宇宙飛行士の血漿中核酸エピゲノム解析による宇宙環境応答の統合評価

• 研究課題/領域番号: 20H03234
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43050:ゲノム生物学関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 村谷 匡史 筑波大学, 医学医療系, 教授 (50730199)
• 研究分担者: 高橋 智 筑波大学, 医学医療系, 教授 (50271896)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2021年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
• キーワード: 宇宙環境 / リキッドバイオプシー / オミックス解析 / セルフリーDNA・RNA / エピゲノム解析 / RNAシークエンシング

研究開始時の研究の概要

血液中には体内の細胞から放出された核酸（DNA、RNA）が循環しており、比較的容易に検体が採取できることから、疾患や生体応答のモニタリング法として利用できる。本研究では、この手法を宇宙飛行士の参加する臨床研究に応用し、宇宙環境における体内組織の変化を調査する。同様の手法はこれまでにマウスを用いた宇宙フライト実験でも行われており、その過程で得られた知見をヒトでも確認できると期待される。宇宙滞在中に起きる筋萎縮や骨量の減少など、ヒトの老化と共通した現象の分子メカニズムの解明につながる可能性がある。

研究成果の概要

本研究では、国際宇宙ステーションでの滞在前、滞在中、帰還後の11のタイムポイントで６名の宇宙飛行士から血液検体を採取し、血漿中の細胞外RNA、DNAの解析を行った。シーケンス解析により、ミトコンドリアと細胞外基質に関連する遺伝子に由来するRNAとDNAの顕著な変化が見られた。さらに組織特異的な遺伝子のプロファイルを解析することで、宇宙環境で応答する組織や細胞種を予想することができた。ミトコンドリアの変化は、マウス実験の宇宙の微小重力環境での飼育と人工１G環境を比較した実験でも同様の変化が見られ、さらに重力環境の変化がその変化の要因の一つであることが示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

宇宙の微小重力環境は、地球生命がこれまで経験したことの無い環境に対してどのように応答するのかを観察できるユニークな条件であり、その応答としてミトコンドリア応答が体内でシステミックに起こることがマウスとヒトの両方で示された。これらの応答はヒトの地上での代謝関連疾患等とも関連していると考えられ、宇宙で顕在化する制御機構が地上での医学や基礎生命科学の進歩に寄与することが期待される。また、本研究で得られた知見はヒトの長期宇宙滞在や月、火星への有人ミッションに向けた宇宙医学研究に寄与する。

研究成果

• [国際共同研究] NASA Ames Research Center/Weill Cornell Medicine/Ohio University(米国)
• [国際共同研究] University College London(英国)
• [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [雑誌論文] Routine omics collection is a golden opportunity for European human research in space and analog environments (2022)
  • 著者名/発表者名: Cope Henry、Willis Craig R.G.、MacKay Matthew J.、Rutter Lindsay A.、Toh Li Shean、Williams Philip M.、Herranz Ra?l、Borg Joseph、Bezdan Daniela、Giacomello Stefania、Muratani Masafumi、Mason Christopher E.、Etheridge Timothy、Szewczyk Nathaniel J.
  • 雑誌名: Patterns 巻: 3 号: 10 ページ: 100550-100550
  • DOI: 10.1016/j.patter.2022.100550
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transcriptome analysis of gravitational effects on mouse skeletal muscles under microgravity and artificial 1 g onboard environment (2021)
  • 著者名/発表者名: Risa Okada, 他15名, Naoki Ito, Dai Shiba, Masaki Shirakawa, Masafumi Muratani, Takashi Kudo, Satoru Takahashi.
  • 雑誌名: Scientific reports 巻: 11 号: 1 ページ: 9168-9168
  • DOI: 10.1038/s41598-021-88392-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nuclear factor E2-related factor 2 (NRF2) deficiency accelerates fast fibre type transition in soleus muscle during space flight (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Takuto, Kudo Takashi, Fujita Ryo, Fujita Shin-ichiro, Tsubouchi Hirona, Fuseya Sayaka, Suzuki Riku, Hamada Michito, Okada Risa, Muratani Masafumi, Shiba Dai, Suzuki Takafumi, Warabi Eiji, Yamamoto Masayuki, Takahashi Satoru
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 号: 1 ページ: 787-787
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02334-4
  • NAID: 120007185357
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Intergenerational effect of short-term spaceflight in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Keisuke、Fujita Shin-ichiro、Isotani Ayako、Kudo Takashi、Takahashi Satoru、Ikawa Masahito、Shiba Dai、Shirakawa Masaki、Muratani Masafumi、Ishii Shunsuke
  • 雑誌名: iScience 巻: 24 号: 7 ページ: 102773-102773
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102773
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 宇宙生命科学研究におけるオミックス解析の標準化・自動化と国際連携 (2021)
  • 著者名/発表者名: Lindsay Rutter, 村谷匡史
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 279 ページ: 623-623
• [雑誌論文] リキッドバイオプシー解析を介したモデル生物研究成果のヒトへの投射 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村谷匡史
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 279 ページ: 647-647
• [雑誌論文] MicroRNA-196a-5p in Extracellular Vesicles Secreted from Myoblasts Suppresses Osteoclast-like Cell Formation in Mouse Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Takafuji Yoshimasa、Tatsumi Kohei、Kawao Naoyuki、Okada Kiyotaka、Muratani Masafumi、Kaji Hiroshi
  • 雑誌名: Calcified Tissue International 巻: 108 ページ: 364-376
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Integrated RNA-seq Analysis Indicates Asynchrony in Clock Genes between Tissues under Spaceflight (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujita Shin-ichiro、Rutter Lindsay、Ong Quang、Muratani Masafumi
  • 雑誌名: Life 巻: 10 ページ: 196-196
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A New Era for Space Life Science: International Standards for Space Omics Processing (2020)
  • 著者名/発表者名: Rutter Lindsay、Barker Richard、Bezdan Daniela、他13名、Galazka Jonathan M.、Herranz Raul、Muratani Masafumi
  • 雑誌名: Patterns 巻: 1 ページ: 100148-100148
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fundamental Biological Features of Spaceflight: Advancing the Field to Enable Deep-Space Exploration (2020)
  • 著者名/発表者名: Afshinnekoo Ebrahim、Scott Ryan T.、MacKay Matthew J.、Pariset Eloise、Cekanaviciute Egle、Barker Richard、Gilroy Simon、Hassane Duane、Smith Scott M.、Zwart Sara R.、Nelman-Gonzalez Mayra、Crucian Brian E.、Ponomarev Sergey A.、Orlov Oleg I.、Shiba Dai、Muratani Masafumi、Yamamoto Masayuki、以降著者省略
  • 雑誌名: Cell 巻: 183 号: 5 ページ: 1162-1184
  • DOI: 10.1016/j.cell.2020.10.050
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Space life science research to predict the future of life on and beyond Earth (2022)
  • 著者名/発表者名: Muratani M
  • 学会等名: GeneLab Analysis Working Group Symposium 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Tissue deconvolution and cross-species analysis of plasma cell-free RNA highlight homeostatic throwback phenotypes in space (2022)
  • 著者名/発表者名: Rutter L, Husna N, Aiba T, Fujita SI, Saito Y, Shiba D, Kudo T, Takahashi S, Furukawa S, Muratani M
  • 学会等名: ISS R&D Conference 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular characterization of space environment responses in internal tissues by cell-free DNA and RNA analysis of plasma samples collected from six astronauts (2022)
  • 著者名/発表者名: Rutter L. Husna N, Fujita SI, Saito Y, Kudo T, Takahashi S, Muratani M
  • 学会等名: American Society for Gravity and Space Research (ASGSR) Annual Conference 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Identification and validation of multi-omics frailty biomarkers in human spaceflight (2022)
  • 著者名/発表者名: Camera A, Galsinh AS, Kim JK, Barker RJ, Enguita FJ, Tabetah M, Seylani A, Laiakis EC, Finch RH, Das S, Arif S, Zaksas V, Goel C, Senarath CS, Kim MS, Karouia F, Szewczyk NJ, Porterfield M, Muratani M, Mason CE, Beheshti A
  • 学会等名: American Society for Gravity and Space Research (ASGSR) Annual Conference 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 宇宙研究からアプローチする適応・進化の理解と地球生命の未来予測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村谷匡史
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会,ワークショップ,クロマチン潜在能に働きかけるエピゲノムと核内構造体
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙飛行士のリキッドバイオプシー解析から見た宇宙環境応答の多臓器連環 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村谷匡史, Lindsay Rutter, 藤田晋一郎, 高橋智
  • 学会等名: 日本宇宙生物科学会第35回大会
• [備考] GeneLab, OSD-530, Cell-free RNA analysis
  • URL: https://osdr.nasa.gov/bio/repo/data/studies/OSD-530
• [備考] GeneLab, OSD-532, Space flight mouse plasma cfRNA
  • URL: https://osdr.nasa.gov/bio/repo/data/studies/OSD-532
• [備考] 宇宙生命科学研究の国際コンソーシアム設立～筑波大学開発の解析技術を世界で活用～
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/medicine-health/20201126124330.html
• [備考] きぼう利用シンポジウム2021
  • URL: https://iss-kibo.space/2020/profile.html#2-2-2
• [備考] 宇宙滞在中の液体生検による血漿中核酸のゲノム・エピゲノム解析
  • URL: https://humans-in-space.jaxa.jp/kibouser/subject/life/70721.html