首次在国际空间站研究酵母DNA修复

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研究人员在国际空间站研究DNA损伤修复 。图片来源：Rommel等
采访人员 唐凤
太空中弥漫着大量电离辐射，这让宇航员面临着更大的DNA损伤风险 。通常在人类和其他动物中，DNA受损会诱发癌症等疾病 。
细胞能自行修复受损DNA，由于技术和安全等原因，针对太空中DNA修复的研究一直止步不前 。
幸运的是，美国MiniPCR生物公司、麻省理工学院、怀特黑德生物医学研究所等机构研究人员，开发并展示了一种研究细胞如何在太空中修复受损DNA的新方法 。这标志着“基因剪”首次在国际空间站亮出刀锋 。近日，相关论文刊登于《公共科学图书馆—综合》 。
宇航细胞能否自我修复
实际上，在正常的生物过程中，DNA损害时有发生，但环境因素（如紫外线）也可能加重这一问题 。幸运的是，细胞有几种不同的自然策略来修复受损的DNA 。
例如，双链断裂是DNA损伤的一种类型，可以通过两种主要的细胞途径进行修复：非同源端连接和同源重组 。非同源端连接可以在断裂位点进行额外的添加或删除，同源重组则通常保持DNA序列不变 。
但先前研究表明，太空条件可能会影响DNA修复路径的选择 。例如，有研究表明，微重力条件可能会影响人体对DNA修复策略的选择，这引发了人们对细胞自身修复能力不足的担忧 。
因此，随着载人航天的不断发展，弄清人体在太空中采用哪种特定DNA修复策略变得尤为重要 。
“在太空中，我们在地球上使用的许多破坏DNA的技术（比如辐射），都被认为是不安全的 。”论文通讯作者之一、MiniPCR生物公司的Emily Gleason告诉《中国科学报》 。
CRISPR/Cas9基因组编辑技术利用CRISPR酶对人类DNA进行切割，能够有效改变DNA 。
“该技术此前还没有在太空中应用过，但这次我们成功在国际空间站使用了它 。这也是第一次在太空中完成整个分子生物学工作流程 。”她说 。
精准“剪开”DNA双链
“太空基因”计划的Sarah Rommel及其同事，开发了这种研究酵母细胞DNA修复的新方法，它主要基于CRISPR/Cas9技术，能诱导DNA断裂和评估生物体如何选择在空间中出现的双链断裂的修复途径 。
“这种方法可以在太空中安全进行 。”Rommel表示，“它借助‘基因剪’对DNA链进行精确切割，与辐射或其他原因造成的非特异性损伤相比，人们可以更详细地观察到双链断裂后的DNA修复机制 。”
研究人员在国际空间站的酵母细胞中证明了这种新方法的可行性，并希望借助这项技术在太空中进行广泛的DNA修复研究 。研究人员不仅在极端环境下成功部署了CRISPR/Cas9基因组编辑、聚合酶链反应和纳米孔测序等新技术，而且能够将它们整合到一个功能完整的生物技术工作流程中，这也适用于DNA修复和微重力条件下其他细胞过程的研究 。
这不仅标志着CRISPR/Cas9基因组编辑首次在太空中成功进行，也是活细胞首次在太空中成功转化，即整合来自生物体外部的遗传物质 。这些里程碑标志着国际空间站上分子生物学工具包的重大扩展 。资深作者Sebastian Kraves说，“这让团队对人类探索和居住广阔太空的可能性充满了希望 。”
美国宇航局（NASA）约翰逊太空中心微生物学家Sarah Wallace说：“我被其难以置信的复杂性所震撼 。我们看到，当一个生物体被转化时，它的基因组被CRISPR/Cas9编辑，出现DNA断裂，然后生长并修复DNA，最后，人们再测序它的DNA，所有这些都是在国际空间站的太空飞行环境中完成的 。进行这种包罗万象、端到端调查的能力是空间生物学向前迈出的巨大一步 。”