Scott Kelly's genen en NASA's tweelingstudie over hem, uitgelegd

Het DNA van de astronaut veranderde niet in de ruimte. Dit is wat er mogelijk is.

Expeditie 46 Landing

Scott Kelly, slechts enkele minuten nadat hij in 2016 weer op aarde was geland. Hij was nog steeds genetisch menselijk.

Bill Ingalls/NASA via Getty Images

Scott Kelly muteerde niet in een genetische freak tijdens zijn jaar aan boord van het internationale ruimtestation.



Misschien heb je die indruk vorige week gekregen, toen verschillende nieuwsmedia ten onrechte meldden dat 7 procent van de genen van de astronaut was veranderd na zijn jaar op het internationale ruimtestation. Kelly droeg bij aan de verwarring door brutaal te tweeten:

Dit, als veel hebben wees uit, was complete onzin. Kelly's genetische code - de duizenden basenparen die zijn DNA vormen - veranderde niet. In plaats daarvan deelde NASA in haar langetermijnonderzoek naar Kelly enkele ( verwarrend geformuleerd ) voorlopig bewijs van veranderingen in de manier waarop zijn genen werden gebruikt tijdens zijn tijd in de ruimte en bij zijn terugkeer.

De aflevering was een complete communicatiefout, als gevolg van een verkeerd geïnterpreteerd persbericht van NASA. Maar het onthulde dat er veel verwarring bestaat over dit verhaal, van waarom NASA in de eerste plaats geïnteresseerd was in Kelly's genen tot hoe DNA-genexpressie werkt. Dus laten we dingen ophelderen.

Scott Kelly bracht een jaar door in de ruimte. NASA is benieuwd wat dat met het menselijk lichaam doet.

Scott Kelly en de Russische kosmonaut Mikhail Kornienko brachten in 2015-'16 340 dagen door aan boord van het ruimtestation. Dit was de langste enkele ruimtevlucht op het ISS.

Maar Kelly en Kornienko probeerden niet alleen hun naam in het recordboek te krijgen. De lengte van de missie vormde een cruciale test voor toekomstige langdurige missies naar Mars en verder. Een reis naar Mars zou enkele maanden tot een jaar duren, en NASA is benieuwd wat de tol is van die hoeveelheid tijd in de ruimte van het menselijk lichaam.

tina fey teven krijgen dingen gedaan

Verwant

De top 7 manieren waarop een reis naar Mars je kan doden, geïllustreerd

NASA en haar internationale partners houden astronauten gewoonlijk aan boord van het ruimtestation voor missies van zes maanden. Maar zelfs een half jaar in de ruimte eist zijn tol.

Astronauten melden vaak een verminderd gezichtsvermogen dat bij thuiskomst niet meer normaal wordt. Botten kunnen brozer worden in microzwaartekracht. Spieren atrofiëren. Het is moeilijker om in de ruimte te slapen. En wetenschappers maken zich zorgen dat langdurige missies verregaande gevolgen kunnen hebben voor de menselijke biologie, door het veranderen van de niveaus van: nuttige bacteriën in de darm om de kracht van het immuunsysteem te verminderen.

NASA zal de veranderingen in Kelly's lichaam vergelijken met die van astronauten die kortere tijd in de ruimte hebben doorgebracht. De fundamentele vraag is: veroorzaakt toegevoegde tijd in de ruimte nog meer verstoringen?

Als proefpersoon is Scott Kelly een beetje speciaal. Misschien heb je wel eens gehoord van zijn identieke tweelingbroer, Mark Kelly. Mark was ook een astronaut en hij pleit nu voor wapenbeheersing samen met zijn vrouw, voormalig vertegenwoordiger Gabrielle Giffords.

De Kelly's gingen naar NASA en wezen erop dat Mark Kelly, aangezien ze hetzelfde DNA hebben, een interessante controle voor de tests zou kunnen zijn. NASA vond het idee leuk en deed een oproep aan externe onderzoekers om voorstellen in te dienen om verschillen in de Kelly-tweeling te bestuderen.

In totaal zijn er 10 onderzoeken projecten in wat NASA de Twin Study noemt, variërend van het testen van de cognitieve vaardigheden van de Kelly-tweeling tot het beoordelen van veranderingen in hoe hun genen tot expressie worden gebracht tot het zoeken naar tekenen van verandering in hun metabolisme.

Het is geen perfecte controle (daarover hieronder meer), maar omdat de onderzoekers gegevens van meerdere tijdstippen voor elke tweeling hebben, kunnen ze vergelijken. Als de niveaus van Scott op een van deze tests in de loop van de tijd enorm verschillen van die van Mark, kunnen die veranderingen misschien worden toegeschreven aan de tijd die Scott in de ruimte doorbracht.

zijn niet-moslims toegestaan ​​in mekka

Hoe het NASA-persbericht verkeerd werd geïnterpreteerd

Hier ging het mis. In een persbericht van 31 januari heeft NASA gemeld :

Onderzoekers weten nu dat 93 procent van Scotts genen na de landing weer normaal werden. De resterende 7 procent wijst echter op mogelijke veranderingen op langere termijn in genen die verband houden met zijn immuunsysteem, DNA-herstel, botvormingsnetwerken, hypoxie en hypercapnie.

Toen het persbericht in januari uitkwam, trok het bescheiden aandacht. NASA rapporteerde niet de resultaten van de laatste studie (die later dit jaar wordt verwacht). Het was meer een herinnering: Hé, we werken hier nog aan.

Half maart pikten een paar verkooppunten het persbericht op, om onduidelijke redenen, aangezien de Atlantische Oceaan verklaart .

Newsweek, bijvoorbeeld, deed de kop Scott Kelly: NASA Twins-onderzoek bevestigt dat het DNA van astronauten daadwerkelijk is veranderd in de ruimte. WordsSideKick.com had een soortgelijk artikel, maar gaf later bewonderenswaardig toe aan de grap: We hadden het helemaal mis over dat Scott Kelly Space Genes-verhaal.

Dit is wat enorm verkeerd werd gerapporteerd, deels omdat NASA niet heeft uitgelegd wat veranderingen in genen betekenen. Het DNA van Scott Kelly is niet veranderd. Als 7 procent van je DNA zou veranderen, zou je geen mens meer zijn. Mensen en chimpansees delen 98,8 procent van hun genetische code. Als 7 procent van je genen zou veranderen, wie weet wat je dan zou zijn. (NASA verwees ook verwarrend naar de genetische veranderingen die voorkomen in een ruimtegen, wat niet iets is. Daarmee bedoelde NASA alleen genen die mogelijk kunnen worden beïnvloed tijdens ruimtereizen.)

Scott Kelly is nog steeds een mens. En hij is nog steeds de tweelingbroer van Mark Kelly, met identiek DNA. Dus wat is er veranderd?

Genexpressie, kort uitgelegd

Mensen hebben ongeveer 20.000 genen die zich in 23 chromosomen van DNA bevinden. Je hebt elk van deze genen in elke cel van je lichaam. Toch zijn onze cellen anders - een neuron lijkt in niets op de cellen die je maag bekleden. En ze hebben enorm verschillende functies. De ene zendt elektrische en chemische signalen door het hele zenuwstelsel; de andere straalt zuur uit om voedsel te helpen verteren.

De verschillen zijn niet te wijten aan verschillen in DNA, maar eerder aan hoe ze worden uitgedrukt. Complexe chemische paden en feedbackloops leiden ertoe dat bepaalde genen worden aangezet en bepaalde genen worden uitgeschakeld. Elk gen codeert voor een eiwit (een bouwsteen van het lichaam), en afhankelijk van welke genen erop zitten, worden verschillende structuren gebouwd en gebeuren er verschillende dingen.

Subtiele veranderingen in genexpressie zullen uw neuronen niet in bloedcellen veranderen, maar ze kunnen de manier waarop ze functioneren veranderen. Veranderingen in genexpressie kunnen ertoe leiden dat cellen kanker worden of een reeks gebeurtenissen in gang zetten die de kans op hartaandoeningen vergroten.

Er zijn verschillende manieren om veranderingen in genexpressie te identificeren. Een daarvan is door te kijken naar niveaus van RNA, het boodschappermolecuul dat helpt bij het uitvoeren en creëren van het eiwit waarvoor een gen codeert. Een andere manier is om te zoeken naar methylering, dat is wanneer een DNA-molecuul in wezen wordt gelabeld met een chemische stof. Deze chemische stof kan ervoor zorgen dat dat deel van het gen niet wordt ingeschakeld, zoals: Natuur verklaart .

Verwant

Eenzaamheid doet ons eigenlijk pijn op cellulair niveau

NASA rapporteerde veranderingen in expressie voor genen die verband houden met [Scott Kelly’s] immuunsysteem, DNA-herstel, botvormingsnetwerken, hypoxie en hypercapnie [overtollig kooldioxide in de bloedbaan. Dat is niet veel om mee te werken, dus we zullen moeten wachten op de definitieve paper om deze claims beter te evalueren. In een update van het persbericht verduidelijkte NASA dat de verandering van 7 procent in de expressie van Kelly's genen zeer minimaal was en waarschijnlijk binnen het bereik van mensen onder stress, zoals bergbeklimmen of SCUBA-duiken.

Een andere tak van de tweelingstudie kijkt naar veranderingen in Kelly's telomeren, dit zijn DNA-gebieden die werken als kapjes op strengen chromosomen. Veranderingen in de lengte van telomeren zijn een ruwe maatstaf voor de cellulaire gezondheid (ze hebben de neiging om korter te worden naarmate we ouder worden). Vreemd genoeg meldde NASA dat de telomeren van Kelly groeiden terwijl hij in de ruimte was. Dit is een andere claim die we zorgvuldiger zullen moeten beoordelen wanneer de definitieve paper uitkomt.

Het is nog te vroeg om te zeggen hoe een jaar in de ruimte de gezondheid van Kelly op de lange termijn kan beïnvloeden

Over het algemeen is het moeilijk om concrete conclusies te trekken over welke aspecten van ruimtevluchten tot deze veranderingen hebben geleid (op voorwaarde dat ze echt zijn).

Dit is waarom: genen gaan de hele tijd aan en uit, en deze cycli worden door vrijwel alles beïnvloed, zegt Ran Blekhman, een genetica-onderzoeker aan de Universiteit van Minnesota. Stress, voeding, blootstelling aan ziekteverwekkers, fysieke activiteit en zelfs eenzaamheid kunnen mogelijk de manier veranderen waarop genen worden in- en uitgeschakeld. Veel genen werken ook op een circadiaans ritme, wat betekent dat ze regelmatig aan en uit fietsen in een cyclus van 24 uur. Heck, er was zelfs een studie die vond meditatie veranderde genexpressie .

Al dit lawaai maakt het werk dat komt kijken bij het identificeren van betekenisvolle veranderingen in genexpressie (zoals degene die het verschil maken tussen een kankercel en een gezonde cel) en wat die veranderingen precies veroorzaakte erg moeilijk, nauwgezet werk.

En als er veranderingen zijn, zal het moeilijk zijn om ze toe te schrijven aan een aspect van ruimtevluchten. Ze kunnen te wijten zijn aan leven in microzwaartekracht, een gebrek aan lichaamsbeweging of verstoorde slaap, of een dieet van gevriesdroogd voedsel. Ze kunnen ook gewoon het resultaat zijn van willekeurig toeval.

Dus wat kunnen we leren van deze tweelingenstudie?

Andy Feinberg is een moleculair bioloog aan de Johns Hopkins University die betrokken is bij de Kelly-tweelingstudie, die de methylering van de Kellys-genen bestudeert. (Het persbericht verwees niet naar zijn resultaten, maar naar de resultaten van een ander laboratorium.)

Het plan, zegt hij, is dat alle onderzoekers die betrokken zijn bij de tweelingstudie een academisch artikel opstellen, het door vakgenoten laten beoordelen en vervolgens, hopelijk, accepteren voor een academisch tijdschrift.

Feinberg waarschuwt dat de genetische tests in de tweelingstudies niet zijn ontworpen om definitieve conclusies te trekken over de impact die ruimtevlucht heeft op onze genetica. Dat zou je nooit kunnen doen met slechts één onderwerp en één controle. Daaruit zou je een hypothese kunnen vormen, maar je kon niets bewijzen, zegt hij.

En over het algemeen kijken de onderzoekers niet alleen naar genetica. Ze kijken naar metingen van cognitieve functie, immuunfunctie, metabolisme en vitale functies. In al deze onderzoeken kunnen de gegevens wijzen op een uitgebreid verhaal over hoe de ruimte de gezondheid beïnvloedt, een hypothese om te testen in toekomstige missies.

Wat ondergewaardeerd is, maar misschien nog wel belangrijker, zegt Feinberg, is dat deze tweelingenstudie een manier is voor wetenschappers om hun methoden voor het uitvoeren van biologische tests op astronauten te verfijnen. Hij zegt bijvoorbeeld dat hij en zijn collega's enige tijd in de braakselkomeet hebben doorgebracht - het NASA-vliegtuig dat de effecten van zwaartekracht nabootst - zodat ze rigoureuze bloedafnameprocedures konden ontwikkelen voor de astronauten om monsters te verzamelen.

hoeveel kost een stradivarius viool?

Gewoon uitzoeken hoe je deze dingen moet doen, is een groot probleem, zegt hij. Zelfs als de resultaten slechts een hypothese opleveren om in de toekomst te testen, is dat goed. Het werk om mensen klaar te stomen voor interplanetair reizen is intergenerationeel, zegt hij. Dit onderzoek is slechts een kleine stap.

Wetenschappers zullen dus misschien niet veel leren over de invloed van de ruimte op de manier waarop onze genen werken van Scott en Mark Kelly. Maar ze zullen in de toekomst een beter idee hebben hoe ze die vraag moeten beantwoorden.

Correctie: in dit artikel stond oorspronkelijk dat Scott Kelly en Mikhail Kornienko het record braken voor de langste enkele ruimtevlucht. Die onderscheiding gaat naar Valeri Polyakov, die midden jaren 90 437 dagen aan boord van het Russische ruimtestation Mir doorbracht. (Kelly heeft de Amerikaans record , en hij en Kornienko brachten allebei een recordhoeveelheid tijd aan boord van het ISS door in een enkele missie.)