在微重力环境下，细胞的DNA复制更容易“出错”

在模拟太空失重条件的抛物线飞行中，研究人员首次发现，在微重力条件下复制DNA时，源自细菌的DNA聚合酶的错误增加了10-140%。再加上已知空间辐射对DNA的损害率更高，这种DNA复制的不准确性很可能对未来长期执行任务的宇航员的健康构成威胁。

　　

2019年5月22日，皇后大学的科学家在渥太华机场登上一架改装的猎鹰20飞机。计划是一次“vomit comet”飞行，飞机以陡峭的抛物线反复爬升至8公里，并以自由落体的方式交替下降。在自由落体过程中，以超过3.3公里的速度在20秒内下降，只有重力，但没有升力、推力或阻力对飞机产生作用，导致失重。科学家们在这些困难条件下的任务是测试在失重状态下复制DNA的酶是否和在地球条件下一样准确。这个问题对未来的太空探索至关重要，因为宇航员的健康将取决于细胞分裂过程中准确的DNA复制。

所谓的DNA聚合酶是复制和修复DNA的必要酶。不可避免地，它们并不完美:即使在最理想的条件下，它们有时也会犯错误。在这里，我们展示了来自大肠杆菌的DNA聚合酶在微重力条件下更容易出错，比如在太空中。通讯作者亚伦·罗森斯坦(Aaron Rosenstein)说，他当时是加拿大金斯敦皇后大学的学生，目前在多伦多大学工作。

研究结果发表在开放获取的《Frontiers in Cell and Developmental Biology》杂志上。

由于空间辐射，突变率已经更高了

先前的研究表明，在太空中，由于宇宙射线和太阳粒子的破坏，DNA遭受更高比率的突变——例如，单核苷酸取代、交联、逆序或缺失。到目前为止，人们还不知道自然的DNA复制机制是否也会受到太空失重条件的影响。如果DNA聚合酶在太空中变得不那么准确，随着DNA的复制，本已很高的突变率将进一步增加，癌症将是宇航员可能面临的后果之一。

Rosenstein和他的导师兼合著者Virginia K. Walker教授首次发现，在微重力条件下，从大肠杆菌中提取的DNA聚合酶的错误率始终较高。为了得到这个结果，Rosenstein和皇后大学的团队成员参加了“加拿大失重实验设计挑战赛”。他们设计了一个半自动微型实验室，在抛物线飞行的失重阶段，可以对一个1000个核苷酸长的工程DNA片段进行一轮复制。他们的结果可以推广到空间条件。

为了使微实验室能够适应晕车研究人员的控制，需要进行反复试验。“体验微重力是一种独特的体验。即使是执行简单的任务，比如手动激活我们的迷你实验室，也会变得困难。Rosenstein说:“我们不得不投入大量精力改善我们的迷你实验室的用户友好性，使其不仅在微重力环境下更容易操作，一旦完成零重力抛物线，在随后的2G超重力飞行阶段也更容易操作。”

作者指出，单碱基取代率——核苷酸胸腺嘧啶(T)与错误的核苷酸配对的比率，例如，在DNA螺旋的相反链上的腺苷(A)——比在地面条件下高出10%到140%。在核苷酸A、C、G和T之间的所有成对替换，以及随意删除或插入1到3个核苷酸时，都发现了类似的增加突变率。正如预期的那样，准确性还取决于DNA聚合酶是否保留了“校对”功能，即验证(并在必要时移除)任何不匹配的核苷酸:由于突变而导致校对失活的DNA聚合酶的替换率要高出约50%。

DNA复制的不准确性带来了新的健康风险

研究人员得出的结论是，再加上太空中更大的辐射风险，微重力条件下DNA复制的不准确性可能会给宇航员长时间在太空中的健康带来风险，比如计划执行月球和火星任务的宇航员。

“我们已经证明，在微重力环境下，DNA聚合酶与线粒体中发现的DNA聚合酶相似，线粒体是细胞的能量来源。更大的损伤和复制精度降低的综合效应可能导致宇航员过早衰老。”

Fidelity of a bacterial DNA polymerase in microgravity, a model for human health in space