TLR9炎癥信號與DNA損傷免疫引起的記憶機制及應用前景
誰能想到，讓我們記住那些美好童年回憶和復雜的數學公式的竟然是一種類似于"發炎"的過程和 DNA 損傷嗎？頂尖期刊 Nature 上最近發表的一項研究表明，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"發炎"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元的特殊細胞有關。
這些神經元如同建筑師一般，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”，大腦中的海馬神經元會經歷一個能量密集的過程，此時神經元的 DNA 雙鏈會暫時發生斷裂 (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元的一次小型“發炎”，為記憶儲存打下了堅實的基礎[1]。DNA 雙鏈斷裂與 DNA 修復被認為是神經可塑性 (Neuroplasticity) 的基礎，神經可塑性對于學習和記憶等認知過程以及大腦發育、感覺訓練和大腦損傷的恢復至關重要[2]。
圖 1. 神經可塑性與 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，從而調節神經元基因表達，導致可塑性發生變化。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，發表于 Nature 的一項研究發現，在長時間學習后，興奮性海馬 CA1 神經元出現了雙鏈 DNA (dsDNA) 斷裂、核膜破裂以及釋放組蛋白和 dsDNA 片段等一系列現象。這些早期事件之后，一些神經元開始表現出炎癥表型，涉及到 TLR9 的信號通道的激活，同時也出現了 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為基因組不穩定和認知障礙的開端，與加速衰老、精神疾病和神經退行性疾病有關。
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元網的建立。
▐ 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元的轉錄譜進行了深入分析，發現在情境恐懼調節(Contextual fear conditioning, CFC) 后 96 小時或 21 天內，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，以及 TLR9 與晚期內體 (Endosomes) 和溶酶體標志物 LAMP2 的共定位增加 (圖 2B)，說明 TLR9 向內體的運輸增強，有助于 DNA 識別和 NF-κB 激活。這些發現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。火山圖顯示與炎癥和 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 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，發現 CFC 后的 1 小時和 3 小時內，部分神經元中 dsDNA 斷裂的數量顯著增加，并且具有神經元特異性。雖然隨后核病灶的數量減少，但在單個神經元內出現了更大的 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)。
這些發現表明，在一些神經元中單獨的 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，研究發現 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。這些發現表明，記憶形成過程中的神經元活動可能會引發 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 點狀的神經元數和 γH2AX 病灶大小。B. γH2AX 相對于星形膠質細胞和小膠質細胞在神經元中的定位。C. 核外 γH2AX 與 TLR9 共定位。
▐ CA1 神經元中的 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 區域的神經元中特異性敲除 TLR9，發現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的防御模式，包括凍結和主動的戰斗或逃跑反應。凍結是一種行為抑制形式，伴隨著副交感神經主導的心率減慢) 顯著減少 (圖 4A)，且星形膠質細胞和小膠質細胞的敲除并未影響記憶缺陷，這也與先前的發現一致。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，在海馬內注射 Syn-cre 的 TLR9fl/fl 小鼠的情景測試中，凍結持續減少。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，發現神經元中的 dsDNA 斷裂數量顯著增加。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、纖毛形成和神經周圍網 (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，神經元將 DNA 損傷與 DDR 聯系起來，對記憶的穩定性和持久性起關鍵作用。TLR9 激活可能由 γH2AX 和 dsDNA 片段觸發。TLR9 參與了 DNA 傳感，而不是 CFC 中更為傳統的 cGAS-STING 路徑，提示神經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、精神疾病和神經退行性等疾病提供一些新見解~
| PLX5622 口服 CSF1R 抑制劑，能透過血腦屏障的、小膠質細胞清除劑。 |
| 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.
