What to expect after a year in space Space is the final frontier for understanding how extreme environments affect human physiology. Following twin astronauts, one of which spent a year-long mission on the International Space Station, Garrett-Bakelman et al. examined molecular and physiological traits that may be affected by time in space (see the Perspective by Löbrich and Jeggo). Sequencing the components of whole blood revealed that the length of telomeres, which is important to maintain in dividing cells and may be related to human aging, changed substantially during space flight and again upon return to Earth. Coupled with changes in DNA methylation in immune cells and cardiovascular and cognitive effects, this study provides a basis to assess the hazards of long-term space habitation. Science , this issue p. eaau8650 ; see also p. 127

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 Telomeres are repetitive nucleoprotein complexes at chromosomal termini essential for maintaining genome stability. Telomeric RNA, or TERRA, is a previously presumed long noncoding RNA of heterogeneous lengths that contributes to end-capping structure and function, and facilitates telomeric recombination in tumors that maintain telomere length via the telomerase-independent Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) pathway. Here, we investigated TERRA in the radiation-induced DNA damage response (DDR) across astronauts, high-altitude climbers, healthy donors, and cellular models. Similar to astronauts in the space radiation environment and climbers of Mt. Everest, in vitro radiation exposure prompted increased transcription of TERRA, while simulated microgravity did not. Data suggest a specific TERRA DDR to telomeric double-strand breaks (DSBs), and provide direct demonstration of hybridized TERRA at telomere-specific DSB sites, indicative of protective TERRA:telomeric DNA hybrid formation. Targeted telomeric DSBs also resulted in accumulation of TERRA foci in G2-phase, supportive of TERRA’s role in facilitating recombination-mediated telomere elongation. Results have important implications for scenarios involving persistent telomeric DNA damage, such as those associated with chronic oxidative stress (e.g., aging, systemic inflammation, environmental and occupational radiation exposures), which can trigger transient ALT in normal human cells, as well as for targeting TERRA as a therapeutic strategy against ALT-positive tumors.

Telomeres are repetitive nucleoprotein complexes that protect chromosomal termini and prevent them from activating an inappropriate DNA damage response (DDR). Here, we characterized the human cellular response to targeted telomeric DSBs in telomerase positive and telomerase-independent alternative lengthening of telomeres (ALT) cells, specifically in G1. Telomeric DSBs in G1 human cells elicited early signatures of a DDR, however, localization of 53BP1, an important regulator of resection at broken ends, was not observed at telomeric break sites. Consistent with this finding and previously reported repression of classical nonhomologous end-joining (c-NHEJ) at telomeres, evidence for c-NHEJ was also lacking. Likewise, no evidence of homologous recombination (HR)-dependent repair of telomeric DSBs in G1 was observed. Rather, and supportive of rapid truncation events, telomeric DSBs in G1 human cells facilitated formation of extensively resected tracks of 5’ C-rich telomeric single-stranded (ss)DNA, a previously proposed marker of the recombination dependent ALT pathway. Indeed, induction of telomeric DSBs in human ALT cells also resulted in significant increases in 5’ C-rich (ss)telomeric DNA in G1, which rather than RPA, were bound by the complementary telomeric RNA, TERRA. These results suggest that targeting TERRA-mediated protection at damaged telomeres may represent a promising therapeutic strategy, particularly against ALT-positive cancers.

The ability to predict a cancer patient’s response to radiotherapy and risk of developing adverse late health effects would greatly improve personalized treatment regimens and individual outcomes. Telomeres represent a compelling biomarker of individual radiosensitivity and risk, as exposure can result in dysfunctional telomere pathologies that coincidentally overlap with many radiation-induced late effects, ranging from degenerative conditions like fibrosis and cardiovascular disease to proliferative pathologies like cancer. Here, telomere length was longitudinally assessed in a cohort of fifteen prostate cancer patients undergoing Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) utilizing Telomere Fluorescence in situ Hybridization (Telo-FISH). To evaluate genome instability and enhance predictions for individual patient risk of secondary malignancy, chromosome aberrations were also assessed utilizing directional Genomic Hybridization (dGH) for high-resolution inversion detection. We present the first implementation of individual telomere length data in a machine learning model, XGBoost, trained on pre-radiotherapy (baseline) and in vitro exposed (4 Gy γ-rays) telomere length measures, to predict post-radiotherapy telomeric outcomes, which together with chromosomal instability provide insight into individual radiosensitivity and risk for radiation-induced late effects.

Abstract The health impact of prolonged space flight on the human body is not well understood. Liquid biopsies based on cell-free DNA (cfDNA) or exosome analysis provide a noninvasive approach to monitor the dynamics of genomic, epigenomic and proteomic biomarkers, and the occurrence of DNA damage, physiological stress, and immune responses. To study the molecular consequences of spaceflight we profiled cfDNA isolated from plasma of an astronaut (TW) during a year-long mission on the International Space Station (ISS), sampling before, during, and after spaceflight, and compared the results to cfDNA profiling of the subject’s identical twin (HR) who remained on Earth, as well as healthy donors. We characterized cfDNA concentration and fragment size, and the positioning of nucleosomes on cfDNA, observing a significant increase in the proportion of cell-free mitochondrial DNA inflight, suggesting that cf-mtDNA is a potential biomarker for space flight-associated stress, and that this result was robust to ambient transit from the International Space Station (ISS). Analysis of exosomes isolated from post-flight plasma revealed a 30-fold increase in circulating exosomes and distinct exosomal protein cargo, including brain-derived peptides, in TW compared to HR and all known controls. This study provides the first longitudinal analysis of astronaut cfDNA during spaceflight, as well as the first exosome profiles, and highlights cf-mtDNA levels as a potential biomarker for physiological stress or immune system responses related to microgravity, radiation exposure, and other unique environmental conditions on the ISS.