TLR9炎癥信號(hào)與DNA損傷免疫引起的記憶機(jī)制及應(yīng)用前景

誰(shuí)能想到，讓我們記住那些美好童年回憶和復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式的竟然是一種類似于"發(fā)炎"的過(guò)程和 DNA 損傷嗎？頂尖期刊 Nature 上最近發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，長(zhǎng)期記憶儲(chǔ)存依賴于"大腦炎癥"和 DNA 損傷。是的，你沒(méi)有看錯(cuò)！這種應(yīng)對(duì)逆境的生物反應(yīng)正是鍛造我們記憶力的關(guān)鍵工具。這兩個(gè)看似不合群的角色——神經(jīng)"發(fā)炎"和 DNA 損傷是如何共同塑造我們的長(zhǎng)期記憶存儲(chǔ)的呢？快來(lái)隨小 M 一起來(lái)看看吧~

聽(tīng)到 “發(fā)炎” 和 “DNA 損傷”，可能首先想到的是疾病或損傷，但在我們的大腦中，這兩個(gè)過(guò)程卻是形成長(zhǎng)期記憶的關(guān)鍵步驟，與我們大腦中一種名為海馬神經(jīng)元的特殊細(xì)胞有關(guān)。

這些神經(jīng)元如同建筑師一般，將各種信息組裝成微電路，存儲(chǔ)我們生活中的各種瞬間。然而，這個(gè)過(guò)程并非毫無(wú) “代價(jià)”，大腦中的海馬神經(jīng)元會(huì)經(jīng)歷一個(gè)能量密集的過(guò)程，此時(shí)神經(jīng)元的 DNA 雙鏈會(huì)暫時(shí)發(fā)生斷裂 (DNA double strand breaks, DSBs)，并涉及一種叫做 TLR9 信號(hào)分子的激活。這個(gè)過(guò)程就像是神經(jīng)元的一次小型“發(fā)炎”，為記憶儲(chǔ)存打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。
DNA 雙鏈斷裂與 DNA 修復(fù)被認(rèn)為是神經(jīng)可塑性 (Neuroplasticity) 的基礎(chǔ)，神經(jīng)可塑性對(duì)于學(xué)習(xí)和記憶等認(rèn)知過(guò)程以及大腦發(fā)育、感覺(jué)訓(xùn)練和大腦損傷的恢復(fù)至關(guān)重要[2]。

圖 1. 神經(jīng)可塑性與 DNA 損傷和修復(fù)之間相互作用的簡(jiǎn)化模型^[2]。  

突觸處 NMDA/AMPA 受體的激活會(huì)誘導(dǎo) SSB 或 DSB，并分別通過(guò) BER 或 NHEJ 促進(jìn)其修復(fù)。反之，DNA 損傷和修復(fù)會(huì)改變這些受體的表達(dá)和活性，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)元基因表達(dá)，導(dǎo)致可塑性發(fā)生變化。SSB:單鏈 DNA 斷裂; DSB: 雙鏈 DNA 斷裂。BER: 堿基切除修復(fù); NHEJ: 非同源末端連接。

近期，發(fā)表于 Nature 的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)后，興奮性海馬 CA1 神經(jīng)元出現(xiàn)了雙鏈 DNA (dsDNA) 斷裂、核膜破裂以及釋放組蛋白和 dsDNA 片段等一系列現(xiàn)象。這些早期事件之后，一些神經(jīng)元開(kāi)始表現(xiàn)出炎癥表型，涉及到 TLR9 的信號(hào)通道的激活，同時(shí)也出現(xiàn)了 DNA 損傷修復(fù)復(fù)合物的積累。如果 TLR9 功能受損，基本的記憶機(jī)制可能會(huì)變?yōu)榛�因組不穩(wěn)定和認(rèn)知障礙的開(kāi)端，與加速衰老、精神疾病和神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。

TLR9 參與的關(guān)鍵作用：負(fù)責(zé) DNA 的損傷修復(fù)，參與纖毛的生成和周圍神經(jīng)元網(wǎng)的建立。

▐  免疫應(yīng)答基因 (TLR9) 在記憶形成中的關(guān)鍵作用
作者首先對(duì)背側(cè)海馬神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄譜進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)在情境恐懼調(diào)節(jié)(Contextual fear conditioning, CFC) 后 96 小時(shí)或 21 天內(nèi)，基因表達(dá)譜與遠(yuǎn)程記憶的差異顯著。研究人員觀察到大多數(shù)差異表達(dá)基因是參與核酸感應(yīng)和細(xì)胞因子釋放的免疫應(yīng)答基因 (圖 2A)。

在免疫應(yīng)答基因中，TLR9 及其下游 NF-κB 信號(hào)通路最為突出,并觀察到 TLR9 基因和蛋白水平的上調(diào)，以及 TLR9 與晚期內(nèi)體 (Endosomes) 和溶酶體標(biāo)志物 LAMP2 的共定位增加 (圖 2B)，說(shuō)明 TLR9 向內(nèi)體的運(yùn)輸增強(qiáng)，有助于 DNA 識(shí)別和 NF-κB 激活。這些發(fā)現(xiàn)揭示了免疫應(yīng)答基因在記憶形成中的關(guān)鍵作用。

圖 2. CFC 后的基因表達(dá)譜圖及 TLR9 蛋白水平，TLR9/LAMP2 在不同時(shí)間的共定位^[3]。

 

A. 與 CFC 后 21 天相比，Bulk RNA-seq 顯示 CFC 后 96 小時(shí)獲得的小鼠海馬中 441 個(gè)基因的表達(dá)增加�；鹕綀D顯示與炎癥和 TLR 信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因表達(dá)顯著增加。B. TLR9 蛋白水平以及 TLR9 與 LAMP2 在 CFC 后不同時(shí)間的共定位。LAMP2 水平無(wú)波動(dòng)，TLR9 水平及其與 LAMP2 的共定位在 CFC 后 6 小時(shí)增加，96 小時(shí)后達(dá)到峰值。

▐  CFC 觸發(fā) dsDNA 斷裂和 DNA 損傷修復(fù) (DDR)
研究人員使用 dsDNA 斷裂結(jié)合磷酸組蛋白 γH2AX 特異性抗體進(jìn)行免疫熒光標(biāo)記，發(fā)現(xiàn) CFC 后的 1 小時(shí)和 3 小時(shí)內(nèi)，部分神經(jīng)元中 dsDNA 斷裂的數(shù)量顯著增加，并且具有神經(jīng)元特異性。雖然隨后核病灶的數(shù)量減少，但在單個(gè)神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)了更大的 γH2AX 標(biāo)記病灶 (圖 3A-B)，且核周 γH2AX 信號(hào)與 TLR9 信號(hào)存在共定位 (圖 3C)。

這些發(fā)現(xiàn)表明，在一些神經(jīng)元中單獨(dú)的 γH2AX 和 dsDNA 或復(fù)合物的形式從細(xì)胞核中含有 TLR9 的核周位點(diǎn)釋放出來(lái)。另一方面，研究發(fā)現(xiàn) γH2AX 信號(hào)與炎癥信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)，如其與 RELA (最豐富的 NF-κB 家族成員，在激活后易位至細(xì)胞核) 存在高度共定位。這些發(fā)現(xiàn)表明，記憶形成過(guò)程中的神經(jīng)元活動(dòng)可能會(huì)引發(fā) DNA 損傷，并啟動(dòng) DNA 修復(fù)機(jī)制。

圖 3. CFC 后的 DNA 損傷和 DDR (DNA 損傷修復(fù))^[3]。

 

A. CFC 之后 γH2AX 點(diǎn)狀的神經(jīng)元數(shù)和 γH2AX 病灶大小。B. γH2AX 相對(duì)于星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)元中的定位。C. 核外 γH2AX 與 TLR9 共定位。

▐  CA1 神經(jīng)元中的 TLR9 是情景記憶所必需的
炎癥反應(yīng)是學(xué)習(xí)-誘導(dǎo)的 DNA 損傷的副作用還是有助于記憶的形成？作者通過(guò)在背側(cè)海馬 CA1 區(qū)域的神經(jīng)元中特異性敲除 TLR9，發(fā)現(xiàn)敲除后的小鼠顯示出受損的情景記憶，即凍結(jié)行為 (Freezing Behaviour, 指動(dòng)物對(duì)特定刺激的反應(yīng)，動(dòng)物會(huì)激活不同性質(zhì)的防御模式，包括凍結(jié)和主動(dòng)的戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)。凍結(jié)是一種行為抑制形式，伴隨著副交感神經(jīng)主導(dǎo)的心率減慢) 顯著減少 (圖 4A)，且星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的敲除并未影響記憶缺陷，這也與先前的發(fā)現(xiàn)一致。同時(shí)，TLR9 拮抗劑 ODN2088  顯著損害 CFC，而 cGAS-STING 抑制劑 RU-521  和 H-151  則無(wú)效 (圖 4B)。此外，TLR9 敲低也破壞了 CFC 誘導(dǎo)的基因表達(dá)。以上結(jié)果證明了神經(jīng)元特異性 TLR9 介導(dǎo)的 dsDNA 傳感在情境記憶的形成和持久中的作用。

圖 4. 海馬 TLR9 神經(jīng)元特異性缺失后情境記憶受損^[3]。

A. 與注射 Syn-GFP 的對(duì)照組相比，在海馬內(nèi)注射 Syn-cre 的 TLR9^fl/fl 小鼠的情景測(cè)試中，凍結(jié)持續(xù)減少。B. ODN2088 對(duì) TLR9 的藥理抑制作用對(duì) CFC 造成劑量依賴性損害。

此外，作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察 WT 和 TLR9fl/fl 小鼠海馬部位，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元中的 dsDNA 斷裂數(shù)量顯著增加。TLR9 的缺失破壞了核和中心體 DDR，使得在 CFC 時(shí)，CA1 神經(jīng)元無(wú)法招募 DDR 復(fù)合物或形成纖毛和 PNNs，證實(shí)了 TLR9 在 DDR、纖毛形成和神經(jīng)周圍網(wǎng) (Perineuronal nets, PNN) 積累中的作用。

今天小 M 和大家一起了解到，通過(guò)學(xué)習(xí)誘導(dǎo)的 TLR9 信號(hào)傳導(dǎo)，神經(jīng)元將 DNA 損傷與 DDR 聯(lián)系起來(lái)，對(duì)記憶的穩(wěn)定性和持久性起關(guān)鍵作用。TLR9 激活可能由 γH2AX 和 dsDNA 片段觸發(fā)。TLR9 參與了 DNA 傳感，而不是 CFC 中更為傳統(tǒng)的 cGAS-STING 路徑，提示神經(jīng)元采用了基于免疫的記憶機(jī)制。因此，保持 TLR9 炎癥信號(hào)傳導(dǎo)的完整性成為神經(jīng)認(rèn)知缺陷的有前途的預(yù)防策略，或許可以為衰老、精神疾病和神經(jīng)退行性等疾病提供一些新見(jiàn)解~

 

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PLX5622 口服 CSF1R 抑制劑，能透過(guò)血腦屏障的、小膠質(zhì)細(xì)胞清除劑。

PLX5622 in AIN-76A Diet PLX5622 飼料形式，1200 ppm

ODN 2088 TLR3，TLR7 和 TLR9 抑制劑

RU.521 cGAS 抑制劑

H-151 選擇性和共價(jià)的 sting 拮抗劑，可用于自身免疫性疾病的研究。

γH2AX antibody 用于 WB, ICC/IF

[1] Madabhushi R, et al. Activity-Induced DNA Breaks Govern the Expression of Neuronal Early-Response Genes. Cell. 2015 Jun 18;161(7):1592-605. 

[2] Konopka A, et al. The Role of DNA Damage in Neural Plasticity in Physiology and Neurodegeneration. Front Cell Neurosci. 2022 Jun 23;16:836885.

[3] Jovasevic V, et al. Formation of memory assemblies through the DNA-sensing TLR9 pathway. Nature. 2024 Apr;628(8006):145-153.