文章标题：Space-associated stem cell hallmarks of aging and resilience in astronauts

发表杂志：cell stem cell

影响因子：24.9

发表时间：2025年12月

研究亮点

通过首次搭建HSPC-FOMA-R分析框架，整合全基因组测序、全转录组测序、单细胞RNA测序、细胞因子芯片、流式细胞术等多组学技术，对Ax-2（10天）、Ax-3（21天）、Ax-4（20天）三个任务的9名宇航员多个时间节点（任务前、任务中、返回后1天、数周乃至1年）的血液样本进行研究，探索太空时长对HSPCs衰老的影响，同时挖掘细胞的韧性修复机制，为长期太空任务的健康防护提供直接数据支撑。

研究背景

造血干细胞（HSCs）是维持终身造血和免疫功能的“核心种子”，其衰老标志包括自我更新能力下降、端粒损耗、基因组不稳定、线粒体应激等，这些变化会受外界环境压力诱导。随着载人航天事业向更远深空迈进，长期太空环境这一强外界环境压力对人体的潜在影响成为科研界关注的核心命题。此前NASA双子星研究、SOMA研究等已证实太空会重塑人体免疫系统、引发分子和细胞层面的长期改变，且体外3D纳米生物反应器实验也发现太空环境会导致HSPCs功能异常。但这些研究要么聚焦短寿命外周血单核细胞，要么是体外模型，缺乏对宇航员体内HSPCs衰老与韧性的直接、纵向探究。近日，加州大学Catriona H.M. Jamieson课题组发表在《Cell Stem Cell》的一项研究，通过解析9名宇航员太空任务前后的HSPCs变化，开展了首次造血干祖细胞功能整合多组学衰老与韧性（HSPC-FOMA-R）分析，为我们揭开了太空与干细胞衰老的隐秘关联。

技术路线

研究结果

一、细胞周期与自我更新能力受损

研究对9名执行10天（Ax-2）、21天（Ax-3）、20天（Ax-4）ISS任务的宇航员，开展多时间点（飞行前、中、后）外周血采集与HSPC-FOMA-R分析，同步设置地面对照。通过纯化CD34+细胞，结合功能实验与多组学技术（scRNA-seq、WGS等）发现：

• 太空飞行期间CD34+细胞比例增加，Ax-3/Ax-4出现CD34降低、ADAR1升高的瞬时细胞群（ADAR1关联自我更新）；

• Ax-3在轨样本HSPC的G1期基因表达减少、S期增加，提示休眠状态降低；

• 在轨HSPC多系集落形成与自我更新能力下降，且任务时长越长受损越明显，但Ax-2返回后1年自我更新能力回升，Ax-3返回30天后恢复。

图1：宇航员HSPC-FOMA-R分析

二、免疫细胞亚群格局重塑

• Ax-2返回1年时CD3+T细胞、CD19+B细胞、CD56+NK细胞持续减少；Ax-3/Ax-4在轨期间CD19+B细胞、CD14+单核细胞下降，返回后反弹；

• Ax-3在轨CD4+效应记忆细胞呈减少趋势，Ax-2返回42-55天多数免疫亚群反弹并于1年恢复基线；

• 在轨期间IL-1β存在显著差异，提示炎症细胞因子失调影响免疫库，长期LEO暴露对免疫不利。

图2：与太空相关的免疫系统改变

三、端粒与线粒体调控紊乱

• 端粒：HSPC端粒长度无显著变化，但端粒维持基因（POLD2、TPP1、NHP2）在轨及返回后显著下调，且Ax-3（21天）下调更明显；

• 线粒体：Ax-3返回后线粒体DNA拷贝数显著扩增，Ax-3/Ax-4返回后线粒体翻译基因表达高于在轨，提示长期任务关联持续线粒体应激；

• 细胞因子：Ax-2/Ax-3在轨IL-23（促炎）升高，Ax-3在轨IL-10升高、IL-15降低，Ax-2 HSPC细胞因子表达整体失调，体现炎症性衰老。

图3：太空相关的造血干祖细胞端粒、线粒体及炎症细胞因子失调

四、基因组不稳定性与克隆造血突变增加

太空辐射等环境压力诱发HSPCs基因组突变，不仅出现C-T单碱基替换，Ax-3宇航员返回后还检测到插入缺失突变（indels）显著增多。更值得关注的是，任务时长较长的宇航员，太空期间克隆造血（CH）相关突变（如RUNX1、BCL11B）的获取概率更高，这类突变可能增加造血系统癌变风险；不过多数突变在返回1年后消失，体现了造血系统的动态修复能力。

图4：太空相关的动态体细胞突变与造血干祖细胞克隆突变

五、ADAR1与APOBEC3C碱基脱氨酶失调

• ADAR1（关联自我更新）在轨升高（Ax-3更显著），返回后Ax-2/Ax-3/Ax-4均下降，且与HSPC重植能力减弱一致；

• 在轨检测到CDK13（细胞周期基因）、AZIN1（ADAR1靶点）的RNA编辑事件，多名宇航员飞行前后出现AZIN1错义编辑；

• 返回后APOBEC3C显著上调，提示其介导C>T突变，可能推动太空相关克隆造血。

图5：太空相关的ADAR1与APOBEC3C碱基脱氨酶失调

六、逆转录转座子失调

• 逆转录转座子（LINEs、HERVs）任务前已出现表达变化（可能为“战斗或逃跑”反应），在轨更显著；Ax-2返回1年LINEs仍高表达（类似衰老HSPC），Ax-3返回21天恢复；

• ADAR1上调与LINE过表达关联显著（Ax-3更明显），HERVs激活存在宇航员个体差异；

• 返回后HSPC中机械感受器基因PIEZO1及“战斗或逃跑”基因（如RAMP1、CAMK2A）表达增加，CAMK2A在轨变化在Ax-3/Ax-4中最显著。

图6：太空相关的逆转录转座子失调

研究结论

该研究首次明确了太空环境会诱导HSPCs出现九大加速衰老标志，包括休眠丧失、自我更新能力下降、端粒维持缺陷、线粒体应激、基因组不稳定、克隆造血、碱基脱氨酶失调、逆转录转座子激活以及免疫库重塑，且这些变化呈现任务时长依赖性，即太空停留时间越久，干细胞衰老特征越显著。

同时，研究也发现HSPCs存在一定韧性，比如部分功能在返回后可恢复、多数克隆造血突变能随时间清除，还能出现PROCR高表达的高再生潜能细胞亚群。这些发现不仅为未来长期深空任务的宇航员健康防护策略提供了核心靶点，也为地面上应激相关的干细胞衰老与血液疾病研究提供了全新参考。未来随着更多长期随访数据的完善，人类有望进一步破解太空干细胞衰老的调控机制，为星际探索筑牢生命健康防线。

参考文献

Pham J, Nandi SP, Balaian L, Engstrom C, Chang P, Mack K, Whisenant T, Alexandrov LB, Jamieson CHM. Space-associated stem cell hallmarks of aging and resilience in astronauts. Cell Stem Cell. 2025 Dec 4;32(12):1886-1903.e7. doi: 10.1016/j.stem.2025.11.001. Epub 2025 Nov 24. PMID: 41289992.