriver också hur rymdfärder omics data kan upptäckas och nås på GeneLab och hur viktiga faktorer som påverkar det totala svaret på rymdfärder kan vara identifierade36. Det specifika exemplet kommer vi att presentera på hur detta protokoll genomförs kommer att jämföra de biologiska skillnaderna som förekommer i gnagare inrymt i gnagare livsmiljö och vivarium kontroller som publicerades av Beheshti et al.36. Det är viktigt att notera att marken kontroller är nödvändiga för rymdfärder gnagare experiment. Som beskrivs i detta protokoll, görs dessa kontroller med båda identiska villkor (dvs. CO2 villkor, luftfuktighet, temperatur, Bur mått, etc.) i gnagare livsmiljöer på ISS och i standard vivarium burar som har standarden miljö (dvs., CO2 villkor, luftfuktighet och temperatur) förhållandena på jorden. Gnagare inrymt i gnagare Habitat marken kontrollerna möjliggör direkta jämförelsen till gnagare i rymden. Medan gnagare inrymt i vivarium burar tillåta för biologisk jämförelse mellan olika bostäder (t.ex. vivarium burar vs. gnagare maskinvara). Gnagare livsmiljön är annorlunda än vivarium burar som har konstant luftflöde (0,1-0,3 m/s), en lång varaktighet, och en sekundär avgas filter som fångar upp och absorberar det animaliska avfallet styrs till avgas filter av kontinuerlig luftflödet i mikrogravitation. Gnagare livsmiljöer har dessutom passiva system och intag luften. Därför har de också högre CO2 koncentrationer på grund av förhöjda halter i ISS kabinen (~ 5000 ppm).
NASA GeneLab plattformen är en omfattande omics databas och analys plattform som gör att forskarsamhället att generera nya hypoteser relaterade till utrymme biologi. Här har vi presenterat en omfattande procedur för gnagare experiment från början av rymdfärder till utvecklingen av nya hypotesen från analysera data som använder en allmänt tillgänglig utrymme biologi plattform. Dessutom har vi också lämnat ett omfattande protokoll på en opartisk system biologi analys för att identifiera viktiga gener köra systemet som studeras. Vi har använt vår senaste studie36 som ett exempel på hur detta protokoll utnyttjas effektivt för att generera den nya hypotesen för utrymme biologi. Vi hoppas att detta hjälper utredarna bättre förstå hur rymdfärder Experiment utförs och hur data från dem leda till tillgängliga data på GeneLab, och slutligen möjliggöra tydligare tolkning av offentligt tillgängliga utrymme biologi omics data.
I området i närheten finns det flera kritiska steg inom vår protokollet angående både gnagare rymdfärder Experiment och analys av uppgifterna. Förstå gnagare livsmiljöen är inställning avgörande för att utveckla och designa det optimala experimentet för rymdfärder. Detta skulle särskilt medföra protokollet och beskrivning som vi har gett i steg 1 i vårt protokoll. När en utredare till fullo förstår de olika villkor som existerande i gnagare livsmiljöer jämfört vivarium burar, kan biologiska resultaten tolkas korreleras ordentligt till miljöförhållandena i rymden. I tillägg, kan inte ändringar av gnagare livsmiljön göras, eftersom gnagare livsmiljö har optimalt utformats och godkänts av NASA för rymdfärder.
För att tolka de biologiska resultat, har vi tillhandahållit en grundlig protokoll på varje steg som är involverade från att ladda upp dina data till GeneLab till analys av data att generera nya utrymme biologi hypotes. Alla steg är viktiga för att förstå hur man generera data, är de viktigaste stegen för dataanalys steg 9 och 10. Steg 9 ger ett protokoll för att analysera transcriptomic data med en opartisk system biologi metod för att bestämma gener/vägar som verkligen driver det experimentella villkor som analyseras. Steg 10 är kritisk, eftersom det ger användarna en enkel metod att analysera omics GeneLab datamängder med hjälp av GeneLab-plattformen. Ändringar i protokollet som kan göras för vissa steg när det gäller analys av data. Särskilt steg 9,4 – 9,6 kan göras med hjälp av R programmering eller någon annan favorit verktyg som användaren föredrar. Beroende på datamängden, kan olika statistik och -faldig förändring cutoffs användas för att bestämma de kraftigt reglerade generna. Dessutom, för att fastställa de viktigaste generna i steg 9.5 och 9.6, kan användaren ändra detta protokoll och använda ett verktyg som utnyttjar de kraftigt reglerade generna för att förutsäga funktioner. Viktigt konceptet är att använda flera prediktiva funktionella omics verktyg möjliggör bestämning av gener inblandade med majoriteten av funktioner regleras i systemet som studeras.
GeneLab plattformen fortsätter att utveckla, och medan de analyser som beskrivs här utfördes efter data hämta, nästa fas av GeneLab kommer att möjliggöra analys av omics data direkt på GeneLab plattform, som kommer att ge ett enkelt arbetsflöde för att generera bearbetade data för högre ordningens analys. Vidare medan vi har fokuserat på ett protokoll för att tolka transcriptomic data, innehåller GeneLab en mängd olika omics data inklusive proteomiska, genomisk, metabolomiska och epigenetisk data. Eventuell plattformen kommer att innehålla rörledningar och riktlinjer för analys av dessa olika typer av omics. Den sista fasen av GeneLab kommer också att genomföra ett system nivå visualisering gränssnitt för att tillåta grundläggande användaren att enkelt generera utrymme biologi hypoteser.
Slutligen, vår biologi systemanalys ger en unik och objektiv metod för att bestämma den drivande gener/vägar i alla system som studeras med omics datauppsättningar. Vi har använt denna metod i flera olika oberoende studier med stor framgång för att fastställa de viktigaste drivkrafter inblandade36,45,46,47,48,49 ,50. I en cancer relaterade omics studie, användningen av denna metod som vi validerat experimentellt att våra förutspådda viktiga gener/vägar körde faktiskt drog behandlingssvar genom att slå ut de viktiga generna i vitro45. Vi observerade, som vi hade förutspått genom detta protokoll, att behandlingen inte var effektiva längre på grund av avsaknad av viktiga gener. Vi anser att detta objektiv system biologi protokoll kan vara ett användbart verktyg för att avgöra viktiga vägar för någon omics studie.
Detta protokoll ger en snabb och effektiv metod för generering av romanen utrymme biologi hypoteser. De data som genereras från GeneLab kan utnyttjas av utredare för framtida finansieringsmöjligheter, experimentell validering och potentiella mål för utveckling av motåtgärder mot mikrogravitation och utrymme strålning. Protokollet som anges här kommer att tillåta framtida utrymme biologi undersökningar att uppstå med optimal effektivitet att möjliggöra säker långsiktig rymduppdrag.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka Alison French på NASA Ames Life Science Data Archive för hennes hjälp med att få video relaterade till gnagare livsmiljöer och övergripande hjälp med att erhålla bur relaterad information. Vi skulle också vilja tacka Marla Smithwick vid NASA Ames Research Center för hennes hjälp med att få ordentlig information. Finansiering av forskning lämnades av GeneLab projektet vid NASA Ames Research Center, via NASA: s Space biologi-programmet i Division of Space Life och Physical Sciences Research och program (SLPSRA). All användning av varunamn är endast för beskrivande och innebär inte godkännande av den amerikanska regeringen.
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 |