这种生菜会产生一种刺激骨骼的激素，可以帮助避免太空和地球上的骨质流失。学分：凯文·耶茨
NASA 正准备在 2030 年代的某个时候将人类送上火星。这项为期 3 年的任务将使宇航员长时间处于微重力环境中，这将导致他们失去骨量。但现在，科学家们报告了产生骨刺激激素的转基因莴苣。有一天，宇航员可以在太空种植生菜并帮助防止骨质流失——只需吃一大碗沙拉。此外，研究人员说，生菜可能有助于避免地球上资源有限地区的骨质疏松症。
研究人员今天将在美国化学学会 (ACS) 的春季会议上展示他们的研究结果。 ACS Spring 2022 是一场混合会议，将于 3 月 20 日至 24 日以虚拟方式和面对面的方式举行，并在 3 月 21 日至 4 月 8 日期间提供按需访问。会议上有超过 12,000 场关于广泛科学主题的演讲。
先前对延长太空任务的宇航员的研究表明，他们平均每月在太空中损失超过 1% 的骨量，这种情况被称为骨质减少。 “现在，国际空间站上的宇航员有一定的锻炼方案来保持骨量，”在会议上介绍这项工作的研究生凯文耶茨说。 “但他们通常不会在国际空间站停留超过 6 个月。”相比之下，到达火星需要大约 10 个月的时间，而宇航员在返回地球之前要停留大约一年的时间来研究这颗行星。
这项为期 3 年的任务可能会使宇航员容易患骨质疏松症，然后是骨质疏松症。含有人类甲状旁腺激素 (PTH) 肽片段的药物可刺激骨骼形成，并有助于在微重力下恢复骨量，但需要每天注射。在太空任务期间运输大量药物和注射器并对其进行管理是不切实际的。所以耶茨； Somen Nandi，博士；凯伦麦克唐纳博士；和他们的同事想找到一种让宇航员自己生产的方法——同时还能享受一些美味的蔬菜，这些蔬菜在宇航员的罐装和冻干饮食中严重缺乏。
“宇航员可以携带非常小的转基因种子——你可以在一个拇指大小的小瓶里装几千颗种子——并像普通生菜一样种植它们，”南迪说。 “他们可以根据需要利用这些植物合成药物，例如 PTH，然后吃掉这些植物。”
在国际空间站上，宇航员已经证明他们可以在这种资源有限的环境中种植普通生菜。加州大学戴维斯分校的 Yates、Nandi 和 McDonald 想要开发一种转基因莴苣，该莴苣以可以口服而不是注射的形式表达 PTH 肽。这种特殊的生菜也可能有助于治疗地球上缺乏传统药物的地区的骨质减少症。为了提高 PTH 在体内的稳定性和生物利用度，他们将另一种蛋白质（人类抗体的可结晶片段（Fc）结构域）连接到 PTH 的序列上。以往的研究表明，Fc片段增加了附着肽在血液中循环的时间，使其更有效。
研究人员通过用根癌农杆菌感染植物细胞，将编码 PTH-Fc 的基因引入生菜 — 一种在实验室中用于将基因转移到植物中的细菌。他们筛选了转基因莴苣植物及其后代的 PTH-Fc 生产。初步结果表明，植物平均每公斤新鲜生菜表达约 10-12 毫克修饰肽激素。根据耶茨的说法，这意味着宇航员每天需要吃大约 380 克或大约 8 杯生菜才能获得足够剂量的激素，假设生物利用度约为 10%，他承认这是“相当大的沙拉”。
“我们现在正在做的一件事是筛选所有这些转基因莴苣品系，以找到 PTH-Fc 表达最高的品系，”McDonald 说。 “到目前为止，我们只研究了其中的一些，我们观察到平均值为 10-12 毫克/公斤，但我们认为我们可能能够进一步增加。我们可以提高表达的程度越高，需要消耗的生菜量就越少。”该团队还想测试转基因生菜在国际空间站上的生长情况，以及它是否产生与地球上相同数量的 PTH-Fc。
尽管由于尚未确定其安全性，研究人员尚未品尝过这种莴苣，但他们预计它的味道会与普通生菜非常相似，就像大多数其他转基因植物一样。然而，在转基因莴苣能够为宇航员的盘子增光添彩之前，研究人员必须优化 PTH-Fc 表达水平，然后他们将在动物模型和人体临床试验中测试莴苣安全防止骨质流失的能力。尽管如此，耶茨预测，“如果在我们将宇航员送往火星时，植物还没有被用来生产药物和其他有益化合物，我会感到非常惊讶。”
研究人员感谢 NASA 通过太空生物工程利用中心 (CUBES) 提供的支持和资助。
标题
开发一种用于治疗微重力骨质减少症的飞行中产生的植物治疗剂
摘要
微重力环境中的扩展太空任务改变了人体的正常生理机能。太空飞行中的一个关键问题是骨矿物质密度的损失。在骨稳态过程中，特化细胞通过耦合骨吸收和形成促进骨重塑。微重力下减少的机械负荷导致再吸收超过形成，从而导致骨量损失。诸如甲状旁腺激素 (PTH) [氨基酸 1-34]（一种天然存在的人类 PTH 的肽片段）等药物可刺激骨形成，并可能能够在微重力条件下恢复骨量。然而，这需要持续数月的每日皮下注射，并且在资源有限的环境中，这是不切实际的。运输可注射药物的另一种方法是在任务期间建立生产它的能力，我们建议在转基因植物中这样做。
我们正在生产表达由 PTH [氨基酸 1-34] 组成的融合蛋白的转基因莴苣，该融合蛋白通过柔性接头与人 IgG1 的可结晶片段 (Fc) 结构域连接。植物内质网内的 Fc 成分和 PTH-Fc 的隔离旨在通过口服给药增加生物利用度。我们构建了一个用于表达该 PTH-Fc 蛋白的二元载体，并使用它通过根癌农杆菌介导的野生型莴苣转化在两个转基因莴苣品种中组成型生产 PTH-Fc。我们已经成功地生成了转基因 (T) 植物，并使用选择标记和 PCR 筛选了 T1 和 T2 代。与蛋白质印迹相结合的提取方案能够通过靶向融合蛋白的 PTH 或 Fc 区域来检测植物提取物中的 PTH-Fc。正在开发优化的 ELISA 协议以量化 PTH-Fc 的表达水平。初步结果估计，PTH-Fc的表达量为10-12 mg PTH-Fc/kg鲜重生物量。
