本文研究微重力環(huán)境下細菌DNA聚合酶的保真性，以及這種環(huán)境對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。

研究通過模擬微重力條件來評估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，這可能對長期太空任務(wù)中的宇航員健康構(gòu)成威脅。

（一）背景知識

- 長期太空任務(wù)會使宇航員及其細胞和微生物組暴露于微重力和電離輻射中，這兩種環(huán)境壓力因素對地球生物幾乎沒有進化出適應(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。

- 太空輻射主要來自銀河宇宙射線和太陽粒子事件，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)進化出多種機制來修復(fù)DNA損傷，包括錯配修復(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。

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

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

太空實驗機會稀缺且昂貴，地面模擬微重力平臺成為研究的關(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、精確度高的實驗平臺。

該系統(tǒng)核心技術(shù)在于三維隨機旋轉(zhuǎn)重力矢量分散機制。通過雙軸獨立控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使培養(yǎng)容器內(nèi)的重力矢量在空間快速隨機化，實現(xiàn)持續(xù)的10?3g微重力環(huán)境模擬——接近國際空間站的實際微重力水平。

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)勢在于多功能集成與實時監(jiān)控能力。設(shè)備內(nèi)置傳感器，可實時監(jiān)控并可視化重力水平；旋轉(zhuǎn)器主體緊湊設(shè)計可放入標準CO2培養(yǎng)箱，維持細胞培養(yǎng)的溫濕度和氣體環(huán)境。

（二） 研究方法

2.1 實驗設(shè)計：使用1 kb的單鏈DNA模板，設(shè)計時避免了重復(fù)序列和二級結(jié)構(gòu)的形成，以減少對下游聚合反應(yīng)的干擾。通過計算機程序生成約10,000個候選序列，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 實驗裝置：開發(fā)了一個定制的有效載荷系統(tǒng)，用于在加拿大國家研究委員會（NRC）的Falcon-20拋物線飛行飛機上進行實驗。該系統(tǒng)能夠自動化執(zhí)行樣本存儲、孵育、連續(xù)遙測監(jiān)控和與筆記本電腦通信等功能。

2.3 DNA聚合化方案：設(shè)計了一種DNA聚合化協(xié)議，能夠在每個拋物線的20秒微重力期間同時復(fù)制數(shù)百萬個帶有分子標識符（UMI）的模板，且不會將反應(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回實驗室，在那里它們保持冷凍狀態(tài)直到進行樣本后處理。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進行序列比對，并使用R語言進行數(shù)據(jù)分析。通過UMI進行錯誤校正，并計算每個堿基的錯誤率。

（三）實驗結(jié)果

- 微重力對DNA聚合酶保真性的影響：在微重力條件下，Klenow片段（帶有和不帶有校對功能的）的聚合酶保真性顯著降低。具體來說，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，無論是有還是沒有校對活性，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DNA聚合酶的復(fù)制速率有負面影響。

- 微重力對DNA聚合酶錯誤率的影響：微重力環(huán)境下，Klenow（exo+）和Klenow（exo-）的聚合酶錯誤率均顯著增加，尤其是Klenow（exo-）的錯誤率增加了2.4倍，表明微重力對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)制過程中的錯誤率，這可能對長期太空任務(wù)中的宇航員健康構(gòu)成威脅。

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

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

（五）研究意義

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

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

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