双胞胎研究表明空间旅行不会带来基因变化

马克·凯利(右)和他的双胞胎兄弟斯科特，比他早出生六分钟。资料来源:美国航天局/阿拉米

这是我们的记者冯唐

“这项研究是理解表观遗传学和人类空间活动对基因影响的重要一步。随着美国宇航局继续前往月球和火星，它有助于理解个性化医学及其在深空探测中保持宇航员健康的作用。”美国宇航局首席卫生官员波尔克说。

“据我们所知，该团队开展了一项史无前例的研究，涉及人类生物学的方方面面:从人类细胞和微生物的分子分析到人类生理和认知。”美国宇航局空间生命和物理科学研究与应用部主任克雷格·昆特说。

“这是使用新的研究方法来更好地理解宇航员面临的挑战以推进星际任务的重要的第一步。”美国宇航局人类研究项目主任比尔·帕洛斯基说。

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这个结果自发表以来就引起了热烈的讨论，它就是美国宇航局著名的双胞胎实验。这项始于五年前的实验最近在《科学》杂志上公布了初步结果:美国宇航局的双胞胎宇航员斯科特·凯利和马克·凯利已经回到了几乎相同的状态。

斯科特从2015年到2016年在国际空间站工作，而马克留在地球上。这项研究追踪了斯科特在过去一年太空飞行中的身体变化。研究人员称，斯科特从太空返回地球后，许多影响他基因、生物化学和其他方面的变化已经基本消失。

“了解长期空间飞行对健康的影响对于确保未来可能持续数年的深空飞行任务中宇航员的安全、健康和表现至关重要。同样，它也将增进我们对地球上人类健康的了解，因为它将提供一个不同的视角来研究太空飞行中正常人类生理过程的功能和变化，特别是在失重的独特环境中。”《研究通讯》的合著者、威尔康奈尔医学院的成员约翰·查尔斯告诉《中国科学》。

这些结果填补了在太空停留超过6个月的宇航员可能的健康后果的空白。然而，还不清楚斯科特返回地球后的身体变化是否只与太空飞行有关，以及它会持续多久。

无论如何，德国达姆施塔特技术大学的辐射生物学和DNA修复专家马库斯·L？在接受《中国科学》采访时，布里什表示，了解长期太空飞行的健康风险对于最好地“保护”宇航员免受微重力和电离辐射至关重要。“也就是说，如果风险是已知的，我们可以考虑采取相应的对策来尽量减少其影响。”

另外，我？Brich说，了解带电粒子空间辐射的影响也将有助于评估电离辐射对地球的影响，如放射检查或带电粒子肿瘤治疗可能对受体产生的影响。

“最远的”双胞胎

在爱因斯坦著名的双胞胎悖论中，有一对孪生兄弟，其中一个登上宇宙飞船进行长期太空旅行，而另一个留在地球上。结果，当旅行者回到地球时，他比留在地球上的哥哥年轻。

这是一个关于狭义相对论的意识形态实验。这个悖论是基于狭义相对论中对时间膨胀的考虑。然而，现实太空旅行中的许多挑战可能会对双胞胎的健康产生更多意想不到的影响。

我？Brich提到，在太空中遇到的挑战包括噪音、隔离、缺氧和昼夜节律紊乱，暴露于电离辐射和失重也可能造成重大健康风险。

几十年来，研究人员一直在研究低重力和高辐射的空间环境如何影响人体。因为斯科特和马克拥有几乎相同的基因信息和相似的生活经历，美国宇航局有一个前所未有的机会来比较太空生活对人类的影响。

斯科特在研究期间在太空度过了520天。马克已经在太空飞行了54天，所有这些都是4次相对较短的航天飞机任务。

在25个月里，10个研究小组对这对双胞胎进行了一系列测试，包括在太空飞行之前、之中和之后的血液、尿液和粪便样本。马克可以吃，喝，做任何他想做的事。斯科特在空间站上必须遵循严格的饮食和锻炼制度。

各种变化

结果，斯科特的身体经历了一系列的变化，但是这些变化大部分在他回到地球后已经被逆转了。约翰霍普金斯大学医学院的遗传学家安德鲁·范伯格(Andrew Feinberg)说，压力相关基因标记的变化也包括在内，可能是由于环境的变化。

在斯科特返回地球后的六个月里，他的染色体经历了很大程度上连续的遗传变化。部分倒置或端到端倒置。这将导致DNA损伤，并可能与他在太空中经历的高剂量辐射有关。

科罗拉多州立大学放射癌症生物学家苏珊·贝利说，在太空飞行中，斯科特染色体末端的许多端粒神秘地变长了。这与预期正好相反，因为端粒会随着年龄的增长而缩短，科学家预测太空飞行对身体压力和衰老的影响基本相同。

然而，在斯科特返回地球后的48小时内，端粒缩短了。他们中的大多数回到了飞行前的长度。现在他的端粒比以前短了。贝利提到，这可能会增加他患心血管疾病或某些癌症的风险。

范伯格的团队还测试了从马克和斯科特的血液中分离出的两种白细胞(CD4+和CD8+)。他们专注于表观遗传标记，这包括甲基化过程中附着在DNA上的被称为甲基的化学修饰。

结果表明，孪生兄弟之间的DNA表观遗传变化差异不大。在斯科特的任务中，双胞胎总甲基化率之间的差异不到5%。最大的差异发生在任务的第9个月，当时斯科特的DNA甲基化率为79%，马克的为83%。

然而，双胞胎基因组的甲基化变化是不同的。例如，科学家发现在斯科特登陆太空期间，他基因附近的甲基化变化涉及免疫系统反应，但马克没有。

此外，斯科特的眼球形状在太空飞行期间发生了变化，包括视神经增厚和眼球周围的脉络膜折叠。

但令人兴奋的是，马克和斯科特的表观基因组没有被大量销毁。

“10位科学家中的每一位都在论文中取得了具体的成果。在我看来，作为一个在管理和支持空间生命科学研究方面拥有多年经验的人，有趣的是，几乎所有的结果都反映了有助于正常和健康的生理过程适应空间飞行独特环境的遗传因素。因此，这些结果为解释太空飞行如何影响人体提供了一个新的工具。”查尔斯说。

回到地球

昆卓特说，这篇论文是这项高度综合研究的第一份报告，“我们期待发表更多的分析和后续研究，因为我们将继续提高我们在太空生活和工作的能力，探索月球和火星。”

“这无疑是监测许多生物参数的最全面的长期研究，将有助于更全面地了解微重力和电离辐射对人类的影响。这项研究的美妙之处在于，地球上有一对同卵双胞胎作为对照。”我？布莱斯说。

但是由于这项研究只涉及两个人，这项发现不太可能广泛应用于其他宇航员。“在我看来，这是最大的限制。由于个体对电离辐射(可能还有微重力)的反应存在相当大的异质性，因此其他个体的结果可能会有所不同。”我？布莱斯说。

美国宇航局希望利用这些信息来指导未来对宇航员健康的研究，包括计划中的实验，比如将三组10名宇航员分别送入太空一年、六个月和两到三个月。

“美国国家航空航天局已经为未来一年的国际空间站任务征集了更多的实验，以便对其掌握的相关技术进行统计验证。”查尔斯说。

现在，凯利兄弟已经从美国宇航局退休了。斯科特一直在写和谈论他的太空生活，而马克正在竞选亚利桑那州参*，并将于明年举行选举。

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aau8650

中国科学杂志(2019-04-16第三版综合)