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

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H03234
• 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
• キーワード: 宇宙環境 / リキッドバイオプシー / RNAシークエンシング

研究実績の概要

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している。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。宇宙滞在中に起こ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。
これまでに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（セルフリーRNA、cfRNA）、DNA（cfDNA）の解析を行った。RNAシーケンス解析では、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の顕著な変化が見られ、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。これらの組織には、神経系や循環器系の組織・器官も含まれ、比較的低侵襲な採血による体内深部の分子状態のモニタリングによる宇宙環境応答の評価をヒトで行う目標が達成できた。cfDNAのメチル化解析では先行研究を参考に手法を工夫することで、ヌクレオソーム解像度のエピゲノムプロファイルを得た。cfDNAのプロファイルからもRNAシーケンス解析と同様にDNAの由来組織の予測を行い、複数の手法で宇宙環境応答を評価することができた。これらのデータをマウス宇宙実験データと統合して解析するにあたり、AIと機械学習の導入、システム生物学的な数理解析を進めている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画していた宇宙飛行士の血漿cfRNAのシーケンス解析、およびcfDNAのメチル化を指標としたエピゲノム解析についてのデータ取得し、さらに血漿の分画を対象としたRNAシーケンス解析まで完了したため。これらの解析結果から、NASAが双子の宇宙飛行士を対象として行ったTwins Studyの主な報告の再現性も確認できた。さらに、これらの結果とマウス宇宙実験データの統合解析を行い、論文投稿に向けてアウトラインの作成がおおむね完了したため。

今後の研究の推進方策

最終年度は国際宇宙ステーションにおける研究成果に関する国際会議であるISS R&D Conference、アメリカ宇宙重力研究学会の年会議での発表に応募し、国際的に研究成果を発信、他の研究者からのフィードバックを受けるとともに、論文投稿を行う。これと並行して、ヒトとマウスのデータを用いた解析へのAI、機械学習の応用やシステム生物学的な解析をさらに進め、宇宙環境応答の統合的な理解と、月や火星の有人探査ミッションに向けた、今後の宇宙生命科学研究の計画策定にかかわる国際的な取り組みに貢献する。

研究成果

• [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: Okada Risa, Fujita Shin-ichiro, Suzuki Riku, Hayashi Takuto, Tsubouchi Hirona, Kato Chihiro, Sadaki Shunya, Kanai Maho, Fuseya Sayaka, Inoue Yuri, Jeon Hyojung, Hamada Michito, Kuno Akihiro, Ishii Akiko, Tamaoka Akira, Tanihata Jun, Ito Naoki, Shiba Dai, Shirakawa Masaki,Muratani Masafumi,Kudo Takashi,Takahashi Satoru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 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 ページ: 787
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02334-4
  • 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 ページ: 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
• [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
• [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