慢性弓形虫感染与IL-1升高通过DNA双链断裂信号通路导致海马功能障碍：Nature Neuroscience 2025年最新研究综述

学术背景与研究缘由

近年来，神经炎症（neuroinflammation）在多种脑疾病中的作用逐渐受到学界关注，尤其是在神经退行性疾病和认知障碍等领域。慢性感染和持续炎症被认为与认知功能损害密切相关，但具体机制尚不完全清楚。弓形虫（Toxoplasma gondii）是一种常见的人畜共患寄生虫，据估计全球约有50%人口曾经暴露于其感染风险。即使在免疫功能正常的个体中，弓形虫感染通常表现为无症状的潜伏期，但越来越多证据显示，这种“无声”的感染可能与多种神经精神疾病相关，例如精神分裂症、双相情感障碍、癫痫及强迫症等。

在感染驱动的慢性炎症环境下，促炎细胞因子如白介素1（interleukin-1, IL-1）往往处于持续升高状态。IL-1及其相关细胞因子调节着神经元活动及认知功能，但其长期升高对脑功能的分子机制尚未被阐明。尤其值得注意的是，IL-1受体（IL-1R1）在海马齿状回（dentate gyrus, DG）神经元中高表达，提示它可能直接参与海马依赖性记忆过程。此外，DNA双链断裂（double-strand breaks, DSB）和相关修复反应已被认为是认知调控的核心机制。在阿尔茨海默病中，DSB及其标志蛋白γH2A.X的蓄积被发现与认知功能障碍密切相关，但在慢性炎症与感染环境下，炎症介导的DSB反应是否参与认知损伤，尚无定论。

本研究尝试填补上述研究空白，通过实验动物模型系统性探讨慢性弓形虫感染及慢性IL-1升高如何驱动海马神经元的DSB信号通路，并导致认知障碍。

作者与出处

本论文题为《toxoplasma gondii infection and chronic il-1 elevation drive hippocampal dna double-strand break signaling, leading to cognitive deficits》，发表于顶级神经科学期刊 Nature Neuroscience，卷号28，出版时间为2025年10月（页码2067–2077）。该研究由Marcy Belloy、Benjamin A. M. Schmitt、Florent H. Marty等人联合完成，主要来自法国 Université Toulouse、CNRS和INSERM等科研机构。研究得到了严密的设计与国际同行评审，在神经免疫与寄生虫脑病领域具有高度影响力。

研究流程及实验设计

1. 研究模型建立

1.1 动物模型

研究采用了C57BL/6J SPF级小鼠，同时构建了多种转基因小鼠模型。其中包括： - CamKIIα-Cre-ERT2:IL1R1fl/fl（控制性敲除IL-1受体于海马兴奋性神经元）；
- CamKIIα-Cre-ERT2:H2A.Xfl/fl（控制性敲除DNA损伤修复标志蛋白γH2A.X于海马兴奋性神经元）。

1.2 弓形虫感染建模

分别采用两种弓形虫基因工程菌株： - Tg.SAG1-OVA：在C57BL/6J小鼠中形成脑炎模型（寄生虫负荷高，炎症显著）。 - Tg.GRA6-OVA：形成潜伏感染模型（寄生虫负荷低，神经炎症轻微）。

小鼠腹腔注射200个虫体，感染后6-16周启动行为学实验。

1.3 IL-1β慢性升高模型

通过皮下埋植微渗透泵，连续35天向小鼠输注低浓度（5μg/kg/d）重组鼠IL-1β，模拟慢性炎症环境。

2. 行为学评估

行为学测试包括空间记忆和认知功能评估，主要方法： - Barnes迷宫：连续训练5天，测定空间学习和记忆召回（包括精度、策略选择等）。 - 新物体识别（NOR）测试：评估长期记忆和皮层功能。 - 物体位置（OL）测试：重点检测空间记忆巩固能力，依赖海马功能。

每组小鼠样本量至少在10只以上，两组数据均来自2~3个独立实验。

3. 细胞与分子机制探讨

3.1 免疫细胞分析

采用免疫荧光、流式细胞术分析感染小鼠海马区中星形胶质细胞（astrocyte）、小胶质细胞（microglia）、单核/粒细胞、T细胞等的数量及激活状态。

3.2 转录组分析

应用bulk RNA-seq及通路富集分析，筛查潜伏感染和脑炎模型海马区相关炎症通路激活情况，尤其关注IL-1、IFNγ、IL-27等通路基因表达变化。

3.3 DNA双链断裂检测

采用γH2A.X、53BP1免疫标记，结合超分辨率共聚焦显微镜，定量分析海马神经元DSB水平，即阳性灶及其聚焦情况。

3.4 体外神经元培养

分离并培养小鼠海马神经元，给予不同浓度IL-1β，检测γH2A.X蛋白表达变化；同时使用病毒介导shRNA干预IL1R1表达以验证信号特异性。

3.5 创新工具及算法

• 行为追踪软件：自研Python算法自动记录小鼠轨迹与活动距离。
• RNA-seq数据分析：Progeny算法推断14种信号通路活性变化，GSEA评估基因集合富集情况。
• FACS分选神经核进行细胞核水平转录组分析。

实验结果与数据阐释

1. 慢性弓形虫感染致空间记忆障碍

• Barnes迷宫训练阶段，各组小鼠均能学会任务，但脑炎组表现较差，错误次数多，策略效率低。经过5天训练后，召回测试显示寄生虫感染组特别是脑炎组在目标区精度下降（访问次数减少），提示空间记忆检索受损。

• 在NOR测试中，各组小鼠对新物体识别能力一致，但OL测试显示弓形虫感染组难以区分移动物体，与海马依赖性记忆障碍吻合。

2. 神经炎症细胞因子的变化

• 免疫分析发现在慢性感染模型中，微胶质细胞、星形胶质细胞、外周免疫细胞显著浸润和激活，尤其是MHC II、CD86高表达。

• RNA-seq结果揭示海马区IL-1（尤其是IL-1β）及相关通路显著上调，IL-1受体表达于兴奋性神经元，提示其作用机制直接参与记忆障碍。

3. IL-1信号通路在神经元中的效应

• 利用条件性敲除IL-1R1小鼠，发现敲除后的小鼠无论有无感染均能维持空间记忆正常，但对照组在弓形虫感染下丧失空间记忆巩固能力。敲除IL-1R1并不影响体重和寄生虫负荷，但可保护认知功能。

• 体外实验及微渗透泵慢性IL-1β模型同样发现，长期低浓度IL-1β暴露可致空间记忆障碍，且这一效应可通过敲除神经元IL-1R1阻断。

4. DNA双链断裂信号通路的激活与记忆损伤

• 慢性弓形虫感染及IL-1β处理均可显著提高海马神经元中γH2A.X及53BP1聚焦灶的数目，且体外IL-1β作用于神经元可快速诱导γH2A.X水平上升。

• 通过敲除神经元γH2A.X（H2A.Xfl/flcre+），发现在慢性炎症模型下，小鼠空间记忆功能得到保护，且转录组数据显示IL-1β诱导的基因表达显著受阻。Progeny分析显示敲除γH2A.X可以消除IL-1β诱导的EGFR通路升高、PI3K通路下降等变化，这些通路与突触可塑性及神经元损伤密切相关。

• GSEA及分子功能分析进一步确认，γH2A.X敲除可抵消慢性炎症相关基因表达失衡，证明DNA双链断裂信号本身（而非仅仅DNA损伤）是认知损伤的关键驱动力。

结论与研究意义

本研究系统揭示了慢性弓形虫感染及IL-1升高通过活化海马神经元内DNA双链断裂（DSB）信号通路，损伤空间记忆功能的分子机制。研究证明： - 慢性低浓度IL-1β无须诱发急性病症（sickness behavior），即可致空间记忆障碍； - IL-1信号需在海马兴奋性神经元内发生作用，敲除其受体或DSB信号（γH2A.X）均可预防认知功能障碍； - 认知损伤依赖于DSB信号的积累而非DNA损伤本身，提示γH2A.X相关表观遗传调控是介导病理过程的关键环节。

该发现对于多种慢性神经炎症相关疾病，比如阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症等均具有重大借鉴意义，有望为临床干预提供新的分子靶点。

本研究亮点与创新之处

1. 机制新颖：首次系统揭示了慢性炎症通过神经元内DSB信号通路（γH2A.X）精准驱动认知障碍，拓展了认知损伤分子机制理论。
2. 模型完备严密：不仅涵盖脑炎与潜伏感染两种弓形虫模型，还利用慢性IL-1β微泵与神经元特异性基因敲除，逻辑链条完整，研究设计高度可复制。
3. 算法工具创新：自研行为学追踪软件，应用Progeny与GSEA等多维度数据分析，提升了分子功能推断的精度与深度。
4. 临床延展价值高：发现慢性低剂量IL-1β即可致空间记忆损伤，有望启发慢性炎症疾病的早期干预策略。
5. 分子靶点精准：γH2A.X被证实为认知障碍新型分子开关，对于药物开发和基因编辑治疗提供了基础支撑。

其他有价值的信息

• 研究无论在基因水平还是细胞层面，均未发现敲除IL-1R1或H2A.X影响寄生虫负荷，提示认知障碍主要来源于神经炎症及DNA损伤信号，而非寄生虫感染本身。
• 慢性炎症模型并未发现对海马神经元新生能力的负面影响，与部分COVID相关研究结果不同，提示炎症损伤方式多样，需进一步厘清。
• 研究在方法学上严格遵守欧洲动物伦理标准，细节详实，为后续临床转化提供坚实基础。

总体评价

本论文通过严密的动物模型与分子机制分析，首次揭示了慢性弓形虫感染及IL-1升高通过DNA双链断裂信号通路损伤海马神经元，最终导致空间记忆障碍。研究不仅为慢性神经炎症驱动的认知损伤提供了明确机制，也为后续多种相关慢性脑病的防治提供了理论支持和分子靶点。特别是，针对γH2A.X或IL-1通路的干预，有望成为未来神经精神障碍治疗的新方向。