本文研究微重力環境下細菌DNA聚合酶的保真性，以及這種環境對DNA復制和修復的影響，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制速率，并與地球重力條件下的結果進行比較。研究結果表明，微重力環境下DNA聚合酶的保真性顯著降低，這可能對長期太空任務中的宇航員健康構成威脅。

（一）背景知識

- 長期太空任務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，這兩種環境壓力因素對地球生物幾乎沒有進化出適應能力。

- 維持基因組完整性至關重要，但微重力對DNA聚合酶介導的復制和修復的影響尚未明確。

- 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的相互作用可能導致雙鏈斷裂（DSBs）、單鏈斷裂（SSBs）、交聯、脫聚合、堿基釋放和堿基修飾等DNA損傷。

- 生物體已經進化出多種機制來修復DNA損傷，包括錯配修復、堿基切除修復、核苷酸切除修復、同源重組和非同源末端連接等。

- 微重力可能通過產生SSBs/DSBs和活性氧（ROS）導致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系統的技術突破

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。

該系統核心技術在于三維隨機旋轉重力矢量分散機制。通過雙軸獨立控制旋轉系統，使培養容器內的重力矢量在空間快速隨機化，實現持續的10?3g微重力環境模擬——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微重力培養系統的優勢在于多功能集成與實時監控能力。設備內置傳感器，可實時監控并可視化重力水平；旋轉器主體緊湊設計可放入標準CO2培養箱，維持細胞培養的溫濕度和氣體環境。

（二） 研究方法

2.1 實驗設計：使用1 kb的單鏈DNA模板，設計時避免了重復序列和二級結構的形成，以減少對下游聚合反應的干擾。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：開發了一個定制的有效載荷系統，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。該系統能夠自動化執行樣本存儲、孵育、連續遙測監控和與筆記本電腦通信等功能。

2.3 DNA聚合化方案：設計了一種DNA聚合化協議，能夠在每個拋物線的20秒微重力期間同時復制數百萬個帶有分子標識符（UMI）的模板，且不會將反應延續到隨后的雙倍地球重力階段。

2.4 樣本后處理：飛行結束后，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 生物信息學分析：使用Bowtie2進行序列比對，并使用R語言進行數據分析。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聚合酶復制速率的影響：微重力環境下，Klenow（exo+）和Klenow（exo-）的聚合酶復制速率均顯著降低，表明微重力對DNA聚合酶的復制速率有負面影響。

- 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）關鍵結論

- 微重力環境顯著降低了DNA聚合酶的保真性，增加了DNA復制過程中的錯誤率，這可能對長期太空任務中的宇航員健康構成威脅。

- 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復制和修復的影響提供了重要數據，還為未來的太空探索任務中保護宇航員健康提供了科學依據。

通過揭示微重力對DNA聚合酶保真性的影響，研究為開發應對太空環境的生物技術和保護措施提供了理論支持。

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