Method Article
НАСА GeneLab платформа обеспечивает беспрепятственный доступ к данным драгоценные омику космонавтике биологических экспериментов. Мы описываем, как типичный мыши эксперимент проводится в пространстве и как могут быть доступны и проанализированы данные из таких экспериментов.
Выполнение биологические эксперименты в космосе требует специальные условия и процедуры, обеспечивающие, что эти исследования выполняются эффективно и результативно. Кроме того Учитывая редкость этих экспериментов необходимо развернуть их воздействия. Быстрое развитие технологий омику дает возможность значительно увеличить объем данных, получаемых образцов драгоценных космонавтике. Чтобы заработать на этом, НАСА разработала платформу GeneLab обеспечить неограниченный доступ к данным омику космонавтике и поощрять ее широкого анализа. Общие модели организмов, используемые учеными для изучения биологических последствий, связанных с космической грызунов (крыс и мышей). Корпус, что грызуны дом во время полетов называются обитания грызунов (ранее животных Добавление модулей) и существенно отличаются от стандартных виварий клеток в их размеры, воздушный поток и доступ к воде и продовольствию. Кроме того из-за экологических и атмосферных условий на международной космической станции (МКС), животные подвергаются более высокой концентрации CO2 . Недавно мы сообщили, что мыши в местах обитания грызунов испытывают большие изменения в их транскриптом независимо от того, были ли животных на земле или в пространстве. Кроме того эти изменения согласуются с гипоксической ответ, потенциально обусловлен более высокие концентрации CO2 . Здесь мы описываем, как типичный грызунов эксперимент выполняется в пространстве, как омику данные из этих экспериментов можно получить через платформу GeneLab и как для выявления ключевых факторов в эти данные. С помощью этого процесса, любой человек может сделать важнейших открытий, которые могут изменить дизайн будущих космических миссий и мероприятий.
Общая цель этой рукописи — предоставить четкую методологию использования НАСА GeneLab платформы1 и как грызун эксперименты сделали в пространстве преобразуются омику данных для анализа. Космические люди подвергаются многочисленным рискам для здоровья от поля изменены гравитации, космической радиации, изоляции от земли и другие враждебные факторы окружающей среды2,3,4,5, 6. биологические эксперименты, проведенные в космосе и на земле помогли определить и количественно оценить эти риски7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. в пространстве, эти эксперименты были проведены на международной космической станции (МКС), Спейс шаттл и других орбитальных платформ. Проведение этих экспериментов требует специализированного оборудования и методологии, с учетом уникальных проблем проведения экспериментов в космосе, включая ограниченное экипажа время и среда микрогравитации. Для выполнения сложных экспериментов в космосе с помощью растений, животных и микробных модели15теперь существуют различных платформ.
Грызун модели были особенно важное значение для продвижения нашего понимания как млекопитающих, включая человека, реагировать на космических полетов. К ним относятся влияние космических полетов на мышечные структуры16,17,18 и иммунные функции19,,2021. Стандартный виварий клетки для грызунов жилья на земле не подходят для полетов эксперименты22,23. Таким образом за годы мышей и крыс были пролетел и размещены в различных клеток, включая клетки Хабитат японского агентства аэрокосмических исследований (ДЖАКСА)24, животное, перевозящих космической капсулы, используемых на Бион-M1 беспилотных российский спутник25 ,26,27, мышей ящик системы (MDS), разработанный итальянского космического агентства28,29,30, НАСА животных корпуса модуля (AEM) и теперь НАСА Грызун транспортер и обитания23. Грызун экспериментов впервые начал на борту космического челнока с использованием клеток, упоминаемый как животное корпус модуля (AEM). Это оборудование было использовано в 27 грызунов экспериментов на Спейс шаттл23. AEM первоначально была разработана для сравнительно коротких экспериментов бортовой шаттл (< 20 дней). С момента разработки МКС АЭМ были изменены для дольше продолжительность экспериментов и теперь называются обитания грызунов22,23. Новые места обитания грызунов предназначены для поддержки длительных миссий на МКС с помощью ускорить обработку экспериментов для космической станции (Экспресс) стойку интерфейс. Обитания грызунов существенно отличаются от стандартных виварий клеток в их размеры, поток воздуха, фильтр и система выпуска выхлопных газов и доступ к продовольствию и воде (рис. 1). Тем не менее это оборудование оказалось эффективным исследовательская платформа, позволяя понимание ключевых космонавтике индуцированные изменения млекопитающих физиологии19,,3132,33 ,34,35,36.
Теперь можно создавать большие объемы данных омику от биологических космонавтике экспериментов, включая те, которые выполняются с грызунами. Недавно данные из этих экспериментов омику были сделаны публично доступны через НАСА GeneLab платформа1 , который является репозиторием всеобъемлющих данных и анализа платформу, которая позволяет любому разработка гипотез из экспериментов космонавтике. GeneLab предоставляет инструменты для обнаружения, доступа, обмена и анализа данных. Мы использовали GeneLab наборы данных, чтобы показать, что различия между стандартным виварий клетки и специализированных обитания грызунов, используемых в пространстве вызывают массовые различия в транскриптом мышей36. Мы проанализировали четыре разных публично доступные наборы данных, сравнивая различные ткани от грызунов, размещенный в обитания грызунов или стандартный виварий клетки. Используя анализ биологии беспристрастной системы, мы определили, что основные движущие силы и путей, которые были изменены согласуются с гипоксической ответ связано с высоким уровнем CO2 , вызванные более высокие концентрации CO2 на МКС, что приводит к более высокой CO 2 концентрации в среде обитания грызунов, учитывая, что они являются пассивные системы, которые принимают в окружающем воздухе. Это демонстрирует, как ученые могут использовать открытым исходным кодом инструменты и данные для создания Роман выводы с подтекстом о влиянии астронавт здоровье окружающей среды МКС.
Здесь мы описываем, как эксперименты грызунов выполняются в пространстве и как данные из этих экспериментов могут быть доступны через открытым исходным кодом, omic платформы, связанных с космической биологии. Мы обсуждаем конфигурации среды обитания грызунов, используемых для космических полетов, и как обрабатываются космонавтике тканей. Мы также обсудим, как космонавтике омику данных могут быть обнаружены и доступны на GeneLab и как ключевых факторов общего реагирования космических полетов может быть идентифицирован36. Конкретный пример, мы будем представлять о том, как осуществляется этот протокол будет сравнивать биологические различия, происходящих на грызунах, размещенный в Хабитат грызунов и виварий элементы управления, которые были опубликованы Бехешти et al.36. Важно отметить, что Земля элементы управления имеют важное значение для полетов грызунов экспериментов. Как описано в настоящем Протоколе, сделали эти элементы управления с обоих идентичных условиях (т.е., CO2 условия, влажность, температура, размеры кабины и т.д.) в местах обитания грызунов на МКС и в стандартных виварий клетки, которые имеют стандарт окружающей среды (т.е., CO2 условий, влажности и температуры) условия на земле. Грызуны, размещенный в элементах управления землей грызунов Хабитат позволяют для прямого сравнения для грызунов в пространстве. В то время как грызуны, размещенный в клетках виварий позволяют биологического сравнения между различными жилья (например, террариумных клетки против грызунов оборудования). Обитания грызунов отличается виварий клеток в том, что он имеет постоянный воздушный поток (0,1 – 0,3 м/сек), длительность и вторичных выхлопных фильтр, который захватывает и поглощает отходов животного происхождения, руководствуясь непрерывный воздушный поток в условиях микрогравитации на вытяжной фильтр. Кроме того обитания грызунов имеют пассивные системы и окружающего воздуха; Таким образом они также имеют более высокие концентрации CO2 из-за повышенных уровней в кабине МКС (~ 5000 ppm).
Животных протоколы для жилищного строительства и обработки ткани следуют стандартные руководящие принципы для лабораторных животных ухода и были одобрены НАСА на рейс и наземных животных ухода и использования комитетов (IACUC).
1. конфигурация среды обитания грызунов
Примечание: НАСА обитания грызунов (ранее АЭМ) имеют различные функции из клеток виварий для размещения для операций в космосе (рис. 1).
2. грызунов, обработка для полетов экспериментов
3. euthanasia грызунов и обработки ткани
4. Создание омику данных от РНК, ДНК и белка экстракты
5. GeneLab репозиторий и представления данных
Примечание: Космическая биология связанных данных омику принимаются в хранилище данных GeneLab. GeneLab принимает и хостов данных космической омику, финансируемого несколькими космическими агентствами во всем мире.
6. Поиск наборов данных для анализа с помощью функции поиска на GeneLab
7. Хранение и передача файлов, представляющих интерес для анализа
Примечание: GeneLab Workspace предназначен для хранения и передачи файлов непосредственно из базы данных GeneLab (дополнительный рис. 3).
8. Получение метаданных и описание каждого исследования
Примечание: Файлы метаданных для каждого набора данных в хранилище GeneLab находятся в подпапке «Общественности/genelab» набора данных на левой стороне меню.
9. анализ данных GeneLab
Примечание: Различных трубопроводов может быть реализован для различных данных омику. Здесь конкретный пример фокусируется на непредвзятой системы биологии транскриптомики трубопровода, который используется для определения «ключевых драйверов» системы изучаются.
10. Использование интерфейса56 галактики на GeneLab для анализа данных транскриптомики
Примечание: Здесь описывается протокол для использования интерфейса GeneLab Галактика (доступен осенью 2018) для анализа данных транскриптомики от GeneLab. Галактика учебники изобилуют. Пример учебники по использованию Галактика в целом, имеющиеся elesewhere,5758.
НАСА с определения рисков для здоровья и возможных ответных мер для борьбы с негативными последствиями на астронавт здоровье поможет определить ключевые драйверы от космических полетов транскриптомики данных. В нашей недавней публикации, мы следовали инструкциям выше и использовать GeneLab наборов данных успешно Показать роман, найти, что концентрации CO2 на МКС может повлиять на здоровье36. Мы также использовали технику выше в других исследованиях успешно определить ключевые факторы, способствующие системы изучал45,46,47,48,49,50 . Здесь мы покажем, как успешно результаты от использования этот протокол может использоваться, чтобы определить ключевые драйверы.
В этом исследовании мы прежде всего сосредоточены на биологические различия, которые происходят в грызунов, размещенный в виварий и элементов управления землей грызунов привычки. Как описано выше, это ключ к более глубокому пониманию этих двух сред обитания, которые предоставляют нам информацию о возможных отягощающих факторов, которые могут повлиять на здоровье из-за окружающей среды на МКС. Для всех грызунов космонавтике экспериментов эти элементы управления землей также важны для определения, какие биологические факторы связаны непосредственно с полетов или из-за условий окружающей среды на МКС. Как указано в протоколе, состояния окружающей среды для террариумных Хабитат не подвергается на более высокий уровень CO2 , который присутствует для обитания грызунов. Виварий Хабитат имеет нормальный уровень CO2 , что присутствует на земле (в настоящее время 300 до 380 ppm). Температуры и влажности для обеих сред обитания похожи.
Мы использовали следующие наборы данных из GeneLab платформы для определения ключевых генов между размещается в грызун Хабитат земли и земли виварий элементы управления, которые отвечают за вождение различия между двумя обитания грызунов: GLDS-21, GLDS-111, GLDS-25 и GLDS-63. Был проведен анализ для определения существенных генов, как описано выше, между Хабитат грызунов (ранее AEM) и контроля виварий независимо для каждого набора данных. Группировка участков показал PCA биологических реплицирует (Рисунок 4 показывает, что СПС участков для GLDS-21). Из предварительно обработанных данных мы определили передовые генов из различных наборов гена GSEA. Используя гены с 1.2 раза-изменения (2журнала), мы смогли предсказать генов, связанных с прогнозами для вышестоящего регуляторы, канонические пути и biofunctions. Для каждого набора данных мы затем нашли общий/перекрывающихся генов участвуют для всех генов (рис. 5). Теперь считается, что эти гены вождения ответ между грызунов в обитания грызунов (или AEM) и виварий элементы управления. Представление сети подключения этих ключевых генов показывает, что центральных узлов для каждого набора данных, проанализированы (рис. 6). Например MAPK1 является центральным узлом для STS-108 скелетной мышечной ткани от мышей (рис. 6A). Это будет интерпретироваться как ген, который является движущей ключевых генов и скорее всего центрального игрока за причинение биологические различия для мышей размещены в местах обитания грызунов против виварий клетки. В нашей предыдущей работы мы обсудим, как этих ключевых генов, связанных с CO2 ответа от существующей научной литературы и как эти гены могут нести ответственность за биологические изменения, наблюдаемые в мышей36.
Подход биологии систем, мы далее определяется «мастер регулятор», который соединяет все наборы данных/тканей и потенциально отвечает за универсальный биологических эффектов в грызунов, размещенный в АЭМ, по сравнению с виварием клетки. Это было сделано путем определения ген от всех наборов данных, наиболее связан при построении сети от всех ключевых генов. Мы смогли показать, что MAPK1 является наиболее связанных генов и центральным узлом от всех ключевых генов (рис. 7). Чтобы подтвердить, если MAPK1 может отвечать за биологические изменения у мышей от более высоких уровней CO2 в АЭМ, мы смотрели через научной литературе для подтверждающих доказательств. Мы нашли несколько исследований, указывающее корреляции MAPK1 с CO259 и гипоксии19,,6061.
Рисунок 1 : Хабитат грызунов (ранее AEM) по сравнению с клетками виварий. (A) изображение клетки AEM, предоставляемые NASA (кредиты: NASA/Доминик Харт). (B) Стандартный виварий клетку, которая в настоящее время используется (снимок сделан в нашей лаборатории). Эта цифра была изменена с Бехешти et al.36. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Грызунов Хабитат аппаратного обеспечения системы с тремя различными модулями, участвующих во время транспортировки и из космических миссий. Левый модуль (A) является модуль среды обитания грызунов (ранее AEM), модуль центра (B) перевозчик, и правый модуль (C) животное устройство доступа (ААУ). (D) Мышь раздаточной коробки (MTB). (Баллов: NASA/Доминик Харт). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Пример анализа рабочего процесса, который может использоваться в интерфейсе GeneLab Галактика для обработки данных РНК seq. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 : Основной компонент анализа (PCA) представительного набора данных после предварительной обработки шагов. GLDS-21 dataset для AEM против виварий клетке показан для мышиных скелетных мышц от миссии STS-118. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5 : Диаграммы Венна, представляющих какие ключевых генов определяются с помощью инструментов прогнозирования различных пути. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6 : Ключевых генов, определяется для всех условий и мышиных тканей между AEM vs . клетки виварий. (A-E) Представление сети ключевых генов для каждого набора данных/грызунов ткани. Журнал2 раза изменения (с обрезания 1.2 раз изменения) в экспрессии генов были использованы для получения различных оттенков зеленого для раз изменения в генах downregulated, в то время как различные оттенки красного изображают фолд изменения в upregulated генов. Чем темнее оттенок зеленого или красного, тем больше раз изменения. Эта цифра была изменена с Бехешти et al.36. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7 : Определение «мастер регулятор» для грызунов в Хабитат грызунов жилья, по сравнению с виварием клетки. Соединения между всеми отдельных ключевых генов (рис. 6) были определены и отображается как сеть через АПИ. Сеть представлена как радиального участка с наиболее подключенных ключевой ген, MAPK1, в центре. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительные Рисунок 1: интеграция GeneLab-GenomeSpace с ISACreator для рационализации операций обработки данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот показатель.
Дополнительные рис: скриншот GeneLab поиска с помощью Федерации и интеграции с внешними базами данных гетерогенных биоинформатики (GEO, гордость, MG-РАСТ). Пожалуйста нажмите здесь, чтобы скачать этот показатель
Дополнительные 3 рис: скриншот GeneLab совместной рабочей области показаны пользователю управление учетными записями и доступ к элементам управления (например, частных, общий, общественных папки). Пожалуйста нажмите здесь, чтобы скачать этот показатель
НАСА GeneLab — омику всеобъемлющей базы данных и анализа платформа, которая позволит научное сообщество Роман гипотезы, связанных с космической биологии. Здесь мы представили всеобъемлющую процедуру для грызунов экспериментов с самого начала полетов в поколение предположение романа от анализа данных, используя платформу публично доступные космическая биология. Кроме того мы также предоставили обширный протокол на анализ биологии беспристрастной системы для выявления ключевых генов, вождение изучаемой системы. Мы использовали наши недавние исследования36 как пример того, как эффективно использовать этот протокол для создания Роман гипотезу космической биологии. Мы надеемся, что это помогает следователям лучше понять, как эксперименты космонавтике и как данные из них приводят к имеющимся данным на GeneLab и в конечном итоге позволяют яснее интерпретации данных омику публично доступные космическая биология.
Есть несколько важных шагов в рамках нашего протокола, касающихся экспериментов грызунов космонавтике и анализ данных, получаемых. Понимание обитания грызунов установки имеет решающее значение для разработки и проектирования оптимального эксперимент для космических полетов. Конкретно это повлечет протокола и описание, которые мы предоставили в шаге 1 нашего протокола. После того, как следователь полностью понимает различные условия, существующие в среде обитания грызунов, по сравнению с виварием клетки, биологические результаты интерпретации можно соотнести должным образом к условиям окружающей среды в пространстве. В дополнения изменения среды обитания грызунов, не может быть сделано, так как среда обитания грызунов оптимально разработана и утверждена для использования космических полетов НАСА.
Чтобы интерпретировать результаты биологических, мы предоставили подробный протокол на каждом шагу участвуют от передачи ваших данных для GeneLab анализа данных для создания Роман космической биологии гипотезы. Хотя все шаги важны в понимании того, как создавать данные, наиболее важные шаги для анализа данных являются шаги 9 и 10. Шаг 9 предоставляет протокол для анализа транскриптомики данных с помощью метода биологии беспристрастной системы для определения генов/пути, которые действительно являются движущей экспериментальные условия анализируются. Шаг 10 имеет решающее значение, поскольку она предоставляет пользователям легко методологию для анализа омику GeneLab наборов данных с использованием платформы GeneLab. Изменения в протокол может быть сделано для некоторых шагов в отношении анализа данных. В частности, шаги 9.4-9,6 можно сделать с помощью программирования R или любые другие любимые инструменты, которые пользователь предпочитает. В зависимости от набора данных различные статистические данные и предохранители фолд изменение может использоваться для определения значительно регулируется генов. Кроме того для определения ключевых генов в шагах 9.5 и 9.6, пользователь может изменить этот протокол и использовать любой инструмент, который использует значительно регулируется генов предсказать функций. Важной концепцией является, что использование нескольких инструментов прогнозирования функциональных омику позволяет для определения генов, связанных с большинством функций регулируется в системе изучается.
GeneLab платформа продолжает развиваться и в то время как после загрузки данных проводили анализ, описанные здесь, на следующий этап GeneLab позволит для анализа омику данные непосредственно на GeneLab платформу, которая обеспечит простой рабочий процесс для создания обработанные данные для анализа более высокого порядка. Кроме того в то время как мы сосредоточились на протокол для интерпретации данных, транскриптомики, GeneLab содержит широкий спектр данных омику, включая proteomic, геномных, Метаболомные и epigenomic данных. Конечном итоге платформа будет содержать трубопроводов и руководящие принципы для анализа этих различных видов омику. Последний этап GeneLab также будет реализовать интерфейс уровня визуализации системы разрешить основные пользователю легко гипотезы космической биологии.
Наконец, наш анализ биологии систем обеспечивает уникальную и беспристрастной метод для определения ключевых движущих генов/пути в любой системе изучается с помощью омику наборов данных. Мы использовали эту методологию в нескольких различных независимых исследований с большим успехом для определения ключевых факторов участвуют36,45,46,47,48,49 ,50. В рак связанных омику исследование, с использованием этой методологии мы экспериментально проверены, что наши предсказал ключевых генов/пути на самом деле ехали ответ лечения наркотиков путем стучать вне ключевых генов в vitro45. Мы наблюдали, как мы предсказывали через этот протокол, что лечение не было эффективным больше из-за отсутствия ключевых генов. Мы считаем, что этот протокол биологии беспристрастной системы может быть полезным инструментом для определения основных путей для любого исследования омику.
Этот протокол обеспечивает быстрый и эффективный метод для генерации гипотез Роман космической биологии. Данные, полученные от GeneLab могут быть использованы следователями для будущих возможностей финансирования, экспериментальной проверки и потенциальных объектов для разработки контрмер против микрогравитации и космической радиации. Протокол, представленная здесь, позволят для будущей космической биологии исследования происходят с оптимальной эффективностью для безопасного долгосрочного космических миссий.
Авторы не имеют ничего сообщать.
Мы хотели бы поблагодарить Alison французский Архив данных НАСА Эймс науки о жизни за ее помощь в получении видео, связанные с мест обитания грызунов и общая помощь с получением клетке соответствующей информации. Мы также хотели бы поблагодарить Marla Smithwick в NASA Ames Research Center за ее помощь в получении надлежащей информации. Финансирование исследований была предоставлена в рамках GeneLab проекта в исследовательском центре НАСА Эймс, через программы НАСА по космической биологии в разделение пространства жизни и физических наук исследований и приложений (SLPSRA). Любое использование торговых названий для описательных целей только и не означает одобрения со стороны правительства США.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
C57BL/6 Mice | The Jackson Laboratoy | C57BL/6J | C57BL/6 mice were used for datasets related to Rodent Research-1 experiments |
BALB/C Mice | Taconic | BALB | BALB/C mice were used for datasets related to Rodent Research-3 experiments |
Vivarium Cages | Charles River Laboratory | Standard murine cages purchased from Charles River Laboratory | |
Rodent Habitat | NASA | This cage and all components are built internally at NASA | |
RNAlater | ThermoFisher Scientific | AM7020 | RNAlater is used to store the tissue for further RNA isolation |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены