今天给大家分享一篇2022年6月17日发表在iScience(IF:6.107)上,模拟太空旅行中的长期隔离相关的DNA甲基化动态改变的文章。
DNA methylation dynamics associated with long-term isolation of simulated space travel
模拟太空旅行中的长期隔离相关的DNA甲基化动态改变
一.研究背景
长期太空飞行中的人类将遇到五种危险,包括辐射、隔离和限制、与地球的距离、重力以及敌对和封闭的环境,据报道,长期隔离会在多个方面影响宇航员的健康,包括昼夜节律紊乱,神经肌肉功能受损、认知障碍、海马功能受损、焦虑增加和免疫失调。为了更好地应对未来航天任务中的这些潜在健康风险,有许多研究分析了长期隔离期间分子和细胞水平的变化。DNA甲基化是调节基因表达的一种重要的表观遗传修饰,据报道也会受到长期隔离或太空飞行的影响。在NASA’s Twins Study中,研究人员发现了航天飞行中全基因组平均甲基化水平(MML)的变化,并发现启动子局部甲基化变化的基因与地面对照相比,富集在完全不同的功能中。
已证实异常DNA甲基化与许多人类疾病有关。因此,分析长期分离过程中DNA甲基化的变化对保护航天员的健康具有重要意义。与NASA’s Twins Study的结论类似,有一些研究揭示了模拟太空旅行中的长期隔离相关的DNA甲基化改变。然而,以往的研究仅关注分离组和对照组之间DNA甲基化水平的差异,长期分离过程中DNA甲基化变化的动态过程尚未得到充分研究。
二.研究方法
本研究试图研究与长期分离相关的DNA甲基化动力学,并探讨其功能意义。基于“Mars-500”任务六个时间点的六名机组人员血液中450k甲基化数据,通过多步骤时间序列分析策略确定了六种DNA甲基化的动态模式,包括“Dec-Inc”(DNA甲基化水平在长期隔离期间先降低后升高)、“Inc-Dec”( 甲基化水平在长期分离期间先升高后降低)、“Inc-Dec-Inc”(DNA甲基化水平在长期分离期间先升高,然后降低,然后升高)、“Ear-Dec”(DNA甲基化水平在长期分离的早期降低),“Mid-Dec”(DNA甲基化水平在长期分离的中期降低)和“Dec-Inc-Dec”(DNA甲基化水平在长期分离期间先降低,然后升高,然后降低)。在这六种模式中,73%的CpG位点在隔离后可以恢复到基线,其余位点与基线相比减少。对六种模式的通路富集分析发现了较强的功能特异性,如Dec-Inc基因在脑发育中显著富集,Dec-Inc-Dec基因在激活诱导的T细胞死亡中显著富集。此外,还发现几种模式与一些常见疾病有关,如神经系统疾病、消化系统疾病和癌症。综上所述,该研究描述了长期分离过程中DNA甲基化的动态模式,并揭示了其重要的功能意义,这将为未来长期太空飞行中保护宇航员健康提供新的方面。
三.研究结果
1、太空旅行长期隔离期间的全局甲基化特征
从“Mars-500”任务中获得了跨越六个时间点的六名乘员的36个DNA甲基化图谱,这些样本的DNA甲基化水平由Illumina Infinium Humanmethylization450k BeadChip检测。排除低质量探针后,保留373309个探针用于以下分析。每个样本的整体DNA甲基化水平服从典型的双峰分布(图1A)。进行t-SNE分析发现来自同一人不同时间点的样本聚集在一起,这表明与长期隔离期间的乘员相比,时间点之间的变化较小(图1B)。在这里,更加关注长期隔离对DNA甲基化的影响,因此纠正了乘员之间的遗传背景差异。正如预期的那样,调整了乘员之间的差异,并按时间点将样本聚集在一起(图1C)。连续两个时间点显示出更大的甲基化相似性,例如-7天和60天,168天和300天,以及512天和527天(图1C),这表明在长期分离期间,全局DNA甲基化经历了动态变化。
接下来,通过平均来自同一时间点的样本来研究六个时间点之间的整体甲基化变化。观察到中位甲基化水平从-7天和60天轻微增加到168天和300天,然后在接近任务结束时(512天和527天)恢复到基线(隔离前:-7天)(图1D)。此外,还发现,大多数CpG位点在长期隔离期间发生了微小变化,并且只有~1%(n=4892)位点变化大于0.1(图1E)。综上所述,在长期隔离期间,整体DNA甲基化变化很小,但可以观察到不同时间点之间的动态变化。
2. 长期分离过程中的六种DNA甲基化动态模式
接下来,采用多步骤分析策略来确定长期分离过程中的DNA甲基化动态模式。多步骤策略包括过滤六个乘员之间不一致的波动CpG,过滤六个时间点之间变化较小的CpG,识别差异甲基化CpG和聚类显著波动的CpG。通过上述分析,总共确定了22个具有高度相似甲基化趋势的簇,包括3755个位点。簇之间的相似性通过自组织映射(SOM)网络图来说明,其中簇越相似,它们在SOM网络图中就越接近(图2A)。因此,根据簇的相似性对其进行了进一步分组。因此,将所有22个碱基分为六种DNA甲基化模式,分别命名为“Dec-Inc”、“Inc-Dec”、“Inc-Dec-Inc”、“Ear-Dec”、“Mid-Dec”和“Dec-Inc-Dec”(图2B)。具体来说,Dec-Inc包括11个簇(簇1、2、3、8、9、11、12、16、17、18和19)(图2C),它们在SOM网格图中彼此接近(图2A)。类似地,Inc-Dec包括四个簇(簇6、7、13和14)(图2C)。Inc-Dec-Inc包括一个簇(簇22)(图2C)。Ear-Dec包括两个簇(簇15、20)(图2C)。Mid-Dec包括一个簇(簇21)(图2C)。最后,Dec-Inc-Dec包括三个簇(簇4、5和10)(图2C)。此外,这六种模式也被分为两类,称为“恢复”,即分离后的甲基化水平可以恢复到基线,并“下降”,这意味着在分离期间甲基化水平持续下降(图2B)。直观地说,发现最显著波动的甲基化位点(73%,n=2732)被归类为“正在恢复”(图2B),这与NASA’s Twins Study的结论一致,即飞行中的全基因组平均甲基化水平(MML)与飞行前略有不同,并在飞行后恢复到基线水平。值得注意的是,仍有1023个位点被归类为“减少”(图2B)。此外,在长期隔离期间未发现任何增加模式(图2B)。此外,注意到有两个具有双转折点的复杂模式:Inc-Dec-Inc和Dec-Inc-Dec,其中Inc-Dec-Inc分为“恢复”,Dec-Inc-Dec分为“减少”(图2B)。虽然分为不同的类别,但它们都在隔离开始时发生变化,然后在隔离期间恢复,最后在隔离后再次发生变化(图2B),这表明这两种模式可能容易受到环境变化的影响。综上所述,该研究在长期分离过程中发现了六种DNA甲基化动态模式,反映了长期分离对DNA甲基化的复杂影响,为从不同的甲基化动态模式角度深入研究长期分离造成的危害提供了有力支持。
3. DNA甲基化模式的功能分析
根据这六种DNA甲基化模式,进一步研究了它们的生物学功能。先前的研究表明,位于启动子和CpG岛的异常DNA甲基化在基因表达调控中发挥了重要作用。注意到六种模式中有44%的CpG位点位于基因启动子区,而只有17%的位点位于CpG岛区(图3A)。此外,除在TSS1500区域富集的Ear-Dec外,几乎所有模式在启动子或CpG岛区域均未显著富集(图3B)。这些观察结果表明,大多数甲基化动态模式并没有特异性地出现在功能区(启动子和CpG岛)。
虽然动态模式在功能区总体上并不丰富,但假设某些基因启动子的局部甲基化变化可以影响其表达。因此,根据位点是否位于基因的启动子区域来确定每个模式的模式基因。值得注意的是,只有针对每种模式的蛋白质编码基因被纳入后续分析。使用Metascape对模式基因进行路径富集分析。值得注意的是,以不同模式富集的途径具有明显的特异性(图3C),这表明,不同的模式可能起着不同的作用在维持长期隔离期间的正常生物学功能。
由于功能冗余,使用Metascape对富集的通路信息进行聚类,并构建了一个功能网络(图3D)。与上述结论一致,在功能网络中也观察到了模式的特异性(图3D)。特别是,Dec-Inc基因在一些基本生物过程中特别富集,如细胞形态发生、发育生长等(图3D)。Inc-Dec-Inc和Dec-Inc-Dec基因分别在T细胞激活和激活诱导的T细胞死亡中特异性富集(图3D)。特别是,一些重要的富集通路已被证明与长期太空飞行或隔离有关,包括大脑发育、行为功能障碍、免疫失调。总之,通路富集分析表明,大多数甲基化模式功能在模式内是一致的,但在模式间是特定的,其中一些功能已被报道与长期太空飞行和隔离有关,这为模式的客观存在提供了有力支持,并为制定应对航天中长期隔离的对策提供了潜在价值。
4. 甲基化模式与人类疾病的关系
为了进一步验证甲基化模式的功能,探索了甲基化模式与人类疾病之间的关系。从DisGeNET数据库下载了人类疾病基因,并应用超几何测试确定模式基因是否在疾病基因中特异富集。因此,Dec-Inc基因在最多数量的疾病(49种疾病)中富集,其他模式基因(Inc-Dec、Ear-Dec和Dec-Inc-Dec)在总共19种疾病中富集。据报告,一些疾病与长期太空飞行或隔离有关,例如心血管疾病、肿瘤、精神障碍、营养和代谢疾病。
特别是,该研究还发现Dec-Inc基因主要在神经系统疾病中富集(24/49)(图4A)。考虑到Dec-Inc的特征,即甲基化水平下降,然后在任务期间恢复到基线,可以推测身体的神经系统没有受到不可逆转的损害,尽管确实受到长期隔离的影响。此外,Inc-Dec基因主要在消化系统疾病中富集(4/7)(图4A)。与Dec-Inc类似,Inc-Dec也在执行任务后恢复,这意味着长期隔离可能会影响身体的消化功能,但不会对身体造成不可逆转的伤害。此外,还发现包括Ear-Dec和Dec-Inc-Dec在内的两种“减少”模式与一些人类疾病相关,其中Ear-Dec基因仅在肿瘤(头颈部鳞状细胞癌)中富集,Dec-Inc-Dec基因在包括消化系统疾病在内的多种疾病中表现出不同的富集(3/8),肿瘤(3/8)和精神障碍(2/8)(图4A)。正如所知,启动子甲基化通常与基因表达抑制有关。因此,这两种“下降”模式可能意味着疾病相关基因的上调,这可能是发展疾病的潜在风险。因此,两种“下降”模式与相关疾病之间的关系值得研究人员在未来进一步研究,以确保宇航员在长期太空飞行期间的身心健康。
值得注意的是,肿瘤是唯一与两种“下降模式”相关的疾病类型,其中Ear-Dec基因在“头颈鳞状细胞癌”中富集,Dec-Inc-Dec基因在三种“急性髓系白血病(AML)”相关疾病中富集(图4A)。因此,进一步探讨了这两种模式在肿瘤发生中的作用,以找出长期隔离与癌症之间的关系。从ONGene和TSGene2.0数据库下载了癌基因和抑癌基因。发现Dec-Inc-Dec基因和两种模式的结合显著富集肿瘤抑制基因,这表明长期分离可能增加肿瘤抑制基因的表达,因此可能对肿瘤有抑制作用。与推断一致,Nwanaji-Enwerem等人发现“Mars-500”任务期间“epiTOC2”减少。“epiTOC2”表示有丝分裂年龄的估计,“epiTOC2”的减少表示癌症风险降低。
为了验证这一推断,进一步比较了这两种模式在肿瘤和健康对照组之间的表达。此处仅考虑“AML”,因为四种富集肿瘤中有三种与AML相关(图4A)。因此,从公共数据集(ArrayExpress:E-MTAB-220,GEO:GSE30029)下载了AML样本及其健康对照的两个基因表达谱。将Ear-Dec基因、Dec-Inc-Dec基因及其结合视为三个功能基因集,并使用单样本基因集富集分析(ssGSEA)评估这三个基因集在急性髓系白血病样本和对照中的活性。因此,除E-MTAB-220中的Ear-Dec外,这两个数据集均显示健康样本中三个基因集的活性显著高于急性髓系白血病样本中的活性(图4B)。结合上述发现,可以得出结论,长期分离可能上调肿瘤样本中活性相对较低的基因的整体表达,使其活性更接近健康状态,从而抑制癌症。
四、总结
总之,利用模拟太空飞行“Mars-500”的DNA甲基化数据,对DNA甲基化变化进行了表征,并确定了长期分离期间的六种甲基化动态模式。通过功能分析和与疾病的关联分析,发现不同的甲基化模式在影响生物过程或人类健康方面发挥着不同的作用。特别是,Inc-Dec-Inc和Dec-Inc-Dec两种模式与长期隔离后的免疫反应显著相关,另外两种模式Ear-Dec和Dec-Inc-Dec被发现与癌症风险降低有关,值得进一步研究,以获得更多的组学数据和更多的样本,为未来长期太空飞行中宇航员的健康提供保护。