众所周知，环境因素会造成生物体的 DNA 损伤，例如紫外线。在人类和动物中，这种 DNA 损伤可能会导致癌症。但幸运的是，细胞有几种不同的策略修复受损 DNA。
生活在地球上的人类，受到了地球磁场和大气层的保护，隔绝了绝大多数来自太空的有害辐射，然而，太空中的宇航员离开了地球的保护，他们会受到更强的辐射，因此面临更强的 DNA 损伤风险。
现在，中国和美国都宣布了载人登陆火星的计划，这种长期的星际旅行，宇航员们会面临长期太空辐射，身在太空微重力环境下的他们，身体会选择怎样的策略来修复辐射导致的 DNA 损伤呢？限于之前的技术和安全障碍，这个问题一直没能得到研究。
2021 年 6 月 30 日，MiniPCR Bio、麻省理工学院、美国宇航局，以及几位美国中学生，在PLOS One期刊发表了题为：A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station 的研究论文。
这项研究是首次在太空中完成的CRISPR基因编辑实验，为研究太空微重力环境下DNA损伤修复奠定了基础，对于人类探索广阔的太空，以及将来的星际旅行，甚至星际移民具有重要意义。
在国际空间站中，受实验设备等多种条件限制，难以直接观察细胞如何修复更复杂或更广泛的损伤。因此，研究团队想到了 CRISPR 基因编辑，使用 CRISPR 基因编辑造成细胞 DNA 的精确损伤，然后在国际空间站的宇航员就可以观察细胞上如何将这些 DNA 损伤修复的。
宇航员在国际空间站上通过对酵母细胞的实验，使用 CRISPR 基因编辑酵母细胞，使其 DNA 产生精确损伤、培养酵母使其修复 DNA、提取基因组并 PCR，以及对基因组进行纳米孔测序，这些全部实验过程均在国际空间站的太空飞行环境中进行。
研究团队使用了营养缺陷型酵母，这种酵母由于缺乏尿嘧啶生物合成所必须的 URA3 基因，因此无法在不含尿嘧啶的人工合成培养基中生存繁殖。
然后，NASA 宇航员对这些酵母进行了转化实验，导入携带了 URA3 基因、Cas9 基因和靶向 ADE2 基因的 sgRNA，以及针对 ADE2 基因的修复模板。
正常情况下，酵母在培养基上形成的菌落为白色，而当 ADE 基因突变后，菌落呈红色。
质粒转化后，这些营养缺陷型酵母由于导入了 URA3 基因，从而可以在不含尿嘧啶的人工合成培养基中生存和繁殖并形成菌落，而且，观察到了培养基中出现了红色酵母菌落，可以直观看出 CRISPR 基因编辑成功编辑了 ADE2 基因。PCR 实验进一步证明了 CRISPR 基因编辑的成功。
此外，还通过纳米孔测序，进一步推断这些酵母所采取的细胞修复机制，测序结果表明，所有被成功基因编辑的呈红色的菌落，它们的基因序列与修复模板序列一致，这表明它们都是通过同源重组进行的修复， 而不是非同源末端连接的修复方式。这为将来量化 DNA 修复途径奠定了基础。
这项研究成功证明了这种新方法的可行性，这项研究标志着CRISPR/Cas9 基因组编辑首次在太空成功进行，这也是首次在太空中向活细胞中导入来自生物体外部的遗传物质。
研究团队表示，希望这项技术能够对太空中的 DNA 修复进行广泛的研究，接下来还将继续改进新方法，以便更好地模拟电离辐射引起的复杂DNA损伤。
值得一提的是，这项研究的想法，是由美国两个高中的几名学生提出，并在学术界、工业界和 NASA 的支持下得以完成。
总的来说，这项研究不仅在太空极端环境下成功进行了CRISPR 基因组编辑、miniPCR和纳米孔测序等新技术，而且还能将这些新技术整合到一起，用来研究太空微重力环境下的 DNA 修复和其他细胞基本过程。这对于人类探索广阔的太空，以及将来的星际旅行，甚至在星际移民具有重要意义。
论文链接：
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253403
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