Nrf2 erleichtert die Raumfahrt | Liaoning Cryovials Inc.

Communications Biology Band 6, Artikelnummer: 875 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Raumfahrtbedingter Stress wirkt sich über verschiedene Körpersysteme, einschließlich des hämatopoetischen Systems und des Immunsystems, auf die Gesundheit aus, wobei die Auswirkungen von mäßigen Veränderungen der Homöostase bis hin zu schweren Erkrankungen reichen. An diesen Veränderungen scheint oxidativer Stress beteiligt zu sein, und der Transkriptionsfaktor Nrf2, der die Expression einer Reihe von zytoprotektiven und antioxidativen Stressreaktionsgenen reguliert, ist an der Reaktion auf durch Raumfahrt verursachten Stress beteiligt. Hier zeigen wir durch Analysen von Mäusen aus dem MHU-3-Projekt, bei denen Nrf2-Knockout-Mäuse 31 Tage lang im Weltraum unterwegs waren, dass Mäuse ohne Nrf2 stärker unter einer raumfahrtinduzierten Immunsuppression leiden als Wildtyp-Mäuse. Wir entdeckten, dass ein einmonatiger Raumflug die Expression von Markergenen für Gewebeentzündungen bei Wildtyp-Mäusen auslöste, ein Effekt, der in Abwesenheit von Nrf2 noch ausgeprägter war. Gleichzeitig mit der Entstehung von Entzündungszuständen wurde der Verbrauch von gerinnungsfibrinolytischen Faktoren und Blutplättchen durch Raumflüge erhöht und durch Nrf2-Mangel weiter beschleunigt. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Nrf2 raumfahrtbedingte Entzündungen, nachfolgende Immunsuppression und thrombotische Mikroangiopathie lindert. Diese Beobachtungen offenbaren eine neue Strategie zur Linderung von Gesundheitsproblemen, die während der Raumfahrt auftreten.

Jüngste Studien zur Raumfahrtbiologie haben zu Fortschritten beim Verständnis geführt, dass Tiere unter ungewöhnlichen Umweltbedingungen, wie der extremen Strahlung und der Schwerelosigkeit im Weltraum, unter einer Vielzahl pathophysiologischer Störungen leiden. Um sich auf die nächste Ära der erweiterten Raumfahrt vorzubereiten, ist eine genaue Einschätzung der Auswirkungen der Raumfahrt auf den menschlichen Körper von entscheidender Bedeutung. Die Strahlendosis während eines Aufenthalts auf der Internationalen Raumstation (ISS) wird auf 150 mSv/Jahr1 geschätzt, was 70-mal höher ist als die durchschnittliche Dosis in Japan. Anhaltende Bestrahlung mit niedriger Dosis führt zur Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)2,3,4. Angesichts der zahlreichen Belege für eine durch ROS ausgelöste zelluläre Entzündung und eine daraus resultierende Immunschwäche5 scheint die Regulierung des ROS-Stoffwechsels eine der vorteilhaftesten Strategien zum Schutz des Körpers vor anhaltenden Strahlenschäden während der Raumfahrt zu sein.

Mikrogravitation führt zu Veränderungen in der Flüssigkeitsverteilung im Körper. Während schrittweise Änderungen des arteriellen Drucks gut kontrolliert werden können, wenn sich der Körper in einer aufrechten Position unter normaler Schwerkraft befindet, wird dieser Gradient im gesamten Körper im Raum gleichmäßig, was eine Belastung für das zentrale Herz-Kreislauf-System darstellt6,7. Dies führt zu einer Flüssigkeitsverschiebung, löst einen erheblichen Anstieg des mikrovaskulären Drucks im zentralen Kompartiment und im Kopf aus und verursacht Symptome im Zentralnervensystem durch intrakranielle Hypertonie8. Frühere Studien haben insbesondere gezeigt, dass das gesamte zirkulierende Plasmavolumen während Raumflügen reduziert wird, was aufgrund der Hämokonzentration zu einem Anstieg der Parameter der roten Blutkörperchen (RBC) führt9, während die Zerstörung der roten Blutkörperchen durch Raumflugstress beschleunigt wird10. Der polyzythämische Zustand wird durch die hämatopoetische Anpassung an die Mikrogravitation während eines Aufenthalts im Weltraum allmählich umgekehrt11. Im Gegensatz dazu entwickeln Astronauten, die aus dem Weltraum zurückkehren, aufgrund der Flüssigkeitsumverteilung während der Anpassung an die Schwerkraft des Bodens eine echte Anämie12.

Es wurde gezeigt, dass neben der kosmischen Strahlung auch Änderungen der Schwerkraft ROS in Zellen erzeugen13, was zur Entstehung und Progression von Entzündungen führen kann5. Zusammengenommen stützen diese Beobachtungen aus weltraumbiologischen Studien die Annahme, dass durch Mikrogravitation verursachter mechanischer Stress und strahlungsinduzierter oxidativer Stress zusammenwirken und sich auf den Körper auswirken, und dass die kombinierte Wirkung dieser beiden Belastungen nach der Weltraummission zu Folgeerscheinungen führen kann, wie z höhere Inzidenzrate von Herz-Kreislauf-Erkrankungen14, neuro-okulären Erkrankungen15 und/oder anhaltender Hämolyse10.

Der Transkriptionsfaktor Nrf2 (NF-E2-verwandter Faktor 2) ist ein Hauptregulator von Abwehrwegen, die auf verschiedene Belastungen reagieren, einschließlich oxidativer, mechanischer und toxischer chemischer (häufig elektrophiler) Belastungen16. Bei einem Anstieg der zellulären ROS-Spiegel erkennt Keap1 (Kelch-like ECH-associated protein 1) den Anstieg der ROS-Spiegel und stoppt die Ubiquitinierung von Nrf2; Daher entgeht Nrf2 der proteasomalen Proteolyse und reichert sich schnell im Zellkern an. Nrf2 reguliert eine Reihe zytoprotektiver Gene hoch, die für Entgiftungsenzyme und antioxidative Enzyme kodieren, die ROS16 abfangen.

Wir stellten die Hypothese auf, dass Nrf2 vor weltraumbedingten Belastungen schützen könnte. Um dieser Hypothese Rechnung zu tragen, haben wir das Projekt Mouse Habitat Unit-3 [MHU-3] entworfen und durchgeführt, bei dem sechs Nrf2-Knockout-Mäuse (KO)17 und sechs Wildtyp-Mäuse (WT) zur ISS reisten und dort 31 Jahre lang blieben Tage18. Erste Analysen der Mäuse zeigten, dass die Raumfahrt tatsächlich die Expression von Nrf2-Zielgenen deutlich steigerte. Die Analysen ergaben außerdem, dass Nrf2 die durch die Raumfahrt ausgelösten Signalwege unterschiedlich beeinflusst18. Beispielsweise haben wir herausgefunden, dass Nrf2 die Homöostase der Skelettmuskulatur, des Nierengewebes und des weißen Fettgewebes des Nebenhodens bewahrt19,20,21.

In diesem Zusammenhang wurde zwar gezeigt, dass die Raumfahrt den Index der roten Blutkörperchen und das Immunsystem beeinflusst10,12,22, die Einzelheiten der zugrunde liegenden Mechanismen müssen jedoch noch geklärt werden. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen hämatopoetischen und immunologischen Veränderungen und der Nrf2-Funktion nicht untersucht. In dieser Studie wollten wir daher die Analysen der Mäuse der MHU-3-Mission erweitern, mit besonderem Schwerpunkt auf hämatologischen und immunologischen Untersuchungen sowie einer Reihe experimenteller Herausforderungen, um die mit der Weltraumstudie verbundenen Schwierigkeiten zu überwinden. Interessanterweise wurde die durch die Mikrogravitation bei Astronauten verursachte Hämokonzentration bei vierbeinigen Mäusen während des Raumflugs nicht beobachtet, während nach der Rückkehr zum Boden unabhängig von der Nrf2-Expression ein Anstieg der Erythrozytenmasse und eine Unterdrückung der Erythroid-Genexpression erkennbar waren. Die Raumfahrt veränderte die Thrombozytenphysiologie deutlich, was mit einem Anstieg des Thrombozytenumsatzstatus einherging. Im krassen Gegensatz dazu wurde die Expression immunbezogener Gene durch die Raumfahrt in Nrf2-abhängiger Weise unterdrückt. Diese Studie zeigt eindeutig, dass Nrf2 durch Raumfahrt verursachte Entzündungen und die daraus resultierende Immunrepression und thrombotische Mikroangiopathie lindert.

In der MHU-3-Mission haben wir 6 männliche Wildtyp- und 6 männliche Nrf2-KO-Mäuse in den Weltraum geschickt (FL-WT- bzw. FL-KO-Mäuse) (Abb. 1a)18. Diese Mäuse blieben 31 Tage auf der ISS. Als Bodenkontrolle verwendeten wir die gleiche Anzahl männlicher Wildtyp- und Nrf2-KO-Mäuse (GC-WT- bzw. GC-KO-Mäuse). Das Bodenkontrollexperiment wurde mit höchster Präzision durchgeführt, um die Bedingungen des Flugexperiments zu simulieren, was durch den Einsatz identischer Einzelkäfig-Unterbringungstechnologie, der Laborfutter- und Wasserversorgung sowie des gleichen Systems zur Überwachung des Futterverbrauchs und der Wasseraufnahme der Mäuse erreicht wurde18. 21. Schwanzblutproben der FL-Mäuse wurden 17 Tage vor dem Start (L-17), 18 Tage nach dem Start im Weltraum (L + 18) und 2 Tage nach der Landung (R + 2) in Kapillarröhrchen gesammelt. An den entsprechenden Tagen wurden auch Schwanzblutproben von GC-Mäusen entnommen. Aufgrund einer leichten Schwanzverletzung und der Entscheidung des Tierarztes konnten bei L + 18 keine Blutproben von einer FL-WT-Maus entnommen werden21. Nach der Blutentnahme wurden die Kapillarröhrchen sofort in der ISS zentrifugiert. Wir haben Fotos von den Zentrifugenröhrchen gemacht (Abb. 1b), um die Länge von Vollblut und gepackten roten Blutkörperchen (RBCs) zu messen, wie durch rote bzw. blaue Linien dargestellt (Abb. 1b, ergänzende Abb. 1). Wir haben die prozentuale Länge der gepackten Erythrozyten (rote Linie vs. blaue Linie) als Schwanzhämatokritwert (t-Hct) bezeichnet (Abb. 1b).

Ein Überblick über das MHU-3-Projekt, bei dem Schwanzvenenblutproben von Mäusen gesammelt wurden. b Repräsentative Bilder der Zentrifugenröhrchen, die zur Messung der Tail-HCT-Werte (t-Hct) verwendet werden. Rote und blaue Linien geben die Länge der gepackten Erythrozyten bzw. des Vollbluts an. c Punktdiagramme von t-Hct bei L-17 (links) und R + 2 (rechts). *p < 0,05. d Punktdiagramme von t-Hct bei L + 18. e Zeitlicher Verlauf der Änderungen von t-Hct bei L-17, L + 18 und R + 2. Daten von 6 GC-WT- und 6 GC-KO-Mäusen sind in dargestellt im linken Feld und diejenigen von 3 FL-WT- und 1 FL-KO-Mäusen im rechten Feld. Dargestellt ist der P-Wert, der mit dem zweiseitigen Wilcoxon-Signed-Rank-Test für den Vergleich zwischen den bei L + 18 und R + 2 bei FL-Mäusen erhaltenen Werten erhalten wurde. Punkte stellen einzelne Tiere in (c), (d) und (e) dar. Die Mittelwerte sind in den Diagrammen in (d) und (e) dargestellt.

Bemerkenswert ist, dass der t-Hct der FL-Mäuse bei R + 2 im Vergleich zu dem der GC-Mäuse bei R + 2 signifikant erhöht war (Abb. 1c). Diese Veränderung wurde auch bei Nrf2-KO-Mäusen beobachtet, aber der t-Hct vor dem Start (L-17) veränderte sich in allen vier Mäusegruppen nicht wesentlich (Abb. 1c). Da wir während ihres Aufenthalts auf der ISS (L + 18) Schwanzblut von derselben Gruppe von Mäusen erhielten, versuchten wir, den HCT bei L + 18 zu untersuchen. Leider konnte der t-Hct von sieben FL-Mäusen nicht bestimmt werden da die Ränder des Vollbluts versehentlich durch Etiketten verdeckt wurden (ergänzende Abbildung 1). Dennoch konnten wir den t-Hct von drei FL-WT- und einer FL-KO-Mäuse messen. Wie in Abb. 1d gezeigt, war der t-Hct dieser Mäuse bei L + 18 mit dem der GC-WT- und GC-KO-Mäuse vergleichbar. Die zeitlichen Veränderungen der vier FL-Mäuse zeigten einen Trend zu steigendem t-Hct nach der Landung, jedoch keine wesentlichen Änderungen des t-Hct zwischen L-17 und L + 18 (Abb. 1e). Diese Ergebnisse zeigen, dass der Übergang von der normalen Schwerkraft zur Mikrogravitation und die fortgesetzte Exposition gegenüber der Mikrogravitation den t-Hct nicht verändern, der Übergang von der Mikrogravitation zur normalen Schwerkraft jedoch zu einem Anstieg des t-Hct führt.

Um die Veränderungen der hämatopoetischen Indizes von Mäusen nach einem Raumflug zu überprüfen, haben wir unmittelbar vor der Euthanasie nach der Rückkehr zum Boden bei R + 2 Blut aus der unteren Hohlvene (IVC) anästhesierter Mäuse mit EDTA-beschichteten Spritzen gesammelt. Die Blutproben wurden aufbewahrt auf Eis, und die hämatopoetischen Indizes der FL-Mäuse wurden mit einem Hämozytometer in einem Labor an der Westküste der USA innerhalb von 6,5 Stunden nach der Blutentnahme gemessen, während die der GC-Mäuse in Japan gemessen wurden.

Die hämatopoetischen Indizes sind in Abb. 2a dargestellt. In Übereinstimmung mit den t-Hct-Ergebnissen waren die Hämatokritwerte (Hct) der IVC-Proben unabhängig vom Genotyp zusammen mit der Erythrozytenzahl in den FL-Mausgruppen signifikant erhöht (Abb. 2b). Wichtig ist, dass die Werte der Verteilungsbreite des roten Blutes (RDW), die ein Index für die Heterogenität der Erythrozytengröße ist, bei FL-WT- und FL-KO-Mäusen signifikant erhöht waren, begleitet von einer Abnahme des mittleren Korpuskularvolumens (MCV) (Abb . 2b). Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Erythrozyten von FL-Mäusen die Merkmale der Mikrozytose und Anisozytose aufweisen. Es ist bekannt, dass der Anstieg des RDW ein prognostischer Marker für verschiedene Krankheiten ist, wie z. B. onkologische Erkrankungen23, chronische Nierenerkrankungen24, Herz-Kreislauf-Erkrankungen25 und schwere Infektionen26,27. Im Gegensatz dazu konnten wir keine wesentlichen Veränderungen in der Anzahl der weißen Blutkörperchen (WBC) beobachten (Abb. 2c). Diese Ergebnisse zeigen somit, dass die Raumfahrt bei Mäusen zu Anomalien in der Größe und Anzahl roter Blutkörperchen führt.

a Zusammenfassung der hämatopoetischen Indizes. Es werden Mittelwerte und Standardabweichungen angezeigt. b–d Punktdiagramme der angegebenen Werte für erythroide Parameter (b), Leukozytenzahlen (c) und Thrombozytenparameter (d). Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Leider konnte das Hämozytometer im US-Labor die Hämoglobinkonzentration aufgrund unbekannter Probleme nicht richtig beurteilen. Daher konnten wir die beiden anderen Wintrobe-Indizes nicht bestimmen.

Als nächstes untersuchten wir die Thrombozytenindizes. Die Anzahl der Blutplättchen veränderte sich als Reaktion auf Raumfahrt oder Nrf2-Gen-Knockout nicht wesentlich (Abb. 2d, linkes Feld). Diese Beobachtung steht im Gegensatz zur vorherigen Beobachtung, bei der die Thrombozytenzahl nach der Landung erhöht war28. Der Grund für diesen Unterschied ist derzeit nicht klar, wir gehen jedoch davon aus, dass die folgenden Punkte relevant sein könnten. Während beide Studien mit der C57BL/6-Mäuselinie durchgeführt wurden, führte die letztere Studie einen 12-tägigen Raumflug mit weiblichen Mäusen durch28, während unsere Studie einen 31-tägigen Raumflug mit männlichen Mäusen durchführte.

Wir fanden auch heraus, dass der Thrombozytenkrit (PCT), der das von Blutplättchen im Blut eingenommene Volumen darstellt, durch Raumflüge deutlich erhöht war und folglich das mittlere Blutplättchenvolumen (MPV) bei FL-Mäusen unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit signifikant erhöht war von Nrf2 (Abb. 2d). Darüber hinaus war die Thrombozytenverteilungsbreite (PDW), ein Index für die Heterogenität der Thrombozytengröße, in den FL-Proben von WT- und Nrf2-KO-Mäusen im Vergleich zu den entsprechenden GC-Proben erhöht (Abb. 2d).

In dieser Studie verwendeten wir den Kruskal-Wallis-Test, um Unterschiede zwischen den Gruppen GC-WT, FL-WT, GC-KO und FL-KO zu bewerten, und verwendeten anschließend Steel-Dwass-Mehrfachvergleiche, um Unterschiede zwischen mehreren Gruppenpaaren zu bewerten. Angesichts der erheblichen Auswirkungen der Raumfahrt auf die getesteten Parameter wollten wir Bewertungen der Auswirkungen des Nrf2-Status durch den Wilcoxon-Rangsummentest integrieren und dabei GC-WT vs. GC-KO und FL-WT vs. FL-KO einzeln vergleichen.

Um den Einfluss von Nrf2-Zuständen auf Thrombozytenparameter sowohl unter Boden- als auch unter Raumflugbedingungen zu bewerten, haben wir Thrombozytenparameterwerte zwischen WT- und Nrf2-KO-Mäusen unter GC- und FL-Bedingungen unabhängig voneinander gegenübergestellt (ergänzende Abbildung 3). Unsere alternative Analyse lieferte konsistente Ergebnisse, die darauf hindeuteten, dass Änderungen der MPV- und PVD-Werte durch den Nrf2-KO-Status unter Raumflugbedingungen speziell verstärkt wurden. Zusammengenommen bestätigen diese Ergebnisse, dass die Raumfahrt die Homöostase von Erythrozyten und Blutplättchen erheblich beeinflusst.

Die signifikanten Erhöhungen von MPV und PDW ließen auf einen erhöhten Blutplättchenumsatz bei FL-Mäusen schließen29. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Raumfahrt den Lipidstoffwechsel bei Mäusen verändert, wobei es während der Raumfahrt zu erhöhten Glycerophospholipid- und Sphingolipidspiegeln im Plasma kommt21. Es wurde vermutet, dass hohe Plasmalipidkonzentrationen mit dem Risiko einer Venenthrombose korrelieren30. Darüber hinaus haben wir in der integrierten Datenbank „Biobank for Space Life Science“ (ibSLS) (https://ibsls.megabank.tohoku.ac.jp/)31 herausgefunden, dass Trimethylamin-N-oxid (TMAO), ein phosphatidylcholinhaltiger, aus Lebensmitteln gewonnener Metabolit, ist im Plasma während der Raumfahrt erhöht (Ergänzende Abbildung 2). TMAO ist mit dem Risiko thrombotischer Ereignisse beim Menschen verbunden, da es zu einer endothelialen Entzündungsschädigung und Blutplättchenaktivierung führt32,33. Unter Berücksichtigung dieser weitreichenden Beobachtungen stellten wir die Hypothese auf, dass Stress im Weltraum eine Thrombose auslösen könnte.

Um diese Hypothese zu klären, untersuchten wir zunächst die Expression des vWF-Gens, das den Von-Willebrand-Faktor (vWF) kodiert, in nicht hämatopoetischen Geweben, d Gewebe, eWAT, Leber und Großhirn, von Mäusen in der ibSLS-Datenbank. vWF wird hauptsächlich in Endothelzellen und Megakaryozyten produziert, und Plasma-vWF ist gleichzeitig mit Entzündungen erhöht und an der Pathogenese intravaskulärer Erkrankungen beteiligt34. Wir fanden heraus, dass das Expressionsniveau von vWF in einigen WT-FL-Mausgeweben im Vergleich zu WT-GC-Geweben tendenziell erhöht war (Abb. 3a). Bemerkenswerterweise war die vWF-Genexpression im Thymus und im iBAT von FL-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-KO-Mäusen signifikant erhöht (Abb. 3b). Dieses Ergebnis stimmte mit einer alternativen statistischen Analyse überein, die die Wirkung von Nrf2-KO unter GC- und FL-Bedingungen direkt verglich (ergänzende Abbildung 4).

a Heatmap der relativen Expression des vWF-Gens im Thymus, im interskapulären braunen Fettgewebe (iBAT), im Schläfenbein (TpB), im epididymalen weißen Fettgewebe (eWAT), in der Leber und im Großhirn von GC-WT, FL-WT, GC -KO- und FL-KO-Mäuse. Der für jedes Gen in GC-WT-Mäusen erhaltene Mittelwert wurde auf eins gesetzt. b Punktdiagramm der vWF-Genexpression im Thymus, iBAT und TpB. c Heatmap der relativen Expression von Gerinnungsfaktorgenen in den Lebern von GC-WT-, FL-WT-, GC-KO- und FL-KO-Mäusen. Der für jedes Gen in GC-WT-Mäusen erhaltene Mittelwert wurde auf eins gesetzt. d Punktdiagramm der Expression von Fibrinogengenen in der Leber. e Punktdiagramm der Expression der Gene Kng1, Kng2, Klkb1 und F12 in der Leber. f Punktdiagramm der Expression der Gene Proc, Serpina5 und Pros in der Leber. g Punktdiagramm der Expression der Gene Plg und Serpinf2 in der Leber. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Anschließend untersuchten wir die Expression von Genen, die für den Gewebefaktor (Gerinnungsfaktor III; F3), das interzelluläre Adhäsionsmolekül 1 (ICAM1) und das vaskuläre Zelladhäsionsmolekül 1 (VCAM1) kodieren, die alle an der Endothelaktivierung beteiligt sind35,36. Ähnlich wie bei den Ergebnissen für das vWF-Gen war die Expression von Icam1 und Vcam1 im Thymus und im iBAT von FL-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-KO-Mäusen tendenziell erhöht, und dieser Trend war auch bei Nrf2-KO-Mäusen deutlich (Supplementary). Abb. 5).

Da die Leber eine zentrale Rolle im Gerinnungsprozess spielt, indem sie Gerinnungsfaktoren, Antikoagulanzien und Fibrinolyseproteine synthetisiert, analysierten wir als Nächstes die Expression von Gerinnungsfaktoren in der Leber mithilfe der ibSLS-Datenbank. Es wurde festgestellt, dass die Expression verschiedener Gerinnungsfaktoren sowohl bei FL-WT- als auch bei FL-KO-Mäusen erhöht war, und die Erhöhungen waren bei FL-KO-Mäusen deutlich ausgeprägt (Abb. 3c).

Bei der Untersuchung einzelner Gene stellten wir fest, dass die Spiegel der Fibrinogen-Gene (α, β und γ) durch den Raumflug erhöht wurden und die Erhöhung dieser Gene als Reaktion auf die Kombination von Raumflug und Nrf2-KO besonders deutlich wurde (Abb. 3d). ). Dieses Ergebnis schien in der alternativen statistischen Analyse (ergänzende Abbildung 6a) reproduzierbar zu sein, was darauf hinweist, dass die durch die Raumfahrt induzierte Aktivierung des Fibrinogen-Gens tatsächlich vor dem Nrf2-KO-Hintergrund verstärkt war. Eine erhöhte Expression der Gene Kng1/Kng2, Klkb1 und F12, die molekulare Kininogene, Präkallikrein bzw. Gerinnungsfaktor XII kodieren, wurde auch bei den FL-Mäusen im Vergleich zu den GC-Mäusen festgestellt und war vor dem Nrf2-KO-Hintergrund besonders deutlich (Abb . 3e). Wichtig ist, dass die alternative statistische Analyse ergab, dass die Veränderungen der F12-Genexpression durch den Nrf2-KO-Status unter Raumflugbedingungen spezifisch verstärkt wurden (ergänzende Abbildung 6b). Diese Ergebnisse veranlassten uns zu der Hypothese, dass der Umsatz von Gerinnungsfaktoren, insbesondere von Faktoren, die in der frühen Phase der intrinsischen Gerinnungskaskade beteiligt sind, bei FL-Mäusen deutlich erhöht ist und dass der Anstieg im Nrf2-KO-Zustand noch verstärkt wird. Darüber hinaus war die Expression des Proc-Gens, das für Protein C kodiert, in den Lebern von FL-Mäusen signifikant erhöht, während die Expression des Serpina5-Gens, das für einen Protein-C-Inhibitor kodiert, bei den FL-Mäusen im Vergleich zu den GC-Mäusen herunterreguliert war, und die Expression des ProS-kodierenden Proteins S wurde in den vier Gruppen nicht verändert (Abb. 3f).

Interessanterweise wurde die Expression des Plg-Gens (Plasminogen) durch Raumflüge aktiviert, und diese Aktivierung wurde vor dem Nrf2-KO-Hintergrund verstärkt. Die Expression von Serpinf2, das für α2-Antiplamin kodiert, schien auch durch die Kombination von Raumfahrt und Nrf2-KO erhöht zu sein (Abb. 3g, ergänzende Abb. 6c). Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass die Raumfahrt Störungen in der Genexpression des erstarrenden-fibrinogenolytischen Signalwegs hervorruft, und diese Störungen treten en bloc auf, was zur Aktivierung von Thrombosen und fibrinolytischer Anfälligkeit bei FL-Mäusen führt, die sich bei Abwesenheit von Nrf2-Aktivität zu verschlimmern scheinen.

Da die RBC-Zahlen und Hct-Werte durch die Raumfahrt zunahmen, untersuchten wir als nächstes die Milzmasse bei FL-Mäusen. Unerwarteterweise verringerte sich das Milzgewicht durch die Raumfahrt, und die Abnahme war bei FL-KO-Mäusen und GC-KO-Mäusen signifikant (Abb. 4a). In Übereinstimmung mit dieser Beobachtung wurde auch eine Abnahme des Verhältnisses von Milzgewicht zu Gesamtkörpergewicht nach einem Raumflug beobachtet37.

ein Punktdiagramm des Milzgewichts. Beachten Sie, dass bei den FL-KO-Mäusen eine Verringerung der Milzgröße erkennbar ist. b Repräsentative Bilder, die die HE-Färbung von in Paraffin eingebetteten Milzquerschnitten von Mäusen mit den angegebenen Genotypen zeigen. c Vergrößerte Ansichten der ausgewählten Regionen (weiße Kästchen) aus den Bildern in (b). Beachten Sie, dass die Schrumpfung des weißen Fruchtfleisches (WP) bei FL-WT- und FL-KO-Mäusen offensichtlich ist. d Häufigkeit von WP-Zellen in Querschnitten. e Berechnete Anzahl von Zellen, die sich in den Bereichen WP (links) und rote Pulpa (RP, rechts) in einzelnen Milzen befinden. Der für GC-WT-Mäuse in jeder Gruppe erhaltene Mittelwert wurde auf 100 % gesetzt. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Um den Grund für die Abnahme des Milzgewichts zu ermitteln, untersuchten wir Milzquerschnitte mittels Hämatoxylin-Eosin (HE)-Färbung. Wir stellten einen deutlichen Rückgang der Bereiche der weißen Pulpa (WP) im Vergleich zu den Bereichen der roten Pulpa (RP) in der Milz von FL-Mäusen fest (Abb. 4b, c). Die Quantifizierung der Anzahl der WP- und RP-Zellen in den Querschnitten wurde mithilfe der QuPath-Software38 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Prozentsatz an WP-Zellen in der Milz sowohl von FL-WT- als auch von FL-KO-Mäusen im Vergleich zu denen der jeweiligen GC-Mäuse signifikant verringert war (Abb. 4d, ergänzende Abb. 7). Anschließend berechneten wir die Anzahl der in einzelnen Milzen vorhandenen WP- und RP-Zellen, indem wir die aus den Querschnitten erhaltenen Prozentsätze der WP- und RP-Zellen mit dem Milzgewicht multiplizierten (Abb. 4e). Wir haben die Anzahl der WP- und RP-Zellen in der Milz von GC-WT-Mäusen auf 100 festgelegt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der WP-Zellen in der Milz bei FL-Mäusen signifikant verringert war, während die Anzahl der RP-Zellen unverändert blieb oder zunahm. Somit scheint die Abnahme des Milzgewichts auf die Verringerung der WP-Zellen zurückzuführen zu sein. Da WP-Zellen größtenteils aus Immunzellen, einschließlich Lymphozyten und Makrophagen, bestehen, stützen diese Ergebnisse unsere Behauptung, dass die Raumfahrt die Häufigkeit von Milz-Immunzellen verringert, was zu einem verbesserten Zytoprotektionsschutz im Weltraum führt.

Wir führten eine differenziell exprimierte Genanalyse (DEG) von Milzgenen mithilfe der integrierten differenziellen Expressions- und Signalweganalyse (iDEP.95)39 auf der Grundlage der in unserem vorherigen Bericht erhaltenen RNA-seq-Daten durch18. Wir entdeckten, dass die Expression von 13 Genen bei FL-WT im Vergleich zu GC-WT geringer war. Interessanterweise stieg die Anzahl der Gene, die von der durch die Raumfahrt verursachten Abnahme betroffen waren, im Nrf2-KO-Hintergrund auf 41 (Abb. 5a). Die meisten Gene, die durch Raumfahrt in WT-Mäusen herunterreguliert wurden, überlappten mit denen, die im Nrf2-KO-Hintergrund herunterreguliert wurden (12 von 13; Abb. 5a), was darauf hindeutet, dass die Herunterregulierung von Milzgenen während der Raumfahrt verlängert wurde, wenn die Nrf2-Funktion aufgehoben wurde. Bemerkenswert ist, dass im Einklang mit einer früheren Studie37 die drei wichtigsten Begriffe der Genontologie (GO), die mit herunterregulierten DEGs bei FL-WT vs. GC-WT und FL-KO vs. GC-KO assoziiert sind, alle an der „Erythrozytenfunktion“ beteiligt waren (Abb. 5b).

ein Venn-Diagramm herunterregulierter differentiell exprimierter Gene (DEGs) in der Milz für die Vergleiche FL-WT vs. GC-WT (grün) und FL-KO vs. GC-KO (orange). b Gene Ontology (GO)-Analyse herunterregulierter DEGs für die Vergleiche FL-WT vs. GC-WT (obere Reihen) und FL-KO vs. GC-KO (untere Reihen). GO-Begriffe im Zusammenhang mit Erythropoese sind mit einem rosa Hintergrund gekennzeichnet. Die Anzahl der Gene und die angepassten p-Werte werden angezeigt. c Heatmap der relativen Expression herunterregulierter Gene im Vergleich FL-WT vs. GC-WT oder FL-KO vs. GC-KO. Der für jedes Gen in GC-WT-Mäusen erhaltene Mittelwert wurde auf eins gesetzt. Erythroid-bezogene Gene sind rot gefärbt. Es werden angepasste P-Werte für die Vergleiche FL-WT vs. GC-WT und FL-KO vs. GC-KO angezeigt. d Punktdiagramm der Expression repräsentativer Erythroid-bezogener Gene. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Wie in der Heatmap aller 42 herunterregulierten Gene gezeigt, variierten die Expressionsniveaus der Gene bei einzelnen GC-WT- und GC-KO-Mäusen (Abb. 5c). In der Heatmap ist der Mittelwert der Genexpression für sechs GC-WT-Mäuse auf 1 gesetzt und Erythrozyten-Gene sind rot dargestellt. Während die Expression dieser 42 Gene bei GC-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen eine zunehmende Tendenz zeigte, war ihre Expression sowohl bei FL-WT- als auch bei FL-KO-Mäusen erheblich verringert. Wir haben bestätigt, dass die Expression der Gene Alas2, Slc41a, Hba-a2 und Rhag nach dem Weltraumflug unabhängig von der Nrf2-Expression erheblich abnahm (Abb. 5d). Diese Ergebnisse zeigen somit, dass weltraumbedingter Stress einen starken negativen Einfluss auf die Expression von Erythroid-bezogenen Genen in der Milz hat, der den Beitrag von Nrf2 zur Genregulation übertrifft.

Um die durch die Raumfahrt verursachten Veränderungen in hämatopoetischen Zellpopulationen zu untersuchen, führten wir Durchflusszytometrieanalysen durch. Während frische Proben für die Durchflusszytometrieanalyse bevorzugt werden, erlaubten uns die experimentellen Einschränkungen in der Weltraummausstudie nicht, die Probenahme für FL- und GC-Mäuse am selben Ort durchzuführen. Um dieses Problem anzugehen, haben wir uns daher entschieden, kryokonservierte Proben zu verwenden, die gleichzeitig aufgetaut wurden (Abb. 6a).

a Schematische Darstellung von Durchflusszytometrie-Analysen mononukleärer Milzzellen. LN2, flüssiger Stickstoff. b Punktdiagramm der Häufigkeiten von ckit+CD71+Ter119-Erythroblasten und CD61+CD41+-Megakaryozyten in lebenden Zellen aus der Milz. c Punktdiagramm der Häufigkeiten von M1- und M2-Makrophagen, myeloischen dendritischen Zellen (mDCs) und plasmazytoiden DCs (pDCs) in lebenden Zellen aus der Milz. d Punktdiagramm der Häufigkeiten von T-Vorläufern, B-Vorläufern, B-Zellen, natürlichen Killerzellen (NK), Neutrophilen, Eosinophilen, Basophilen und Mastzellen in lebenden Zellen aus der Milz. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Wir haben zunächst die Lebensfähigkeit der gesamten und abstammungsnegativen Zellen gemessen, die aus Kryofläschchen von Milz- und Knochenmarkszellen gewonnen wurden. Wir fanden heraus, dass die Lebensfähigkeit der frischen Milz- und Knochenmarkszellen etwa 60 % bzw. 90 % betrug und die Lebensfähigkeit der kryokonservierten Zellen von Probe zu Probe unterschiedlich war. Die kryokonservierten Zellen zeigten eine Lebensfähigkeit von 50–90 % im Vergleich zu den frischen Zellen, mit geringem Unterschied zwischen kryokonservierten Milz- und Knochenmarkszellen (ergänzende Abbildung 8a, b).

Eine überraschende Beobachtung war, dass bei der Analyse der Häufigkeit liniengebundener Zellen anhand der Expression von Oberflächenmarkern Zellen, die positiv auf Ter119, einen Marker für Erythroidzellen vom frühen Proerythroblastenstadium bis zum reifen Erythrozytenstadium, positiv waren, ein sehr schlechtes Überleben zeigten. Die Anzahl der Ter119-positiven Zellen war bei allen Mäusen auf etwa 0% reduziert (ergänzende Abbildung 8c). Daher haben wir Ter119-positive Zellen vom Experiment ausgeschlossen. Dennoch stellten wir fest, dass cKit+CD71+Ter119-erythroide Vorläufer und CD41+CD61+-Megakaryozyten lebensfähig waren (ergänzende Abb. 8d, e) und analysiert werden konnten. Die Häufigkeit von cKit+CD71+Ter119-erythroiden Vorläufern war sowohl bei FL-WT- als auch bei FL-KO-Mäusen signifikant verringert (Abb. 6b). Im Gegensatz dazu war die Häufigkeit von CD41+CD61+-Megakaryozyten bei FL-WT- und FL-KO-Mäusen erhöht, was darauf hindeutet, dass die Erythroid-Megakaryozyten-Bifurkation in der Milz von Mäusen im Weltraum zur Megakaryozyten-Linie tendiert.

In Bezug auf immunbezogene Zellpopulationen fanden wir signifikante Veränderungen in der Häufigkeit von zwei Zellpopulationen in der Milz. Eine davon war die M1-Makrophagenfraktion (Abb. 6c) und die andere waren plasmazytoide dendritische Zellen (pDCs) (Abb. 6c). Beide Zellpopulationen zeigten nach dem Weltraumflug eine deutlich verringerte Häufigkeit. Im Gegensatz dazu fanden wir keine wesentlichen Unterschiede in der Häufigkeit von M2-Makrophagen oder myeloischen DCs (mDCs) (Abb. 6c, mittlere zwei Felder). Ebenso konnten wir mit Ausnahme von zwei Zellpopulationen keine signifikanten Veränderungen in der Häufigkeit von Lymphzellen, Granulozyten oder Mastzellen in der Milz zwischen der GC- und der FL-Gruppe feststellen (Abb. 6d). Eine dieser Veränderungen war eine Zunahme der Neutrophilenhäufigkeit bei FL-WT-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen und die andere war eine Zunahme der Eosinophilenhäufigkeit bei FL-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-KO-Mäusen (Abb. 6d). Diese Ergebnisse zeigen somit, dass die Raumfahrt die Verteilung der hämatopoetischen Zellpopulationen in der Milz innerhalb der Ter119-negativen zellgesteuerten Fraktion verändert.

Anschließend untersuchten wir die Häufigkeit hämatopoetischer Stamm-/Vorläuferzellen (HSPCs) in der Milz, einschließlich abstammungsnegativer/Sca1-positiver/cKit-positiver Zellen (LSKs) und abstammungsnegativer/Sca1-negativer/cKit-positiver Zellen (LKs). , gemeinsame myeloische Vorläufer (CMPs), Granulozyten-Makrophagen-Vorläufer (GMPs), Megakaryozyten/Erythrozyten-Vorläufer (MEPs), langfristige hämatopoetische Stammzellen (LT-HSCs), kurzfristige HSCs (ST-HSCs), multipotente Vorläufer-Untergruppe 2 (MPP2s), multipotente Vorläufer der Untergruppe 3 (MPP3s) und lymphoid-primierte multipotente Vorläufer (LMPPs). Diese Vorläuferpopulationen veränderten sich während der Raumfahrt nicht wesentlich, mit Ausnahme von LMPPs, deren Häufigkeit bei FL-WT-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen moderat verringert war (ergänzende Abbildung 9a).

Als nächstes führten wir ähnliche Durchflusszytometrieanalysen für gefrorene Knochenmarksproben durch (Abb. 7a). Wie im vorherigen Abschnitt gezeigt, übertraf die Lebensfähigkeit der Knochenmarkszellen die der Milzzellen (ergänzende Abbildung 8a). Wie bei den Milzproben beobachtet, änderte sich die Häufigkeit von HSPCs im Knochenmark in den vier Mausgruppen nicht wesentlich (ergänzende Abbildung 9b), was darauf hinweist, dass die Raumfahrt keinen Einfluss auf die Verteilung von HSPCs hat.

a Schematische Darstellung von Durchflusszytometrie-Analysen mononukleärer Knochenmarkszellen. b Punktdiagramm der Häufigkeiten von ckit+CD71+Ter119-Erythroblasten und CD61+CD41+-Megakaryozyten in lebenden Zellen aus dem Knochenmark. c Punktdiagramm der Häufigkeiten von M1- und M2-Makrophagen, mDCs und pDCs in lebenden Zellen aus dem Knochenmark. d Punktdiagramm der Häufigkeiten von T-Vorläufern, B-Vorläufern, B-Zellen, NK-Zellen, Neutrophilen, Eosinophilen, Basophilen und Mastzellen in lebenden Zellen aus dem Knochenmark. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Anschließend analysierten wir die linienspezifischen Zellen im Knochenmark und verglichen die Ergebnisse mit denen der Milz. Bemerkenswerterweise stellten wir fest, dass die Häufigkeit von cKit+CD71+Ter119-erythroiden Vorläufern im Knochenmark bei FL-WT- und FL-KO-Mäusen erhöht war, während sich die Häufigkeit von CD41+CD61+-Megakaryozyten nicht wesentlich veränderte (Abb. 7b). Diese Veränderungen unterschieden sich völlig von denen, die in der Milz beobachtet wurden (Abb. 6b).

In ähnlicher Weise veränderte sich die Verteilung immunbezogener Zellen im Knochenmark nach einem Raumflug, doch die Richtung der Veränderungen war ganz anders als die, die in der Milz beobachtet wurde. Die Häufigkeit der M1-Makrophagen änderte sich nach dem Weltraumflug nicht wesentlich. Im Gegensatz dazu erhöhte ein Nrf2-Mangel die Häufigkeit von M1-Makrophagen stark (Abb. 7c). Die Häufigkeit von mDCs war bei FL-WT-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen erhöht, während sich die Häufigkeit von pDCs bei FL-WT-Mäusen im Vergleich zu denen bei GC-WT-Mäusen nicht wesentlich änderte (Abb. 7c).

Wir fanden auch eine signifikante Verringerung der Häufigkeit von B-Vorläufern und eine Zunahme der Häufigkeit von NK-Zellen bei FL-WT- und FL-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-WT- bzw. GC-KO-Mäusen, während die Häufigkeit von T-Vorläufern, reifem B Zellen, Granulozyten und Mastzellen veränderten sich kaum (Abb. 7d). Da die Interaktion zwischen NK-Zellen und B-Lymphozyten eine wichtige Rolle im Immunsystem spielt40, können diese Veränderungen zumindest teilweise zur Beeinträchtigung des Immunsystems während der Raumfahrt beitragen. Diese Ergebnisse zeigen somit, dass die Raumfahrt tatsächlich die hämatopoetische Homöostase stört, indem sie die Verteilung von Zellpopulationen beeinflusst, insbesondere von abstammungsgebundenen Zellpopulationen. Diese Störung ist ein komplexes Phänomen, das von verschiedenen regulatorischen Hinweisen beeinflusst wird, einschließlich der Nrf2-Regulierungskaskade.

Um die molekulare Grundlage dieser durch die Raumfahrt verursachten Genexpressionsänderungen zu untersuchen, führten wir anschließend eine RNA-Seq-Analyse von Knochenmarksproben durch. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die die Genexpression im Knochenmark von Tieren nach einem Weltraumflug untersucht. Wir untersuchten auch den Einfluss der genetischen Nrf2-Depletion auf die Genexpression im Knochenmark von Mäusen nach einem Raumflug.

Wir haben die 2.000 wichtigsten Gene, die in den vier Gruppen unterschiedlich exprimiert wurden, auf den k-means-Algorithmus der iDEP.95-Anwendung angewendet und sie in drei Gruppen unterteilt (Abb. 8a). Cluster I umfasste Gene, deren Expressionsniveaus in GC-WT- und GC-KO-Mäusen sowie in FL-WT- und FL-KO-Mäusen nahezu gleich waren (n = 339). Cluster II umfasste Gene, die bei FL-WT-Mäusen mäßig herunterreguliert und bei GC-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen deutlich herunterreguliert waren, aber dieser Gencluster war bei FL-KO-Mäusen sogar noch stärker herunterreguliert als bei GC-KO-Mäusen (n = 1465). Cluster III umfasste Gene ohne solche spezifischen Merkmale (n = 196).

eine Clusteranalyse von DEGs basierend auf der k-means-Methode. b Clusterspezifische GO-Anreicherungsanalyse. GO-Begriffe im Zusammenhang mit Erythropoese (mit rosa Hintergrund markiert) und Immunsystem (mit orangem Hintergrund markiert) sind in den Clustern I bzw. II angereichert. Die Anzahl der Gene und die angepassten p-Werte werden angezeigt. c Venn-Diagramm herunterregulierter DEGs im Knochenmark für die Vergleiche FL-WT vs. GC-WT (grün) und FL-KO vs. GC-KO (orange). d GO-Analyse herunterregulierter DEGs für die Vergleiche FL-WT vs. GC-WT (obere Reihen) und FL-KO vs. GC-KO (untere Reihen). GO-Begriffe im Zusammenhang mit Erythropoese sind mit einem rosa Hintergrund gekennzeichnet. Die Anzahl der Gene und die angepassten p-Werte werden angezeigt. e Heatmap der relativen Expression von Erythroid-verwandten Genen, herunterreguliert im Vergleich von FL-WT vs. GC-WT (linke zwei Spalten) und FL-KO vs. GC-KO (rechte zwei Spalten). Der für jedes Gen in GC-WT-Mäusen erhaltene Mittelwert wurde auf eins gesetzt. Herunterregulierte DEGs in den Vergleichen FL-WT vs. GC-WT und FL-KO vs. GC-KO sind blau gefärbt. f, g Punktdiagramm der Expression repräsentativer Erythroid-bezogener Gene. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Anschließend führten wir auf der Grundlage der Daten Pfadanalysen durch. Eine faszinierende Beobachtung war, dass GO-Begriffe im Zusammenhang mit Erythropoese en bloc in Cluster I angereichert waren (Abb. 8b), während ein GO-Begriff, der dem Prozess des Immunsystems entspricht, in Cluster II am stärksten angereichert war (Abb. 8b). Für Cluster III wurde kein GO-Begriff identifiziert.

Parallel dazu haben wir auch DEG-Analysen durchgeführt. Wir fanden 116 und 264 Gene, die in den Vergleichen FL-WT vs. GC-WT bzw. FL-KO vs. GC-KO herunterreguliert waren (Abb. 8c). Da in beiden Vergleichen 78 Gene herunterreguliert wurden, wurden in den Vergleichen FL-WT vs. GC-WT und FL-KO vs. GC-KO 38 bzw. 186 Gene spezifisch herunterreguliert. Die GO-Analyse der herunterregulierten Gene in FL-WT- und FL-KO-Mäusen ergab, dass mehrere Unterkategorien im Zusammenhang mit der Erythropoese, darunter „Erythrozytenentwicklung“, „Biosyntheseprozess porphyrinhaltiger Verbindungen“ und „Tetrapyrrol-Biosyntheseprozess“, mit einer verminderten Expression in verbunden waren die FL-Gruppen, unabhängig davon, ob die Mäuse den WT- oder Nrf2-KO-Hintergrund hatten (Abb. 8d).

Unter den durch die Raumfahrt herunterregulierten DEGs fanden wir 29 Gene, die gemäß GO-Begriffen als Erythropoese-bezogene Gene kategorisiert wurden. Als wir eine Heatmap-Visualisierung der 29 Gene durchführten, stellten wir fest, dass Nrf2-KO die Expression von 19 der 29 Gene leicht reduzierte (Abb. 8e). Beispielsweise verringerte die Raumfahrt die Expression der Gene Slc6a9, Ank1, Cpox und Slc4a1 erheblich (Abb. 8f). Im Gegensatz dazu verringerte das Fehlen von Nrf2 die Expression der verbleibenden 10 Gene erheblich, und die Raumfahrt unterdrückte die Expression dieser Gene weiter (Abb. 8e). Beispielsweise verringerte das Fehlen von Nrf2 die Expression der Gene Zfpm1 und Smarca4 stark, und die Raumfahrt verstärkte diese Abnahmen (Abb. 8g).

Beim getrennten Vergleich der Erythroid-Genexpression zwischen WT- und Nrf2-KO-Mäusen unter GC- und FL-Bedingungen stellten wir fest, dass die Reduktion der Erythroid-Gene unter FL-Bedingungen durch den Nrf2-KO-Status verstärkt wurde. Diese Beobachtung wurde unabhängig vom Einfluss von Nrf2-KO auf die Erythroid-Genexpression unter Bodenbedingungen gemacht (ergänzende Abbildung 10). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Raumfahrt die Expression einer Gruppe von Erythroid-bezogenen Genen unterdrückte und dass ein Nrf2-Mangel die durch die Raumfahrt verursachte Unterdrückung der Erythroid-Gene im Knochenmark verstärkte.

Im Gegensatz dazu war eine durch die Raumfahrt verursachte Hochregulierung der Genexpression recht selten. Bei näherer Betrachtung fanden wir 7 Gene, die bei FL-WT-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen hochreguliert waren, darunter drei verschiedene Varianten von Stfa-Genen, die für Stefin A1, A2 und A3 kodieren (ergänzende Abbildung 11). Stefin A fungiert als Cystein-Protease-Inhibitor und spielt eine wichtige Rolle in vielen biologischen Prozessen, wie der Immunantwort, Entzündungen41 und der thrombozytenabhängigen Thrombusbildung42. Dieses Ungleichgewicht der proteolytischen Aktivität könnte an den durch die Raumfahrt verursachten pathophysiologischen Veränderungen beteiligt sein.

Als nächstes wollten wir untersuchen, wie die Nrf2-Depletion die Genexpressionsprofile in Knochenmarkszellen von Raumfahrtmäusen beeinflusst. Zu diesem Zweck führten wir zwei Sätze von DEG-Analysen durch, bei denen im Knochenmark von Nrf2-KO-Mäusen herunterregulierte Gene zum Einsatz kamen: GC-KO vs. GC-WT und FL-KO vs. FL-WT. Wir fanden heraus, dass 376 und 1034 Gene aufgrund von Nrf2-KO unter GC- bzw. FL-Bedingungen verringert waren (Abb. 9a). Die Anzahl der durch Nrf2-KO herunterregulierten Gene war viel größer als die durch die Raumfahrt herunterregulierte, nämlich 116 (Abb. 9a).

ein Venn-Diagramm von drei Sätzen herunterregulierter DEGs aus den Vergleichen GC-KO vs. GC-WT (rosa), FL-KO vs. FL-WT (blau) und FL-WT vs. GC-WT (grün). Die Anzahl der Gene in jedem Abschnitt wird angezeigt. Die grüne Zahl stellt die Anzahl der überlappenden DEGs in allen drei Vergleichen dar. Die Anzahl der herunterregulierten Gene im Vergleich FL-WT vs. GC-WT, die sich mit denen im Vergleich GC-KO vs. GC-WT (rosa) und FL-KO vs. FL-WT (blau) überschneiden, ausgenommen DEGs in Der dreifach überlappende Bereich wird durch Rot bzw. Blau angezeigt. b GO-Analyse herunterregulierter DEGs aus den Vergleichen GC-KO vs. GC-WT (obere Reihen) und FL-KO vs. FL-WT (untere Reihen). Die Anzahl der Gene und die angepassten p-Werte werden angezeigt. c Heatmap der relativen Expression von 105 Genen, die als „Prozess des Immunsystems“ unter den herunterregulierten DEGs aus dem GC-KO vs. GC-WT-Vergleich kategorisiert wurden. d Überlappende herunterregulierte DEGs mit angepassten P-Werten für die Vergleiche FL-WT vs. GC-WT, GC-KO vs. GC-WT und FL-KO vs. FL-WT. Rot, Blau und Grün entsprechen den Genen in (a). Dolche kennzeichnen Gene, die für Immunglobulin kodieren, und Doppeldolche kennzeichnen Gene, die für Faktoren kodieren, die mit Prozessen des Immunsystems zusammenhängen. e Punktdiagramm der Expressionsniveaus der Back2- und Rag1-Gene. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05.

Bemerkenswert ist, dass 342 von 376 Genen, die in den Nrf2-KO-Mäusen unter GC-Bedingungen verringert waren, gleichzeitig in den FL-KO-Mäusen herunterreguliert wurden, was darauf hindeutet, dass die Gene, die aufgrund von Nrf2-KO unter GC-Bedingungen herunterreguliert wurden, fast alle am Gen beteiligt waren Cluster von 1034 herunterregulierten Genen unter FL-Bedingungen. Dieses Ergebnis zeigt, dass die genetische Nrf2-Depletion die Homöostase des Knochenmarks unter Raumflugbedingungen stärker beeinflusst als unter Bodenbedingungen und stützt unsere Behauptung, dass Nrf2 eine wichtige Rolle beim Schutz der Homöostase während des Raumflugs spielt.

Wir fanden heraus, dass der GO-Begriff „Prozess des Immunsystems“ bei den herunterregulierten DEGs sowohl in den Vergleichen GC-KO vs. GC-WT als auch FL-KO vs. FL-WT deutlich angereichert war (Abb. 9b). Es ist anzumerken, dass dieser GO-Begriff im Vergleich der Raumflugbedingungen am besten abgeschnitten hat. Eine genauere Untersuchung der Heatmap, die zeigte, dass Gene, die mit dem Immunsystem in Zusammenhang stehen, bei GC-KO-Mäusen abnahm (d. h. 105 Grad), ergab, dass diese Gene auch bei FL-WT-Mäusen eine verminderte Expression zeigten, und diese Abnahmen wurden bei FL-KO-Mäusen reproduziert ( Abb. 9c). Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Raumflugbedingungen einen ähnlichen Effekt haben wie die Nrf2-KO-Bedingungen.

Die Feststellung, dass sowohl Nrf2-KO als auch Raumflugbedingungen eine Abnahme der prozessbezogenen Gene des Immunsystems hervorriefen, veranlasste uns, die Details dieser Veränderungen zu untersuchen, einschließlich der Frage, ob diese Veränderungen zu einer Unterdrückung oder Aktivierung des Immunsystems führen. Um diesen Punkt anzugehen, haben wir 116 herunterregulierte DEGs, die im FL-WT vs. GC-WT-Vergleich identifiziert wurden, mit denen überlagert, die sowohl im GC-KO vs. GC-WT- als auch im FL-KO vs. FL-WT-Vergleich herunterreguliert wurden. Wie in Abb. 9a gezeigt, überlappten insgesamt 17 der 116 Gene mit denen, die in den Vergleichen von GC-KO vs. GC-WT und/oder FL-KO vs. FL-WT herunterreguliert wurden. Unter diesen 17 Genen waren 6 Immunglobulin-Gene und 6 Gene, die zur Prozesssignatur des Immunsystems gehören (Abb. 9d). Beispielsweise führten Raumfahrt und Nrf2-KO unabhängig voneinander und additiv zu einer Abnahme der Expression der Bach2- und Rag1-Gene, deren Produkte bekanntermaßen eine wichtige Rolle bei der Lymphentwicklung spielen43,44 (Abb. 9e). Daher nimmt die Raumfahrt ab und gleichzeitig verstärkt Nrf2-KO die Expression von Immungenen im Knochenmark, was zu einer Immunsuppression führt.

Es wurde gezeigt, dass die Raumfahrt die Expression von Nrf2-Zielgenen in verschiedenen Geweben und Organen aktiviert18,20. Um die Frage zu beantworten, ob dieser Effekt der Raumfahrt auch im Knochenmark und in der Milz auftritt, verglichen wir die Expressionsprofile typischer Nrf2-Zielgene in den vier Gruppen von Mäusen, d. h. GC-WT, FL-WT, GC-KO und FL-KO. Interessanterweise stellten wir fest, dass die Expression von Nrf2-Zielgenen, die in anderen Geweben größtenteils erhöht war18, im Knochenmark von FL-WT-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen nicht aktiviert, sondern eher verringert war (Abb. 10a). Die Expression dieser Nrf2-Zielgene war bei GC-KO- und FL-KO-Mäusen im Vergleich zu GC-WT- und FL-WT-Mäusen stark verringert (Abb. 10a). Im krassen Gegensatz dazu war die Expression von Nrf2-Zielgenen in der Milz in den vier Gruppen vergleichbar (Abb. 10b), was darauf hindeutet, dass weder Nrf2-KO noch Raumfahrt die Expression von Nrf2-Zielgenen in der Milz wesentlich beeinflussten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Raumfahrt in den meisten Geweben die Nrf2-Aktivität induziert und Nrf2 vor durch die Raumfahrt hervorgerufenen Störungen der Homöostase schützt. Im Knochenmark ist die Aktivierung von Nrf2 durch die Raumfahrt jedoch eher schwach und kann die Homöostase nicht vollständig aufrechterhalten. In der Milz ist der Beitrag von Nrf2 selbst unter basalen Bedingungen begrenzt.

a, b Heatmap der relativen Expression von Nrf2-Zielgenen im Knochenmark (a) und Milz (b) von GC-WT-, FL-WT-, GC-KO- und FL-KO-Mäusen. Der Mittelwert jedes Gens in GC-WT-Mäusen wurde in jedem Panel auf eins festgelegt. c Punktdiagramm der Expression der Gene Gclm, Gclc, Nqo1 und Srxn1 im Knochenmark. Punkte stellen einzelne Tiere dar. Mittelwerte werden in den Diagrammen angezeigt. *p < 0,05. d Box-and-Dot-Diagramme der Expression der Gene Sclm, Gclc, Nqo1 und Smarca4 im Knochenmark. Einseitige Wilcoxon-Rangsummentests wurden durchgeführt, um die Unterschiede zwischen Nrf2-KO- und Kontroll-WT-Mäusen unter Bodenbedingungen (linker Teil in jedem Panel) und Raumflugbedingungen (rechter Teil) zu bewerten. *P < 0,05.

Wir fanden vier Gene, deren Expression bei FL-WT-Mäusen im Vergleich zu GC-WT-Mäusen signifikant verringert war (Abb. 10c). Es ist bekannt, dass die Produkte der Gene Gclm, Gclc, Nqo1 und Srxn alle eine wichtige Rolle im Redoxregulationsweg spielen45,46. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Knochenmark sehr empfindlich auf raumfahrtbedingte Belastungen reagiert. Bemerkenswerterweise verringerte die Raumfahrt die Expression der Gene Gclm, Gclc, Nqo1 und Srxn erheblich, während das gleichzeitige Fehlen von endogenem Nrf2 die Expression dieser Gene weiter verringerte (Abb. 10c, d). Während Knochenmarkszellen teilweise durch die Erhöhung der endogenen Nrf2-Aktivität geschützt werden können, scheint das Ausmaß der Nrf2-Induktion durch Raumfahrt per se nicht ausreichend zu sein, so dass hämatopoetische und immunsupprimierende Phänotypen deutlich werden und Nrf2-Induktoren möglicherweise dazu beitragen, Menschen im Weltraum zu schützen reisen.

In dieser Studie führten wir hämatologische und immunologische Untersuchungen der Mäuse der MHU-3-Mission durch, die sechs Nrf2-KO-Mäuse und sechs WT-Mäuse ins All schickte. Um die mit der Weltraumforschung verbundenen Schwierigkeiten zu überwinden, haben wir mehrere experimentelle Herausforderungen in diese Studie integriert. Als Ergebnis stellten wir fest, dass Nrf2 den Schutz der Erythropoese während der Raumfahrt kaum beeinflusst. Im Gegensatz dazu spielt Nrf2 während der Raumfahrt eine wichtige Schutzfunktion im Immunsystem. Tatsächlich wird die durch die Raumfahrt verursachte Unterdrückung der immunbezogenen Genexpression durch die genetische Depletion von Nrf2 deutlich verstärkt, während die durch die Raumfahrt verursachte Verringerung der Erythroid-Genexpression in Milz und Knochenmark unabhängig vom Nrf2-Expressionsniveau signifikant ist. Diese Ergebnisse deuten somit darauf hin, dass Nrf2 zur Aufrechterhaltung des Immunsystems während der Raumfahrt beiträgt und legen nahe, dass eine Verbesserung des Niveaus der Grundaktivität von Nrf2 den Grad der Immunsuppression während der Raumfahrt abschwächt. Wir vermuten, dass dieser Befund besonders wichtig für die weitere Erforschung des Weltraums jenseits der ISS ist. Wenn wir die bevorstehenden Pläne zur Entwicklung der Raumfahrt berücksichtigen, ist die kosmische Strahlung auf der ISS gering und ein einmonatiger Aufenthalt auf der ISS kurz. Daher glauben wir, dass die Bedeutung der Nrf2-Aktivierung während der Raumfahrt weiter und detaillierter untersucht werden sollte.

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass die Raumfahrt das Risiko einer thrombotischen Mikroangiopathie, begleitet von Störungen des Gerinnungs- und Fibrinolysesystems, erhöhen kann. Seit die Thrombose der inneren Jugularvene als eine mit der Raumfahrt in Zusammenhang stehende Erkrankung identifiziert wurde47, ist die Regulierung der Blutgerinnung während der Raumfahrt ein Problem48,49,50. In dieser Studie fanden wir einen Anstieg von MPV und PDW bei FL-Mäusen. Obwohl die Thrombozytenzahl unverändert blieb, ist es denkbar, dass der Anstieg von MPV und PDW eine beschleunigte Thrombozytenumsatzrate darstellt. Wir beobachteten auch einen zunehmenden Trend zur vWF-Expression in verschiedenen Geweben von FL-Mäusen. vWF ist ein bekannter Faktor, der bei entzündungsbedingten Thrombosen eine zentrale Rolle spielt34,51. Die durch Raumfahrt induzierte Aktivierung der vWF-Genexpression schien in Kombination mit dem Nrf2-KO-Hintergrund beschleunigt zu werden, was darauf hindeutet, dass Nrf2 am Schutz vor endothelialen Entzündungen und Verletzungen beteiligt ist52.

Eine erhöhte Expression von Genen, die am Erstarrungs-Fibrinogenolyse-Weg beteiligt sind, wird auch in der Leber von FL-Mäusen beobachtet, begleitet von einer erhöhten Expression von Stfa-Genen, einem Kennzeichen der Blutplättchenaktivierung, im Knochenmark42. Nach unserem besten Wissen sind dies die ersten Analysen des Gerinnungs- und Fibrinolysesystems bei Mäusen nach einem Raumflug, und wir gehen davon aus, dass die intravaskuläre Gerinnung durch den Raumflug aktiviert wird und folglich die Expression von Genen, die für die Gerinnungs- und Fibrinogenolyseproteine kodieren, erhöht wird ihren Verbrauch kompensieren53. Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass die durch die Raumfahrt verursachten Veränderungen im Erstarrungs-Fibrinogenolyse-Weg durch Nrf2-KO verstärkt werden, was darauf hindeutet, dass Nrf2 zumindest teilweise zum Schutz intravaskulärer Thrombosen während der Raumfahrt beiträgt.

Es wird angenommen, dass der Anstieg der Hct-Werte bei Astronauten in der Anfangsphase der Raumfahrt auf ein verringertes Plasmavolumen zurückzuführen ist, das durch die Anpassung des Körperflüssigkeitshaushalts an die Mikrogravitation verursacht wird54. Während in der frühen Phase eines Aufenthalts im Space Shuttle9 erhöhte Hct-Werte festgestellt werden, wird die Polyzythämie durch die hämatopoetische Anpassung an die Mikrogravitation11, begleitet von einer erhöhten Hämolyse, allmählich rückgängig gemacht10,12. Bei der Rückkehr zur normalen Schwerkraft kommt es zu einer Umverteilung der Körperflüssigkeiten und einem Anstieg des zirkulierenden Blutflusses, was zu einer Anämie nach dem Flug führt9. Daher entwickeln Astronauten bei einem längeren Aufenthalt in der Schwerelosigkeit eine schwerere Anämie12. Im krassen Gegensatz dazu zeigen Mäuse bei L + 18 in der ISS keine Polyzythämie, sondern nach der Landung einen deutlichen Anstieg der Erythrozytenmasse. Wir vermuten, dass die folgenden Unterschiede zwischen Mäusen und Menschen für diese Diskrepanz relevant sein könnten. Zum einen beträgt die Lebensdauer von Maus-Erythrozyten etwa 40 Tage, was 1/3 kürzer ist als die von menschlichen Erythrozyten55; Daher können Mäuse während ihres Aufenthalts in der Schwerelosigkeit die erythropoetische Anpassung schneller abschließen als Menschen. Der andere Grund ist, dass der Einfluss der Mikrogravitation auf die Hct-Werte bei zweibeinigen und vierbeinigen Tieren unterschiedlich sein kann.

Durch eine Reihe von MHU-3-Studien haben wir herausgefunden, dass Nrf2 eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase des Lipidstoffwechsels als Reaktion auf Weltraumstress spielt8,20,21. Wenn man bedenkt, dass Lipide als Treibstoffquelle für die Myelopoese im Knochenmark dienen56, ist die Hypothese plausibel, dass die durch Raumfahrt und Nrf2-Mangel induzierte Immunsuppression durch einen gestörten Lipidstoffwechsel vermittelt werden könnte.

Diese Studie hat klargestellt, dass die Raumfahrt sowohl das Erythroid- als auch das Immunsystem in Milz und Knochenmark beeinflusst, die Einflüsse scheinen jedoch zwischen diesen beiden Organen unterschiedlich zu sein. Bei Mäusen ist die Milz ein hämatopoetisches Organ, das eine entscheidende Rolle bei der Stress-Erythropoese spielt, während das Knochenmark sowohl unter Steady-State- als auch unter Stressbedingungen eine ausgewogene Hämatopoese aufweist. Im Gegensatz dazu ist das Knochenmark das einzige echte blutbildende Organ des Menschen. In Übereinstimmung mit früheren Studien37,57 stellten wir in dieser Studie fest, dass die Größe der Milz bei FL-Mäusen abnimmt. Eine genauere Untersuchung der Milz von FL-Mäusen ergab außerdem, dass die weiße Pulpa deutlich reduziert war. Da die weiße Pulpa der Ort ist, an dem sich myeloische und lymphatische Zellen befinden, unterstützt diese Beobachtung weiter die Annahme, dass die Raumfahrt eine Immunsuppression induziert. Analysen von Nrf2-KO-Mäusen ergaben, dass Nrf2-Knockout keinen Einfluss auf die Expression von Nrf2-Zielgenen in der Milz von FL- oder GC-Mäusen hat.

Im Gegensatz dazu stellten wir fest, dass sich die Größe des roten Fruchtfleisches nach dem Weltraumflug nicht wesentlich veränderte. In diesem Zusammenhang ist die Expression von GATA1 und verwandten erythroiden Genen nach dem Weltraumflug herunterreguliert37. Eine plausible Erklärung für diese Beobachtungen ist, dass Menschen eine Postflight-Anämie entwickeln, während Mäuse eine Polyzythämie entwickeln. Als Reaktion auf den Anstieg der Erythrozytenzahlen kann daher die Expression von GATA1- und Erythroid-Genen verringert sein. Alternativ könnten während des Übergangs von der Mikrogravitation zur Normogravitation Veränderungen in der Erythroid-Genexpression auftreten, was erklärt, warum sich die Größe der roten Pulpa zum Zeitpunkt der Analyse nicht wesentlich veränderte.

Alle Tierversuche wurden von den Institutional Animal Care and Use Committees von JAXA (Protokollnummern 017-001 und 017-014), NASA (Protokollnummer FLT-17-112), Explora BioLabs (EB15-010C) und der Universität Tohoku genehmigt ( 2017MdA-328) und gemäß den entsprechenden Richtlinien und geltenden Gesetzen Japans und der Vereinigten Staaten von Amerika durchgeführt. Männliche Nrf2-KO- und WT-Mäuse, die für das MHU-3-Projekt bereitgestellt wurden, und GC-Experimente wurden nach dreiwöchiger Eingewöhnung in einzelnen Käfigkäfigen basierend auf dem Gesundheitszustand ausgewählt18,21. Die Blutentnahme vom distalen Ende des Schwanzes erfolgte mit einer Schwanzschere (KAI, PQ3357)18,21. Die hämatopoetischen Indizes von aus IVC entnommenem Blut wurden mit VetScan HM5-Autohämozytometern (Abaxis) an der Westküste der USA und Celltac-α MEK6450-Autohämozytometern (Nihon Koden) in Japan gemessen. Aus dem rechten Becken und der Tibia entnommene Knochenmarkszellen wurden in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) suspendiert. Mononukleäre Zellsuspensionen der Milz wurden durch Filtration durch ein 100-μm-Zellsieb (Corning) isoliert, um Gewebefragmente zu entfernen. Nach einmaligem Waschen mit PBS wurden die Zellpellets in CELLBANKER2 (ZENOAQ RESORCE) resuspendiert. Nachdem die Proben in drei Röhrchen aufgeteilt worden waren, wurde jedes Aliquot der Zellsuspension auf Trockeneis eingefroren und in flüssigem Stickstoff kryokonserviert.

Jede Milz wurde quer in drei Teile geteilt, und ein Mittelstück wurde in Mildform 10 N (Wako) fixiert und anschließend in Paraffin eingebettet. Von jeder Probe wurden zwei 3 µm dicke Schnitte angefertigt und mit Hämatoxylin-Eosin angefärbt. Die Bilder wurden mit SLIDEVIEW VS200 (Olympus) gescannt und mit der QuPath-Software (v.0.3.2) verarbeitet38. Um WP- und RP-Zellen zu quantifizieren, wurde im integrierten Zellerkennungsprogramm von QuPath ein Algorithmus zur Zellerkennung verwendet, mit repräsentativen Bildern, in denen WP- und RP-Bereiche manuell ausgewählt wurden, und dann wurde das Zellklassifizierungsprogramm von QuPath nach dem Algorithmus ausgeführt.

Die kryokonservierten Zellen wurden schnell bei 37 °C aufgetaut und sofort in DMEM mit hohem Glucosegehalt (Nacalai) mit 20 % fötalem Rinderserum (FBS) überführt. Nach einmaligem Waschen mit Medium wurden die Zellen noch einmal mit PBS gewaschen. Die Abstammungsabreicherung wurde mit einem Cocktail aus biotinylierten Antikörpern gegen Ter119, B220, Gr1, CD8, CD4, CD11b und CD127, jeweils in einer Konzentration von 1,0 μg/ml, durchgeführt, gefolgt von der Entfernung mit Dynabeads M-280 Streptavidin-konjugierten Magnetkügelchen (Thermo). Fisher Scientific). Die Zellen wurden mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern in einer Konzentration von 1,0 μg/ml markiert und 20 Minuten lang im Dunkeln auf Eis inkubiert. Anschließend wurden die Zellen zweimal mit PBS gewaschen und dann in PBS mit 2 % FBS resuspendiert. Der Schmutzausschluss wurde erreicht, indem ein Diagramm erstellt wurde, das die Beziehung zwischen der Vorwärtsstreufläche (FSC)-Fläche (A) und der Seitenstreufläche (SSC)-A darstellt. Um Dublettzellen auszuschließen, wurde ein Diagramm verwendet, das die FSC-Höhe (H) gegenüber der FSC-Breite (W) darstellt, gefolgt von einem weiteren Diagramm, das SSC-H gegenüber SSC-W zeigt. Der Ausschluss abgestorbener Zellen wurde durch den Einsatz von 7-Amino-Actinomycin D (BD Biosciences) erreicht. Die Details der fluoreszenzmarkierten Antikörper, die für Durchflusszytometrieanalysen verwendet werden, sind in der Ergänzungstabelle 1 aufgeführt, und Gating-Strategien sind in den Ergänzungsmethoden aufgeführt. Die gefärbten Zellen wurden durch eine 35-μm-Siebkappe (FALCON) filtriert und mit der Software BD FACSAria II und BD FACSDiva (Becton Dickinson) analysiert.

Die Gesamt-RNA wurde aus den kryokonservierten Knochenmarkszellen in CELLBANKER2-Flüssigkeit durch direkte Zugabe von 3 ml ISOGEN-LS (NIPPON GENE) bei Raumtemperatur isoliert. Die RNA-Integrität wurde mit einer Agilent 2200 TapeStation bewertet. Zweihundert Nanogramm Gesamt-RNA wurden einer cDNA-Bibliotheksvorbereitung mit dem MGIEasy RNA Directional Library Prep Set (MGI) unterzogen. Die Bibliotheken wurden mit DNBSEQ-G400 (MGI) sequenziert. Die Rohdaten wurden mit STAR (Version 2.6.1)58 auf das mm10-Genom der Maus abgebildet. Zur Messung der Genexpression wurden mit RSEM (Version 1.3.1)59 Transkripte pro Million (TPM)-Werte ermittelt. TPM-Werte von Milzproben wurden aus einem zuvor veröffentlichten Datensatz18 ermittelt. Das TPM wurde in iDEP.9539 normalisiert. Gene mit einem TPM über eins in mindestens einer Probe wurden in weitere Analysen einbezogen. k-means-Clustering wurde von iDEP.95 durchgeführt. DEGs wurden mit einem Cut-off für die Falscherkennungsrate < 0,1 und einem Fold-Change-Cut-off ≥ 2 unter Verwendung von iDEP.95 analysiert. Globale Analyse-Heatmaps wurden mit R-basierten Heatmap.3- und gplots-Paketen erstellt.

Datenpunkte stellen biologische Replikate dar. Um Unterschiede zwischen GC-WT-, FL-WT-, GC-KO- und FL-KO-Gruppen zu beurteilen, wurden die Kruskal-Wallis-Tests durchgeführt. In Fällen, in denen der p-Wert weniger als 0,05 betrug, wurden weitere Steel-Dwass-Mehrfachvergleiche durchgeführt, um die Unterschiede zwischen allen vier Gruppen zu bewerten. Zum Vergleich der zeitlichen Veränderungen der Hämatokritwerte wurde paarweise ein zweiseitiger Wilcoxon-Signed-Rank-Test eingesetzt. Um die Unterschiede zwischen Nrf2-KO- und Kontroll-WT-Mäusen sowohl unter Boden- als auch unter Raumflugbedingungen zu beurteilen, wurden einseitige Wilcoxon-Rangsummentests unabhängig voneinander durchgeführt. Die statistische Analyse wurde mit der Software JMP Pro 16 (SAS Institute) durchgeführt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Die in dieser Veröffentlichung dargestellten Daten wurden im Gene Expression Omnibus60 des NCBI hinterlegt und sind über die GEO-Serien-Zugangsnummer (GSE240654) zugänglich. Ergänzende Daten 1 umfassen die Quelldaten, die den in den Hauptabbildungen und ergänzenden Abbildungen dargestellten Grafiken entsprechen. Alle relevanten Daten sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Wir danken Dr. Osamu Funatsu, Michihiko Shimomura und Hiroyasu Mizuno für die Koordinierung der Forschung und Frau Aya Ashizawa für technische Hilfe. Wir danken auch dem Biomedical Research Core der Tohoku University Graduate School of Medicine für technische Unterstützung. Diese Arbeit wurde als Forschungsstudie zu Weltraumnagern für die 2015 angekündigten Machbarkeitsexperimente von JAXA mit ISS/Kibo ausgewählt und teilweise auch von MEXT/JSPS KAKENHI (19H03555 an RS, 19H05649 an MY und 18H04963 an T. Suzuki), BINDS, unterstützt /AMED (JP22ama121038 an MY) und das Smart Aging Research Center, Tohoku University (MY). Diese Arbeit wurde teilweise auch durch die Zuschüsse JP19km0105001 und JP19km0105002 unterstützt.

Tohoku Medical Megabank Organization, Universität Tohoku, Sendai, Japan

Ritsuko Shimizu, Atsushi Hasegawa, Akihito Otsuki, Keiko Taguchi, Fumiki Katsuoka, Akira Uruno, Takafumi Suzuki und Masayuki Yamamoto

Abteilung für Molekulare Hämatologie, Tohoku University Graduate School of Medicine, Sendai, Japan

Ritsuko Shimizu, Ikuo Hirano und Mikiko Suzuki

Das Advanced Research Center for Innovations in Next-Generation Medicine (INGEM) Tohoku University, Sendai, Japan

Ritsuko Shimizu, Mikiko Suzuki, Keiko Taguchi, Fumiki Katsuoka und Masayuki Yamamoto

Abteilung für Sauerstoffbiologie, New Industry Creation Hatchery Center (NICHe), Tohoku-Universität, Sendai, Japan

Norio Suzuki

Nutzungszentrum des japanischen Experimentiermoduls (JEM), Direktion für bemannte Raumfahrttechnologie, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Tsukuba, Japan

Akane Yumoto, Risa Okada, Masaki Shirakawa und Dai Shiba

Abteilung für Anatomie und Embryologie und Labortierressourcenzentrum im Transborder Medical Research Center, Institut für Medizin, Universität Tsukuba, Tsukuba, Japan

Satoru Takahashi

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RS, IH, AH und MY haben den Artikel geschrieben. AY, RO, Ma.S und DS führten die Weltraumexperimente durch. RS, IHAH, MS, AO, KT, FK, AU, NS, ST und TS führten die molekularen, histologischen und physiologischen Bewertungen durch und analysierten die Daten. MY betreute das Projekt.

Korrespondenz mit Ritsuko Shimizu oder Masayuki Yamamoto.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Communications Biology dankt Sarmistha Saha und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteur: Joao Valente.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Shimizu, R., Hirano, I., Hasegawa, A. et al. Nrf2 lindert raumfahrtbedingte Immunsuppression und thrombotische Mikroangiopathie bei Mäusen. Commun Biol 6, 875 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-023-05251-w

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Eingegangen: 26. Februar 2023

Angenommen: 17. August 2023

Veröffentlicht: 25. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-023-05251-w

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