弓形虫源性多巴胺在宿主行为操纵中的剂量依赖性作用机制研究

《Nature Communications》：The role of parasite-produced dopamine in Toxoplasma gondii-altered host behaviour

本期推荐：为阐明弓形虫(Toxoplasma gondii)操纵宿主行为的神经机制，研究人员聚焦于寄生虫源性酪氨酸羟化酶(TgTH)在多巴胺代谢通路中的关键作用。通过构建不同TgTH表达水平的转基因虫株（TgTH-MID/Ox11 Pru与TgTH-HIGH/Ox6 Pru），利用大鼠模型开展"致命猫吸引力"四气味选择行为学实验，结合贝叶斯统计模型分析，首次证实行为改变程度与TgTH表达量呈正相关。该研究为寄生虫操纵宿主行为的神经调控机制提供了直接证据，对理解弓形虫感染相关神经精神疾病具有重要启示。

　　

在自然界中，某些寄生虫能够以令人惊叹的方式操纵宿主的行为，这种现象不仅挑战着我们对自由意志的认知，更蕴含着复杂的生存策略。弓形虫(Toxoplasma gondii)便是其中的典型代表，这种能感染所有温血动物的寄生性原虫，尤其擅长改变中间宿主的行为方式以促进自身传播。最著名的例子莫过于被弓形虫感染的老鼠会丧失对猫尿的天生恐惧，反而被其吸引，形成所谓的"致命猫吸引力"(Fatal Feline Attraction)现象。这种精妙的操纵机制背后，隐藏着怎样的分子秘密？

长期以来，科学家们推测多巴胺系统的失调可能是关键所在。特别是弓形虫自身编码的酪氨酸羟化酶(TgTH)，这种与哺乳动物酪氨酸羟化酶高度同源的酶，被认为能直接合成多巴胺的前体L-DOPA，进而影响宿主的神经调控。然而，关于TgTH在行为操纵中的具体作用一直存在争议，不同研究得出的结论甚至相互矛盾。

为了解开这一谜团，来自英国皇家兽医学院、帝国理工学院和利兹大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了创新性研究成果。他们采用更加生物学和临床相关的大鼠模型，通过精巧的实验设计，首次揭示了TgTH表达水平与行为改变程度之间的剂量依赖关系。

研究团队选用了avrulent Prugniaud（Pru）II型弓形虫株作为研究对象，构建了两种不同TgTH表达水平的转基因虫株：中等表达量（TgTH-MID）和高表达量（TgTH-HIGH），同时设置了真实野生型（WT）、重组野生型（TgTH0）以及未感染对照组。这种独特的设计使得研究人员能够精确评估TgTH表达量对宿主行为的影响，同时排除基因修饰过程本身可能产生的非特异性效应。

在关键技术方法方面，研究主要包含：利用转基因技术构建不同TgTH表达水平的弓形虫虫株；采用Lister-hooded大鼠作为实验模型（共85只，雌雄各半）；通过腹腔注射接种约1×10⁶个速殖子建立慢性感染；在感染后6周进行经典的"致命猫吸引力"四气味选择行为学实验（持续2.5小时）；使用Ethovision XT自动化行为追踪系统记录分析大鼠行为参数；基于贝叶斯统计框架的多变量模型分析。

在猫区域内停留时间的比例

研究结果显示，寄生虫虫株是影响大鼠在猫尿区域停留时间的唯一显著因素。未感染对照组大鼠在猫区域停留时间最短，而野生型感染组停留时间最长。更重要的是，研究人员观察到了明显的剂量依赖趋势：从未感染对照组到TgTH0、TgTH-MID，再到TgTH-HIGH感染组，大鼠在猫区域停留时间逐渐增加。这一发现为TgTH在行为操纵中的因果作用提供了有力证据。

在猫区域内的移动速度

虫株类型同样显著影响大鼠在猫区域内的移动速度。未感染对照组大鼠移动速度最快，而野生型和TgTH-HIGH感染组速度最慢，TgTH0和TgTH-MID组则呈现中间值。这种速度的降低并非源于恐惧引发的"冻结"反应，而更可能反映了感染大鼠在猫区域内进行探索行为的特征性变化。

猫区域与非猫区域的速度差异

当比较大鼠在猫区域与非猫区域的移动速度时，研究发现未感染对照组、TgTH0和TgTH-MID组大鼠在猫区域内移动更快，而野生型和TgTH-HIGH组在两个区域间没有速度差异。这种空间行为模式的改变进一步支持了感染大鼠对猫尿区域的特异性反应。

在猫区域内移动的距离

虫株和性别双因素均影响大鼠在猫区域内的移动距离。雌性大鼠比雄性移动更远距离，且TgTH-HIGH和野生型感染组移动距离显著长于未感染对照组和TgTH0组。这种性别差异可能与雌性大鼠天然更高的活动水平以及在焦虑情境下更低的应激反应有关。

进入猫区域的频率

性别是影响进入猫区域频率的主要因素，雌性大鼠进入频率约为雄性的两倍，且这一现象与感染状态无关。这一发现与先前研究一致，进一步证实了在弓形虫行为研究中纳入双性别的重要性。

研究讨论部分指出，所有重组寄生虫系（包括过度表达株和对照株）诱导的行为改变强度均低于真实野生型弓形虫，这与基因修饰过程可能降低虫株生存力的普遍现象一致。然而，关键发现在于行为改变强度与TgTH表达水平呈现明确的剂量依赖性，为TgTH在弓形虫相关行为改变中的机制性作用提供了独特支持。

与先前使用小鼠模型的研究结果不同，本研究选用更具生物学相关性的大鼠模型，避免了小鼠模型中常见的急性发病症状对行为测定的干扰。同时，研究采用的"致命猫吸引力"行为测定方法具有高度特异性，能够检测弓形虫诱导的微妙行为变化，而不会受到非特异性应激反应的掩盖。

值得注意的是，尽管TgTH在行为操纵中扮演重要角色，但弓形虫对宿主行为的调控很可能涉及多通路协同作用。慢性感染可能影响多种神经递质系统，包括多巴胺、血清素、GABA、谷氨酸和去甲肾上腺素等，最终观察到的行为表型可能是这些复杂相互作用的总和。

该研究的创新之处在于首次提供了TgTH表达水平与行为改变程度之间的剂量依赖关系证据，为寄生虫操纵宿主行为的神经机制研究开辟了新方向。如果这一发现得到进一步证实，将对我们理解弓形虫感染相关神经精神疾病（如精神分裂症）的发病机制产生深远影响，并为开发针对寄生虫源性神经调控的干预策略提供理论依据。

未来研究可结合高效液相色谱等技术直接测定大脑内多巴胺水平，并比较不同毒力弓形虫野生株中天然存在的TgTH表达差异，以进一步完善对这一复杂调控网络的理解。随着对寄生虫-宿主相互作用的深入研究，我们或许能够揭示更多自然界中这些微小生物操控庞大宿主的精妙策略。