I en landmärkestudie, en grupp amerikanska forskare från Johns Hopkins, Stanford University och andra institutioner har inte funnit några långvariga, stora skillnader mellan epigenomerna hos astronauten Scott Kelly, som tillbringade ett år i rymden ombord på den internationella rymdstationen, och hans tvillingbror, Mark, som blev kvar på jorden.

Vad den här studien säger oss om farorna med rymdresor på en persons genom är inte klart, säger forskarna, men forskning om ytterligare astronauter i rymden kan så småningom hjälpa forskare att förutsäga vilka typer av medicinska risker de kan möta på långa rymdresor där människor upplever mindre gravitation än på jorden, exponering för skadliga ultravioletta strålar och andra hälsorisker.

"Detta är gryningen av mänsklig genomik i rymden, " säger Andrew Feinberg, M.D., Bloomberg Distinguished Professor of Medicine, Biomedicinsk teknik och mental hälsa vid Johns Hopkins University. "Vi utvecklade metoderna för att göra dessa typer av mänskliga genomiska studier, och vi borde göra mer forskning för att dra slutsatser om vad som händer med människor i rymden."

Epigenetiska förändringar involverar kemiska "justeringar" av DNA som kan påverka genaktivitet, men förändringarna påverkar inte själva den underliggande genetiska koden. Förändringarna påverkar när och hur en gen läses, eller uttryckt, för dess proteinkodande instruktioner. När epigenetiska förändringar inträffar vid fel tidpunkt eller plats, processen kan slå på eller stänga av gener vid fel tid och plats, för.

Forskare har länge övervakat och studerat de fysiologiska effekterna av rymdresor på astronauter. Dock, de flesta av dessa astronauter reser på rymdfärdsuppdrag på sex månader eller mindre, inte de längre uppdrag som krävs för att resa till Mars eller någon annanstans. Mer forskning behövs för att förstå effekten av långa rymdfärder på människokroppen, där det finns mer exponering för strålning, begränsad kost, mindre träning, lägre gravitation och störda sömncykler.

Feinberg noterar att man studerar enäggstvillingar - som, av naturen, har samma genetiska material – var en viktig och sällsynt möjlighet att jämföra fysiologiska och genomiska förändringar när en tvilling gick ut i rymden och den andra stannade kvar på jorden. "Dock, eftersom vi bara har två personer i vår studie, vi kan inte säga att dessa förändringar beror på rymdfärden i sig, ", säger Feinberg. "Vi behöver fler studier av astronauter för att dra sådana slutsatser."

För studien, beskrivs i 12 april-numret av Vetenskap , forskare samlade blodprover, fysiologiska data och kognitiva mätningar från Scott och Mark Kelly vid olika tidpunkter under 27 månader innan, under och efter Scotts ettåriga rymduppdrag. Proverna från Scott under flygningen samlades in på rymdstationen när försändelser från jorden anlände på en Sojus-raket och, samma dag, skickas tillbaka till jorden med raketen så att proverna kunde bearbetas inom 48 timmar.

Feinberg och tidigare postdoktorand Lindsay Rizzardi, nu senior forskare vid HudsonAlpha Institute for Biotechnology, fokuserat på epigenetiska förändringar av Scott och Marks genom.

Specifikt, Feinberg och hans team undersökte två typer av vita blodkroppar (CD4+ och CD8+) isolerade från Mark och Scotts blod. De fokuserade på epigenetiska märken som består av kemiska modifieringar som kallas metylgrupper som läggs till DNA i en process som kallas metylering.

Övergripande, de fann att ungefär lika många epigenetiska förändringar inträffade i markbundna Marks DNA som i hans rymdflygande tvilling. Det var mindre än 5 procents skillnad i total metylering mellan tvillingarna under uppdraget. Den största skillnaden inträffade nio månader in i uppdraget när 79 procent av Scotts DNA var metylerat, jämfört med 83 procent av Marks.

Platserna för metyleringsförändringar i genomet var olika för varje tvilling. Till exempel, forskarna fann metyleringsförändringar nära gener involverade i immunsystemets svar i Scott under hans tid i rymden, men inte i Mark. Detta korrelerade med data från andra forskare som är involverade i den aktuella studien som fann ökningar av vissa biokemiska markörer associerade med inflammation hos Scott men inte Mark.

"Det var uppmuntrande att se att det inte fanns någon massiv störning av epigenomet hos varken Mark eller Scott, " säger Rizzardi. "Men, med bara två personer i studien, vi är begränsade i de slutsatser vi kan dra om effekten av rymdresor på genomet. Men resultaten ger oss ledtrådar till vad vi bör undersöka närmare i framtida studier av astronauter."

I den aktuella studien, Scotts biologiska prover skickades tillbaka till jorden omedelbart, men i framtiden, astronauter kan behöva bearbeta och lagra prover på rymdfarkosten. Feinberg, Rizzardi och NASA-forskaren Brian Crucian utvecklade detaljerade instruktioner för att göra komplicerade experiment i mikrogravitation. Feinberg och Rizzardi reste i en vecka på den berömda "Vomit Comet, "ett plan som simulerar viktlöshet, att testa sina protokoll för att övervinna utmaningarna med att samla, rena och lagra blodprover ombord på rymdstationen.

Av de studier som leddes av forskare vid Stanford University, Colorado State University, Cornell University och andra, några av de anmärkningsvärda resultaten inkluderade Scotts förlängning av telomerer under flygning, skyddslocken på kromosomerna. Telomeren förlängs, som tidigare rapporterats, återgick till det normala när Scott återvände till jorden.

Dessutom, mer än 90 procent av generna som ändrade aktivitetsnivåer under Scotts flygning återgick till det normala sex månader efter flygningen. Än, Feinberg noterar, dessa förändringar tyder inte på enbart rymdfärd, de skiljer sig inte heller från vad som kan hända normalt.

Forskarna fann också att formen på Scotts ögonglob förändrades under flygningen, inklusive en tjockare retinalnerv och veck i åderhinneskiktet som omger ögat. Dessa förändringar påverkar vanligtvis synskärpan och, säger Feinberg, har förekommit hos andra manliga astronauter men inte hos kvinnor. Forskarna observerade också kognitiva förändringar och ökade stressnivåer hos Scott under flygningen, som, på nytt, kan inte tillskrivas enbart rymdfärd.

Feinberg säger att den här studien lägger grunden för att göra förutsägelser om en astronauts genrelaterade och fysiologiska funktion under ett långsiktigt uppdrag:"Om vi ​​vet vad vi kan förvänta oss, vi kan förutse hälsoproblem som astronauter kan stöta på och se till att mediciner och andra botemedel finns till hands under ett uppdrag."