《Journal of Virology》：Viral modulation of synaptic pruning: implications for neuropathology and brain function
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这篇综述系统阐述了病毒调控突触修剪（Synaptic Pruning）的分子机制及其对神经病理学和脑功能的影响。文章指出，突触修剪是神经发育的关键过程，由小胶质细胞（Microglia）和星形胶质细胞（Astrocytes）介导，涉及补体系统（如C1q、C3）、TREM2、CX3CL1等关键分子。多种神经嗜性病毒（如ZIKV、HIV、SARS-CoV-2）通过激活神经炎症、改变突触蛋白（如PSD-95、Arc）表达、干扰神经元活性（如NMDA受体、Ca2+信号）等途径，导致突触过度丢失或滞留，进而引发认知障碍、神经发育性疾病和神经退行性疾病（如AD、 schizophrenia）。该综述为理解病毒相关神经病理机制提供了新视角，并指明了未来治疗策略的研究方向。
ABSTRACT
突触修剪是关键的神经发育过程，通过消除多余或薄弱的突触来优化神经回路，从而增强学习和记忆等认知功能。新证据表明，病毒感染能深刻影响整个神经系统的突触过程。病毒病原体可破坏突触可塑性、改变突触蛋白表达、并失调负责突触清除的机制。这些干扰通常通过补体系统、炎性细胞因子以及突触后密度蛋白的异常表达来介导。根据感染的性质和程度，病毒对突触修剪的干扰可能导致过度突触丢失或突触保留，两者均与认知衰退和神经发育障碍等神经病理结局相关。本综述探讨了突触修剪的分子和细胞机制，并重点阐述了各种神经嗜性病毒对这些过程的影响。
INTRODUCTION
发育过程中，过多的突触需要被清除以调控其数量和功能。突触修剪是一个关键的神经发育过程，其中小胶质细胞吞噬并清除“薄弱”或非活性的突触。这一机制确保神经回路得到有效优化，增强认知功能和整体大脑健康。突触修剪现象首次于20世纪70年代在胎猫的背外侧膝状体（dLGN）中被观察到。此后，广泛研究表明突触修剪发生在大脑的不同区域，如杏仁核、小脑、前额叶皮层、嗅球和海马体。该过程在早期发育阶段起着关键作用，促进神经网络的正常成熟，并有助于形成功能完善且高效的大脑。对突触修剪的理解对神经科学具有重要意义，为神经可塑性机制和整个生命周期内认知功能的维持提供了见解。突触修剪也可能清除脊椎动物和无脊椎动物中枢神经系统（CNS）突触前和突触后终末的轴突和树突棘小片段。从胚胎发育中期到青春期，突触修剪优化了大脑中的神经元连接，例如胼胝体。
神经系统突触修剪的下调会导致异常连接，这些连接与自闭症、癫痫和精神分裂症等神经元疾病有关。另一方面，多项研究显示补体系统调节的突触修剪在神经退行性疾病中产生负面影响，包括阿尔茨海默病（AD）、亨廷顿病、多发性硬化（MS）、多系统萎缩以及帕金森病（PD），这导致突触大量消除并导致认知和行为障碍。在此方向上，小鼠内侧前额叶皮层（mPFC）的突触功能障碍导致突触清除显著减少以及功能和结构连接中断。这些改变与神经精神疾病有关。
包括病毒在内的传染源与影响突触可塑性和突触修剪的功能和结构变化有关。研究表明，病毒感染，如流感、狂犬病、博尔纳病、单纯疱疹、2019冠状病毒病（COVID-19）和人类免疫缺陷病毒（HIV），通过改变基因表达、突触蛋白和促炎细胞因子的调节，改变突触传递并导致大脑中异常的突触修剪。
MECHANISMS OF SYNAPTIC PRUNING
Microglial phagocytosis
小胶质细胞负责中枢神经系统的突触重塑和突触优化。研究表明，fractalkine和髓样细胞触发受体2（TREM2）信号通路参与海马体内的突触修剪。C-X3-C基序趋化因子配体1（CX3CL1）作为Fractalkine受体配体，是一种独特的以膜结合形式存在的趋化因子，在神经-胶质细胞通讯中起关键作用并调节小胶质细胞活性。它在小脑的突触修剪中起重要作用。CX3CL1水平在海马体内毛果芸碱诱导的癫痫持续状态（一种颞叶癫痫（TLE）模型）后增加。
中枢神经系统补体途径的激活也在神经发育过程中促进小胶质细胞调节的突触修剪。在这方面，TLE患者的海马硬化导致补体成分增加，影响癫痫病理生理学。在体感皮层失神发作模型中，已明确表明小鼠补体成分1q（C1q）敲除导致脊柱密度、突触连接性和兴奋性增加。相反，C1q水平升高与神经退行性疾病模型中的突触修剪有关。另一组研究表明，C1q敲除导致视网膜膝状体系统中突触前结构的磷脂酰丝氨酸（PS）积累和沉积。此外，补体成分3（C3）作为经典补体途径的蛋白质之一，在发育过程中介导突触修剪。在众多补体分子中，C3在经典途径和凝集素途径中均被激活，控制大脑发育过程中突触的清除。替代途径可直接由C3b启动。C3b激活与补体3a受体（C3aR）连接的补体系统效应途径。补体蛋白C1q、C3和C4通过标记不适当的神经元连接以进行清除来介导突触消除。在突触修剪期间，小胶质细胞转变为专门的、高度吞噬的状态来执行此过程。对C1q和C3敲除小鼠的研究显示异常的突触活动，这可能是由于突触丢失中断所致。
除了上述途径，还有几种其他机制有助于小胶质细胞执行的突触修剪过程。在海马神经元和小胶质细胞共培养中，PS的激活介导突触修剪。TREM2的突变也在促进神经退行性疾病和行为功能障碍中起核心作用。TREM2在神经元进展的早期阶段在海马体中显著表达，而TREM2敲除影响中枢神经系统（包括皮层和海马体）中的小胶质细胞激活。最近一项研究报告称，TREM2突变导致突触密度增加、脊柱消除和脊柱优化。TREM2表达缺陷导致海马神经元中的突触吞噬中断。有研究表明，TREM2在海马发育早期限制突触丢失。TREM2的缺失导致星形胶质细胞在海马发育过程中进行过度的突触修剪。报告还显示，TREM2可以通过在视网膜膝状体通路中添加C1q和C3蛋白来调节突触修剪。此外，TREM2可以促进皮层前边缘区域非活性突触的修剪。在AD中，TREM2通过与载脂蛋白E（APOE）和C1q的相互作用促进突触清除。还有研究提出TREM2可能通过结合PS来调节突触修剪。PS利用乳脂肪球表皮生长因子8（MFG-E8）提高了嗅球和海马体中树突棘的清除率，并破坏了海马体（如齿状回（DG））中突触的成熟。此外，Mer受体酪氨酸激酶（MER）和G蛋白偶联受体56（GPR56）介导的通路对于调节突触修剪也至关重要，特别是在抑制性突触后。这些受体与位于凋亡细胞表面的PS相互作用，并控制突触重塑。MER通过清除凋亡细胞，与PS结合并介导吞噬性清除不必要或受损的突触。类似地，GPR56是另一个与PS相互作用的受体，通过影响小胶质细胞活性和清除特定的突触成分参与突触修剪的调节。
Astrocytic involvement
星形胶质细胞在中枢神经系统中调节突触的形成、功能和清除。研究发现，星形胶质细胞在突触清除中的吞噬活性关键依赖于两个关键的吞噬受体：多重EGF样结构域10（MEGF10）和Mer酪氨酸激酶（MERTK）。MEGF10是一种细胞表面受体，以其介导星形胶质细胞吞噬突触碎片的作用而闻名。它与需要被清除的突触元件结合，促进它们的摄取和清除。该受体对于确保有效清除多余或受损的突触至关重要，这对于维持正常的神经连接和功能至关重要。
类似地，MERTK是另一个重要的受体，参与突触成分的吞噬作用。MERTK与暴露在死亡或重塑突触表面的PS相互作用，促进星形胶质细胞对它们的识别和摄取。这种相互作用对于响应神经元活动而有序地修剪突触连接至关重要。MEGF10和MERTK也参与神经活动依赖的突触修剪。研究表明，MEGF10和MERTK双重缺陷会导致dLGN（发育性突触清除的经典模型）中的突触清除中断。因此，dLGN中MEGF10和MERTK的高表达可以促进突触缩放。此外，星形胶质细胞中的MEGF10突变已被证明会损害丘脑皮层网络和V1区在单眼剥夺后的小鼠中的突触修剪和突触数量减少。另外，海马Cornu Ammonis（CA1）神经元中的MEGF10缺失会损害突触可塑性和记忆形成，这可能是由于星形胶质细胞对较弱/被剥夺突触的清除中断所致。
Neuronal activity
神经元活动是调节突触强度和驱动神经回路重组的基本机制。神经元活动导致早期基因（即响应神经元活动而上调的宿主基因）的表达，从而触发神经回路的消除。几个基因，如Arc和JAK/STAT，受特定通路影响，响应强烈的神经元活动而影响突触树枝化。具体而言，小脑浦肯野细胞中的Arc蛋白调节冗余突触的修剪。此外，研究表明，由肌细胞增强因子2诱导的Arc高表达介导海马神经元中的突触丢失。另外，Arc在诱导长时程抑制（LTD）和通过α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体内存作用引起的非活性棘突触的细胞全局突触缩放中是必需的。在发育过程中，JAK2/STAT1信号在扣带皮层和海马体的突触优化中起着显著作用。
GUIDANCE MOLECULES IN NEURAL PRUNING
Neurotrophic factors
脑源性神经营养因子（BDNF）在大脑中在突触可塑性和突触修剪中起关键作用。BDNF介导认知功能和突触连接的作用。例如，BDNF介导的突触可塑性和增强的神经元自噬有助于大脑中突触修剪的强化。Orefice等人表明，成熟BDNF通过激活Rac1和TrkB通路调节脊柱修剪。前体BDNF通过p75NTR受体激活RhoA，促进活性突触处的脊柱生长。相反，成熟BDNF利用相同的受体在发育性修剪过程中直接诱导轴突变性。BDNF进行突触修剪的生理机制尚未完全明了。有研究表明，前体BDNF/成熟BDNF的破坏可能在认知障碍中产生突触清除。例如，Yesilkaya等人报告称，前体BDNF/成熟BDNF的失衡与精神分裂症的进展有关，因为假设精神分裂症可能与过度的突触修剪有关。
Semaphorins
Semaphorins是在整个中枢神经系统以及神经系统发育的各个方面广泛表达的保守蛋白，包括神经元形态发生、突触可塑性、电活动、突触发生、神经发生和突触优化。最近研究表明，Semaphorins的成员在神经连接中起重要作用并调节突触功能。在所有Semaphorins中，第3类，包括Sema3A、Sema3F、Sema3E，以及第4类分泌型Semaphorins如Sema4B和Sema4D，以及Sema6A、Sema5A和Sema5B，可以直接或间接调节从胚胎发生到成年期海马体、延髓、嗅球、视网膜和基底节中的树突发育。在Semaphorins的所有成员中，Sema3A和Sema3F在突触修剪中作用最重要。例如，在出生后小鼠发育期间，Sema3A通过Npn-1/PlexA4信号促进皮层第5层锥体细胞中的树突树枝化、突触分布和神经元极性。其他研究表明，Sema3A和Sema3F可以通过PlexA3触发海马神经元的修剪。此外，在海马体的颗粒细胞（GC）中，Sema3A通过激活FAK的酪氨酸磷酸化（Tyr 397）和丝氨酸磷酸化（Ser 732），可以调节选定神经元神经突分支的突触形成。在皮层神经元中，Sema3F激活两条涉及小GTPases Rac1（Rac1-PAK1-3-LIMK1/2-Cofilin1）和Rho-A（RhoA-ROCK1/2-Myosin II）的信号通路，导致树突棘显著减少。此外，Sema3F通过Tiam1和Rac1促进突触消除。而且，据报道Sema3A通过Npn1和PlexA2激活介导轴突排斥。
Netrins and their receptors (DCC and UNC-5)
Netrins是分泌型轴突导向蛋白，通过调节Rho-GTPases Cdc42、RhoA和Rac1，增强细胞内Ca2+，从而调节中枢神经系统中的突触发生、突触可塑性、树突生长和突触消除。在哺乳动物的中枢神经系统中，DCC和UNC-5是Netrin的两类受体，可以直接介导大脑发育过程中的轴突迁移、形态发生和轴突排斥，但其机制尚未完全阐明。研究表明，DCC参与吸引和排斥反应，而UNC5只能调节轴突排斥反应。此外，成熟哺乳动物海马体中的DCC可以调节锥体神经元新生突触的树突树枝化。另外，有研究表明在非洲爪蟾视网膜神经节细胞中，DCC可以直接影响树突生长而不改变分支数量，而UNC-5显著增加新分支但降低分支稳定性。同样，UNC-5在线虫的神经母细胞瘤细胞中引导神经突生长并调节运动神经元的轴突重塑。因此，DCC和UNC-5介导轴突导向、维持和树突树枝分化。
Ephrin and ephrin receptors
Ephrin受体家族是跨膜酪氨酸激酶受体，是调节神经元形态所必需的。此外，ephrin和ephrin受体涉及大脑的多种功能，如情绪、学习、记忆、突触发生、突触修剪、突触传递、恐惧条件反射、记忆形成和联想记忆。研究表明，海马体中ephrin的缺失导致突触形成和重塑受损，这与回忆情境记忆困难有关。同样方向，Nguyen等人表明，小鼠CA1海马神经元的缺失可能导致新棘突形成减少，从而损害情境记忆的回忆。缺乏ephrin-B（EB）受体的小鼠在海马锥体神经元中表现出异常的脊柱形态。然而，Koeppen等人证明，雄性小鼠海马CA1区ephrin B1受体缺失导致未成熟树突棘增加并增强情境恐惧记忆回忆。研究表明，在出生后发育期间，ephrin-B3（EB3），一种Ephrin受体，可以介导小鼠海马苔状纤维轴突的消除。此外，在Schaffer/CA3-CA1回路中，突触后EB3受体是树突吞噬和脊柱形成所必需的。这与先前的研究一致，表明EB3在皮层和海马体的神经元中在出生后发育期间的轴突修剪中起重要作用。同样，EB3在基底杏仁核的神经元中介导先天恐惧行为所需的轴突修剪。这些发现表明Ephrin受体在树突棘发育中起中介作用。
VIRAL INFECTION
病毒感染可对神经系统产生深远影响，通常通过诱导细胞凋亡和破坏血脑屏障导致突触功能障碍。受影响的关键过程之一是突触修剪，这对于健康神经网络的发展至关重要。病毒进入中枢神经系统导致脑功能改变。这些神经嗜性病毒影响突触活动并引起行为疾病，如焦虑、攻击性和社交孤立，这些都与树突棘的周转有关。不同病毒对神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞的感染可诱导凋亡途径并上调促炎细胞因子的分泌，包括白细胞介素-1β（IL-1β）、8和肿瘤坏死因子（TNF-α）。病毒感染期间引起的反应可能无意中靶向突触，导致其移除或功能障碍。这会破坏突触连接的微妙平衡，导致认知和神经功能损害。理解病毒感染影响突触修剪的机制对于制定减轻这些不利影响并保护神经功能的治疗策略至关重要。
SYNAPTIC PRUNING IN VIRAL INFECTION
有研究表明，在病毒感染期间，胶质细胞的激活作为发病机制的一部分导致突触修剪。几项研究表明，在中枢神经系统感染期间，激活的小胶质细胞通过增加促炎细胞因子和趋化因子的产生促进突触丢失。脑感染的鼠模型也表明，由CD8+T细胞在小胶质细胞中激活的干扰素信号加剧了病毒感染中的突触消除。此外，病毒感染后，内质网（ER）中蛋白质的高积累启动了抗氧化细胞系统的降解，可能改变突触清除。例如，在COVID-19患者中，神经元细胞死亡介导的突触修剪是由于抗氧化细胞系统的变化所致。病毒感染在不同大脑区域突触修剪中的关键作用将在下文回顾。
Zika virus
黄病毒科包括几种病毒，如寨卡病毒（ZIKV）。这些病毒在免疫反应和细胞凋亡中扮演显著角色。ZIKV于1947年在乌干达首次发现，此后被发现会在怀孕期和成年期引起神经细胞的显著细胞和分子改变。ZIKV导致人类神经系统疾病，包括脑病和行为功能障碍。慢性ZIKV在海马体的亚区（记忆形成的关键脑区）引发神经炎症。有趣的是，ZIKV靶向海马体，导致突触可塑性受损。在小鼠培养物、前脑脑室下区和海马切片颗粒细胞下区，慢性ZIKV暴露影响成年大鼠海马体的神经干细胞，与神经元凋亡、突触损伤和增殖减少相关。实验模型也表明ZIKV暴露可以改变神经元通讯。ZIKV对胶质细胞-神经元通讯的改变取决于大脑中分子信号级联的表达。ZIKV通过核因子E2相关因子2（Nrf2）和核因子κB（NF-κB）信号级联在海马体齿状回（DG）引发与神经退行性疾病相关的神经炎症。海马体中Nrf2的表达缺失与星形胶质细胞增生和炎症机制有关。ZIKV急性感染中枢神经系统引起的Nrf2激活产生几种抗氧化系统，如谷胱甘肽（GSH）、谷氨酸半胱氨酸连接酶催化亚基（GCLC）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD），但抑制这些抗氧化剂会增加病毒复制。在海马体中，NF-κB可能是ZIKV诱导脑细胞损伤的重要组成部分，通过调节细胞因子和趋化因子的表达。NF-κB在脑中可以在ZIKV感染时激活干扰素基因刺激物（STING）。同样，响应ZIKV感染，NF-κB增加促炎细胞因子如IL-1β和IL-6并介导突触丢失。最近有研究表明，许多黄病毒，包括ZIKV，通过IFN-γ的高表达参与突触和轴突的清除。IFN-γ导致神经元吞噬、神经元凋亡减少以及ZIKV感染动物海马体亚区突触后终末的丢失。IFN-γ在突触形成、记忆和学习中起基础作用。缺乏IFN-γ的小鼠显示神经发生增加、海马可塑性增强、认知能力提高和突触形成增加。缺乏IFN-γ显示海马神经元、小脑和前额叶皮层（PFC）中突触构型的高比率，这些脑区分别涉及学习和记忆、运动和决策制定。IFN-γ附着于神经细胞，引发细胞内连锁反应。这导致破坏突触的改变。为了发生这种破坏，STAT1蛋白被JAK1和JAK2酶磷酸化，这在突触剥离中起关键作用。ZIKV感染小鼠CA1锥体神经元中的神经元凋亡可影响空间学习。
ZIKV在中枢神经系统中诱导TNF-α，影响神经元信号传导、神经元分化和突触可塑性。Figueiredo等人报告称，在感染后48-72小时的时间叶皮层切片中，ZIKV导致TNF-α水平升高、C1q/C3过表达、脑炎症和小鼠记忆功能障碍（感染后14-30天）。阻断TNF-α信号和补体分子如C1q/C3可恢复这些小鼠的学习和记忆缺陷。总之，这些发现证实了ZIKV感染后中枢神经系统中细胞因子和补体分子被激活。也有研究表明ZIKV可以增加中枢神经系统中的C1q、C3及其受体。ZIKV感染可以启动与小鼠
