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跑酷!交配? 这些小鼠在太空能干些啥?


北京时间2021年6月17日18时48分,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站,我国航天事业开启了“空间站”时代!

人类进入太空,时刻面对着强辐射,微重力的环境。如何在太空中维持健康,甚至繁衍后代,是未来需要解决的重要问题。小鼠作为最常用的模式动物,自然“身先士卒”,成为人类前进路上的“明灯”。本文将与大家分享几个小鼠的太空之旅和有趣的行为学实验。


大力鼠实验

宇航员在失重条件下,随着时间增加,面临着骨骼和肌肉质量下降、流失的问题,肌肉生长抑制素(MSTN)具有限制肌肉生长的功能,靶向MSTN可以降低肌肉和骨质的流失。

美国宇航局最近进行了名为“太空大力鼠”(Mighty mouse in space)的实验,即是把缺失Mstn基因的小鼠(大力鼠)运送到太空中,与野生型小鼠对比肌肉和骨质的损失情况[1]。

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2019年12月,40只小鼠搭乘SpaceX-19到达国际空间站,并在空间站生活了33天,直到2020年1月回到地球。

这40只小鼠分为5组,实验干预时间线如图1所示。三组由未经处理的野生型小鼠组成,一组由ACVR2B/Fc处理的野生型小鼠组成,一组由Mstn−/−小鼠组成。与此对应的,设置了地面对照组。ACVR2B/Fc是MSTN和Activin A的抑制剂,Activin A与MSTN的功能类似。图片

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图1 实验流程图

实验结果表明,实验组小鼠暴露在微重力下33 天后,野生组小鼠表现出显著的肌肉损失,而Mstn−/−的小鼠,肌肉质量反而增加了,注射ACVR2B/Fc的小鼠也表现出肌肉质量的增加,增加水平略低于Mstn−/−组(如图2A)。小鼠骨密度检测结果与肌肉质量检测结果是一致的(如图2B)。

可见,通过抑制MSTN/activin 信号通路可以避免或者减轻肌肉和骨组织的流失。除了宇航员,地面上行动不便或无法行动的人也面临肌肉萎缩和骨骼脆弱的问题,这一机制的发现,也为这类疾病的治疗提供参考。

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图2 抑制MSTN/activin 信号通路可以避免或者减轻肌肉和骨组织的流失。

另外,日本的一个课题组也进行了类似的实验,实验设置了两组小鼠(每组6只),一组处于人工重力(1G)中,另一组处于微重力中,两组小鼠都置于国际空间站上35天,后返回地球进行检测。结果显示,人工重力可防止在微重力环境下观察到小鼠的肌肉萎缩等变化[2]。

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太空小鼠爱跑酷

为了揭示生物适应太空环境的行为,NASA空间生物学部门的研究者首次对在国际空间站“啮齿动物栖息地”的小鼠进行了行为学分析[3]。

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研究者将小鼠分为2组,进行了视频拍摄。一组是较为年轻的小鼠,16周大,飞行33天,另一组鼠为32周龄,飞行17-18天,每组小鼠(FLT)都设置了地面的对照组(GC)。

结果发现:(1) FLT小鼠与地面小鼠一样,参与类似形式和水平的行为,如摄食、给自己理毛、挤在一起以及社会互动。(2) 年轻的FLT小鼠在2周内即出现绕栖息地四壁跑圈的独特行为,并很快演变成一种协调的集体运动。这种行为的出现,可能是因为小鼠将运动视作一种奖赏活动、一种应激反应,或是对内耳平衡系统的刺激,因为不运动时内耳平衡系统的部分结构无法在微重力下接收外部信号。

图3 FLT小鼠出现绕栖息地四壁跑圈的独特行为

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太空鼠繁育实验

宇宙之浩瀚,难以预计。旅行者一号至今飞行了44年,仍没有飞出太阳系,仅凭一代人,难以达到星际旅行的目的。为了探索哺乳动物在太空中是否可以繁育,科学家们进行了一系列的动物实验。

时间追溯到1979年,一群大鼠在俄罗斯的一个卫星上生活了18.5天,人们惊讶的发现,在此期间,繁殖笼内的大鼠并无交配迹象,这一行为与大鼠旺盛的繁殖欲望相背离。人们猜测是否太空环境抑制了大鼠的欲望,可惜这一过程并未被摄像记录,并无直接证据[4]。此后,人们又进行了多次的活体大小鼠交配实验,发现繁殖率明显下降,即便是繁殖出小鼠,也出现发育不良的情况[5]。

既然活体鼠难以繁育后代,那生殖细胞呢?2013年,日本的科学家将小鼠精子发送到国际空间站中,在-95℃的条件性保存9个月后返回地球,并将体外受精后的胚胎移植到小鼠体内。结果发现,尽管测序结果显示,精子基因组有轻微的损伤,但是它们仍能产生健康的幼崽[6]。最新数据显示,冷冻精子在空间站保存了3-6年,仍可以产生健康的幼崽,并且科学家预测,冷冻精子可存活200年[7]。

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图4 太空幼仔来自于在太空中保存的精子

雌性小鼠的生殖力也得到了研究。科学家们将15 只成年C57BL/6 雌性小鼠发射到太空中,在轨道上飞行了 13 天,并设置了相同飞行笼和饮食的平行地面控制。与地面对照相比,飞行小鼠的卵巢明显更小 (P<0.001),黄体 (CL) 明显更少 (P<0.003),并且飞行小鼠卵巢中大部分生长的卵泡都处于闭锁状态[8]。这一结果说明雌性动物在太空中的繁育能力可能受到较大的损伤。因此,科学家在太空繁育的路上,还有诸多困难需要克服。


“地球是人类的摇篮,但人类不会永远被束缚在摇篮里”。星际旅行是人类的终极浪漫,眼下是历史上最接近星空的时刻,空间生物学正发出熠熠光辉!让我们这一代,携手前行,探索太空生命活动的前沿问题,为穿越太空提供可能!


南模生物紧跟国际先进基因编辑技术,从2000成立至今,利用ES细胞打靶技术、CRISPR基因编辑技术和转基因技术,已累计建立了逾10000种基因修饰小鼠模型。

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Reference

[1]Lee SJ, Lehar A, Meir JU, Koch C, et al. Targeting myostatin/activin A protects against skeletal muscle and bone loss during spaceflight. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Sep 22;117(38):23942- 23951. doi: 10.1073/pnas.2014716117. Epub 2020 Sep 8. PMID: 32900939; PMCID: PMC7519220.

[2]Okada R, Fujita SI, Suzuki R, et al. Transcriptome analysis of gravitational effects on mouse skeletal muscles under microgravity and artificial 1 g onboard environment. Sci Rep. 2021 Apr 28;11(1):9168. doi: 10.1038/s41598-021-88392-4. PMID: 33911096; PMCID: PMC8080648.

[3]Ronca AE, Moyer EL, Talyansky Y, et al. Behavior of mice aboard the International Space Station [published correction appears in Sci Rep. 2019 Jul 9;9(1):10154]. Sci Rep. 2019;9(1):4717. Published 2019 Apr 11. doi:10.1038/s41598-019-40789-y

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Kosmos_1129

[5]https://www.newscientist.com/article/mg15120381-400-space-pregnancy-leads-to-hard-labour/

[6]Wakayama S, Kamada Y, Yamanaka K, et al. Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Jun 6;114(23):5988-5993. doi: 10.1073/pnas.1701425114. Epub 2017 May 22. PMID: 28533361; PMCID: PMC5468614.

[7]Wakayama S, Ito D, Kamada Y, et al. Evaluating the long-term effect of space radiation on the reproductive normality of mammalian sperm preserved on the International Space Station. Sci Adv. 2021 Jun 11;7(24):eabg5554. doi: 10.1126/sciadv.abg5554. PMID: 34117068.

[8]Lesya M. Holets, Vijayalaxmi Gupta,et al, Spaceflight Inhibits Ovarian Follicle Development, Induces Down Regulation of Estrogen Receptor Alpha, and Alters Metabolic Pathways and Gene Expression in Mouse Uterus., Biology of Reproduction, Volume 87, Issue Suppl_1, 1 August 2012, Page 18, https://doi.org/10.1093/biolreprod/87.s1.18


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