Mark Kelly（右）与比他早六分钟出生的双胞胎哥哥Scott。图片来源：NASA/Alamy

■本报记者 唐凤

“该研究是理解表观遗传学和人类航天活动对基因影响的重要一步。随着美国宇航局（NASA）不断前往月球和火星，这有助于了解个性化医疗及其在深空探索中保持宇航员健康的作用。”NASA 首席健康医疗官J.D. Polk说。

“据我们所知，这个团队进行了一项史无前例的研究，其范围跨越了人类生物学的各个层面：从人体细胞和微生物组的分子分析，再到人类生理学和认知学。”NASA空间生命与物理科学研究与应用部主任Craig Kundrot说。

“它为使用新研究方法更好地了解宇航员面临的挑战，以便推进星际任务迈出了重要的第一步。”NASA人类研究项目主管Bill Paloski说。

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这项一经发表便引起人们热议的成果便是NASA著名的双胞胎实验。这个始于5年前的实验，近日在《科学》刊登了初步结果：NASA的双胞胎宇航员Scott Kelly和Mark Kelly又恢复到几乎一模一样的状态。

Scott曾于2015年至2016年在国际空间站上工作，而Mark则留在地球上。该研究跟踪了Scott的身体在近一年的太空飞行中发生的变化。研究人员表示，Scott从太空返回地球后，很多影响他的基因、生化和其他方面的变化基本上都消失了。

“了解长时间太空飞行对健康的影响，对于确保宇航员在未来可能持续数年的深空任务中的安全、健康和表现至关重要。同样，这也将增进我们对地球人类健康的了解，因为它将提供一个不同的视角，研究人类正常生理过程在航天飞行，特别是失重的独特环境中的功能和变化。”该研究通讯作者之一、威尔康乃尔医学院的John B. Charles告诉《中国科学报》。

这些结果填补了在太空逗留6个月以上的宇航员可能会有的健康后果的空白；然而人们还不清楚，Scott返回地球时其身体改变是否只与太空飞行有关以及它会持续多久。

无论如何，德国达姆施塔特技术大学辐射生物学和DNA修复专家Markus L?觟brich在接受《中国科学报》采访时表示，了解长期太空飞行的健康风险对于最佳地“保护”宇航员免受微重力和电离辐射的影响至关重要。“也就是说，如果风险是已知的，就可以考虑采取相应的对策，将其影响降到最低。”

此外，L?觟brich表示，了解带电粒子空间辐照的影响也将有助于评估电离辐射对地球的影响，例如放射学检查或带电粒子肿瘤治疗可能对接受者产生的影响。

距离“最远”的双胞胎

在爱因斯坦著名的双生子佯谬中，有一对双生兄弟，一个登上宇宙飞船作长期太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，他比留在地球的兄弟更年轻。

这是一个有关狭义相对论的思想实验，佯谬产生是基于对狭义相对论中时间膨胀的考虑。然而,真实空间旅行中面临的诸多挑战，可能会对双胞胎健康产生更多意想不到的影响。

L?觟brich提到，在太空中遇到的挑战包括噪音、隔离、缺氧和昼夜节律紊乱，而且，暴露于电离辐射和失重状态也可能会引发重要的健康风险。

几十年来，研究人员一直在研究低重力、高辐射的太空环境如何影响人体。由于Scott和Mark拥有几乎相同的基因信息和相似的生活经历，NASA有了一个比较太空生活对人体影响的前所未有的机会。

在研究期间，Scott在太空中共飞行了520天。Mark曾在太空中飞行了54天，均为4次相对较短的航天飞机飞行任务。

在25个月里，10个研究小组对这对双胞胎进行了一系列测试，包括在太空飞行前、飞行中和飞行后采集血液、尿液和粪便样本。Mark想吃就吃想喝就喝，也能做想做的任何事，而Scott在空间站上必须遵守严格饮食和锻炼制度。

多种变化

结果，Scott的身体经历了一系列变化，但这些变化在他回到地球后大部分都发生了逆转。约翰斯·霍普金斯大学医学院遗传学家Andrew Feinberg说，其中也包括与压力有关的基因标记的改变，也许是由环境的变化所导致。

Scott回到地球后的6个月里，他的染色体发生了很大程度上持续的基因变化。部分倒置，或端对端翻转。这将导致DNA损伤，并可能与他在太空中经历的高剂量辐射有关。

科罗拉多州立大学放射癌症生物学家Susan Bailey表示，Scott染色体末端的许多端粒，在太空飞行中也神秘地变长了。这与预期正好相反，因为端粒会随着年龄的增长而缩短，而科学家预测太空飞行对身体的压力与衰老的作用基本相同。

但端粒在Scott返回地球后的48小时内就缩短了，大部分都回到了飞行前的长度，现在他的端粒比飞行前更短。Bailey提到，这可能会增加他患心血管疾病或某些癌症的风险。

Feinberg团队还检验了从Mark和Scott的血液中分离出的两种白细胞（CD4+和CD8+）。他们重点观察了表观遗传标记，这些标记包括被称为甲基基团的化学修饰，而甲基基团在甲基化过程中附着在DNA上。

结果显示，这对双胞胎兄弟的DNA表观遗传变化并无多少差异。在Scott执行任务期间，双胞胎的总甲基化率之差低于5%。差异最大时发生在执行任务的第9个月，当时Scott的DNA甲基化率为79%，Mark为83%。

但双胞胎基因组的甲基化改变部位有所不同。例如，科学家发现，在Scott登陆太空期间，其基因附近的甲基化改变涉及到免疫系统反应，但Mark并没有。

此外，Scott眼球的形状在太空飞行过程中发生了变化，包括视神经变厚、眼球周围的脉络膜折叠。

但令人兴奋的是，Mark和Scott的表观基因组未出现大量被破坏的情况。

“10位科学家在论文中各自都得出了具体成果，而在我看来，作为一个拥有多年管理和支持太空 研究经验的人，有趣的是，几乎所有的结果都反映了帮助正常、健康的生理过程适应太空飞行独特环境的遗传因素。因此，这些结果为解释太空飞行如何影响人体提供了一个新的工具。”Charles说。

回到地球

Kundrot表示，这篇论文是这项高度整合的研究的第一份报告，“我们期待着发表更多的分析和后续研究，因为我们将继续提高在太空生活和工作的能力，并探索月球和火星”。

“这无疑是对许多生物参数进行监测的最全面的长期研究，将有助于更全面地了解微重力和电离辐射对人类的影响。这项研究的美妙之处在于，地球上有一对同卵双胞胎作为对照。”L?觟brich说。

但因为这项研究只涉及两个人，所以这项发现不太可能广泛适用于其他宇航员。“在我看来，这是最大的限制。由于对电离辐射（可能也对微重力）的反应有相当多的个体间异质性，因此对于其他人结果可能不同。”L?觟brich说。

NASA希望利用这些信息指导未来对宇航员健康的研究，包括计划中的实验，例如将3组10名宇航员分别送入太空，间隔1年、6个月和两到三个月。

“NASA已经为未来可能进行的为期1年的国际空间站任务征集了更多的实验，以便在统计上对其掌握的有关技术进行验证。”Charles说。

现在，Kelly兄弟都已从NASA退休。Scott一直在写作和谈论他在太空中的生活，而Mark正在竞选亚利桑那州参议员，明年将举行选举。

相关论文信息：DOI:10.1126/science.aau8650