Proteome of Dried Blood Spots of Cosmonauts during a 6-Month Flight

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

For successful exploration of near space, construction of planetary bases and exploration of the Solar System planets, it is necessary to fill the gaps in understanding the molecular mechanisms of the human body response to space flight (SF) conditions. Subsequently, this will make it possible to get closer to the discovery of potential molecular targets for protection against adverse processes occurring in the body under the influence of SF conditions. The aim of the work was to assess the effect of a 6-month space flight on the proteome of dried blood spots of cosmonauts. As a result of proteomic analysis, processes with highly and moderately enriched proteins were identified. Among them, processes with reliable dynamics were identified on the 7th day of SF, as well as on the 3rd and 6th months of flight: these are clusters of energy processes, presentation of molecules on the membrane, initiation of immune defense, proteostasis and metabolism. Biological processes were identified in which the representation of proteins decreased most significantly, which was reflected in a weakening of activity in the presentation of molecules on the membrane, the initiation of immune defense, as well as in the mechanisms of proteostasis in the acute period of adaptation to the factors of the initial stage of flight. It has been shown that there is a close interaction with proteins of the cytoskeleton organization that disappear or reappear in the dried blood spots proteome during flight, and that relate to processes whose activity significantly decreased during SF (immune system, proteostasis, metabolism).

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. M. Larina

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow

D. N. Kashirina

Institute of Biomedical Problems, RAS

Author for correspondence.
Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow

L. Kh. Pastushkova

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. S. Kononikhin

Institute of Biomedical Problems, RAS; Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Skolkovo, Moscow region

A. M. Nosovsky

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. G. Brzhozovsky

Institute of Biomedical Problems, RAS; Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Skolkovo, Moscow region

E. N. Nikolaev

Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Skolkovo, Moscow region

O. I. Orlov

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: daryakudryavtseva@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. da Silveira W.A., Fazelinia H., Rosenthal S.B. et al. Сomprehensive multi-omics analysis reveals mitochondrial stress as a central biological hub for spaceflight impact // Cell. 2020. V. 183. № 5. P. 1185.
  2. Garrett-Bakelman F.E., Darshi M., Green S.J. et al. The NASA twins study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight // Science. 2019. V. 364. № 6436. P. eaau8650.
  3. Nguyen H.P., Tran P.H., Kim K.S., Yang S.G. The effects of real and simulated microgravity on cellular mitochondrial function // NPJ Microgravity. 2021. V. 7. № 1. P. 44.
  4. Indo H.P., Majima H.J., Terada M. et al. Changes in mitochondrial homeostasis and redox status in astronauts following long stays in space // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 39015.
  5. Feller V. An introduction to probability theory and its applications. In 2 volumes. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1968. V. 1. 526 p.
  6. Feller V. An introduction to the theory of probability and its applications. In 2 volumes. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1966. V. 2. 658 p.
  7. Scheffe G. Analysis of variance. N.Y.: Wiley, 1959. 504 p.
  8. Buravkova L.B., Larina I.M., Andreeva E.R., Grigoriev A.I. Microgravity effects on the matrisome // Cells. 2021. V. 10. № 9. P. 2226.
  9. Geiger B., Bershadsky A., Pankov R., Yamada K.M. Transmembrane crosstalk between the extracellular matrix and the cytoskeleton // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2001. V. 2. № 11. P. 793.
  10. Leckband D.E., le Duc Q., Wang N., de Rooij J. Mechanotransduction at cadherin-mediated adhesions // Curr. Opin. Cell Biol. 2011. V. 23. № 5. P. 523.
  11. Park J.S., Burckhardt C.J., Lazcano R. et al. Mechanical regulation of glycolysis via cytoskeleton architecture // Nature. 2020. V. 578. № 7796. P. 621.
  12. Liu Z., Tan J.L., Cohen D.M. et al. Mechanical tugging force regulates the size of cell-cell junctions // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010. V. 107. № 22. P. 9944.
  13. Vogel V., Sheetz M. Local force and geometry sensing regulate cell functions // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2006. V. 7. № 4. P. 265.
  14. Wang N., Butler J.P., Ingber D.E. Mechanotransduction across the cell surface and through the cytoskeleton // Science. 1993. V. 260. № 5111. P. 1124.
  15. Loisel T.P., Boujemaa R., Pantaloni D., Carlier M.F. Reconstitution of actin-based motility of Listeria and Shigella using pure proteins // Nature. 1999. V. 401. № 6753. P. 613.
  16. Kitamura K., Tokunaga M., Iwane A.H., Yanagida T. A single myosin head moves along an actin filament with regular steps of 5.3 nanometres // Nature. 1999. V. 397. № 6715. P. 129.
  17. Chan C.Y., Pedley A.M., Kim D. et al. Microtubule-directed transport of purine metabolons drives their cytosolic transit to mitochondria // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018. V. 115. № 51. P. 13009.
  18. Srere P.A. The metabolon // Trends Biochem. Sci. 1985. V. 10. P. 109.
  19. Pedley A.M., Benkovic S.J. A new view into the regulation of purine metabolism: The purinosome // Trends Biochem. Sci. 2017. V. 42. № 2. P. 141.
  20. Wilson M.Z., Gitai Z. Beyond the cytoskeleton: Mesoscale assemblies and their function in spatial organization // Curr. Opin. Microbiol. 2013. V. 16. № 2. P. 177.
  21. Castellana M., Wilson M.Z., Xu Y. et al. Enzyme clustering accelerates processing of intermediates through metabolic channeling // Nat. Biotechnol. 2014. V. 32. № 10. P. 1011.
  22. French J.B., Jones S.A., Deng H. et al. Spatial colocalization and functional link of purinosomes with mitochondria // Science. 2016. V. 351. № 6274. P. 733.
  23. An S., Deng Y., Tomsho J.W. et al. Microtubule-assisted mechanism for functional metabolic macromolecular complex formation // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010. V. 107. № 29. P. 12872.
  24. Ingber D.E. Tensegrity I. Cell structure and hierarchical systems biology // J. Cell Sci. 2003. V. 116. Pt. 7. P. 1157.
  25. Milner D.J., Mavroidis M., Weisleder N., Capetanaki Y. Desmin cytoskeleton linked to muscle mitochondrial distribution and respiratory function // J. Cell Biol. 2000. V. 150. № 6. P. 1283.
  26. Boldogh I.R., Pon L.A. Mitochondria on the move // Trends Cell Biol. 2007. V. 17. № 10. P. 502.
  27. Anesti V., Scorrano L. The relationship between mitochondrial shape and function and the cytoskeleton // Biochim. Biophys. Acta. 2006. V. 1757. № 5–6. P. 692.
  28. Locatelli L., Cazzaniga A., De Palma C. et al. Mitophagy contributes to endothelial adaptation to simulated microgravity // FASEB J. 2020. V. 34. № 1. P. 1833.
  29. Jeong A.J., Kim Y.J., Lim M.H. et al. Microgravity induces autophagy via mitochondrial dysfunction in human Hodgkin’s lymphoma cells // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 14646.
  30. Mao X.W., Pecaut M.J., Stodieck L.S. et al. Spaceflight environment induces mitochondrial oxidative damage in ocular tissue // Radiat. Res. 2013. V. 180. № 4. P. 340.
  31. Schatten H., Lewis M.L., Chakrabarti A. Spaceflight and clinorotation cause cytoskeleton and mitochondria changes and increases in apoptosis in cultured cells // Acta Astronaut. 2001. V. 49. № 3–10. P. 399.
  32. Nikawa T., Ishidoh K., Hirasaka K. et al. Skeletal muscle gene expression in space-flown rats // FASEB J. 2004. V. 18. № 3. P. 522.
  33. Qu L., Chen H., Liu X. et al. Protective effects of flavonoids against oxidative stress induced by simulated microgravity in SH-SY5Y cells // Neurochem. Res. 2010. V. 35. № 9. P. 1445.
  34. Versari S., Villa A., Bradamante S., Maier J.A. Alterations of the actin cytoskeleton and increased nitric oxide synthesis are common features in human primary endothelial cell response to changes in gravity // Biochim. Biophys. Acta. 2007. V. 1773. № 11. P. 1645.
  35. Oyewole A.O., Birch-Machin M.A. Mitochondria-targeted antioxidants // FASEB J. 2015. V. 29. № 12. P. 4766.
  36. Epe B. DNA damage spectra induced by photosensitization // Photochem. Photobiol. Sci. 2012. V. 11. № 1. P. 98.
  37. Kvam E., Tyrrell R.M. Induction of oxidative DNA base damage in human skin cells by UV and near visible radiation // Carcinogenesis. 1997. V. 18. № 12. P. 2379.
  38. Zhuang S., Demirs J.T., Kochevar I.E. p38 mitogen-activated protein kinase mediates bid cleavage, mitochondrial dysfunction, and caspase-3 activation during apoptosis induced by singlet oxygen but not by hydrogen peroxide // J. Biol. Chem. 2000. V. 275. № 34. P. 25939.
  39. Michaletti A., Gioia M., Tarantino U., Zolla L. Effects of microgravity on osteoblast mitochondria: a proteomic and metabolomics profile // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 15376.
  40. Muller F.L., Liu Y., Van Remmen H. Complex III releases superoxide to both sides of the inner mitochondrial membrane // J. Biol. Chem. 2004. V. 279. № 47. P. 49064.
  41. Wu L., Pu Z., Feng J. et al. The ubiquitin-proteasome pathway and enhanced activity of NF-kappa B in gastric carcinoma // J. Surg. Oncol. 2008. V. 97. № 5. P. 439.
  42. Duncan E.D., Han K.J., Trout M.A., Prekeris R. Ubiquitylation by Rab40b/Cul5 regulates Rap2 localization and activity during cell migration // J. Cell Biol. 2022. V. 221. № 4. P. e202107114.
  43. Shi F., Wang Y.C., Hu Z.B. et al. Simulated microgravity promotes angiogenesis through rhoa-dependent rearrangement of the actin cytoskeleton // Cell Physiol. Biochem. 2017. V. 41. № 1. P. 227.
  44. Kleiger G., Mayor T. Perilous journey: a tour of the ubiquitin-proteasome system // Trends Cell Biol. 2014. V. 24. № 6. P. 352.
  45. Harris L.D., Jasem S., Licchesi J.D.F. The Ubiquitin System in Alzheimer’s Disease // Adv. Exp. Med. Biol. 2020. V. 1233. P. 195.
  46. Maejima Y. The critical roles of protein quality control systems in the pathogenesis of heart failure // J. Cardiol. 2020. V. 75. № 3. P. 219.
  47. Çetin G., Klafack S., Studencka-Turski M. et al. The Ubiquitin-Proteasome System in Immune Cells // Biomolecules. 2021. V. 11. № 1. P. 60.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Intra-flight dynamics of protein enrichment of biological intracellular processes related to cell energetics.

Download (119KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Intra-flight dynamics of protein enrichment of biological intracellular processes related to the presentation of molecules on the membrane, initiation of immune defense.

Download (142KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Intra-flight dynamics of protein enrichment of biological intracellular processes related to proteostasis mechanisms.

Download (115KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Intra-flight dynamics of protein enrichment of biological intracellular metabolic processes.

Download (112KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Interactions of 10 proteins that disappear or appear (PSMD10) in samples collected during the flight and related to processes whose abundance was significantly reduced during spaceflight (SF) (immune system, proteasomes and metabolism).

Download (320KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Interactions of 10 proteins disappearing or appearing during spaceflight (PSMD10) (enclosed in an oval), related to processes whose abundance was significantly reduced during spaceflight (SF) (immune system, proteasomes, and metabolism), with cytoskeletal organizing proteins. Clustering was performed using the k-means method.

Download (1MB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Interactions of 5 proteins related to energy metabolism processes, the abundance of which significantly decreased during spaceflight.

Download (293KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Interactions of 5 proteins related to energy processes, the abundance of which significantly decreased during spaceflight (circled), with cytoskeletal organization proteins. Clustering was performed using the k-means method.

Download (983KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».