太空飞行跨脑细胞类型调控神经退行性相关转录组通路

《Life Sciences in Space Research》：Spaceflight Modulates Neurodegeneration-Associated Transcriptomic Pathways Across Brain Cell Types

　　

摘要

太空飞行引发的压力会损伤组织并促进疾病发生。由于大脑的高生物能量需求以及微重力引起的头向流体转移所施加的机械和血管压力，大脑可能特别脆弱。既往研究表明，太空飞行可以改变大脑的结构和功能，并以涉及疾病相关基因通路的方式重塑其转录组。在此，我们使用单核转录组学分析来测试太空飞行是否启动了与神经退行性变相关的转录程序并激活了与疾病相关的小胶质细胞。年轻（3 个月）或较年长（7 个月）的雌性小鼠被飞往国际空间站或作为地面对照组保留 55-58 天直到安乐死。大脑细胞核被用于单核 RNA 测序处理、注释，并分为七种主要细胞类型。所有细胞类型都表现出大量作为太空飞行函数的差异表达基因，而受年龄影响的基因很少。通路分析显示，这些基因富集于神经退行性病理的上游过程，包括线粒体和氧化应激、蛋白质稳态和细胞死亡，而不是大脑特异性结果，如突触和神经可塑性通路。太空飞行进一步驱动了与激活状态相关的小胶质细胞基因特征的增加，包括与疾病相关的、MHC-II 的、干扰素应答的和炎症性小胶质细胞。总之，这些发现表明太空飞行诱导的转录图谱与神经退行性疾病风险升高一致，可能反映了细胞致敏而不是在此暴露持续时间下的既定病理。这些结果强调了需要进一步研究来定义相对风险并识别对策，因为人类任务正在向太空更深远和更长的方向发展。

引言

随着人类增加太空飞行的频率和持续时间，了解在此环境中遇到的生物压力因素如何影响生理和长期疾病风险至关重要。太空飞行使机组人员暴露于独特的生理和心理挑战组合中，其中最独特的是微重力和以银河宇宙辐射 (GCR) 形式存在的电离辐射 (Carpo et al., 2024, Afshinnekoo et al., 2020, Barker et al., 2021)。与地面辐射不同，GCR 包含高能、高电荷粒子，它们在组织中沉积密集的电ion径迹，并且只能被航天器屏蔽部分衰减，这使得中枢神经系统成为特别关注的组织 (Afshinnekoo et al., 2020, Barker et al., 2021)。

大量使用模拟微重力和基于地面的 GCR 类似物的工作指出了这些暴露的有意义的神经系统后果。辐射引发认知缺陷 (Raber et al., 2021, Krukowski et al., 2018, Raber et al., 2016, Acharya et al., 2019, Britten et al., 2020, Parihar et al., 2018)，这些缺陷已被归因于几种汇聚机制，包括小胶质细胞功能障碍和神经炎症 (Krukowski et al., 2018, Raber et al., 2016, Allen et al., 2020)、代谢破坏 (Raber et al., 2021) 以及神经元的生理变化 (Acharya et al., 2019, Parihar et al., 2018)。各种类型的陆地辐射暴露也会促进海马凋亡、神经炎症和氧化应激 (Allen et al., 2020, Mao et al., 2020, Rizzo et al., 2012, Overbey et al., 2019, Cekanaviciute et al., 2018)。模拟微重力独立地与认知缺陷 (Bellone et al., 2016) 和啮齿动物的海马功能障碍 (Oleynik et al., 2024, Berezovskaya et al., 2021) 相关，并且可以诱导神经炎症并破坏突触可塑性体外 (Chen et al., 2026)。总之，这些发现表明太空飞行环境的各个组成部分都能扰动大脑功能，提出其组合、长期暴露会对大脑造成累积风险的可能性 (Overbey et al., 2019)。

对太空飞行宇航员和啮齿动物的观察证实了这些结果。微重力驱动头向流体转移，改变了大脑在颅骨内的位置并重新分配自由水 (Lee et al., 2019)，增加了静水压力并改变了脑室体积、室周白质高信号、灰质体积和功能连接 (Koppelmans et al., 2016, Demertzi et al., 2016, Alperin et al., 2017)。在分子水平上，太空飞行动物中的基因和蛋白表达研究揭示了与凋亡、免疫功能、神经可塑性、蛋白质稳态和细胞代谢核心方面相关的差异表达基因 (Holley et al., 2022, Kremsky et al., 2023, Masarapu et al., 2024, Santucci et al., 2012, Mhatre et al., 2022)，以及大脑皮层和小脑的超微结构变化 (Holstein and Martinelli, 2003, Dyachkova, 2007)。宇航员的行为影响是可以检测到的，但通常很微妙，影响涉及运动功能和运动感知的任务 (Moore et al., 2019) 和空间认知 (Burles and Iaria, 2023)，没有较大或一致的全球性下降 (Dev et al., 2024)。

许多这些报告的影响汇聚于也是神经退行性疾病核心机制的机制上。尽管个别神经退行性疾病有不同的主要病因，但它们共享一组组织反应，包括线粒体和生物能量功能障碍、过量氧化应激、胶质细胞介导的神经炎症以及蛋白质折叠和清除失败，这些将多种损伤转化为进行性病理 (Gadhave et al., 2024)。鉴于大脑的高能量需求和对紧密调节的线粒体功能的依赖，大脑可能特别容易受到这些压力因素的影响，这共同使其对即使是适度的生物能量扰动也敏感。因此，有观点提出，太空飞行压力因素的累积负担，在更长任务中集成，会增加神经退行性过程的风险或直接驱动神经退行性过程 (Kremsky et al., 2023, Masarapu et al., 2024)。这种风险预计会随着任务持续时间以及与低地球轨道以外的旅行而增加，在那里由于地球磁层屏蔽的丧失，GCR 剂量急剧上升 (Afshinnekoo et al., 2020, Hassler et al., 2014)。

尽管存在这种汇聚，太空飞行是否在多样的大脑细胞类型中启动神经退行性变相关的转录程序仍未解决，不同细胞群体在其反应中共享或分化的程度也是如此。在此，我们直接使用在国际空间站饲养略少于两个月的雌性小鼠的单核 RNA 测序 (snRNA-seq) 数据集直接解决这些问题。我们发现太空飞行在所有主要大脑细胞类型中诱导大量差异表达基因，这些基因富集于神经退行性疾病的基础通路，并且与疾病相关的小胶质细胞表型在太空飞行中上调。这些结果提供了进一步的证据，表明太空飞行以与神经退行性风险升高一致的方式扰动大脑，并强调了对于低地球轨道以外的长期任务，对策的潜在重要性。

部分摘要

太空飞行诱导大脑细胞类型间广泛的基因表达变化

为了探究太空飞行对不同大脑细胞群的影响，我们分析了来自 NASA 开放科学数据仓库 (OSDR) 研究 OSD-613 的单核 RNA 测序 (snRNA-seq) 数据。雌性 C57BL/6Ntac 小鼠，在实验开始时年龄为 12 周（年轻）或 29 周（年老），被分配到地面对照 (GC) 或太空飞行条件 (FLT；在国际空间站上 55-58 天)，产生四组：年轻-GC (n=5)，年轻-FLT (n=4)，年老-GC (n=4)，和年老-FLT (n=5)。

讨论

在此我们表明，在低地球轨道上 55-58 天的太空飞行足以以与神经退行性风险升高一致的方式重编程所有主要大脑细胞类型的转录组。这表明太空飞行诱导的转录图谱可能使神经组织对神经退行性过程敏感，而不是直接重现疾病本身。

个别神经退行性疾病有不同的主要病因，但越来越多的工作

结论

总的来说，这些数据表明，即使是相对短期的太空飞行也会诱导大脑中广泛的转录重编程，其特征是线粒体应激、适应性应激反应通路的激活以及早期神经免疫参与。这些变化似乎使神经组织对神经退行性过程敏感，在长期暴露下可能成为致病性。这种担忧对于计划的火星任务尤其相关，这些任务结合了长期与

数据集和实验设计

单核 RNA 测序数据来源于 NASA 开放科学数据仓库 (OSDR) 研究 OSD-613。简言之，雌性 C57BL/6Ntac 小鼠在实验开始时年龄为 12 周（“年轻”）或 29 周（“年老”），被分配到地面对照 (GC) 或太空飞行 (FLT；在国际空间站上 55-58 天) 条件，产生四组：年轻-GC (n = 5)，年轻-FLT (n = 4)，年老-GC (n = 4)，和年老-FLT (n = 5)。小鼠在国际空间站上被安乐死，

作者贡献

David Piekarski: 概念化、方法论、形式分析、写作——初稿 Joseph Guarnieri: 写作——初稿、方法论 Shehbeel Arif: 写作——初稿 Elizabeth Aslinger: 方法论 M Windy McNerney: 概念化、方法论、形式分析、写作——初稿

免责声明

本文表达的观点是作者的观点，不一定反映退伍军人事务部、国家航空航天局或美国政府的立场或政策。

补充图例

补充图 1：样本按飞行条件而非年龄聚类。 每种细胞类型的伪批量表达谱的主成分分析。单个样本按飞行条件 (GC, FLT) 着色并标记

CRediT 作者贡献声明

David J. Piekarski: 写作——初稿、方法论、形式分析、概念化。 Joseph Guarnieri: 写作——初稿、方法论。 Shehbeel Arif: 写作——审查和编辑、方法论。 Elizabeth Aslinger: 方法论。 M. Windy McNerney: 写作——初稿、方法论、形式分析、概念化。

竞争利益声明

无已知利益冲突

致谢

作者感谢 NASA 生物与物理科学 (BPS) 部门支持 NASA Ames 生命科学数据存档 (ALSDA)、NASA GeneLab 及其伞形项目 NASA 开放科学数据仓库 (OSDR)，它们是太空生物学和太空健康未来的宝贵国家和全球资源。我们感谢 OSDR 团队和 GeneLab 样本处理实验室生产、整理和处理来自啮齿动物研究的单核 RNA 测序数据

David J. Piekarski|Joseph Guarnieri|Shehbeel Arif|Elizabeth Aslinger|M. Windy McNerney