人事有代謝，往來成古今，歷史進程中充滿了舊事物的消亡，而在多細胞生物生命維持的過程中也充滿著死亡，但不同的是，這些發(fā)育、免疫過程中不再需要的細胞，或者是受損、異常的細胞通常以一種主動的、高度調控方式走向死亡，即程序性細胞死亡（Programmed Cell Death，PCD）。

過去的觀點認為，PCD過程中出現的細胞質膜破裂（Plasma membrane rupture，PMR）是一個由滲透壓變化引起的被動過程。比如在細胞焦亡中，成孔蛋白GSDMD首先聚集在質膜中形成小口徑的孔隙，釋放出IL-1β等促炎細胞因子，隨后由于滲透壓差，細胞發(fā)生腫脹，***終質膜破裂，釋放出LDH和DAMP等較大的分子。

然而，這一觀點在21年被基因泰克公司生理化學系Nobuhiko Kayagaki等研究人員推翻。他們在發(fā)表在Nature上的“NINJ1 mediates plasma membrane rupture during lytic cell death”一文中指出，在細胞焦亡中，質膜破裂及LDH和DAMP的釋放需要一種名為NINJ1的蛋白參與，如果該蛋白發(fā)生突變，則PMR不會發(fā)生，且NINJ1介導的PMR和DAMP釋放獨立于GSDMD。

圖1 Kayagaki團隊推翻了PMR被動發(fā)生的觀點

NINJ1（Nerve Injury-induced Protein 1）是一種小型跨膜蛋白，***初被認為是一種神經損傷后產生的粘附分子。因此，發(fā)現NINJ1在質膜破裂中扮演關鍵角色不僅令人意外而且意義重大。不過，在21年的這項研究中，Kayagaki團隊主要通過正向遺傳篩選的方法確認了NINJ1和質膜破裂之間的聯(lián)系，并推測出NINJ1通過寡聚化來誘導質膜破裂。至于NINJ1在質膜破裂中的具體作用以及其功能的分子機制并不完全清楚。

5月17日，瑞士巴塞爾大學生物中心博士生Morris Degen及其同事在Nature上發(fā)表的“Structural basis of NINJ1-mediated plasma membrane rupture in cell death”一文則回答了這個問題。

圖2 研究成果

Degen等人使用交聯(lián)技術揭示，NINJ1寡聚化發(fā)生在GSDMD孔形成后，NINJ1寡聚體形成的同時，發(fā)生LDH的釋放。使用熒光蛋白標記NINJ1，Degen等人觀察到，在細胞焦亡過程中，NINJ1在細胞膜上形成簇集。隨機光學重建顯微鏡的觀察顯示，NINJ1簇集成長為長度較長、高度分枝的絲狀結構和大型的環(huán)狀結構，有些絲狀結構甚至可以達到微米尺度。

使用近原子水平分辨率的單粒子冷凍電鏡技術（single-particle cryo-electron microscopy）觀察體外生成的NINJ1寡聚形式，Degen等人發(fā)現，NINJ1絲狀體中基本重復單元由四個α-螺旋結構組成。C端的兩個疏水性跨膜α螺旋（α3和α4）排列在一起構成絲狀結構的主體，N端的α2與α3、α4相接，α1則與α2形成特定的角度，并與相鄰NINJ1蛋白相連。

圖4 NINJ1蛋白的結構、寡聚體的形成以及寡聚化能被NINJ1抗體阻斷

Alphafold成功預測了α2、α3和α4的分子排列，但并未預測出α1在驅動NINJ1自組裝中所起到的關鍵分子相互作用。這表明結構生物學中實驗方法仍然是十分必要的。

Degen等人這樣解釋NINJ1的破膜機制。他們觀察到，α1和α2具有一個親水面和一個疏水面。在NINJ1為寡聚化的正常細胞中，α1和α2處于胞外環(huán)境。然而，當程序性細胞死亡啟動，α1和α2會插入質膜中，通過α3、α4、相鄰α1疏水面之間的相互作用驅動NINJ1寡聚化。通過將α1和α2的親水面引入疏水膜，這種結構會破壞膜的完整性并形成孔洞。Degen等人之后對NINJ1突變體的***分析和分子建模研究支持了這一理論。

圖5 NINJ1在質膜上組裝成籬笆樣結構使質膜開孔并釋放出LDH和DAMP

同日，Kayagaki等人在Nature發(fā)表了另一篇關于NINJ1蛋白的研究“Inhibiting membrane rupture with NINJ1 antibodies limits tissue injury”。該研究延續(xù)了團隊兩年前的工作，并證實了之前論文提出的設想，即使用NINJ1抗體可以抑制程序性細胞死亡的質膜破裂。

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