为何宇航员身体会出现肌肉萎缩？空间站研究直指线粒体

微重力环境下培养的人体细胞，线粒体蛋白合成量显著下降

假彩色透射电镜下呈绿色的线粒体，或是微重力引发生理变化的关键靶点。图源：何塞·卡尔沃/科学图片库

研究人员发现，国际空间站的微重力环境会导致人体细胞与线虫体内的线粒体合成蛋白的能力下降。

该研究还发现了一条此前未被发现的分子通路：细胞黏附产生的机械力可将重力信号传递至线粒体；一旦失去重力作用，线粒体蛋白活性便会降低，这一机制或能解释该现象。论文于6月30日发表在《自然·通讯》期刊。

丹麦奥胡斯大学空间生物学家托马斯·科里登表示：“该研究成果对太空旅行者意义重大，有助于我们研究如何更好地做好宇航员升空前期准备。”

此前针对太空搭载细胞、实验小鼠以及宇航员生物样本的研究已证实，太空飞行会损伤线粒体。美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学空间生物医学研究员阿夫欣·贝什蒂参与过早期相关研究，他称：“我们此前只大致掌握了线粒体功能紊乱的整体表现，但重力影响线粒体生理活动的分子机制尚不明确。”早期研究还发现，低重力环境会干扰DNA转录为信使RNA的过程。

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本次新研究中，日本理化学研究所（和光市）分子生物学家岩崎真太郎团队另辟蹊径，重点探究微重力对翻译过程的影响——即核糖体利用信使RNA合成蛋白质的过程。

研究团队借助国际空间站宇航员开展实验：在空间站实验舱内培养人体细胞，培养时长分别为24小时、48小时，随后冷冻封存；对照组细胞则置于离心机内，模拟地球标准重力同步培养。

所有样本送回地球后分析结果显示：暴露在微重力环境24小时的细胞，线粒体信使RNA含量低于对照组，线粒体核糖体合成的蛋白质也更少。

科研人员同时在空间站微重力环境中培养秀丽隐杆线虫幼虫4天，并与离心机内正常重力下的线虫对比，观测到趋势一致、程度稍弱的实验结果。

团队又在地面实验室开展补充实验，利用回转器旋转细胞模拟低重力。细胞在回转器中放置24小时后，线粒体有13种蛋白质合成量出现下降；持续旋转48小时、72小时，线粒体蛋白合成水平会进一步降低。

科里登表示：“学界早已知晓微重力会抑制或改变基因表达，而本次研究直接从蛋白层面证实了微重力对细胞的作用路径。”

力学信号被破坏

随后，岩崎团队着手解析重力作用于细胞的底层机制。已有研究证明，低重力会干扰细胞黏附——细胞依靠表面蛋白相互结合、构成组织的生理过程。

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研究团队验证猜想：微重力破坏细胞黏附的机械作用力，正是线粒体功能受损的根源。实验中，在将小鼠细胞、人体细胞放入回转器前，先添加维持细胞黏附功能的蛋白预处理，线粒体蛋白合成功能可恢复至正常水平。

与之相反，若添加抑制细胞黏附关键过程的蛋白，线粒体翻译过程会受阻，线粒体耗氧量同步下降。

贝什蒂提出，后续可采集宇航员生物样本，验证人体内是否同样存在这类分子层面的改变。

岩崎补充，其团队后续将持续筛选“能够激活线粒体翻译的小分子化合物或药物”。他指出，该研究成果还有其他应用前景，例如治疗肌少症——一种伴随衰老出现、肌肉量与肌力持续流失的退行性病症。

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