Близнаците от NASA и ключът към живота ни в Космоса

Изследването с близнаците

Засега познанията ни за взаимодействията на човешкото тяло с космическата околна среда на молекулярно ниво са сравнително ограничени. Космическата радиация, специфичната диета в Космоса, намалената физическа активност, нарушеният биологичен часовник и безтегловността влияят на имунитета и метаболизма на човека.

Информация за здравословното състояние на астронавтите биха дали биомаркерите (​​гени, свързани с функциите на имунната система, с поправката на ДНК, с развитието на рак – т.нар. протоонкогени, и др.). Биомаркерите, които представляват научен интерес, са част от генома, епигенома и метаболома. Освен за здравето на астронавтите, те биха могли да дадат и насоки за изготвяне на персонализирани планове за превенция на заболявания, свързани със средата в Космоса.

Въпреки че познанията ни за последствията от престоя в Космоса на физиологично ниво се увеличават непрекъснато през последните над 20 години, те са в резултат на краткосрочни мисии – 4 до 6 месеца престой на Международната космическа станция (МКС). До момента само четирима души са участвали в космически мисии с голяма продължителност (една година и повече). Погледът към бъдещето предполага по-дълги космически мисии (до три години), включително и до Марс, за които е необходима сериозна подготовка.

NASA избира еднояйчните близнаци Скот и Марк Кели за уникална мисия, за да се проучи влиянието на околната среда в Космоса (микрогравитацията и радиацията) при дълги космически полети (над една година). Двамата близнаци са астронавти на NASA, но не са били изпращани на мисии в Космоса четири години преди проучването. Скот е избран да престои една година на Международната космическа станция, а неговото генетично копие – брат му Марк, е т.нар. контрола на експеримента и остава на Земята. Мисията е с продължителност почти година – от 27 март 2015 г. до 1 март 2016 г.

Биологичните проби от близнаците, събрани за периода на експеримента са 317 (кръв, урина, изпражнения). Проведени са изследвания, свързани с епигенетични промени, и са подложени на молекулярна диагностика на различни омикс нива – метаболом, транскриптом, протеом, микробиом и геном (виж фиг. 1). Освен това Скот и Марк Кели са били тествани преди и след космическата мисия.

Човешкият геном в космически условия

Част от изследванията са фокусирани върху нарушения в хромозомите в резултат на излагане на йонизираща радиация по време на полет в Космоса. Нарушенията могат да бъдат транслокации вътре в хромозомата (пренареждане на сегменти от хромозомите) и инверсии (сегменти от хромозомата с обърната посока). Транслокациите са отговорни за развитието на заболявания като рак, стерилитет, синдром на Даун и др. Инверсиите могат да доведат до промени в експресията на гените, например някои протеини да не се произвеждат, както и до генетични заболявания, като хемофилия.

Резултатите от изследването сочат, че при Скот Кели (близнака в Космоса) инверсиите се увеличават в сравнение с транслокациите. Тези данни съвпадат със силата на излагането на радиация в Космоса, тоест знаем, че при излагането на космическа радиация се случва именно това.

Наблюдават се и промени в експресията на някои гени. С повишена експресия са гените, отговорни за поправка на ДНК. Причината е, че е необходимо да произвеждат повече белтъци, които отговарят за поправката на ДНК при възникнали грешки. Това означава, че тялото е изложено на по-голямо количество мутагенни фактори. Честотата на хромозомните инверсии се повишава дори и след полета, което би могло да се обясни с повреди в ДНК на стволовите клетки след излагане на космическа радиация. Други данни от изследването сочат, че втората половина на полета (от 6-тия до 12-тия месец) води до увеличаване на промените в генома.

Част от гените не възстановяват нормалната си експресия шест месеца след връщането на Скот на Земята. Тези гени (811 на брой в различни видове клетки) са свързани с функциите на имунната система и поправката на ДНК.

Стареенето на Земята и в Космоса

Теломерите са повтарящи се структури в краищата на хромозомите. Те са изключително важни за поддържането на целостта на генома, тъй като защитават физическите краища на ДНК от разграждане. Теломерите се скъсяват с клетъчното делене и с възрастта, както и при различни фактори на начина на живот, като стрес, замърсяване на въздуха и радиация.

В изследването на близнаците от NASA средната дължина на теломерите е оценена преди, по време и след космическия полет на Скот Кели. Най-съществено увеличение на дължината на теломерите се наблюдава по време на космическия полет (в сравнение с дължината им преди и след него, както и в сравнение с теломерите на Марк, който остава на Земята). Изненадващо, при завръщането на Скот дължината на теломерите се скъсява до средните стойности преди полета само за 48 часа. С други думи, в Космоса стареенето се е забавило и после за 48 часа се е върнало към обичайното за Земята, което при всички положения е страшно интересно, и предстои да научим защо става точно така.

Специфичното за космическите полети удължаване на теломерите, наблюдавано в това проучване, е в съответствие с подобни открития при астронавти, които са имали по-кратък престой (около 6 месеца) на МКС. Въпреки това механизмите и последиците от удължаването на теломерите в космически условия не са изяснени. С по-дълги теломери се свързват здравословният начин на живот, включващ състоянието на метаболизма, диетата, физическата активност и телесното тегло. В тази връзка, по време на полета Скот Кели е бил с намалено телесно тегло и повишени нива на фолат в серума, което може да обясни удължаването на теломерите.

Изводи от проучването и поглед към бъдещето

Установените промени в човешкото тяло на молекулярно ниво при продължителен престой в Космоса биха могли да дадат насоки за предпазване на здравето при дълги мисии. Недостатък на изследването с близнаците е, че не e статистически значимо, защото в него участват само един обект и една контрола и не е изключено установените различия да се дължат на случайни събития.

Изследването е първа крачка към още подобни проучвания с други астронавти. От NASA планират да изпращат по десет астронавти за различни периоди (шест месеца, една година), а на Земята да има контролни индивиди в изолирана среда.

Междувременно Скот Кели ще бъде наблюдаван и тестван веднъж годишно, докато е жив, с надеждата да получим отговор на непрекъснато възникващите въпроси, свързани с живота на човека в Космоса.