空间辐射和微重力影响dauer期线虫DNA损伤修复的分子机制

To understand biological effect of space radiation, we studied biological effects of C. elegans at dauer stage taken by Shenzhou 8 spacecraft to space. Our results show that space radiation and microgravity affect the expression of genes related with DNA damage repair in wild-type (WT) of C. elegans, but not dys-1 mutant, indicating that deficiency of dys-1 might affect the gene expression of stress resistance. Moreover, space radiation and microgravity specifically affect the expression of microRNAs (miRNAs) in both WT and dys-1 mutant of C. elegans, and some miRNAs might be specifically affected by deficiency of dys-1 gene. In this project, we will regard these altered genes as the entry point to do a comprehensive analysis, identify the genes involved in DNA damage repair and miRNAs in C. elegans, analyze whether deficiency of dys-1 affects expression of these genes related with DNA damage repair, in which how many miRNAs are involved and which miRNAs are regulated. We will study whether space radiation and microgravity affect the expression of different miRNAs and gene network regulated by miRNAs, and examine whether some interaction exists in the gene network. In addition, we will also do a comprehensive analysis of proteins. Overall, our study will reveal the molecular mechanism about DNA damage repair regulated by space radiation and microgravity.

为研究空间辐射的生物学效应，我们利用神舟八号飞船研究dauer期线虫的空间生物学效应，发现空间辐射和微重力影响了野生型线虫DNA损伤修复相关基因的表达，而dys-1突变株线虫的基因却无明显变化，提示了dys-1基因突变可能影响线虫对抗逆相关的基因表达。同时发现野生型和dys-1突变株线虫都有受空间辐射和微重力影响而特异变化的microRNAs (miRNAs)，而dys-1缺失可能特异性影响某些miRNAs的表达。本项目拟以这些变化的基因为切入点，全面分析和验证参与线虫DNA损伤修复调控的基因及对应的miRNAs；分析dys-1基因突变是否影响这些DNA损伤修复相关基因的表达，哪些miRNAs参与其中；研究空间辐射和微重力是否影响不同的miRNAs及其调控的基因网络，是否会交互影响；同时全面分析相关的蛋白质表达情况，揭示空间辐射和微重力环境调控DNA损伤修复的分子机制。

空间环境具有强辐射、微重力、高真空、弱磁场、超低温等极端环境特点，其中空间辐射和微重力是对生物体产生影响的最主要因素。微重力如何影响辐射引起的DNA损伤效应，是增强、减弱、叠加还是拮抗关系一直以来存在争论。因此，研究空间辐射和微重力对DNA损伤修复的基因调控及阐明空间辐射和微重力之间的关系具有十分重要的意义。.本课题利用了神舟八号飞船搭载dauer期秀丽隐杆线虫包括野生型和dys-1突变体线虫，经历了16.5天的短期飞行。通过设置固定和1g离心机条件而获取了空间综合环境（SS）和空间辐射环境（SR）。通过DNA microarray对基因表达谱和miRNA表达谱进行系统生物学分析，并用qPCR法对关键基因进行验证，探讨了空间辐射和微重力对线虫DNA损伤修复的分子机制。结果发现，空间飞行后野生型线虫主要诱导了11个DNA修复、21个细胞凋亡基因发生差异表达变化而参与适应性调控。SS环境较SR环境引起了更多的DNA损伤响应基因发生差异表达，并增加了对损伤信号的感受和传导，以响应微重力和辐射环境协同作用。有微重力的空间环境在转录水平上能够增强DNA损伤响应过程，而且DNA损伤响应过程需要依赖重力感受信号参与。不同的空间环境对miRNA表达的影响不同。野生型线虫在SS环境下有6个miRNA对应12个靶基因，这些基因主要参与调控胚胎发育、转录因子活性、运动行为，生长的调控等功能。重力感受基因dys-1突变导致13个miRNAs在微重力条件下发生表达变化，其中被证实的miRNA-靶基因包括miR-52/cdh-3, miR-84/lin-14, miR-124/mgl-3。与野生型线虫比较，dys-1突变株中DNA修复和细胞凋亡过程均受到明显抑制，说明dys-1基因突变抑制了线虫对空间综合环境的DNA损伤响应反应。由于dys-1基因已经被证实参与重力的感受，说明其突变可能减轻了对微重力胁迫的感应。因此，本研究的结论是在短期飞行，空间微重力是线虫的主要的胁迫因素，这个胁迫作用还受生物体内力学信号传递功能的影响。这些将对今后开展空间生物学研究奠定了实验和理论基础，为宇航员的健康防护以及空间环境因素对生物体的影响等方面的研究提供了科学依据。