SARS-CoV-2 вызывает нейропатологии, заставляя нейроны сливаться

Многие вирусы используют фузогены (поверхностные белки, участвующие в слиянии клеточных мембран) для проникновения в заражаемые клетки. Это свойственно, например, вирусу SARS-CoV-2. В первую очередь SARS-CoV-2 приводит к респираторной инфекции, однако в ряде случаев вирусная РНК и белки детектировались и в головном мозге, особенно при затяжных формах. Недавнее исследование, посвященное этому механизму, объясняет, как SARS-CoV-2 вызывает слияние клеток головного мозга, приводя к нарушению работы нейронов и затем к хроническим неврологическим симптомам.

В настоящее время известно множество вирусов, способных инфицировать нейроны. К ним относятся вирус бешенства, вирус простого герпеса, вирус Эпштейна–Барр, различные реовирусы и коронавирусы. Поражение нейронов вызывает множество неврологических симптомов, включая головную боль, лихорадку, спутанность сознания, потерю вкуса или обоняния. В тяжелых случаях вирусные инфекции приводят к параличу или летальному исходу. Интересно, что не все вирусы убивают клетку-хозяина — из этого следует, что вызванные ими нейропатологии должны быть объяснены другими механизмами.

Авторы опубликованной в Science Advances работы установили, что к образованию многоядерных синцитиев из клеток мозга при инфекции SARS-CoV2 приводят вирусные фузогены. Как и многие другие оболочечные вирусы, SARS-CoV-2 использует эти белки для слияния с мембраной клетки-хозяина. После заражения клетки на ее мембране экспрессируются фузогены самого вируса, приводя к слиянию с соседними клетками.

Слияние клеток авторы работы наблюдали при помощи внутриклеточных флуоресцентных меток, отслеживая их перемещение между клетками в культурах гиппокампа мышей и в органоидах головного мозга человека. Было установлено, что инфицирование вирусом SARS-CoV-2 приводит к слиянию нейронов и глиальных клеток в различных комбинациях (между нейронами, между нейронами и глией, а также между клетками глии).

В качестве основного рецептора SARS-CoV-2 использует ангиотензинпревращающий фермент 2 (ACE2) на поверхности клеток. Связывание с ним S-белка вызывает слияние вирусной липидной оболочки с клеточной мембраной, обеспечивая проникновение вируса в клетку. Авторы показали, что при поверхностной коэкспрессии ACE2 и S-белка происходит слияние клеток. Функциональность белка также играет роль — экспрессия неактивной мутантной формы S-белка не вызывала слияния нейронов.

В большинстве тканей синцитий образуется на уровне клеточных тел. Изучение слияний между нейронами показало, что в нем могут участвовать не только тела нейронов, но и их отростки — нейриты. Длина таких слияний сильно варьировала и достигала сотен микрометров — эту особенность важно учитывать, поскольку подобную структуру легко пропустить при поиске классического многоядерного синцития.

Исследователи также установили, что формируемые нейронами межклеточные мостики позволяют им обмениваться достаточно крупными структурами. Так, с помощью экспрессии флуоресцентного митохондриального маркера mito-mPA-GFP ученые отследили движение митохондрий между соединенными клетками. Авторы предполагают, что вирусы, а также другие токсичные агрегаты могут использовать эти пути для распространения в соседние клетки.

Примечательно, что слившиеся нейроны оставались жизнеспособными долгое время. Их функциональная активность при этом зависела от локализации контактов. Так, слияние на уровне тел нейронов приводило к полной потере нейрональной активности, как и слияние нейронов с глиальными клетками. Большинство нейронов при этом сливались нейритами и обладали синхронной нейрональной активностью. Сохранение индивидуальности, или дискретности нейронов имеет решающее значение для правильного функционирования нервной системы. Такое слияние нейронов может объяснять ассоциации между инфекцией вирусом простого герпеса и болезнью Альцгеймера, ВИЧ и болезнью Паркинсона, вирусом Эпштейна–Барр и рассеянным склерозом.

Риск вызванного вирусом слияния нейронов зависит от вирусной нагрузки в головном мозге и локализации инфицированных областей. Например, в случае SARS-CoV-2 слияние нейронов зависит от экспрессии ACE2 и других факторов заражения клетки хозяина, таких как TMPRSS2 (трансмембранная сериновая протеаза) и NRP1 (нейропилин 1, мембранный белок нейронов человека) в соседних нейронах.

Авторы исследования также отметили, что большинство существующих подходов к иммунизации против COVID-19 основаны на экспрессии клетками S-белка в качестве эпитопа, запускающего реакцию иммунной системы. В существующих вакцинах полноразмерный белок содержит мутации, которые инактивируют его фузогенность. Однако полученные результаты поднимают важный вопрос: при разработке будущих вакцин, основанных на экспрессии вирусного антигена в клетках млекопитающих, необходимо учитывать вирусный фузогенный потенциал.

Патанатомия COVID-19: что в голове