清华大学基础医学院纪家葵、生命学院张强锋等合作揭示太空飞行对人类生殖细胞发育的差异化影响

随着人类太空探索不断迈向深空，长期太空飞行对人体健康的影响成为太空生命科学的重要议题。过去的研究已经表明，微重力和太空辐射会影响骨骼、肌肉、免疫、神经和心血管系统。然而，一个与人类长期太空居留密切相关的问题仍缺乏直接证据：太空飞行环境是否会影响人类生殖细胞的发育？

生殖细胞承担着遗传信息跨代传递的功能，其发育过程对细胞外环境、细胞骨架、代谢状态和表观遗传调控高度敏感。由于伦理和样本限制，人类生殖细胞在真实太空环境中的发育响应长期难以研究。因此，建立可在轨运行、可实时观察、可返回分析的人类生殖细胞模型，是回答这一问题的关键。

7月15日，生命学院张强锋副教授团队、基础医学院纪家葵教授团队联合中国科学院上海技术物理研究所张涛研究员团队，以“太空飞行多组学揭示人类生殖细胞发育的脆弱性”（Spaceflight multi-omics reveals vulnerabilities of human germ cell development）为题，在《科学进展》（Science Advances）上发表研究论文。研究依托中国空间站天舟一号和天舟六号飞行任务，构建了自动化在轨细胞培养与成像平台，并结合转录组、翻译组、DNA甲基化组和全外显子组测序，系统解析了太空飞行对人类胚胎干细胞来源生殖细胞发育的影响。

研究团队首先建立了一套适用于太空飞行环境的自动化细胞培养生物反应器。该系统能够维持细胞培养所需的温度、气体和培养基交换条件，并集成明场与荧光实时成像、程序化换液以及样本原位保存等功能。在天舟一号任务中，研究团队实现了人诱导原始生殖细胞在轨30天连续培养，验证了长期在轨培养和实时成像的可行性。

在此基础上，研究团队进一步优化系统，并在天舟六号任务中同时开展三类人胚胎干细胞来源生殖细胞模型的在轨分化实验，包括人诱导原始生殖细胞、人诱导卵泡样细胞和人诱导精原干细胞。三类模型分别对应早期双潜能生殖细胞、女性生殖细胞发育模型和男性生殖细胞早期发育模型，为比较不同生殖谱系对太空飞行的响应提供了实验基础。

实时成像结果显示，太空飞行显著影响部分生殖细胞谱系的发育。与地面对照组相比，太空飞行组中人诱导原始生殖细胞的VASA-GFP阳性比例明显下降，分化效率约降低一半，提示早期生殖细胞命运建立受到抑制。与此同时，人诱导精原干细胞在太空飞行条件下细胞数量减少约26%，显示其增殖能力受到影响。相比之下，人诱导卵泡样细胞在太空飞行条件下总体形态保持稳定，未见明显形态学异常。这些结果提示，太空飞行对人类生殖细胞发育的影响具有谱系特异性。

图1.本项目类生殖细胞在轨培养实验及实时成像图像

为了进一步解析这些变化背后的分子机制，研究团队对返回样本进行了转录组和翻译组双组学分析。结果显示，太空飞行并未破坏这些细胞的核心生殖细胞身份，但显著重塑了多个关键分子通路。

在人诱导原始生殖细胞和人诱导卵泡样细胞中，太空飞行主要影响细胞外基质、细胞黏附、细胞迁移和微管细胞骨架相关基因。这些通路与生殖细胞迁移、组织结构建立和生殖微环境维持密切相关。尤其是细胞外基质和胶原相关程序的下调，提示微重力环境可能改变生殖细胞与周围微环境之间的结构联系。

在人诱导精原干细胞中，研究团队观察到更明显的翻译组重塑。虽然其转录组变化相对有限，但大量核糖体结合转录本发生改变，涉及翻译调控、氧化磷酸化、蛋白磷酸化、细胞周期和细胞骨架等过程。这种转录组与翻译组之间的“脱耦”现象提示，太空飞行可能优先通过翻译层面的调控影响男性生殖细胞早期发育。

跨细胞类型分析进一步显示，细胞外基质、细胞骨架和脂质代谢是人类生殖细胞响应太空飞行的共同脆弱环节。太空飞行条件下，多种生殖细胞模型均出现细胞黏附和结构支撑相关通路下调，同时伴随微管组织、膜脂稳态和脂质代谢相关通路变化。这表明，发育中的人类生殖细胞可能通过结构重塑和代谢适应来应对太空环境压力。

太空辐射是深空探索中备受关注的另一类风险。天舟六号任务期间，舱内记录到的累积辐射剂量处于低轨短期暴露水平。研究团队进一步通过全外显子组测序和DNA甲基化组分析评估遗传与表观遗传稳定性。结果显示，在当前飞行时间窗口内，太空飞行组和地面对照组整体突变参数相近，DNA甲基化模式也总体保持稳定。虽然人诱导精原干细胞在较长在轨培养后出现一定程度的突变负担增加，但总体来看，短期低轨太空飞行并未导致广泛的基因组或表观基因组失稳。

这一发现具有重要意义：太空飞行对人类生殖细胞的早期影响，可能首先表现为转录、翻译、细胞结构和代谢层面的快速可塑性重塑，而不是立即引发广泛遗传损伤。这也提示，未来评估深空探索中的生殖健康风险时，除了关注辐射诱导的DNA损伤，也需要重视微重力和太空环境对细胞力学、细胞外基质和翻译调控网络的影响。

图2.空间飞行条件下类生殖细胞在轨培养、多组学分析及主要研究发现示意图

研究首次在真实太空飞行条件下，结合自动化在轨培养、实时成像和多组学测序，系统评估了人类胚胎干细胞来源生殖细胞的发育响应。研究不仅揭示了太空飞行会降低人诱导原始生殖细胞分化效率、抑制人诱导精原干细胞增殖，还发现细胞外基质、细胞骨架、翻译调控和脂质代谢是人类生殖细胞适应太空环境的关键通路。

清华大学生命学院副教授张强锋、清华大学基础医学院教授纪家葵、中国科学院上海技术物理研究所研究员张涛、清华大学基础医学院2025届博士毕业生李颖为论文共同通讯作者。李颖、清华大学基础医学院2025届博士毕业生高辉为论文共同第一作者。研究由清华大学基础医学院、清华大学生命学院、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院空间应用工程与技术中心、福州大学医学院等单位合作完成。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee0143

供稿：生命学院

编辑：邱收

审核：郭玲