【一次改變祖孫三代神經發育與行爲的感染】

      近年來寄生蟲與宿主的交互作用中，其中一個被熱烈討論的議題就是寄生蟲對宿主表觀遺傳檔案（epigenetic profile）的改變。表觀遺傳是一種不改變基因序列，通過對基因進行分子標記或改變染色體結構對基因表現進行調控的過程。表觀遺傳可以通過DNA甲基化（DNA methylation）、組蛋白修飾（histone modifications）以及非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）去改變個體的性狀。這種改變或短暫或深遠，甚至可以通過配子細胞傳遞給下一代。
       近五年來陸續有研究指出一種叫做弓形蟲（Toxoplasma gondii）的寄生蟲感染會大幅改變細胞的表觀遺傳體。弓形蟲屬於一種人畜共通的寄生蟲，主要感染溫血動物，有口糞和垂直感染兩種傳染途徑，一般不會對免疫力正常的人造成任何臨床症狀，但由於它會侵入中央神經系統發展成緩殖體（bradyzoites）並造成慢性發炎，因此免疫力低下的人很可能在被感染之後形成腦炎。除了造成生理疾病，弓形蟲感染也被發現可能會造成宿主的行爲發生異常 [1]。弓形蟲的感染也會改變體内表觀遺傳的檔案，如脾臟 [2] 以及腦中 [3] 巨噬細胞的微小核糖核酸（microRNA，miRNA）的組成。
        早期認爲精子對於受精卵發育的貢獻僅止於它所提供的單倍染色體。但有越來越多的證據顯示，精子内帶有的表觀遺傳修飾也會被遺傳下去，雕塑子代的性狀 [4]。綜上所述，Shiraz Tyebji 的團隊對於弓形蟲感染是否會通過精子内表觀遺傳的改變去影響後代的性狀非常感興趣，並將他們的研究成果於今年四月發表於 Cell Reports [5]。
        作者首先觀察了被弓形蟲感染的雄性老鼠在生殖參數上的改變。他們發現大部分受感染的小鼠在睾丸切片的染色中都發現了弓形蟲的囊腫（cyst）、且精子數量略低於未被感染的小鼠（圖一），也有較高比例的精子形態異常。

        爲了研究弓形蟲感染如何通過父系遺傳對子代產生影響，作者等人將受感染的雄性小鼠與正常的雌性小鼠進行交配生下子代F1（圖二）并且在 8 周齡的時候進行了一系列的行爲實驗。行爲實驗結果顯示 F1 的 PI 雄性小鼠（Paternal Infection，受感染小鼠的後代）對比 CNT 雄性小鼠（Uninfected control）具有更明顯的焦慮與憂鬱性狀，且運動能力有所提升，而在認知能力方面，PI 雄性小鼠的空間工作記憶（spatial working memory）以及對新奇物件的偏好程度（preference for novel object）有明顯的下降。至於社交能力，PI 雄性小鼠會花更多的時間去觀察裝有陌生小鼠的籠子，顯示社交能力的增加。但是在之後的社交回憶測試當中，PI 雄性小鼠卻無法辨別陌生與熟悉的小鼠，意味著社交判斷能力的下調。然而有趣的是，PI 雌性小鼠在精神狀況、物件辨認能力、認知能力以及社交能力中都沒有發現以上的現象。

        由於許多環境因素如藥物、慢性壓力、社交不穩定等對父代所帶來的負面影響不僅會延續到 F1 子代身上，也會表現在 F2 子代（圖二），有的甚至會直接跨代（transgenerational）遺傳到 F2 子代，因此作者進一步探討弓形蟲感染是否也會出現跨代遺傳的現象。PI 小鼠的後代 GPI 雄性小鼠（Grand-paternal infection）同樣會出現焦慮現象，而在空間記憶能力測試的部分，不論是雄性和雌性 GPI 小鼠的空間參考記憶對比 CNT 小鼠都有受損的現象。在社交能力實驗中，和 F1 小鼠相同，GPI 小鼠雖然對陌生小鼠也會產生反應，但在回憶的過程中依然沒有對陌生小鼠產生偏好，且此現象在雄性 GPI 小鼠中較爲嚴重，從以上實驗中可見弓形蟲感染可以通過父系進行跨代遺傳。
        最後，作者還有針對這個遺傳現象進行分子機制上的探討。透過高通量定序結果可以發現弓形蟲感染小鼠與控制組小鼠在近 26% 的小核糖核酸（Small RNA）中有所差異。從這些差異表達的小核糖核酸可以推斷出他們所對應的基因在也有一定程度上的改變。將這些差異表達的基因利用 KEGG、GO 以及小鼠 Reactome 等線上資料庫進行分析後，發現與免疫系統相關的分子路徑被大幅上調 (up-regulated)，反之與繁殖、代謝相關的分子路徑則被大幅下調 (down-regulated)（圖三）。接著爲了確定這些小核糖核酸的改變的確與在 PI 與 GPI 小鼠中所觀察到的行爲測試結果存在因果關係，作者將分離自感染小鼠的小核糖核酸注射到另一隻母鼠的卵子中。將這個卵子所繁衍出來的後代小鼠去進行先前所提過的所有行爲測試中可以發現結果複刻了 PI 與 GPI 的所有表現型，確立了弓形蟲感染后所造成的精細胞表觀遺傳檔案的重組的確在改變後代行爲中扮演非常重要的角色。

        本篇研究説明了父代的寄生蟲感染有機會通過精子的表觀遺傳影響多世代的性狀。由於弓形蟲是一個常見具有感染性的寄生蟲，公共衛生相關單位應該要意識到其對社群精神健康所造成的影響，投入更多的精力去撲殺這類型的病原體。

參考文獻：
1. 王登鶴，王震宇，翁夢璐，陳敏芳，陳淑廷, 弓形蟲感染症簡介. 感染控制雜誌, 中華民國99年. 第二十卷第五期.

2. He, J. J., Ma, J., Wang, J. L., Xu, M. J., & Zhu, X. Q. (2016). Analysis of miRNA expression profiling in mouse spleen affected by acute Toxoplasma gondii infection. Infection, Genetics and Evolution, 37, 137-142. doi: 10.1016/j.meegid.2015.11.005.

3. Li, S., Yang, J., Wang, L., Du, F., Zhao, J., & Fang, R. (2019). Expression profile of microRNAs in porcine alveolar macrophages after Toxoplasma gondii infection. Parasites & vectors, 12(1), 65. doi: 10.1186/s13071-019-3297-y.

4. Perez, M. F., & Lehner, B. (2019). Intergenerational and transgenerational epigenetic inheritance in animals. Nature cell biology, 21(2), 143-151. doi: 10.1038/s41556-018-0242-9.

5. Tyebji, S., Hannan, A. J., & Tonkin, C. J. (2020). Pathogenic Infection in Male Mice Changes Sperm Small RNA Profiles and Transgenerationally Alters Offspring Behavior. Cell Reports, 31(4), 107573. doi: 10.1016/j.celrep.2020.107573.

撰文｜馮家鳴
審稿｜李亞芸