SARS-CoV-2调控中枢神经系统囊泡循环和短时程可塑性
SARS-CoV-2 Inhibits Exo-Endocytosis and Enhances Short-Term Depression at a Central Synapse
胡家玮1,2 • 张宇涵3 • 刘庆卓2 • 胡佳琦1,2,4 • 茹溢晨5 • 张鹭5 • 解立新6* • 薛磊1,2,7*
1复旦大学医学神经生物学国家重点实验室与教育部脑科学前沿科学中心，上海 200438，中国
2复旦大学生命科学学院生理与神经生物学系，上海 200438，中国
3上海交通大学医学院瑞金医院呼吸与危重症医学科，上海 200025，中国
4疼痛科，浙江省人民医院康复医学中心，杭州医学院附属人民医院，杭州 310014，中国
5复旦大学生命科学学院微生物学与免疫学系，上海200438，中国
6解放军总医院第八医学中心呼吸与危重症医学部，北100091，中国
7复旦大学智能复杂体系基础理论与关键技术实验室，上200433，中国
第一作者：胡家玮、张宇涵
通讯作者：薛磊、解立新
严重急性呼吸综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒感染（coronavirus disease 2019, COVID-19）在世界范围内迅速传播。随着疫情的扩散和临床病例数量的增加，SARS-CoV-2感染并不局限于呼吸道，也可累及心血管、消化、生殖及神经系统等。据统计，有15%-20%的感染者可能会经历COVID-19长期症状，包括头痛、气促、疲劳、抑郁和认知障碍等，表明SARS-CoV-2病毒除了感染呼吸系统外，还可导致严重的神经系统损伤。与COVID-19的急性症状相比，长期新冠中出现的神经和精神并发症对患者的生活质量产生更为严重的影响。
已有的动物实验证明SARS-CoV-2病毒可能对神经系统产生伤害，例如SARS-CoV-2病毒在仓鼠体内可通过嗅觉神经元的轴突进入中枢神经系统并引发炎症反应。已有研究表明，SARS-CoV-2病毒可以通过直接或间接的方式引起神经系统的相关症状，间接的方式可能与诱导过度免疫有关，而直接损伤对中枢神经系统的调控作用仍不清楚，缺乏SARS-CoV-2病毒对基础神经突触传递及可塑性调控的直接实验或临床证据。
本研究以脑干听觉通路上的谷氨酸能花萼状突触为标本，利用其巨大的神经末梢，可通过高精度的膜片钳在突触前记录钙信号，以及通过膜电容变化记录囊泡的释放和回收，同时也可在突触后神经元记录自发（miniature excitatory postsynaptic current, mEPSC）或诱发兴奋性电流（EPSC）。
研究人员利用包含Spike蛋白的SARS-CoV-2假病毒感染神经元，从突触前和突触后探究SARS-CoV-2感染对突触传递及可塑性的调控。通过免疫荧光实验发现SARS-CoV-2可以同时感染突触前和突触后神经元（图1A），随后利用全细胞膜片钳记录我们发现，在强刺激条件下，SARS-CoV-2感染在不影响钙通道特性和钙内流的情况下，显著抑制突触前神经末梢的囊泡胞吐和胞吞（图1B, C）。通过对突触后反应的检测，我们发现SARS-CoV-2不影响突触后神经元的自发发放和诱发发放（图1D-F），但是显著增强突触后的短时程可塑性STD（short-term depression，图1G）。进一步的动力学机制研究表明，SARS-CoV-2可显著降低可立即释放库（readily releasable pool, RRP）的补充速率，进而抑制了突触前的囊泡胞吞，增强了突触后STD的程度（图1H）。
图1 SARS-CoV-2抑制突触前囊泡胞吞和胞吞，增强突触后的短时程可塑性STD。A SARS-CoV-2感染突触前和突触后神经元。左图为Spike蛋白的免疫染色（红色）；中图为Bassoon（BSN）的免疫染色（绿色）；右图为Spike和BSN染色的叠加图。B Ctrl组和Infection组的I-V曲线。C 左图为给予depol20ms刺激记录的平均膜电容；右图为给予depol20ms x 10刺激记录的平均膜电容。D-F SARS-CoV-2不影响突触后mEPSC和EPSC。G 通过纤维刺激给予5 Hz的动作电位刺激诱发STD，SARS-CoV-2增强STD程度。H 左图为10个20 ms去极化刺激（10 Hz）诱发膜电容变化；中图为每个去极化刺激诱发膜电容上升量；右图为累积膜电容变化量。所有数据与第1个去极化刺激诱发的膜电容变化量进行归一化处理。
综上所述，该研究表明发现，SARS-CoV-2抑制突触前囊泡释放和回收过程，并增强突触后短时程可塑性STD的程度。这些结果为SARS-CoV-2影响中枢神经系统突触传递和突触可塑性提供了直接证据，也为深入理解长期新冠相关的神经系统损伤的机制提供新的认识。
关键词：SARS-CoV-2；突触传递；胞吐；胞吞；钙通道；短时程抑制
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https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-024-01293-0
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