Abstract Microgravity is associated with immunological dysfunction, though the mechanisms are poorly understood. Here, using single-cell analysis of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) exposed to short term (25 hours) simulated microgravity, we characterize altered genes and pathways at basal and stimulated states with a Toll-like Receptor-7/8 agonist. We validate single-cell analysis by RNA sequencing and super-resolution microscopy, and against data from the Inspiration-4 (I4) mission, JAXA (Cell-Free Epigenome) mission, Twins study, and spleens from mice on the International Space Station. Overall, microgravity alters specific pathways for optimal immunity, including the cytoskeleton, interferon signaling, pyroptosis, temperature-shock, innate inflammation (e.g., Coronavirus pathogenesis pathway and IL-6 signaling), nuclear receptors, and sirtuin signaling. Microgravity directs monocyte inflammatory parameters, and impairs T cell and NK cell functionality. Using machine learning, we identify numerous compounds linking microgravity to immune cell transcription, and demonstrate that the flavonol, quercetin, can reverse most abnormal pathways. These results define immune cell alterations in microgravity, and provide opportunities for countermeasures to maintain normal immunity in space.

Abstract Future multi-year crewed planetary missions will motivate advances in aerospace nutrition and telehealth. On Earth, the Human Cell Atlas project aims to spatially map all cell types in the human body. Here, we propose that a parallel Human Cell Space Atlas could serve as an openly available, global resource for space life science research. As humanity becomes increasingly spacefaring, high-resolution omics on orbit could permit an advent of precision spaceflight healthcare. Alongside the scientific potential, we consider the complex ethical, cultural, and legal challenges intrinsic to the human space omics discipline, and how philosophical frameworks may benefit from international perspectives.

Abstract Organismal adaptations to spaceflight have been characterized at the molecular level in model organisms, including Drosophila and C. elegans . Here, we extend molecular work to energy metabolism and sex hormone signaling in mice and humans. We found spaceflight induced changes in insulin and estrogen signaling in rodents and humans. Murine changes were most prominent in the liver, where we observed inhibition of insulin and estrogen receptor signaling with concomitant hepatic insulin resistance and steatosis. Based on the metabolic demand, metabolic pathways mediated by insulin and estrogen vary among muscles, specifically between the soleus and extensor digitorum longus. In humans, spaceflight induced changes in insulin and estrogen related genes and pathways. Pathway analysis demonstrated spaceflight induced changes in insulin resistance, estrogen signaling, stress response, and viral infection. These data strongly suggest the need for further research on the metabolic and reproductive endocrinologic effects of space travel, if we are to become a successful interplanetary species.

Abstract Background Spaceflight poses a unique set of challenges to humans and the hostile spaceflight environment can induce a wide range of increased health risks, including dermatological issues. The biology driving the frequency of skin issues in astronauts is currently not well understood. Methods To address this issue, we used a systems biology approach utilizing NASA’s Open Science Data Repository (OSDR) on space flown murine transcriptomic datasets focused on the skin, biochemical profiles of 50 NASA astronauts and human transcriptomic datasets generated from blood and hair samples of JAXA astronauts, as well as blood samples obtained from the NASA Twins Study, and skin and blood samples from the first civilian commercial mission, Inspiration4. Results Key biological changes related to skin health, DNA damage & repair, and mitochondrial dysregulation are identified as potential drivers for skin health risks during spaceflight. Additionally, a machine learning model is utilized to determine gene pairings associated with spaceflight response in the skin. While we identified spaceflight-induced dysregulation, such as alterations in genes associated with skin barrier function and collagen formation, our results also highlight the remarkable ability for organisms to re-adapt back to Earth via post-flight re-tuning of gene expression. Conclusion Our findings can guide future research on developing countermeasures for mitigating spaceflight-associated skin damage.

Abstract Backgrounds Sevoflurane is a most frequently used volatile anaesthetics, but its molecular mechanisms of action remain unclear. We hypothesized that specific genes play regulatory roles in whole brain exposed to sevoflurane. Thus, we aimed to evaluate the effects of sevoflurane inhalation and identify potential regulatory genes by RNA-seq analysis. Methods Eight-week old mice were exposed to sevoflurane. RNA from four medial prefrontal cortex, striatum, hypothalamus, and hippocampus were analysed using RNA-seq. Differently expressed genes were extracted. Their gene ontology terms and the transcriptome array data of the cerebral cortex of sleeping mice were analysed using Metascape, and the gene expression patterns were compared. Finally, the activities of transcription factors were evaluated using a weighted parametric gene set analysis (wPGSA). JASPAR was used to confirm the existence of binding motifs in the upstream sequences of the differently expressed genes. Results The gene ontology term enrichment analysis result suggests that sevoflurane inhalation upregulated angiogenesis and downregulated neural differentiation in the whole brain. The comparison with the brains of sleeping mice showed that the gene expression changes were specific to anaesthetized mice. Sevoflurane induced Klf4 upregulation in the whole brain. The transcriptional analysis result suggests that KLF4 is a potential transcriptional regulator of angiogenesis and neural development. Conclusions Klf4 was upregulated by sevoflurane inhalation in whole brain. KLF4 might promote angiogenesis and cause the appearance of undifferentiated neural cells by transcriptional regulation. The roles of KLF4 might be key to elucidating the mechanisms of sevoflurane induced functional modification in the brain.

Abstract Human space exploration poses inherent risks to astronauts’ health, leading to molecular changes that can significantly impact their well-being. These alterations encompass genomic instability, mitochondrial dysfunction, increased inflammation, homeostatic dysregulation, and various epigenomic changes. Remarkably, these changes bear similarities to those observed during the aging process on Earth. However, our understanding of the connection between these molecular shifts and disease development in space remains limited. Frailty syndrome, a clinical syndrome associated with biological aging, has not been comprehensively investigated during spaceflight. To bridge this knowledge gap, we leveraged murine data obtained from NASA’s GeneLab, along with astronaut data gathered from the JAXA and Inspiration4 missions. Our objective was to assess the presence of biological markers and pathways related to frailty, aging, and sarcopenia within the spaceflight context. Through our analysis, we identified notable changes in gene expression patterns that may be indicative of the development of a frailty-like condition during space missions. These findings suggest that the parallels between spaceflight and the aging process may extend to encompass frailty as well. Consequently, further investigations exploring the utility of a frailty index in monitoring astronaut health appear to be warranted.

Abstract It is now widely recognised that the environment in space activates a diverse set of genes involved in regulating fundamental cellular pathways. This includes the activation of genes associated with blood homeostasis and erythropoiesis, with a particular emphasis on those involved in globin chain production. Haemoglobin biology provides an intriguing model for studying space omics, as it has been extensively explored at multiple -omic levels, spanning DNA, RNA, and protein analyses, in both experimental and clinical contexts. In this study, we examined the developmental expression of haemoglobin over time and space using a unique suite of multi-omic datasets available on NASA GeneLab, from the NASA Twins Study, the JAXA CFE study, and the Inspiration4 mission. Our findings reveal significant variations in globin gene expression corresponding to the distinct spatiotemporal characteristics of the collected samples. This study sheds light on the dynamic nature of globin gene regulation in response to the space environment and provides valuable insights into the broader implications of space omics research.

Abstract Missions into Deep Space are planned this decade. Yet the health consequences of exposure to microgravity and galactic cosmic radiation (GCR) over years-long missions on indispensable visceral organs such as the kidney are largely unexplored. We performed biomolecular (epigenomic, transcriptomic, proteomic, epiproteomic, metabolomic, metagenomic), clinical chemistry (electrolytes, endocrinology, biochemistry) and morphometry (histology, 3D imaging, miRNA-ISH, tissue weights) analyses using samples and datasets available from 11 spaceflight-exposed mouse and 5 human, 1 simulated microgravity rat and 4 simulated GCR-exposed mouse missions. We found that spaceflight induces: 1) renal transporter dephosphorylation which may indicate astronauts’ increased risk of nephrolithiasis is in part a primary renal phenomenon rather than solely a secondary consequence of bone loss; 2) remodelling of the nephron that results in expansion of distal convoluted tubule size but loss of overall tubule density; 3) renal damage and dysfunction when exposed to a Mars roundtrip dose-equivalent of simulated GCR.

Abstract A detailed understanding of how spaceflight affects human health is essential for long-term space exploration. Liquid biopsies allow for minimally-invasive multi-omics assessments that can resolve the molecular heterogeneity of internal tissues. Here, we report initial results from the JAXA Cell-Free Epigenome Study, a liquid biopsy study with six astronauts who resided on the International Space Station (ISS) for more than 120 days. Analysis of plasma cell-free RNA (cfRNA) collected before, during, and after spaceflight confirms previously reported mitochondrial dysregulation in space. Screening with 361 cell surface marker antibodies identifies a mitochondrial DNA-enriched fraction associated with the scavenger receptor CD36. RNA-sequencing of the CD36 fraction reveals tissue-enriched RNA species, suggesting the plasma mitochondrial components originated from various tissues. We compare our plasma cfRNA data to mouse plasma cfRNA data from a previous JAXA mission, which had used on-board artificial gravity, and discover a link between microgravity and the observed mitochondrial responses.

Abstract Our previous research revealed a key microRNA signature that is associated with spaceflight that can be used as a biomarker and to develop countermeasure treatments to mitigate the damage caused by space radiation. Here, we expand on this work to determine the biological factors rescued by the countermeasure treatment. We performed RNA-sequencing and transcriptomic analysis on 3D microvessel cell cultures exposed to simulated deep space radiation (0.5 Gy of Galactic Cosmic Radiation) with and without the antagonists to three microRNAs: miR-16-5p, miR-125b-5p, and let-7a-5p ( i.e ., antagomirs). Significant reduction of inflammation and DNA double strand breaks (DSBs) activity and rescue of mitochondria functions are observed after antagomir treatment. Using data from astronaut participants in the NASA Twin Study, Inspiration4, and JAXA missions, we reveal the genes and pathways implicated in the action of these antagomirs are altered in humans. Our findings indicate a countermeasure strategy that can potentially be utilized by astronauts in spaceflight missions to mitigate space radiation damage.