北京基尔比生物研制微重力培养系统对 DNA 复制和辐射诱导损伤

本文研究微重力环境下细菌DNA聚合酶的保真性，以及这种环境对DNA复制和修复的影响，为人类在太空中的健康提供模型。

研究通过模拟微重力条件来评估DNA聚合酶的保真性和复制速率，并与地球重力条件下的结果进行比较。研究结果表明，微重力环境下DNA聚合酶的保真性显著降低，这可能对长期太空任务中的宇航员健康构成威胁。

（一）背景知识

- 长期太空任务会使宇航员及其细胞和微生物组暴露于微重力和电离辐射中，这两种环境压力因素对地球生物几乎没有进化出适应能力。

- 维持基因组完整性至关重要，但微重力对DNA聚合酶介导的复制和修复的影响尚未完全明确。

- 太空辐射主要来自银河宇宙射线和太阳粒子事件，这些高能粒子与DNA的相互作用可能导致双链断裂（DSBs）、单链断裂（SSBs）、交联、脱聚合、碱基释放和碱基修饰等DNA损伤。

- 生物体已经进化出多种机制来修复DNA损伤，包括错配修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、同源重组和非同源末端连接等。

- 微重力可能通过产生SSBs/DSBs和活性氧（ROS）导致DNA损伤，并伴随细胞骨架蛋白的改变、细胞粘附性降低、细胞增殖增加和基因表达变化。

地面模拟利器，Kilby Gravity系统的技术突破

太空实验机会稀缺且昂贵，地面模拟微重力平台成为研究的关键支撑。北京基尔比生物科技公司的Kilby Gravity重力模拟控制装置提供了可及性强、精确度高的实验平台。

该系统核心技术在于三维随机旋转重力矢量分散机制。通过双轴独立控制旋转系统，使培养容器内的重力矢量在空间快速随机化，实现持续的10⁻³g微重力环境模拟——接近国际空间站的实际微重力水平。

北京基尔比生物科技公司的Kilby Gravity微重力培养系统的优势在于多功能集成与实时监控能力。设备内置传感器，可实时监控并可视化重力水平；旋转器主体紧凑设计可放入标准CO2培养箱，维持细胞培养的温湿度和气体环境。

（二） 研究方法

2.1 实验设计：使用1 kb的单链DNA模板，设计时避免了重复序列和二级结构的形成，以减少对下游聚合反应的干扰。通过计算机程序生成约10,000个候选序列，选择G+C含量约为50%且折叠能量最高的序列作为模板。

2.2 实验装置：开发了一个定制的有效载荷系统，用于在加拿大国家研究委员会（NRC）的Falcon-20抛物线飞行飞机上进行实验。该系统能够自动化执行样本存储、孵育、连续遥测监控和与笔记本电脑通信等功能。

2.3 DNA聚合化方案：设计了一种DNA聚合化协议，能够在每个抛物线的20秒微重力期间同时复制数百万个带有独特分子标识符（UMI）的模板，且不会将反应延续到随后的双倍地球重力阶段。

2.4 样本后处理：飞行结束后，样本被立即冷冻并运回实验室，在那里它们保持冷冻状态直到进行样本后处理。使用Exonuclease VII去除部分聚合的DNA物种的单链DNA尾，以获得仅包含聚合DNA的修剪双链DNA分子。

2.5 生物信息学分析：使用Bowtie2进行序列比对，并使用R语言进行数据分析。通过UMI进行错误校正，并计算每个碱基的错误率。

（三）实验结果

- 微重力对DNA聚合酶保真性的影响：在微重力条件下，Klenow片段（带有和不带有校对功能的）的聚合酶保真性显著降低。具体来说，与地球重力相比，微重力下Klenow（exo+）的聚合酶保真性降低了1.1倍（p=0.02），而Klenow（exo-）的保真性降低了2.4倍（p=1.98×10^-11）。此外，微重力条件下，无论是有还是没有校对活性，删除频率分别增加了1.1倍和1.5倍（p=1.51×10^-7和p=8.74×10^-13）。

- 微重力对DNA聚合酶复制速率的影响：微重力环境下，Klenow（exo+）和Klenow（exo-）的聚合酶复制速率均显著降低，表明微重力对DNA聚合酶的复制速率有负面影响。

- 微重力对DNA聚合酶错误率的影响：微重力环境下，Klenow（exo+）和Klenow（exo-）的聚合酶错误率均显著增加，尤其是Klenow（exo-）的错误率增加了2.4倍，表明微重力对DNA聚合酶的保真性有显著影响。

（四）关键结论

- 微重力环境显著降低了DNA聚合酶的保真性，增加了DNA复制过程中的错误率，这可能对长期太空任务中的宇航员健康构成威胁。

- 微重力对DNA聚合酶的影响在有无校对功能的酶中均存在，但校对功能可以部分缓解这种影响。

- 研究结果为未来太空健康研究提供了一个新的范例，尤其是在考虑长期太空任务对宇航员基因组完整性的影响时。

（五）研究意义

这项研究不仅为理解微重力对DNA复制和修复的影响提供了重要数据，还为未来的太空探索任务中保护宇航员健康提供了科学依据。

通过揭示微重力对DNA聚合酶保真性的影响，研究为开发应对太空环境的生物技术和保护措施提供了理论支持。

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