图形抽象
微重力和空间环境对生物生理有重要影响。了解中枢神经系统(CNS)引起的反应,如视觉功能过程的改变和导致CNS功能变化的生物通路的调节,对于设计旨在减轻对宇航员健康影响的对抗措施至关重要。在这里,我们研究了在国际空间站上培养39.3天的人类神经干细胞的分泌组,并将其与在地球上平行培养的姐妹细胞的分泌组进行了比较。检查他们的分泌组发现应激反应的激活,其中包括氧化应激、内质网应激和蛋白质毒性应激反应。这些结果为微重力环境对神经组织,特别是神经干细胞的影响以及对脑功能的潜在损害提供了额外的证据。
微重力;神经干细胞;蛋白质组学;Secretome;航天;应激反应
尽管研究数量不断增加,但空间环境对中枢神经系统(CNS)的影响还没有完全了解。在太空飞行中经历的重力变化或在地球上模拟的重力变化对细胞和整个生物体都是具有挑战性的情况。据报道,从国际空间站执行任务返回的宇航员出现了健康问题,包括中枢神经系统的改变,特别是在小脑、感觉运动和前庭脑区[1,2]。细胞培养和生物体的研究表明,细胞培养物对微重力(µG)比作为生物体一部分的细胞[3]更敏感。细胞培养所表现出的这种高敏感性甚至可能代表着理解G对单个器官的作用的优势。使用这些系统,最常报道的改变是抑制分化和茎干保留、增殖、存活和氧化应激[4-11]。我们自己的研究和其他团队的研究表明,在航天或模拟Gµ下,人类神经干细胞(NSCs)的细胞增殖和代谢活性增加,部分原因是线粒体功能的增加[12,13]。此外,蛋白的合成和分泌受到Gµ的影响[14,15]。
在本研究中,我们研究了太空环境对飞往太空并在国际空间站上培养39.3天的人类NSCs蛋白质组的影响。我们的研究结果表明,在应对太空飞行产生的压力时,支持生存和内稳态的不同机制被激活,与视觉功能和中枢神经系统发育有关的蛋白质表达下调。
细胞
从人诱导多能干细胞(hiPS)中获得均匀的NSCs群体。被称为“CS83iCTR-33nxx”(如皮肤细胞)的原始细胞被“重新编程”,并由Cedars-Sinai医疗中心通过材料转移协议提供给我们。在太空飞行中,NSCs被连接到网格载体(2mm x 3mm),并放置在IV型细胞培养室(Airbus-Yuri, Friedrichshafen)中,允许在与国际空间站的对接和离开对接飞回地球之前更换介质。培养室安装在37°C的空间技术和先进研究系统实验设施-1中。溅落后,样品在受控环境中运输。到达加州大学洛杉矶分校后,NSCs从硬件中取出,在我们专有的干细胞化学定义培养基(STM)中镀上聚赖氨酸涂层烧瓶[16,17],并允许其从太空飞行和溅落中恢复。
Secretome集合
在太空飞行中喂养细胞的培养基分别从硬件中回收,细胞室中的培养基和每个容器中的培养基被放入添加了蛋白酶抑制剂鸡尾酒的编号管中,并在-80°C冷冻保存。这种介质通常被称为条件介质。在这篇手稿中,我们将这种条件介质命名为“分泌体”。
太空飞行信息
NSCs使用“尤里”号的自动化IV型硬件被送往太空,目的是在空间站停留期间收集NSCs的分泌组,去除飞行中的介质。当到达国际空间站时,第一个容器中的培养基被泵入细胞室并在37°C下培养。离坞前,介质更换为2号槽,单元存储在4ºC(图1)。
图1:航天自动化实验。作为NASA生物科学-4空间生物学实验的一部分,乘坐SpaceX-16飞往国际空间站。在距离地球354英里的国际空间站上,这些细胞在微重力环境中停留了大约39.3天。一)显示了航天实验的时间线。后2nd更换培养基后,将含有分泌组的替换培养基保存在4℃,直到返回地球。B)细胞被播种和培养的IV型室的视图。C)IV型单位的底视图显示了两个坦克。1号槽介质用于1圣培养基更换,在2nd媒体的变化。D)STaARS-1EF设施内部部分的视图,单元安装在其黑色外罩中。在太空中,细胞在这个设施中移动和孵化。STaARS-1 EF是由STaARS公司设计的,灵感来自这项研究,考虑到使用最少的宇航员时间。因此,该设施是在德克萨斯州休斯顿的STaARS总部启动和控制的。2018年12月5日,SpaceX-16搭载了4个自动化IV型单元。要查看硬件的更多详细信息,请访问:https://www.yurigravity.com/our-service - right-hardware。E)在将NSCs播种到飞行硬件上之前,在卡纳维拉尔角生长的视图。
二维消化
从硬件中收集细胞培养基,加入蛋白酶抑制剂鸡尾酒,然后保存在-80°C。开始分析之前,样品被解冻,旋涡20秒,旋转30分钟,转速14000转,温度4℃,收集上清液。对于两个NSC样本,使用Thermo Scientific白蛋白/IgG去除试剂盒去除血清白蛋白和IgG。接下来,将耗尽的血清样本浓缩并交换到二维裂解缓冲液中(7 M尿素,2 M硫脲,4% CHAPS, 30 mM Tris-HCl, pH 8.5)。用Bio-Rad蛋白质测定法测定所有样品的蛋白质浓度。
在每个样品中加入1.0µl的10 mM赖氨酸后停止反应,并在冰上黑暗中再孵育15分钟。然后将标记好的样品混合。将2X 2d样品缓冲液(8 M尿素,4% CHAPS, 20 mg/ml DTT, 2% pharmalytes和痕量溴酚蓝),100 ul destreak溶液和复水缓冲液(7 M尿素,2 M硫脲,4% CHAPS, 20 mg/ml DTT, 1% pharmalytes和痕量溴酚蓝)添加到标记混合物中,使总体积为250µl。混合均匀并纺丝,然后将带标签的样品装入带架。
加载标记样本后,按照GE Healthcare提供的协议运行IEF (pH3-10非线性)。完成IEF后,IPG条在新配制的平衡缓冲液-1 (50 mM Tris-HCl, pH 8.8,含6 M尿素,30%甘油,2% SDS,微量溴酚蓝和10 mg/ml DTT)中孵育15分钟,轻轻摇晃。然后在新配制的平衡缓冲液-2 (50 mM Tris-HCl, pH 8.8,含6 M尿素,30%甘油,2% SDS,微量溴酚蓝和45 mg/ml碘乙酰胺)中冲洗10分钟,轻轻摇晃。接下来,IPG条在sds -凝胶运行缓冲液中冲洗,然后转入13.5% sds -凝胶中。sds -凝胶在15°C运行,直到染料前端从凝胶中跑出来。
使用Typhoon TRIO (GE Healthcare)进行SDS-PAGE后立即扫描凝胶图像。然后使用Image Quant软件(版本6.0,GE医疗保健)分析扫描图像,然后使用DeCyder软件(版本5.0,GE医疗保健)进行凝胶分析。蛋白表达水平的折叠变化由凝胶内DeCyder分析得到(补充图1)。
质谱法蛋白质鉴定
用Ettan Spot Picker (AmershamBioSciences)基于凝胶内分析和DeCyder软件斑点选取设计进行斑点选取。将凝胶斑点洗几次,然后用改良的猪胰蛋白酶(trypsin Gold, Promega)在凝胶中消化。消化后的胰蛋白酶肽用Zip-tip C18 (Millipore)脱盐。用0.5 ul的基质溶液(α-氰基-4-羟基肉桂酸(5 mg/ml, 50%乙腈,0.1%三氟乙酸,25 mM碳酸氢铵)从缩链尖端洗脱多肽,并在AB SCIEX MALDI板上标记(Opti-TOFTM 384 Well Insert)。
在AB SCIEX TOF/TOF™5800系统(AB SCIEX, Framingham, MA)上进行MALDI-TOF MS和TOF/TOF串联MS/MS。MALDI-TOF质谱是在反射正离子模式下获得的,平均每个光谱发射4000次激光。对每个样品采集TOF/TOF串联质谱碎片谱,对每个样品中最丰富的10个离子(不包括胰蛋白酶自溶肽和其他已知的背景离子)的每个碎片谱平均发射4000次激光。
得到的肽质量和相关的片段谱被提交到配备了MASCOT搜索引擎(Matrix Science)的GPS Explorer工作站,用于搜索国家数据库
非冗余生物技术信息中心(NCBInr)或瑞士prot数据库。
在不限制蛋白质分子量或等电点的情况下,利用半胱氨酸的氨基甲基化和蛋氨酸残基的氧化进行搜索。在搜索参数中也允许有一个遗漏的解理。蛋白质评分C.I.%或离子评分C.I.%均大于95的候选人被认为是显著的。
将spc - nsc /GC-NSC水平≥2或≤-2的蛋白质列表加载到Reactome Pathway数据库中。Reactome是一个策划和同行评议的人类生物学通路和反应数据库[18]https://reactome.org/PathwayBrowser/#/ANALYSIS=MjAyMDA3MDcxNjE4NTNfMjIyMzc%3D).在分析中,我们只考虑了那些具有概率评分的路径,并通过Benjamini-Hochberg方法修正了错误发现率,< 0.05。我们使用richr预测SPC-NSCs/GC-NSC≥1.3水平的蛋白转录调控因子。
在溅落后到达实验室后,发现NSCs沿网格纤维附着,在某些情况下形成附着在基底上的球体(图2)。NSCs从硬件中取出,镀到聚d -赖氨酸涂层的烧瓶上,并允许其恢复。
图2:网状载体培养系统的视图。一)为了防止细胞从硬件表面脱落,在上升和下降过程中,细胞被预先播种到网格载体(2mm × 3mm)上。箭头显示了细胞被播种的网格。B)NSCs沿着网状纤维生长,在某些情况下形成球状,并始终粘附在基质上。C)NSCs也生长在网状结构留下的空间中,以组织的方式排列自己。这是有利的,因为它使细胞生长的表面最大化。B和C: 200倍放大。
通过对NSCs的分泌组分析,共鉴定出119个差异表达蛋白,其中86个在SPC-NSCs/GC-NSCs中表达上调,34个表达下调。其中,37个上调蛋白的折叠变化≥2,5个下调蛋白的折叠变化≤-2(图3)。图3:最显著增加和减少的蛋白质在航天NSC培养。NSCs在国际空间站太空39.3天后释放的蛋白质。右边的条形图描述了与GC-NSCs相比,在SPC-NSCs分泌组中发现的蛋白质≥2。左侧的条形图是与GC-NSCs相比,SPC-NSCs分泌组中含量较低(≤-2)的蛋白质。显著性p < 0.05。
对SPC-NSCs和GC-NSCs分泌组的蛋白质组学分析显示,参与应激反应和自噬的SPC-NSCs分泌蛋白整体增加。例如,“伴侣蛋白介导的自噬”、“活性氧物种(ROS)的解毒”、“伴侣蛋白基因的ATF6激活”和热休克转录因子1 (HSF1)激活”是SPC-NSCs中最显著的激活途径(表1)。与细胞应激/损伤的概念一致,参与ROS猝灭的蛋白,如过氧化物还蛋白-1 (PRDX1)、硫氧还蛋白依赖性过氧化物还原酶(PRDX3)和蛋白质二硫异构酶(P4HB)的水平,与GC-NSCs对照培养基相比,在SPC-NSCs培养基中分别高出2.1倍和2.2倍(图3;增刊。表1)。我们发现内质网(ER)应激反应激活相关蛋白、分泌酸性蛋白和富半胱氨酸(SPARC)、钙网蛋白(CALR)和内质蛋白(HSP90B1)的变化分别为12.8倍、5.2倍和3.3倍,其中SPC-NSCs比GC-NSCs表达更多(图3;增刊。表1)。在SPC-NSCs飞行的细胞中SPARC水平显著增加,使我们使用延时显微镜检查这些细胞。我们已经在暴露于空间条件下的NSC培养物中发现了自噬的发生(研究正在进行中)。热休克因子1 (HSF1)通路的两个成员,14-3-3ε (YWHAE)和HSP90B (HSP90AB1)蛋白的水平在SPC-NSCs的分泌组中分别增加了2.1倍和7.3倍(图3;增刊。 Table 1).
路径名称 |
实体 |
反应 |
||||
发现 |
比 |
假定值 |
罗斯福 |
发现 |
比 |
|
伴侣蛋白介导的自噬 |
3/22 |
0.002 |
4.08 e-05 |
0.01 |
15/19 |
0.001 |
ECM蛋白聚糖 |
4/76 |
0.007 |
7.73 e-05 |
0.01 |
4/23 |
0.002 |
活性氧的解毒 |
3/39 |
0.003 |
2.20 e-04 |
0.014 |
3/34 |
0.003 |
翻译后蛋白质磷酸化 |
4/107 |
0.009 |
2.85 e-04 |
0.014 |
1/1 |
7.63 e-05 |
白介素12信号 |
3/46 |
0.004 |
3.55 e-04 |
0.014 |
4/56 |
0.004 |
ATF6 (ATF6- α)激活伴侣基因 |
2/10 |
8.75 e-04 |
4.22 e-04 |
0.014 |
2/5 |
3.81 e-04 |
胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBPs)对IGF运输和吸收的调控 |
4/124 |
0.011 |
4.95 e-04 |
0.014 |
1/14 |
0.001 |
清除受体对配体的结合和吸收 |
4/129 |
0.011 |
5.74 e-04 |
0.014 |
7/33 |
0.003 |
HSF1激活 |
2/12 |
0.001 |
6.05 e-04 |
0.014 |
4/7 |
5.34 e-04 |
ATF6 (ATF6- α)激活伴侣蛋白 |
2/12 |
0.001 |
6.05 e-04 |
0.014 |
2/10 |
7.63 e-04 |
白介素12家族信号 |
3/56 |
0.003 |
6.28 e-04 |
0.014 |
5/114 |
0.009 |
衰减阶段 |
2/14 |
0.001 |
8.20 e-04 |
0.016 |
4/5 |
3.81 e-04 |
被A类受体清除 |
2/19 |
0.002 |
0.001 |
0.028 |
2/10 |
7.63 e-04 |
细胞外基质的组织 |
5/301 |
0.026 |
0.002 |
0.029 |
20/319 |
0.024 |
神经退行性疾病 |
2/22 |
0.002 |
0.002 |
0.029 |
2/22 |
0.002 |
去调控的CDK5在阿尔茨海默病模型中触发多种神经退行性通路 |
2/22 |
0.002 |
0.002 |
0.029 |
2/22 |
0.002 |
信号由白细胞介素 |
6/456 |
0.04 |
0.002 |
0.029 |
8/493 |
0.038 |
HSF1-dependent transactivation |
2/24 |
0.002 |
0.002 |
0.031 |
5/8 |
6.10 e-04 |
细胞对热应激的反应 |
3/95 |
0.008 |
0.003 |
0.033 |
17/29 |
0.002 |
TALDO1缺失:Fru (6), E4P转化为SH7P, GA3P失败 |
1/1 |
8.75 e-05 |
0.003 |
0.033 |
1/1 |
7.63 e-05 |
程序性细胞死亡疾病 |
2/29 |
0.003 |
0.003 |
0.038 |
2/24 |
0.002 |
白细胞介素-4和白细胞介素-13信号 |
3/111 |
0.01 |
0.004 |
0.044 |
3/47 |
0.004 |
晚endosomal microautophagy |
2/34 |
0.003 |
0.005 |
0.047 |
3/3 |
2.29 e-04 |
白介素-12刺激后JAK-STAT信号的基因和蛋白表达 |
2/37 |
0.003 |
0.005 |
0.048 |
2/36 |
0.003 |
表1:SPC-NSCs中上调最显著的通路。这个表显示了25个最相关的通路,根据p值对输入列表中的蛋白质进行排序,这些蛋白质在SPC-NSCs中比GC-NSCs中丰富≥2倍。数据是使用Reactome Pathway数据库生成的。
除了上述途径外,我们还发现了参与Th1促炎细胞反应的IL-12信号的激活。该通路的三个成员MIF、TALDO和PDIA1 (P4HB)在spc - npc培养基中显著上调2.1 ~ 5.3倍。l -乳酸脱氢酶(LDHA)是一种存在于几乎所有活细胞中的酶,其释放到培养基中通常被用作细胞损伤/死亡的标志。SPC-NSC培养基中LDHA蛋白含量是地面对照细胞的10.7倍,可能是细胞损伤和/或细胞死亡的标志。
根据分泌组数据,我们可以推断,这些差异表达蛋白上游的一些转录因子有助于蛋白质组学分析。richr (ENCODE和ChEA共识)确定MYC和NELFE作为候选转录因子,调节在SPC-NSCs中比GC-NSCs中表达更多的蛋白质(表2)。由于与GC-NPCs相比,SPC-NSCs中减少的蛋白质列表更短,没有发现显著的转录因子(基于调整后的p值)。
术语 |
假定值 |
假定值调整 |
综合得分 |
NELFE |
6.61 e-08 |
5.22 e-06 |
296.0 |
MYC |
5.07 e-05 |
0.002004237 |
69.6 |
ZMIZ1 |
0.00118812 |
0.031287085 |
29.0 |
CREB1 |
0.00164278 |
0.032444952 |
22.4 |
表2:与上调蛋白相关的转录因子。与GC-NSCs相比,SPC-NSCs中预测的转录因子在输入蛋白列表上游的含量≥1.3倍。数据来自于浓缩铀(ENCODE和ChEA共识)。
总之,对NSCs分泌组的分析表明,暴露于空间环境中会诱导应激反应,作为应对重力变化的一种手段。
与GC-NSC分泌组相比,在SPC-NSC中发现一些蛋白质明显减少。其中,钙调素-2 (CALM2)和转甲状腺素(TTR)是两种最重要的蛋白质,因为它们参与了许多生物通路。在SPC-NSCs分泌组中,发现CALM2减少了6.1倍,最显著的相关途径包括维生素代谢和视觉光转导相关辅因子,通过CaMKK和腺苷酸环化酶激活的CREB1磷酸化,以及MECP2磷酸化的丢失,这些导致神经系统发育障碍(表3和sul。表1)。
路径名称 |
实体 |
反应 |
||||
发现 |
比 |
假定值 |
罗斯福 |
发现 |
比 |
|
视觉phototransduction |
2/100 |
0.009 |
0.001 |
0.029 |
6/92 |
0.007 |
嗜中性粒细胞脱颗粒 |
3/480 |
0.041 |
0.001 |
0.029 |
3/10 |
7.33 e-04 |
先天免疫系统 |
4/1,191 |
0.103 |
0.001 |
0.029 |
7/710 |
0.052 |
Cam-PDE 1激活 |
1/4 |
3.45 e-04 |
0.002 |
0.029 |
1/2 |
1.47 e-04 |
失去MECP2在T308位点的磷酸化 |
1/5 |
4.31 e-04 |
0.003 |
0.029 |
1/1 |
7.33 e-05 |
NMDARs下游RAC1的激活 |
1/7 |
6.04 e-04 |
0.004 |
0.029 |
5/6 |
4.40 e-04 |
维生素和辅助因子的代谢 |
2/192 |
0.017 |
0.004 |
0.029 |
3/206 |
0.015 |
通过CaMKII/CaMKK/CaMKIV级联激活CREB1磷酸化 |
1/8 |
6.90 e-04 |
0.004 |
0.029 |
8/10 |
7.33 e-04 |
钙调磷酸酶激活NFAT |
1/9 |
7.77 e-04 |
0.005 |
0.029 |
2/3 |
2.20 e-04 |
钙透性钾酸盐受体的激活 |
1/10 |
8.63 e-04 |
0.005 |
0.029 |
2/2 |
1.47 e-04 |
CaMK iv介导的CREB磷酸化 |
1/10 |
8.63 e-04 |
0.005 |
0.029 |
10/13 |
9.53 e-04 |
钾酸盐受体的向电离活性 |
1/10 |
8.63 e-04 |
0.005 |
0.029 |
2/4 |
2.93 e-04 |
四氢生物terin (BH4)的合成、回收、回收和调控 |
1/10 |
8.63 e-04 |
0.005 |
0.029 |
2/16 |
0.001 |
CLEC7A (Dectin-1)诱导NFAT激活 |
1/11 |
9.49 e-04 |
0.006 |
0.029 |
4/6 |
4.40 e-04 |
以挪士激活 |
1/11 |
9.49 e-04 |
0.006 |
0.029 |
9/20 |
0.001 |
通过腺苷酸环化酶激活CREB1磷酸化 |
1/12 |
0.001 |
0.006 |
0.029 |
2/6 |
4.40 e-04 |
细胞质Ca++水平降低 |
1/12 |
0.001 |
0.006 |
0.029 |
1/3 |
2.20 e-04 |
广泛性发展障碍 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/5 |
3.66 e-04 |
Rett综合征中MECP2功能丧失 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/5 |
3.66 e-04 |
神经系统发育障碍 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/5 |
3.66 e-04 |
发育生物学障碍 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/5 |
3.66 e-04 |
类维生素循环疾病事件 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/16 |
0.001 |
神经系统疾病 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/17 |
0.001 |
与视觉转导相关的疾病 |
1/13 |
0.001 |
0.007 |
0.029 |
1/17 |
0.001 |
表3:SPC-NSCs中最显著的下调通路。从SPC-NSCs中与GC-NSCs相比显著减少的蛋白质列表中按p值排序的25个最相关的通路列表。数据是使用Reactome Pathway数据库生成的。
在SPC-NSCs的分泌组中,TTR蛋白相对于GC-NSCs减少了4.6倍(图3和表1)。最显著的参与通路与视黄醇循环疾病相关,包括视觉光转导,发育生物学障碍,特别是神经系统障碍(表3)。SPC-NSCs分泌组中另外两个下调蛋白是WNT2B和GPI(葡萄糖-6-磷酸异构酶),分别下调2.2倍和2.1倍(图3和sul。总的来说,在SPC-NSCs培养液中这些分泌蛋白的下调表明,太空飞行可能会损害视觉功能过程和不同生物通路的调节,导致神经系统的改变。
在本研究中,我们研究了空间环境对在国际空间站中维持39.3天的hips衍生NSCs培养的影响。利用蛋白质组学方法,我们分析了太空和地球上NSCs的分泌组,以揭示适应空间微重力的生物机制。我们的分析揭示了在航天细胞培养中不同应激反应途径的激活,这表明这些是针对环境挑战而触发的适应机制,旨在恢复内稳态。无论是通过太空飞行还是模拟地面模型暴露在μ G环境中,都会导致人类和动物不同组织的氧化损伤,产生过多的活性氧/活性氮(ROS/RNS)[8,9,19],甚至在返回地球后也可能发生这种损伤。例如,在Mir任务人员[20]的飞行中(在轨道上88至186天)和飞行后(最多14天)测量了氧化损伤标记物8-异前列腺素F2α和8-羟基脱氧鸟苷的尿排泄;在一项多组学研究中,小鼠模型和人类都观察到线粒体代谢物和mtDNA的改变[9];通过抛物线飞行和亚轨道弹道火箭实验,在人骨髓单核细胞U937细胞中检测了ROS代谢和细胞对氧化应激反应相关基因的转录激活。与之前的报道一致,我们观察到SPC-NSCs的分泌组中来自“ROS解毒”代谢途径的蛋白质显著增加,这支持了NSCs在暴露于µG的空间条件下也会经历氧化应激的观点。
对分泌组的分析还揭示了与应激和免疫反应相关的其他生物通路的激活,如“HSF1激活”、“细胞对热应激的反应”和“IL12激活”。特别是“ATF6-α激活伴侣基因”通路与内质网应激直接相关,ATF6-α与转录因子NF-Y结合内质网应激响应元件,激活内质网应激响应基因[21]的转录。我们的分泌组分析支持这一观察线,因为在SPC-NSCs培养基中,参与内质网应激的蛋白质水平和“ATF6激活伴侣基因”和“伴侣介导自噬”通路的成员显著增加。CALR和HSP90B1是ER的常驻伴侣,作为atf6 - α激活的下游中间体。它们与错误折叠的蛋白质结合,阻止它们输出到高尔基体[22]。这些观察结果也表明,内质网应激和自噬不仅发生在模拟G细胞中,也发生在空间环境中。
自噬是一种进化保守的溶酶体介导的过程,使功能失调的蛋白质或整个细胞器降解和循环。它是组织(尤其是中枢神经系统)内稳态必不可少的降解途径,也是细胞应对压力/损伤的手段[23,24]。它可能导致细胞存活或导致细胞死亡,取决于应激/损伤的类型和大小[25]。SPARC参与了许多诱导内质网应激的过程,最终导致自噬[26]。最近的研究表明,使用随机定位机(RPMs)模拟GµG激活了RAW264.7前破骨细胞和精原细胞瘤细胞的自噬[27,28]。最近的研究表明,自噬在HUVEC细胞[29]中可以保护细胞不受g诱导的内质网应激的影响。有趣的是,地面控制细胞也表现出了这种行为,这意味着45天无人看管会促使这种应激反应,这种应激反应在细胞从飞行的硬件上恢复后继续存在,并在延时采集前喂食新鲜介质。为了获得更多的神经干细胞来研究空间飞行对这些细胞的作用机制和途径的变化,需要进行后续的空间飞行。
除了上述应激途径外,热休克因子1 (HSF1)的激活是一种更为普遍的应激反应途径,它涉及到对各种应激反应的基因表达的激活,包括热休克、氧化应激以及炎症和感染[30-33]。总之,这些通路的激活强化了重力条件变化对NSCs的普遍挑战的概念。现在已经清楚的是,哺乳动物细胞将重力变化视为压力事件,并将物理信号转化为生化信号,从而重新编程它们的活动[34]。
在SPC-NSCs培养基中减少的少数蛋白质对细胞生理有重要意义。例如,钙结合蛋白CALM2在信号通路、细胞周期进展和增殖中发挥作用[35,36]。通过它的钙结合特性,它调节大量的酶(激酶、磷酸酶)、离子通道和水通道蛋白等。TTR是一种载体蛋白,通过与视黄醇结合蛋白结合,参与血浆中视黄醇(维生素a)的运输,参与神经再生、自噬和蛋白质水解[37-39]。在哺乳动物的大脑中,TTR由脉络膜丛上皮细胞产生和分泌,并与甲状腺激素(TH)结合,通过脑脊液分布。trr - th复合物到达心室下区(SVZ),并将NSCs的表型定向为神经元或胶质表型。研究表明,缺乏TTR表达会导致神经元产生减少,同时少突胶质细胞祖细胞命运选择增加。在研究SVZ的哪个区域方面也存在性别差异。这一点很重要,因为神经元减少可能导致认知能力下降。WNT2B在发育过程中起着至关重要的作用,包括调节细胞生长和分化,而GPI作为细胞外蛋白,除了在细胞质糖酵解途径[41]中起作用外,还发挥着神经营养因子的作用。 The Wnt signaling pathway is associated with proper neuronal connectivity and synapses. Wnts are expressed in the brain since early in development and persist in adulthood where they remodel pre- and post-synaptic regions and therefore synaptic connectivity and function [42]. Therefore, a decrease in Wnts may lead to a poor renewal of hippocampal neurons. Altogether, this evidence suggests that lower levels of these proteins may compromise CNS physiology and function, providing new evidence on possible mechanisms for brain and cognitive deterioration, particularly in long spaceflight missions.
电离辐射(IR)和μG暴露在空间中同时作用,在适应途径和防御反应之间产生相互作用。虽然模拟μG条件下NSCs中应激和炎症反应的激活也有报道,而且国际空间站周围的防护罩显著减少了对红外的暴露,但红外在航天飞行中的贡献效应仍然是一个需要考虑的问题,特别是在长时间的任务中。IR产生ROS/RNS,引起氧化应激并损伤[43]。NSCs对红外损伤极其敏感。据报道,NSCs自噬是一种防止ir诱导的细胞凋亡的保护机制。敲低Atg7降低自噬,显著增加辐照NSCs[44]细胞的凋亡发生率。据报道,在r .石S1H是一种低剂量的电离辐射,其水平不会降低细胞活力,可诱导仅在少数显著差异表达蛋白[45]中观察到的显著转录组变化。未来的研究需要解决低红外和微重力对NSCs蛋白质组学的影响。
最后,在这项研究中使用的NSCs就像生活在地球上的所有生物体一样,已经诞生并经过多年在1G中进化。加速度和机械载荷在失重状态下都消失了。因此,细胞第一次感知到“自由漂浮”的状态,这是细胞及其组成部分所不知道的,导致不加区分的或未定义的应激反应,进而产生不可预测甚至不稳定的结果[46]。目前,我们将这些变化解释为“应激反应”,因为没有人确定如何开始从特定于失重的细胞反应中识别“非应激”。这些差异可能是在地球和宇宙中调节神经退行性变的关键。这些观察结果表明,红外可能是在航天NSCs离开大气保护后对其所观察到的影响的一个贡献因素。
对于单细胞和多细胞生物来说,外层空间是一个具有挑战性的环境,需要适应才能在这些紧急条件下生存。国际空间站上的NSC培养物经历了未被发现的失重,这使它们产生了各种应激反应,其中氧化应激和内质网应激是最显著的激活途径。自噬作为一种生存机制,似乎与地球上模拟Gµ条件下一样,在空间µGas条件下被激活,我们实验室进行的SPC-NSCs中SPARC分泌显著增加和延时显微镜观察(稿件准备中)揭示了这一点。细胞内稳态改变的其他迹象是神经细胞生长和分化的重要蛋白的分泌减少,酶信号的调节和神经再生,提示中枢神经系统生理和功能的妥协。此外,尽管国际空间站的水屏蔽层显著降低了空间红外对生物体的应激反应,但这一贡献不可忽视,在解释结果时需要考虑到这一点。
综上所述,这些证据表明,NSCs暴露于空间环境中会影响神经细胞的不同生物功能,诱导适应性反应,该模型系统有助于理解神经细胞在空间中的行为。
JCB为研究准备了样本,参与了全球蛋白质组学分析,准备了手稿;LV、JZ对蛋白质组学分析有贡献;AE-J设计了整个研究,选择了合适的硬件,在肯尼迪航天中心完成了工作,在返回加州大学洛杉矶分校的太空硬件中回收了细胞,并对手稿的讨论做出了贡献。
我们感谢NASA空间生物学的NNX15AB43G项目。IDDRC细胞培养核心由NIH/NICHD拨款号U54HD087101-05支持。
我们感谢NASA AMES的空间生物学团队,Amy Gresser博士,Elizabeth Pane和Medaya Torres对研究实施的帮助。NASA艾姆斯研究中心空间生物学项目团队D. Tomko博士,K. Sato, E. Taylor, ARC空间生物学项目经理和肯尼迪航天中心空间站处理设施的支持人员。感谢Karin Perkins, Diana Ly和空间生物学的支持人员。我们还感谢卡洛斯·塞佩达博士进行了富有成果的讨论。特别感谢来自Yuri的Maria Birlem和chris Bruderrek,以及STaARS团队成员Tom Kyler、Craig Walton和BreAnne MacKenzie对飞行实施的支持。感谢空中客车国防与航天公司的Uli Kuebler,他向我介绍了这项研究使用的飞行硬件。我们也感谢Elida Escalante,为网状微载体的制备。多温·伯特帮忙处理电脑相关的事情。我们感谢Stephen Cederbaum博士和Harley Kornblum博士在学生合同上签字。
如有需要,可提供其他资料
作者声明没有利益冲突。
NSC0G > 1克 |
加入不。 |
基因 |
蛋白质名称[种类] |
12.8 |
SPRC_HUMAN |
SPARC |
SPARC OS=Homo sapiens OX=9606 GN=SPARC PE=1 SV=1 |
10.7 |
LDHA_HUMAN |
LDHA |
l -乳酸脱氢酶A链OS=智人OX=9606 GN=LDHA PE=1 SV=2 |
7.3 |
HS90B_HUMAN |
HSP90AB1 |
热休克蛋白hsp90 -beta OS=智人OX=9606 GN=HSP90AB1 PE=1 SV=4 |
7.0 |
NUCB1_HUMAN |
NUCB1 |
核素-1 OS=智人OX=9606 GN=NUCB1 PE=1SV=4 |
6.2 |
NCAM1_HUMAN |
NCAM1 |
神经细胞粘附分子1 OS=智人OX=9606 GN=NCAM1 PE=1 SV=3 |
6.2 |
VTDB_HUMAN |
GC |
维生素d结合蛋白OS=智人OX=9606 GN=GC PE=1 SV=1 |
6.2 |
GDIA_HUMAN |
GDI1 |
Rab GDP解离抑制剂α OS=Homo sapiens OX=9606 GN=GDI1 PE=1 SV=2 |
5.9 |
C1QBP_RAT |
补体成分1q子成分结合蛋白,线粒体OS=褐家鼠OX=10116 |
|
5.3 |
MIF_HUMAN |
MIF |
巨噬细胞迁移抑制因子OS=智人OX=9606 GN=MIF PE=1 SV=4 |
5.2 |
CALR_HUMAN |
CALR |
钙网蛋白OS=智人OX=9606 GN=CALR PE=1 SV=1 |
4.8 |
NHA1_RHORH |
高分子量含钴腈水合酶亚单位α OS=Rhodococcus rhodochrous |
|
4.7 |
FXRD1_HUMAN |
FOXRED1 |
fad依赖性氧化还原酶结构域蛋白1 OS=Homo sapiens OX=9606 GN=FOXRED1 PE=1SV |
4.7 |
PGCB_HUMAN |
BCAN |
Brevican核心蛋白OS=智人OX=9606 GN=BCAN PE=1 SV=2 |
4.2 |
LAMA2_HUMAN |
LAMA2 |
层粘连蛋白亚基α -2 OS=智人OX=9606 GN=LAMA2 PE=1 SV=4 |
4.2 |
GLOD4_HUMAN |
GLOD4 |
乙醛酶结构域蛋白4 OS=智人OX=9606 GN=GLOD4 PE=1 SV=1 |
4.2 |
K2C1_HUMAN |
KRT1 |
角蛋白,II型细胞骨架1 OS=同智人OX=9606 GN=KRT1 PE=1 SV=6 |
3.7 |
DZAN1_HUMAN |
DZANK1 |
双锌带和锚蛋白重复含蛋白1 OS=智人OX=9606 GN=DZANK 1PE=1S |
3.7 |
HSP7C_HUMAN |
HSPA8 |
热休克同源蛋白71 kDa OS=智人OX=9606 GN=HSPA8 PE=1 SV=1 |
3.3 |
ENPL_HUMAN |
HSP90B1 |
内质蛋白OS=智人OX=9606 GN=HSP90B1 PE=1 SV=1 |
3.2 |
K1C10_HUMAN |
KRT10 |
角蛋白,I型细胞骨架10os = homm osapiens OX=9606 GN=KRT10 PE=1 SV=6 |
3.2 |
Z324A_HUMAN |
ZNF324 |
锌指蛋白324A OS=智人OX=9606 GN=ZNF324 PE=2 SV=1 |
2.7 |
TALDO_HUMAN |
TALDO1 |
转醛酶OS=Homo sapiens OX=9606 GN=TALDO1 PE=1 SV=2 |
2.5 |
AATM_HUMAN |
GOT2 |
天冬氨酸氨基转移酶,线粒体OS=Homo sapiens OX=9606 GN=GOT2 PE=1 SV=3 |
2.5 |
UCHL1_HUMAN |
UCHL1 |
泛素羧基端水解酶同工酶L1 OS=智人OX=9606 GN=UCHL1PE=1 SV=2 |
2.4 |
LIPP_HUMAN |
PNLIP |
胰三酰甘油脂肪酶OS=智人OX=9606 GN=PNLIP PE=1 SV=1 |
2.4 |
PP4R4_HUMAN |
PPP4R4 |
丝氨酸/苏氨酸-蛋白磷酸酶4调节亚基4 OS=Homo sapiens OX=9606 GN=PPP4R4 PE=1 |
2.2 |
PRDX3_HUMAN |
PRDX3 |
硫氧还蛋白依赖性过氧化物还原酶,线粒体OS=Homo sapiens OX=9606 GN=PRDX3 PE=1 SV=3 |
2.1 |
MYOM1_HUMAN |
MYOM1 |
Myomesin-1 OS=Homo sapiens OX=9606 GN=MYOM1 PE=1 SV=2 |
2.1 |
K1C9_HUMAN |
KRT |
角蛋白,I型细胞骨架9os =智人OX=9606 GN=KRT9 PE=1 SV=3 |
2.1 |
VIME_HUMAN |
VIM |
Vimentin OS=Homo sapiens OX=9606 GN=VIM PE=1 SV=4 |
2.1 |
1433年e_human |
YWHAE |
14-3-3蛋白epsilon OS=Homo sapiens OX=9606 GN=YWHAE PE=1 SV=1 |
2.1 |
PRDX1_HUMAN |
PRDX1 |
过氧化还原素-1 OS=Homo sapiens OX=9606 GN=PRDX1 PE=1 SV=1 |
2.1 |
PDIA1_HUMAN |
P4HB |
蛋白质二硫异构酶OS=Homo sapiens OX=9606 GN=P4HB PE=1 SV=3 |
2.0 |
SETLP_HUMAN |
SETSIP |
蛋白质SETSIP OS=智人OX=9606 GN=SETSIP PE=1 SV=1 |
NSC0G < 1克 |
加入不。 |
基因 |
蛋白质名称[种类] |
-6.2 |
K2C1_HUMAN |
KRT1 |
角蛋白,II型细胞骨架1OS=智人OX=9606 GN=KRT1 PE=1SV=6 |
-6.1 |
CALM2_HUMAN |
CALM2 |
钙调素-2 OS=智人OX=9606 GN=CALM2 PE=1 SV=1 |
-4.6 |
TTHY_BOVIN |
竞技场队伍 |
转甲状腺素OS=牛牛OX=9913 GN=TTR PE=1 SV=1 |
-2.2 |
WNT2B_HUMAN |
WNT2B |
蛋白质Wnt-2b OS=智人OX=9606 GN=WNT2B PE=1 SV=2 |
-2.1 |
G6PI_HUMAN |
谷歌价格指数 |
葡萄糖-6-磷酸异构酶OS=Homo sapiens OX=9606 GN=GPI PE=1 SV=4 |
补充表1:SPC-NSCs中上调和下调蛋白最多。在国际空间站上39.3天的太空生活后,NSCs的分泌组中发现了蛋白质。表上半部分列出了与GC-NSCs相比,SPC-NSCs分泌组中数量≥2的蛋白显著(p < 0.05)。下半部分为SPC-NSCs较GC-NSCs蛋白减少≤-2 (p < 0.05)。
补充图1:来自GC-NSC和SPC-NSC的2-D凝胶和两者图像的重叠。使用Typhoon TRIO (GE Healthcare)进行SDS-PAGE后立即扫描凝胶图像。然后使用Image Quant软件(版本6.0,GE医疗保健)分析扫描图像,然后使用DeCyder软件(版本5.0,GE医疗保健)进行凝胶分析。
补充数据1: SpaceX CRS-16飞往国际空间站的任务细节
SpaceX CRS-16
描述
SpaceX CRS-16,也被称为SpX-16,是2018年12月5日由猎鹰9号运载火箭发射的国际空间站商业补给服务任务。该任务由美国宇航局承包,SpaceX公司负责飞行。这次CRS任务是第一次使用猎鹰9 Block 5。维基百科
停泊的日期:2018年12月8日15:36 UTC
停泊的港口:和谐最低点
干燥的质量:4200公斤(9300磅)
登陆日期:2019年1月14日05:10 UTC
任务持续时间:39天10小时54分钟
火箭:猎鹰9号Block 5
宇宙飞船:龙C112.2
补充数据2:CRS-16飞行期间国际空间站上的辐射剂量
国际空间站上的电离辐射有两个来源,银河宇宙辐射(GCR)和捕获的质子,大部分捕获的质子剂量是在通过南大西洋异常区(SAA)时积累的。
采集这些数据的仪器JSC-SRAG利用国际空间站轨道的信息,结合地磁场的映射,将剂量分解为GCR和SAA组分。
引用:Biancotti JC, Carpo N, Zamudio J, Vergnes L, Espinosa-Jeffrey A(2022)太空旅行者人类神经干细胞的分泌组分析。《干细胞研究进展》8:094。
版权:©2022 Juan Carlos Biancotti,等人。这是一篇开放获取的文章,根据创作共用署名许可协议(Creative Commons Attribution License)发布,该协议允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制,前提是注明原作者和来源。