NINJ1

编辑丨王多鱼排版丨水成文细胞焦亡（Pyroptosis）是一种由细胞质内病原体或内源性危险信号的检测所触发的程序性坏死类型。发生细胞焦亡的细胞会呈现出肿胀、体积增大的形态，最终发生细胞裂解，将细胞质内的成分（例如蛋白质、代谢物和核酸）释放到细胞外空间。这些分子可作为损伤相关分子模式（DAMP）发挥作用，当被邻近细胞检测到时会引发炎症。从机制上讲，细胞焦亡是由 gasdermin 蛋白家族成员启动的，该蛋白家族成员十年前被确认为细胞死亡的孔道形成执行者。哺乳动物的 gasdermin 由一个细胞毒性 N 端结构域、一个灵活的连接区以及一个与 N 端结合并抑制其活性的 C 端调节结构域组成。连接区内的蛋白水解切割会释放出 N 端结构域，使其能够靶向各种细胞膜结构（包括核膜、线粒体膜和质膜），在这些膜上形成大的跨膜孔。质膜上的 gasdermin 孔破坏了电化学梯度，导致水分子流入和细胞肿胀。它们的形成还会激活膜蛋白损伤诱导神经生长抑制因子 1（NINJ1），该蛋白发生寡聚化，从而导致质膜完全破裂并释放出大量损伤相关分子模式（DAMP）。自从被发现是打孔蛋白以来，gasdermin 蛋白不仅在宿主防御中，而且在各种病理条件下都与细胞焦亡相关联。这篇综述论文探讨了细胞焦亡的历史、近期有关 gasdermin 激活的新见解、孔形成对细胞产生的影响，以及细胞焦亡的生理作用。2025 年 4 月 2 日，瑞士洛桑大学 Petr Broz 教授在 Cell Research 期刊发表了题为：Pyroptosis: molecular mechanisms and roles in disease 的综述论文。细胞死亡是多细胞生物发育、组织稳态维持以及免疫和宿主防御所必需的一个重要过程。程序性细胞死亡（PCD）的重要性体现在这样一个事实：在调节细胞死亡诱导的信号通路存在缺陷的动物中，胚胎发育期间会死亡，出现发育缺陷，或者更容易受到感染。细胞死亡最初被分为两种形式：一种是主动执行或受调控的细胞死亡形式，称为细胞凋亡（Apoptosis）；另一种是由外部因素（如细胞损伤或毒素）引起的被动、不受调控的细胞破裂，称为细胞坏死（Necrosis）。细胞凋亡是由特定的信号级联反应启动的，这些级联反应调节凋亡性半胱天冬酶（一种执行细胞死亡的蛋白酶家族）的激活，因此被归类为序性细胞死亡。细胞凋亡能保持细胞质膜的完整性，因此通常被认为在免疫学上是无反应的，而细胞坏死期间细胞质膜破裂会释放细胞质因子，这些因子作为所谓的“危险信号”或“损伤相关分子模式（DAMP）”，即当被邻近细胞检测到时会引发组织炎症的分子。过去二十年的研究模糊了程序性细胞死亡和细胞坏死之间的区别，因为已发现了几种其他细胞死亡方式，它们都导致一种程序性或受调控的坏死形式。在这些细胞死亡方式中，研究得最为透彻的是细胞焦亡（Pyroptosis）、坏死性凋亡（Necroptosis）和铁死亡（Ferroptosis）。在这篇综述中，Petr Broz 教授重点关注细胞焦亡，这种细胞死亡形式于 1990 年代末首次被报道，是宿主对病原体感染免疫反应的一部分。细胞焦亡主要与炎性小体复合物的激活有关，炎性小体复合物是由模式识别受体（PRR）在检测到病原体来源或内源性危险信号时组装而成的先天免疫信号平台。然而，自从发现了 gasdermin 这一类能引发细胞焦亡的成孔蛋白家族以来，人们认识到细胞焦亡也可由许多其他独立于炎性小体激活的信号通路所诱导。这推动了细胞焦亡研究的迅速扩展，揭示了这种细胞死亡形式在免疫、发育和癌症方面的重要作用。在这篇综述中，Petr Broz 教授总结了细胞层面诱导细胞焦亡的机制及其在疾病中的作用，特别关注了近期有关调控 gasdermin 激活以及细胞死亡诱导的分子机制的新见解。细胞焦亡研究史上的关键事件炎性小体激活的细胞焦亡过程中的事件序列哺乳动物gasdermin的激活在 GSDMD 或 NINJ1 水平上抑制细胞焦亡自从细胞焦亡被发现以来，在理解诱导这种细胞死亡形式的分子机制及其在健康和疾病中的作用方面取得了重大进展。gasdermin 作为细胞焦亡执行者的开创性发现改变了这一领域，使人们得以了解细胞如何发生焦亡，并为探索 gasdermin 和细胞焦亡在各种疾病中的重要性提供了遗传学研究的可能。这些研究表明，焦亡性细胞死亡是一种生理上重要的过程，对于宿主抵御多种病原体至关重要。然而，也已清楚的是，当细胞焦亡不受控制地发生时（例如在炎性小体病中）会对宿主造成极大的危害，这凸显了制定调控细胞焦亡诱导策略的必要性。为解决这一问题，需要进一步研究来探究细胞如何控制 gasdermin 的激活，尤其是通过翻译后修饰和其他调控 gasdermin 与膜相互作用及孔隙形成的机制。了解这些过程可能会揭示出阻止细胞焦亡的新策略。此外，研究应侧重于开发抑制剂或拮抗性抗体。这些已显示出前景，例如抗 GSDMD 纳米抗体能够减少细胞中的细胞焦亡，抗 NINJ1 抗体能够减轻肝损伤模型中的炎症。在已证实 gasdermin 参与其中的疾病模型中进一步验证这些方法至关重要。鉴于 gasdermin 在炎症和细胞死亡中发挥的多方面作用，开发新的方法来调节其活性无疑将在未来几年内成为研究的活跃领域。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-025-01107-6设置星标，不错过精彩推文开放转载欢迎转发到朋友圈和微信群 微信加群 为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。点在看，传递你的品味

每天，我们体内都有数以百万计的细胞死亡。细胞在其生命结束时并不是简单地破裂，而是由一种特定的蛋白作为细胞膜破裂的破裂点。在一项新的研究中，来自瑞士巴塞尔大学、洛桑大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员能够 每天，我们体内都有数以百万计的细胞死亡。细胞在其生命结束时并不是简单地破裂，而是由一种特定的蛋白作为细胞膜破裂的破裂点。在一项新的研究中，来自瑞士巴塞尔大学、洛桑大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员能够在原子水平上阐释这种确切的机制。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Structural basis of NINJ1-mediated plasma membrane rupture in cell death”。 细胞死亡对所有有机体都至关重要。受损的细胞或感染了病毒或细菌的细胞通过启动一种内置的“自杀”程序来消除自己，从而防止肿瘤产生和病原体在体内的传播。 在此之前，人们还认为细胞只是在其生命结束时破裂和死亡。如今，这些作者对细胞死亡的最后一步有了新的认识。他们描述了一种名为ninjurin-1（NINJ1）的蛋白如何组装成细丝，所组装的细丝像拉链一样发挥作用并打开细胞膜，从而导致细胞解体。这一新的见解是理解细胞死亡的一个重要里程碑。 蛋白作为细胞膜的一个破裂点 多种信号，比如细菌成分，触发了细胞死亡机制。在这个过程的最后阶段，细胞的保护膜被允许离子流入细胞的微小孔破坏。论文共同通讯作者、巴塞尔大学生物中心的Sebastian Hiller教授解释说，“一般的理解是细胞随后膨胀，直到最后因渗透压增加而爆裂。我们如今正在解决细胞如何真正破裂的问题。蛋白ninjurin-1不是像气球一样爆裂，而是在细胞膜上提供了一个破裂点，导致特定部位发生破裂。” 通过使用先进的技术，如高度灵敏的显微镜和核磁共振光谱，这些作者能够阐明ninjurin-1在单原子水平上诱发细胞膜破裂的机制。Ninjurin-1是一种嵌入细胞膜的小蛋白。 质膜蛋白NINJ1的聚合化动力学。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05991-z。 论文共同第一作者Morris Degen解释说，“收到这种自杀命令后，两个ninjurin-1蛋白最初聚集在一起，在细胞膜上钻出一个楔子。较大的损伤和孔是由更多的ninjurin-1蛋白附着在最初钻出的楔子上形成的。通过这种方式，细胞膜被一块一块地撕开，直到细胞完全瓦解。”随后，所产生的细胞碎片被身体自身的清洁服务清除。 Hiller补充说，“如今很明显，没有ninjurin-1，细胞就不会破裂。由于离子的涌入，它们确实在一定程度上膨胀，但细胞膜的破裂取决于这种蛋白的功能。教科书中关于细胞死亡的章节将因这些美丽的结构性见解而得到扩充。” 对细胞死亡的更深入了解将促进寻找新的药物靶点。治疗癌症的干预措施是可以想象的，因为一些肿瘤细胞会逃避程序性细胞死亡。此外，在神经退行性疾病（如帕金森病）或危及生命的疾病（如败血症）中观察到的细胞过早死亡的情况下，干预这一过程的药物可能是一种潜在的治疗选择。（生物谷 Bioon.com） 参考资料： 1. Morris Degen et al. Structural basis of NINJ1-mediated plasma membrane rupture in cell death. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05991-z. 2. Protein serves as a breaking point for cell membrane rupture during cell deathhttps://phys.org/news/2023-06-protein-cell-membrane-rupture-death.html

人事有代谢，往来成古今，历史进程中充满了旧事物的消亡，而在多细胞生物生命维持的过程中也充满着死亡，但不同的是，这些发育、免疫过程中不再需要的细胞，或者是受损、异常的细胞通常以一种主动的、高度调控方式走向死亡，即程序性细胞死亡（Programmed Cell Death，PCD）。PCD的重要性尤其体现在当它不能正常运作时，比如异常、受损或受感染的细胞如不能正常清除，则可能会累积并形成肿瘤。反之，利用好PCD则可以开辟出新的治疗手段，如使用诱导铁死亡（Ferroptosis）的药物，能有效破坏并清除肿瘤。生物学家一直对弄清楚PCD背后的机制充满兴趣。最早由德国自然科学家Karl Vogt于1842年观察和报道的PCD形式之一——细胞凋亡（apoptosis）表现为细胞收缩、核染色质凝聚、细胞膜外翻和断裂以及之后被巨噬细胞吞噬等等，被比喻成一种“悄无声息的散场”。而相比之下，另外两种被研究得较多的PCD形式——细胞焦亡（pyroptosis）和坏死性凋亡（necroptosis），则更像发生了一场“爆炸”，细胞质膜破裂，细胞内容物渗出，并可能引发持续甚至激烈的炎症反应。在这种情况下，细胞质中的乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）和损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMP）等蛋白质会从细胞中逸出。DAMP是一类内源性危险信号，一旦出现在胞外，就可以激活和调节免疫系统的反应，促进炎症反应和组织修复。过去的观点认为，PCD过程中出现的细胞质膜破裂（Plasma membrane rupture，PMR）是一个由渗透压变化引起的被动过程。比如在细胞焦亡中，成孔蛋白GSDMD首先聚集在质膜中形成小口径的孔隙，释放出IL-1β等促炎细胞因子，随后由于渗透压差，细胞发生肿胀，最终质膜破裂，释放出LDH和DAMP等较大的分子。然而，这一观点在21年被基因泰克公司生理化学系Nobuhiko Kayagaki等研究人员推翻。他们在发表在Nature上的“NINJ1 mediates plasma membrane rupture during lytic cell death”一文中指出，在细胞焦亡中，质膜破裂及LDH和DAMP的释放需要一种名为NINJ1的蛋白参与，如果该蛋白发生突变，则PMR不会发生，且NINJ1介导的PMR和DAMP释放独立于GSDMD。图1 Kayagaki团队推翻了PMR被动发生的观点（图源：[1]）NINJ1（Nerve Injury-induced Protein 1）是一种小型跨膜蛋白，最初被认为是一种神经损伤后产生的粘附分子。因此，发现NINJ1在质膜破裂中扮演关键角色不仅令人意外而且意义重大。不过，在21年的这项研究中，Kayagaki团队主要通过正向遗传筛选的方法确认了NINJ1和质膜破裂之间的联系，并推测出NINJ1通过寡聚化来诱导质膜破裂。至于NINJ1在质膜破裂中的具体作用以及其功能的分子机制并不完全清楚。5月17日，瑞士巴塞尔大学生物中心博士生Morris Degen及其同事在Nature上发表的“Structural basis of NINJ1-mediated plasma membrane rupture in cell death”一文则回答了这个问题。图2 研究成果（图源：[2]）Degen等人使用交联技术揭示，NINJ1寡聚化发生在GSDMD孔形成后，NINJ1寡聚体形成的同时，发生LDH的释放。使用荧光蛋白标记NINJ1，Degen等人观察到，在细胞焦亡过程中，NINJ1在细胞膜上形成簇集。随机光学重建显微镜的观察显示，NINJ1簇集成长为长度较长、高度分枝的丝状结构和大型的环状结构，有些丝状结构甚至可以达到微米尺度。图3 NINJ1蛋白组装（绿色/黄色）成丝状结构并使细胞膜（灰色）开孔，直到细胞完全分解。细胞内成分以蓝色显示。（图源：[3]）使用近原子水平分辨率的单粒子冷冻电镜技术（single-particle cryo-electron microscopy）观察体外生成的NINJ1寡聚形式，Degen等人发现，NINJ1丝状体中基本重复单元由四个α-螺旋结构组成。C端的两个疏水性跨膜α螺旋（α3和α4）排列在一起构成丝状结构的主体，N端的α2与α3、α4相接，α1则与α2形成特定的角度，并与相邻NINJ1蛋白相连。图4 NINJ1蛋白的结构、寡聚体的形成以及寡聚化能被NINJ1抗体阻断（图源：[4]）Alphafold成功预测了α2、α3和α4的分子排列，但并未预测出α1在驱动NINJ1自组装中所起到的关键分子相互作用。这表明结构生物学中实验方法仍然是十分必要的。Degen等人这样解释NINJ1的破膜机制。他们观察到，α1和α2具有一个亲水面和一个疏水面。在NINJ1为寡聚化的正常细胞中，α1和α2处于胞外环境。然而，当程序性细胞死亡启动，α1和α2会插入质膜中，通过α3、α4、相邻α1疏水面之间的相互作用驱动NINJ1寡聚化。通过将α1和α2的亲水面引入疏水膜，这种结构会破坏膜的完整性并形成孔洞。Degen等人之后对NINJ1突变体的全面分析和分子建模研究支持了这一理论。图5 NINJ1在质膜上组装成篱笆样结构使质膜开孔并释放出LDH和DAMP（图源：[4]）同日，Kayagaki等人在Nature发表了另一篇关于NINJ1蛋白的研究“Inhibiting membrane rupture with NINJ1 antibodies limits tissue injury”。该研究延续了团队两年前的工作，并证实了之前论文提出的设想，即使用NINJ1抗体可以抑制程序性细胞死亡的质膜破裂。图6 研究成果（图源：[5]）文中，Kayagaki等人报道了他们开发的一种名为D1的强效抗-NINJ1抗体。该抗体能够阻断了NINJ1的寡聚化并防止细胞在焦亡和凋亡情况下破裂。通过细胞研究和检查与肝炎相关的细胞死亡的小鼠模型，Kayagaki等人表明，无论是删除NINJ1基因还是通过D1抗体抑制NINJ1，相比NINJ1具有正常功能的细胞，细胞膜破裂以及LDH和DAMP的释放均减少了。Kayagaki等人定位了NINJ1上与D1抗体结合的区域，该区域位于C端末端，是一个无法在冷冻电镜结构中捕捉到的柔性区域。此前，NINJ1的N端和C端均通过突变研究证明不是质膜破裂所必需的。Kayagaki等人认为，D1抗体是通过阻断NINJ1蛋白的自组装来阻止NINJ1的寡聚化。这两项研究揭示了NINJ1如何在程序性细胞死亡的最后阶段确保细胞膜完全破裂并释放DAMP。但仍有许多问题留待以后的解答。比如，如何整合和控制不同类型的程序性细胞死亡以实现DAMP的最佳释放？触发NINJ1在质膜上开孔的机制是什么？以及NINJ1是否可能成为某些慢性炎症疾病的治疗靶点等。责编|风立宵校对|风立宵End参考资料：[1]Kayagaki, N., Kornfeld, O.S., Lee, B.L. et al. NINJ1 mediates plasma membrane rupture during lytic cell death. Nature 591, 131–136 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03218-7[2]Degen, M., Santos, J.C., Pluhackova, K. et al. Structural basis of NINJ1-mediated plasma membrane rupture in cell death. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05991-z[3]https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Under-control-to-the-very-end---how-our-cells-kill-themselves.html [4]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01602-z[5]Kayagaki, N., Stowe, I.B., Alegre, K. et al. Inhibiting membrane rupture with NINJ1 antibodies limits tissue injury. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06191-5 本文系生物探索原创，欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载，须在正文前注明来源生物探索。   往期精选 围观 ‍把病毒困在“陷阱”里！海德堡大学探明病毒渗透最后一步，或将带来预防新手段！ 热文基因振荡器：在两种衰老模式间来回切换，细胞寿命延长了82%！ 热文用超声波突破皮肤屏障！MIT科学家为皮肤给药提供可穿戴解决方案 热文新发现：加速癌症发展的染色体外DNA，甚至出现在癌症之前，推动组织癌变！ 热文 在基因组中“跳来跳去”的转座子，有望成为免疫疗法抗击肿瘤的新靶点！点击“阅读原文”，了解更多~