Spaceflight induces an immune response in astronauts. To better characterize this effect, we generated single-cell, multi-ome, cell-free RNA (cfRNA), biochemical, and hematology data for the SpaceX Inspiration4 (I4) mission crew. We found that 18 cytokines/chemokines related to inflammation, aging, and muscle homeostasis changed after spaceflight. In I4 single-cell multi-omics data, we identified a "spaceflight signature" of gene expression characterized by enrichment in oxidative phosphorylation, UV response, immune function, and TCF21 pathways. We confirmed the presence of this signature in independent datasets, including the NASA Twins Study, the I4 skin spatial transcriptomics, and 817 NASA GeneLab mouse transcriptomes. Finally, we observed that (1) T cells showed an up-regulation of FOXP3, (2) MHC class I genes exhibited long-term suppression, and (3) infection-related immune pathways were associated with microbiome shifts. In summary, this study reveals conserved and distinct immune disruptions occurring and details a roadmap for potential countermeasures to preserve astronaut health.

Spaceflight induces molecular, cellular and physiological shifts in astronauts and poses myriad biomedical challenges to the human body, which are becoming increasingly relevant as more humans venture into space

ABSTRACT Metagenomic DNA sequencing is a powerful tool to characterize microbial communities but is sensitive to environmental DNA contamination, in particular when applied to samples with low microbial biomass. Here, we present contamination-free metagenomic DNA sequencing (Coffee-seq), a metagenomic sequencing assay that is robust against environmental contamination. The core idea of Coffee-seq is to tag the DNA in the sample prior to DNA isolation and library preparation with a label that can be recorded by DNA sequencing. Any contaminating DNA that is introduced in the sample after tagging can then be bioinformatically identified and removed. We applied Coffee-seq to screen for infections from microorganisms with low burden in blood and urine, to identify COVID-19 co-infection, to characterize the urinary microbiome, and to identify microbial DNA signatures of inflammatory bowel disease in blood.

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.