本文研究微重力環(huán)境下細(xì)菌DNA聚合酶的保真性，以及這種環(huán)境對(duì)DNA復(fù)制和修復(fù)的影響，為人類在太空中的健康提供模型。

研究通過(guò)模擬微重力條件來(lái)評(píng)估DNA聚合酶的保真性和復(fù)制速率，并與地球重力條件下的結(jié)果進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，微重力環(huán)境下DNA聚合酶的保真性顯著降低，這可能對(duì)長(zhǎng)期太空任務(wù)中的宇航員健康構(gòu)成威脅。

（一）背景知識(shí)

- 長(zhǎng)期太空任務(wù)會(huì)使宇航員及其細(xì)胞和微生物組暴露于微重力和電離輻射中，這兩種環(huán)境壓力因素對(duì)地球生物幾乎沒(méi)有進(jìn)化出適應(yīng)能力。

- 維持基因組完整性至關(guān)重要，但微重力對(duì)DNA聚合酶介導(dǎo)的復(fù)制和修復(fù)的影響尚未明確。

- 太空輻射主要來(lái)自銀河宇宙射線和太陽(yáng)粒子事件，這些高能粒子與DNA的相互作用可能導(dǎo)致雙鏈斷裂（DSBs）、單鏈斷裂（SSBs）、交聯(lián)、脫聚合、堿基釋放和堿基修飾等DNA損傷。

- 生物體已經(jīng)進(jìn)化出多種機(jī)制來(lái)修復(fù)DNA損傷，包括錯(cuò)配修復(fù)、堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)、同源重組和非同源末端連接等。

- 微重力可能通過(guò)產(chǎn)生SSBs/DSBs和活性氧（ROS）導(dǎo)致DNA損傷，并伴隨細(xì)胞骨架蛋白的改變、細(xì)胞粘附性降低、細(xì)胞增殖增加和基因表達(dá)變化。

地面模擬利器，Kilby Gravity系統(tǒng)的技術(shù)突破

太空實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)稀缺且昂貴，地面模擬微重力平臺(tái)成為研究的關(guān)鍵支撐。北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity重力模擬控制裝置提供了可及性強(qiáng)、精確度高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

該系統(tǒng)核心技術(shù)在于三維隨機(jī)旋轉(zhuǎn)重力矢量分散機(jī)制。通過(guò)雙軸獨(dú)立控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使培養(yǎng)容器內(nèi)的重力矢量在空間快速隨機(jī)化，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的10?3g微重力環(huán)境模擬——接近國(guó)際空間站的實(shí)際微重力水平。

北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于多功能集成與實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。設(shè)備內(nèi)置傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控并可視化重力水平；旋轉(zhuǎn)器主體緊湊設(shè)計(jì)可放入標(biāo)準(zhǔn)CO2培養(yǎng)箱，維持細(xì)胞培養(yǎng)的溫濕度和氣體環(huán)境。

（二） 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：使用1 kb的單鏈DNA模板，設(shè)計(jì)時(shí)避免了重復(fù)序列和二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，以減少對(duì)下游聚合反應(yīng)的干擾。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序生成約10,000個(gè)候選序列，選擇G+C含量約為50%且折疊能量最高的序列作為模板。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置：開(kāi)發(fā)了一個(gè)定制的有效載荷系統(tǒng)，用于在加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）的Falcon-20拋物線飛行飛機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)化執(zhí)行樣本存儲(chǔ)、孵育、連續(xù)遙測(cè)監(jiān)控和與筆記本電腦通信等功能。

2.3 DNA聚合化方案：設(shè)計(jì)了一種DNA聚合化協(xié)議，能夠在每個(gè)拋物線的20秒微重力期間同時(shí)復(fù)制數(shù)百萬(wàn)個(gè)帶有分子標(biāo)識(shí)符（UMI）的模板，且不會(huì)將反應(yīng)延續(xù)到隨后的雙倍地球重力階段。

2.4 樣本后處理：飛行結(jié)束后，樣本被立即冷凍并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在那里它們保持冷凍狀態(tài)直到進(jìn)行樣本后處理。使用Exonuclease VII去除部分聚合的DNA物種的單鏈DNA尾，以獲得僅包含聚合DNA的修剪雙鏈DNA分子。

2.5 生物信息學(xué)分析：使用Bowtie2進(jìn)行序列比對(duì)，并使用R語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)UMI進(jìn)行錯(cuò)誤校正，并計(jì)算每個(gè)堿基的錯(cuò)誤率。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

- 微重力對(duì)DNA聚合酶保真性的影響：在微重力條件下，Klenow片段（帶有和不帶有校對(duì)功能的）的聚合酶保真性顯著降低。具體來(lái)說(shuō)，與地球重力相比，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，微重力條件下，無(wú)論是有還是沒(méi)有校對(duì)活性，刪除頻率分別增加了1.1倍和1.5倍（p=1.51×10^-7和p=8.74×10^-13）。

- 微重力對(duì)DNA聚合酶復(fù)制速率的影響：微重力環(huán)境下，Klenow（exo+）和Klenow（exo-）的聚合酶復(fù)制速率均顯著降低，表明微重力對(duì)DNA聚合酶的復(fù)制速率有負(fù)面影響。

- 微重力對(duì)DNA聚合酶錯(cuò)誤率的影響：微重力環(huán)境下，Klenow（exo+）和Klenow（exo-）的聚合酶錯(cuò)誤率均顯著增加，尤其是Klenow（exo-）的錯(cuò)誤率增加了2.4倍，表明微重力對(duì)DNA聚合酶的保真性有顯著影響。

（四）關(guān)鍵結(jié)論

- 微重力環(huán)境顯著降低了DNA聚合酶的保真性，增加了DNA復(fù)制過(guò)程中的錯(cuò)誤率，這可能對(duì)長(zhǎng)期太空任務(wù)中的宇航員健康構(gòu)成威脅。

- 微重力對(duì)DNA聚合酶的影響在有無(wú)校對(duì)功能的酶中均存在，但校對(duì)功能可以部分緩解這種影響。

- 研究結(jié)果為未來(lái)太空健康研究提供了一個(gè)新的范例，尤其是在考慮長(zhǎng)期太空任務(wù)對(duì)宇航員基因組完整性的影響時(shí)。

（五）研究意義

這項(xiàng)研究不僅為理解微重力對(duì)DNA復(fù)制和修復(fù)的影響提供了重要數(shù)據(jù)，還為未來(lái)的太空探索任務(wù)中保護(hù)宇航員健康提供了科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)揭示微重力對(duì)DNA聚合酶保真性的影響，研究為開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)太空環(huán)境的生物技術(shù)和保護(hù)措施提供了理論支持。

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Kilby 全自動(dòng)3D-clinostat 細(xì)胞培養(yǎng)儀，

Kilby Gravity 微/超重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

3D回轉(zhuǎn)重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，隨機(jī)定位儀，

Kilby Bio類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)儀