微重力诱导免疫失调的阶段性基因表达谱解析：从卧床模型到太空飞行的转化研究

本研究针对太空飞行中微重力环境引发的免疫系统功能紊乱及潜伏病毒再激活问题，通过头低位卧床（HDT）模型和国际空间站（ISS）宇航员队列的转录组学分析，揭示了免疫相关基因在微重力适应不同阶段的动态变化规律。研究发现干扰素、细胞因子和免疫球蛋白基因表达在阶段转换期呈现特异性波动，并鉴定出ISG15、TNFSF14等关键病毒应答基因。该研究为阐明太空环境中免疫调节机制提供了重要分子证据，对制定航天员健康保障策略具有重大意义。

　　

太空探索是人类永恒的梦想，但遥远的星辰大海却暗藏着健康风险。当宇航员脱离地球重力的庇护，他们的免疫系统就会陷入混乱——潜伏的病毒悄然苏醒，皮肤感染频繁发生，呼吸道症状屡见不鲜。这些现象都指向一个严峻的问题：微重力环境正在破坏人体的免疫防御体系。更令人担忧的是，在太空任务中，高达61%的宇航员会分泌一种或多种疱疹病毒，其中EB病毒（Epstein-Barr virus, EBV）和水痘-带状疱疹病毒（varicella-zoster virus, VZV）的再激活率分别高达95%和65%。虽然这些再激活大多没有症状，却预示着免疫监控功能的下降。

为了破解微重力免疫失调的奥秘，由渥太华大学Odette Laneuville教授领衔的研究团队开展了一项跨越天地的重要研究。他们巧妙地将地面头低位卧床（head down tilt bed rest, HDT）模型与国际空间站（International Space Station, ISS）宇航员队列相结合，通过高精度转录组测序技术，绘制了免疫系统在微重力暴露不同阶段的基因表达图谱。这项开创性工作最近发表在《Biochemistry and Cell Biology》上，为理解太空环境中的免疫调节机制提供了重要见解。

研究人员采用了两种关键技术方法：一是利用HDT卧床模型模拟微重力效应，收集20名男性志愿者在60天卧床期间多个时间点的白细胞样本进行RNA测序；二是分析14名ISS宇航员（3女11男）在6个月太空任务中采集的血液样本转录组数据。通过差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）分析和基因本体（Gene Ontology, GO）富集分析，重点研究了干扰素、细胞因子、主要组织相容性复合体（MHC）和免疫球蛋白基因的表达变化模式。

Interferon genes部分研究发现，干扰素基因家族成员在卧床不同阶段呈现动态变化。干扰素γ（IFNG）在卧床期间表达上调，而干扰素λ1（IFNL1）在重新行走阶段表达增加。值得注意的是，病毒防御相关基因IFIT1B在卧床期间下调，而在重新行走时显著上调。干扰素诱导的抗病毒蛋白基因RSAD2在卧床第30天和重新行走第30天均出现上调。这些变化表明干扰素通路在微重力适应过程中被激活，可能构成抗病毒反应的重要组成部分。

Cytokines genes分析显示，白细胞介素10（IL10）在卧床期间表达增加，该基因已知能增强B细胞存活和抗体产生。肿瘤坏死因子（TNF）相关基因如TNFAIP2、TNFAIP3在卧床期间表达降低，而趋化因子CXCL8的表达也显著减少。这些变化共同指向微重力环境下细胞因子网络的重新编程，可能与免疫应答功能调整有关。

Major histocompatibility complex genes部分揭示，HLA-DMA、HLA-DPA1、HLA-DPB1等6个MHC II类基因在转入和转出卧床阶段表达下调，而在卧床和重新行走期间表达上调。这种协调一致的表达模式表明抗原呈递功能在微重力暴露过程中受到动态调节，可能影响适应性免疫应答的效能。

Immunoglobulin genes部分发现免疫球蛋白（IG）基因家族是差异表达最显著的免疫相关基因群。除IGHV1-3外，所有IG基因在重新行走阶段表达均上调，特别是在离开设施后表达增加最为明显。连接链（JCHAIN）基因的表达模式与IG基因相似，该基因负责连接IgM或IgA单体单元。这些发现提示体液免疫应答在微重力暴露后的恢复阶段被显著激活。

Viral infection genes的GO富集分析发现，与病毒 infection相关的28个GO术语在卧床研究中富集，14个在宇航员研究中富集。大多数病毒相关GO术语在卧床期间显示正富集分数，表明抗病毒相关基因 coordinated 上调。ISG15、BST2和LY6E等病毒防御相关基因在两组研究中均表现出相似的变化趋势。

Herpesvirus infection genes分析鉴定出多个与疱疹病毒感染相关的基因。TNFSF14（也称为疱疹病毒进入介质）在转出卧床阶段表达增加，而在重新行走期间表达降低。Toll样受体基因（TLR4、TLR9）在整个研究期间表达变化各异。细胞因子信号抑制因子SOCS3在转入卧床时表达增加，而在卧床期间表达降低。这些基因的表达变化为解释微重力环境下潜伏病毒再激活现象提供了分子基础。

RNF and TRIM genes部分发现RING指（RNF）和三重基序（TRIM）蛋白家族成员呈现多样化表达模式。其中RNF182基因在两组研究中显示相似的变化趋势：在转入卧床/太空时表达增加，在卧床/太空期间表达降低，而在重新行走/返回地球后期表达再次增加。这些E3泛素连接酶在抗病毒天然免疫中发挥作用，可能在病毒-宿主相互作用中起关键作用。

研究讨论部分指出，这项研究的主要发现包括：细胞因子相关基因在转入和转出卧床时的表达变化方向与卧床期间的变化相反；免疫球蛋白基因表达变化仅限于重新行走阶段并以表达上调为特征；病毒 infection 应答相关基因在卧床期间表达增加；卧床期间的免疫相关基因差异表达模式与宇航员在太空飞行中的变化一致，且与抗病毒应答特征相符。

阶段转换期的基因表达变化可能受到应激因素的影响。先前研究发现，男性卧床参与者在卧床一周后唾液中的皮质醇、α-淀粉酶和β-内啡肽水平显著高于基线值。在转入和转出卧床时尿皮质醇增加也表明这些转换期是应激性较强的阶段。太空飞行中重力环境的改变同样代表着应激时刻，皮质醇和儿茶酚胺水平升高通常伴随太空飞行。

转录组时程分析先前发现，最大的转录组组成变化发生在转入和转出卧床时。基因表达在卧床期间向平均水平收敛且变异性降低，这种无法解释的效应在ISS上的宇航员中也观察到。当前对卧床适应期间转录组变化的分析揭示了具有抗病毒活性基因的富集。宇航员中潜伏疱疹病毒的再激活和与太空飞行相关的免疫失调可能触发了针对潜伏病毒潜在再激活的抗病毒应答。

这项研究也存在一些局限性。与卧床参与者相比，宇航员转录组中鉴定出的表达基因和病毒/病毒相关GO术语数量较少，可能反映了基因列表较短的原因，这归因于太空研究血液样本不可避免的冷冻步骤。与太空飞行相关的独特因素，如太空健康危害、太空旅行相关应激和太空暴露持续时间（约6个月），也可能导致两组研究之间重叠有限。

总之，白细胞蛋白编码基因的差异表达为了解太空/HDT卧床对免疫系统的影响提供了 insights，特别是在转换、适应和恢复阶段。在太空飞行背景下，样本采集的时间选择对于评估向不同重力环境转换的影响以及微重力适应都十分重要。差异表达结果揭示了HDT卧床和太空飞行中潜伏病毒再激活和免疫失调反应的分子机制。