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TLR9炎癥信號與DNA損傷免疫引起的記憶機制及應用前景

瀏覽次數(shù)：488　發(fā)布日期：2024-5-21　來源：MedChemExpress (MCE)

誰能想到，讓我們記住那些美好童年回憶和復雜的數(shù)學公式的竟然是一種類似于"發(fā)炎"的過程和 DNA 損傷嗎？頂尖期刊 Nature 上最近發(fā)表的一項研究表明，長期記憶儲存依賴于"大腦炎癥"和 DNA 損傷。是的，你沒有看錯！這種應對逆境的生物反應正是鍛造我們記憶力的關鍵工具。這兩個看似不合群的角色——神經(jīng)"發(fā)炎"和 DNA 損傷是如何共同塑造我們的長期記憶存儲的呢？快來隨小 M 一起來看看吧~

聽到 “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，這兩個過程卻是形成長期記憶的關鍵步驟，與我們大腦中一種名為海馬神經(jīng)元的特殊細胞有關。

這些神經(jīng)元如同建筑師一般，將各種信息組裝成微電路，存儲我們生活中的各種瞬間。然而，這個過程并非毫無 “代價”，大腦中的海馬神經(jīng)元會經(jīng)歷一個能量密集的過程，此時神經(jīng)元的 DNA 雙鏈會暫時發(fā)生斷裂 (DNA double strand breaks, DSBs)，并涉及一種叫做 TLR9 信號分子的激活。這個過程就像是神經(jīng)元的一次小型“發(fā)炎”，為記憶儲存打下了堅實的基礎[1]。
DNA 雙鏈斷裂與 DNA 修復被認為是神經(jīng)可塑性 (Neuroplasticity) 的基礎，神經(jīng)可塑性對于學習和記憶等認知過程以及大腦發(fā)育、感覺訓練和大腦損傷的恢復至關重要[2]。

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

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

近期，發(fā)表于 Nature 的一項研究發(fā)現(xiàn)，在長時間學習后，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)元開始表現(xiàn)出炎癥表型，涉及到 TLR9 的信號通道的激活，同時也出現(xiàn)了 DNA 損傷修復復合物的積累。如果 TLR9 功能受損，基本的記憶機制可能會變?yōu)榛蚪M不穩(wěn)定和認知障礙的開端，與加速衰老、精神疾病和神經(jīng)退行性疾病有關。

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

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

在免疫應答基因中，TLR9 及其下游 NF-κB 信號通路最為突出,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) 和溶酶體標志物 LAMP2 的共定位增加 (圖 2B)，說明 TLR9 向內(nèi)體的運輸增強，有助于 DNA 識別和 NF-κB 激活。這些發(fā)現(xiàn)揭示了免疫應答基因在記憶形成中的關鍵作用。

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

A. 與 CFC 后 21 天相比，Bulk RNA-seq 顯示 CFC 后 96 小時獲得的小鼠海馬中 441 個基因的表達增加�；鹕綀D顯示與炎癥和 TLR 信號傳導相關的基因表達顯著增加。B. TLR9 蛋白水平以及 TLR9 與 LAMP2 在 CFC 后不同時間的共定位。LAMP2 水平無波動，TLR9 水平及其與 LAMP2 的共定位在 CFC 后 6 小時增加，96 小時后達到峰值。

▐ CFC 觸發(fā) dsDNA 斷裂和 DNA 損傷修復 (DDR)
研究人員使用 dsDNA 斷裂結合磷酸組蛋白 γH2AX 特異性抗體進行免疫熒光標記，發(fā)現(xiàn) CFC 后的 1 小時和 3 小時內(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，但在單個神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)了更大的 γH2AX 標記病灶 (圖 3A-B)，且核周 γH2AX 信號與 TLR9 信號存在共定位 (圖 3C)。

這些發(fā)現(xiàn)表明，在一些神經(jīng)元中單獨的 γH2AX 和 dsDNA 或復合物的形式從細胞核中含有 TLR9 的核周位點釋放出來。另一方面，研究發(fā)現(xiàn) γH2AX 信號與炎癥信號傳導有關，如其與 RELA (最豐富的 NF-κB 家族成員，在激活后易位至細胞核) 存在高度共定位。這些發(fā)現(xiàn)表明，記憶形成過程中的神經(jīng)元活動可能會引發(fā) DNA 損傷，并啟動 DNA 修復機制。

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

A. CFC 之后 γH2AX 點狀的神經(jīng)元數(shù)和 γH2AX 病灶大小。B. γH2AX 相對于星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞在神經(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
炎癥反應是學習-誘導的 DNA 損傷的副作用還是有助于記憶的形成？作者通過在背側海馬 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，即凍結行為 (Freezing Behaviour, 指動物對特定刺激的反應，動物會激活不同性質(zhì)的防御模式，包括凍結和主動的戰(zhàn)斗或逃跑反應。凍結是一種行為抑制形式，伴隨著副交感神經(jīng)主導的心率減慢) 顯著減少 (圖 4A)，且星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細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，TLR9 拮抗劑 ODN2088 顯著損害 CFC，而 cGAS-STING 抑制劑 RU-521 和 H-151 則無效 (圖 4B)。此外，TLR9 敲低也破壞了 CFC 誘導的基因表達。以上結果證明了神經(jīng)元特異性 TLR9 介導的 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 的對照組相比，在海馬內(nèi)注射 Syn-cre 的 TLR9^fl/fl小鼠的情景測試中，凍結持續(xù)減少。B. ODN2088 對 TLR9 的藥理抑制作用對 CFC 造成劑量依賴性損害。

此外，作者通過實驗觀察 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，CA1 神經(jīng)元無法招募 DDR 復合物或形成纖毛和 PNNs，證實了 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，通過學習誘導的 TLR9 信號傳導，神經(jīng)元將 DNA 損傷與 DDR 聯(lián)系起來，對記憶的穩(wěn)定性和持久性起關鍵作用。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制。因此，保持 TLR9 炎癥信號傳導的完整性成為神經(jīng)認知缺陷的有前途的預防策略，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解~