Nature：NINJ1——细胞膜上的“致命开关”，决定细胞在暴力拉扯下何时“粉身碎骨”

打造“细胞健身房”：如何在高通量下给细胞“上压力”？

要研究机械力如何导致细胞膜破裂，首先需要一个能对细胞施加精确、可控的机械拉伸的工具。想象一下，如果我们要测试成千上万种不同基因对细胞膜强度的影响，就需要一个能同时对大量细胞进行“体能测试”的平台。然而，市面上并没有现成的设备能满足这种高通量的需求。

面对这一挑战，研究团队展现了其巧妙的工程设计能力。他们自主研发了一套高通量细胞拉伸系统。这个系统的核心是一个特殊的384孔板，其底部不再是坚硬的塑料，而是一层超薄、透明且富有弹性的硅胶膜，学名为聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane, PDMS)。培养的细胞会像贴纸一样牢牢地附着在这层弹性膜上。

测试时，一个真空装置会从孔板上方施加负压。在真空吸力的作用下，底部的弹性PDMS膜会向上凸起、拉伸，附着在上面的细胞也随之被“扯开”。真空的强度越大，膜的拉伸程度就越高，细胞承受的机械应力也就越强。通过有限元分析 (Finite element analysis, FEA) 和颗粒图像分析，研究人员证实该系统可以产生非常大的应变，例如，在 -40千帕 (kPa) 的中等真空度下，就能让细胞膜产生超过50%的拉伸，这足以模拟剧烈的生理或病理过程。这个系统不仅可以配合显微镜对单个孔进行细致观察，还能与读板机联用，实现对整板384个样本的同步快速检测，堪称一个高效的“细胞健身房”。

大海捞针：在2726个基因中锁定“头号嫌疑人”NINJ1

有了强大的工具，下一步就是找出调控细胞膜机械敏感性的关键基因。研究人员推断，那些深深嵌入细胞膜的跨膜蛋白 (multi-pass transmembrane proteins) 最有可能扮演这一角色。

为了验证这一猜想，他们设计了一个筛选实验。他们构建了一种特殊的HeLa细胞，这种细胞能持续表达一种对阴离子（如氯离子）高度敏感的黄色荧光蛋白 (yellow fluorescent protein, YFP)。正常情况下，细胞内的氯离子浓度很低，YFP发出明亮的黄光。一旦细胞膜受损，胞外高浓度的氯离子就会涌入，与YFP结合，导致其荧光迅速淬灭变暗。因此，YFP荧光的减弱程度，就成了衡量细胞膜损伤的“指示器”。

实验发现，当施加40%或更低的拉伸时，YFP荧光虽然会变暗，但这种变化可以被一种名为DCPIB的广谱性氯离子通道抑制剂所阻断。这表明，在温和的拉伸下，氯离子是通过特定的离子通道进入细胞的。然而，当拉伸强度达到50%时，情况发生了质变。YFP荧光发生了剧烈且不可逆的淬灭，并且DCPIB也无力回天。同时，被拉伸的细胞能被台盼蓝 (Trypan Blue) 和DRAQ7这两种染料染色——这两种染料都无法穿透完整的细胞膜。所有证据都指向一个结论：在50%的剧烈拉伸下，细胞膜上出现了物理性的破口或撕裂，这正是研究人员想要寻找的现象。

于是，一场规模宏大的“基因海选”开始了。研究人员准备了一个包含10,843种不同siRNA（小干扰RNA，可以特异性地“沉默”某个基因）的文库，这些siRNA靶向了2,726个编码多重跨膜蛋白的基因。他们将这些siRNA分别点入384孔拉伸板中，然后铺上能够表达敏感YFP的HeLa细胞。经过72小时的培养，待特定基因被沉默后，他们对整板细胞施加了50%的致命拉伸，并监测YFP荧光的淬灭情况。

逻辑很简单：如果沉默某个基因后，细胞在同样的拉伸下YFP荧光淬灭程度显著减弱，就说明这个基因很可能是促进细胞膜破裂的“元凶”。经过多轮筛选和严格的复核验证，一个基因从数千个候选中脱颖而出，成为了唯一的“头号嫌疑人”——NINJ1。值得一提的是，研究人员也测试了著名的机械力感应离子通道PIEZO1和PIEZO2，但发现沉默它们对这种剧烈拉伸下的细胞膜破裂没有任何影响，这更凸显了NINJ1在这一过程中的独特性和关键性。

NINJ1：细胞膜上的“易碎贴”，越多越脆弱

锁定了NINJ1后，研究人员开始深入探究它与细胞膜脆弱性之间的关系。他们首先通过多种方法验证了筛选结果的可靠性。在HeLa细胞中，使用siRNA敲低NINJ1的表达后，再施加50%的拉伸，细胞的乳酸脱氢酶 (lactate dehydrogenase, LDH) 释放量（细胞破裂的经典指标）和DRAQ7阳性细胞（细胞膜破损的标志）的比例都显著下降。这表明，没有了NINJ1，细胞膜确实变得更“抗揍”了。

这个现象是否具有普遍性？研究人员将目光投向了原代细胞。他们从小鼠骨髓中分离出单核细胞 (bone marrow-derived monocytes, BMDMs)，并使用了NINJ1基因敲除（Ninj1-/-）的小鼠。结果发现，在45%的拉伸下，来自基因敲除小鼠的单核细胞，其LDH释放和DRAQ7阳性率远低于野生型小鼠的细胞。这证明NINJ1的作用并非局限于某种癌细胞系，而是在生理相关的免疫细胞中同样存在。

那么反过来，如果增加NINJ1的表达，细胞膜会变得更脆弱吗？答案是肯定的，而且效果惊人。研究人员在HEK-293T细胞中强制过表达NINJ1，发现即便没有施加任何额外的机械力，仅仅是常规的细胞培养操作（如吹打、换液）所带来的微小扰动，就足以导致大量细胞死亡，其培养上清中的LDH水平急剧升高。通过qPCR检测，他们发现NINJ1的mRNA水平暴增了250倍。荧光显微镜下，可以看到过表达的NINJ1-mCherry在细胞膜上形成了明显的聚集斑点，一些细胞甚至出现了“起泡”或“鼓包”的形态，仿佛随时都要破裂。

为了更精确地控制NINJ1的表达量，研究人员构建了一个可以被药物多西环素 (Doxycycline) 诱导表达NINJ1的细胞系。通过给予不同浓度的多西环素，他们可以像调节音量一样，精确地控制NINJ1蛋白的产量。结果清晰地呈现出一种“剂量-效应”关系：NINJ1的表达水平越高，细胞在越低的拉伸强度下就越容易破裂。例如，在45%的拉伸强度下，未经诱导的细胞安然无恙，而经过300 ng/mL多西环素诱导、高表达NINJ1的细胞则出现了大规模的死亡。

为了进一步排除细胞类型差异带来的干扰，研究团队进行了一项极为巧妙的实验。他们选取了骨肉瘤细胞系143B，通过单细胞克隆技术，分离出18个内源性NINJ1表达水平各不相同的亚克隆。这些细胞拥有完全相同的遗传背景，唯一的显著差异就是NINJ1的“出厂设置”不同。随后，他们对这18个亚克隆施加了55%的拉伸。结果发现，细胞的破裂率（以LDH释放量和DRAQ7阳性率为指标）与其内源NINJ1的mRNA水平呈现出惊人的一致性。NINJ1表达水平越高的克隆，就越不耐受拉伸。

这些环环相扣的证据，共同指向了一个坚实的结论：NINJ1是细胞膜机械脆弱性的一个关键决定因素，它的表达量与细胞膜的“抗击打能力”成反比。NINJ1就像一张贴在细胞膜上的“易碎贴”，贴得越多，这块区域就越脆弱。

撕开伪装：在“裸奔”的细胞膜上验证NINJ1的纯物理破坏力

NINJ1是如何让细胞膜变得脆弱的？一种可能是它影响了细胞内部的支撑结构，比如肌动蛋白或微管等细胞骨架 (cytoskeleton)。另一种更直接的可能是，NINJ1本身就像一个“楔子”，直接破坏了细胞膜脂双层的物理完整性。

为了区分这两种可能，研究人员使用了一种名为巨型质膜囊泡 (giant plasma membrane vesicles, GPMVs) 的研究工具。GPMVs是通过化学方法诱导细胞膜“出泡”形成的微小囊泡，它保留了细胞膜上的蛋白和脂质，但其内部几乎没有细胞骨架等复杂结构，可以看作是“裸奔”的、纯粹的细胞膜。

他们从高表达或低表达NINJ1-mCherry的HeLa细胞中制备了GPMVs，然后用一根极细的玻璃微吸管吸住囊泡。接着，他们逐渐增加吸管内的负压，对囊泡施加吸力，直到囊泡最终破裂。这个过程中，囊泡破裂前所能承受的最大膜张力被称为“裂解张力 (lysis tension)”，它可以精确地量化膜的物理强度。

那些来自低表达NINJ1细胞的囊泡非常坚韧，需要很高的负压才能将其吸破；而那些来自高表达NINJ1细胞的囊泡则异常脆弱，稍加吸力就“应声而破”。通过对大量囊泡的数据进行统计分析，研究人员发现，囊泡膜上的NINJ1-mCherry荧光强度（代表NINJ1的含量）与裂解张力呈现出显著的负相关。NINJ1越多，膜的物理强度就越低。

为了进一步确认这个效应是NINJ1特有的，他们还测试了NINJ1的一个关键位点突变体（K45Q），这个突变体已知会丧失其生物学活性。结果，表达该突变体的囊泡和低表达NINJ1的囊泡一样坚韧。他们还测试了过表达PIEZO1蛋白的囊泡，发现其裂解张力与PIEZO1的表达量毫无关系。

这个GPMV实验的证据是决定性的。它证明了NINJ1是通过一种直接的、纯物理的方式来削弱细胞膜的强度，而无需细胞骨架等其他组件的参与。NINJ1本身，就是那个让细胞膜变得不堪一击的“内鬼”。

压死骆驼的最后一根稻草：焦亡中的细胞，等待机械力的“致命一击”

NINJ1最初被发现与一种名为“细胞焦亡” (pyroptosis) 的程序性细胞死亡有关。在焦亡过程中，细胞膜上会形成由GSDMD蛋白构成的大孔道，导致细胞肿胀、内容物泄漏，并最终由NINJ1介导发生彻底的膜破裂。那么，在焦亡这个复杂的生物学场景中，机械力又扮演了什么角色呢？

研究人员用尼日利亚菌素 (Nigericin) 诱导THP-1单核细胞发生焦亡。他们观察到一个非常有趣的现象：这些细胞在被诱导后，迅速膨胀成一个“气球”，细胞膜也变得千疮百孔，能够让LDH和DRAQ7进入，但它们却迟迟没有发生完全的破裂。即使在48小时后，大多数细胞依然维持着这种“肿而不破”的“僵尸”状态。这说明，在焦亡过程中，即使NINJ1被激活，单靠它自身的力量似乎并不足以让细胞膜彻底瓦解。

研究人员猜测，还需要一个“外力”来完成这“致命一击”。于是，他们将这些处于焦亡状态的细胞置于一个模拟体内血流的层流体系中，对它们施加不同强度的流体剪切力 (shear stress)。剪切力是悬浮细胞（如血液中的免疫细胞）在血管中流动时感受到的主要机械力。

结果戏剧性地发生了。在低剪切力（相当于大静脉中的流速，约414 s⁻¹）下，大部分焦亡细胞依然能保持其气球状形态。然而，当剪切力增加到相当于微动脉中的高流速（约2073 s⁻¹）时，惊人的一幕出现了：约90%的野生型焦亡细胞瞬间“灰飞烟灭”，细胞膜完全消失，只剩下裸露的细胞核。

NINJ1是否是这一过程的关键？研究人员利用NINJ1基因敲除的THP-1细胞重复了该实验。结果发现，在同样的高剪切力下，超过60%的NINJ1敲除细胞竟然“幸存”了下来，依然保持着完整的“气球”形态。这清晰地表明，NINJ1是细胞在机械力作用下发生最终破裂的决定性因素。

这一发现的生物学意义是深远的。细胞破裂不仅仅是细胞自身的终结，更重要的是它会向周围环境释放大量的损伤相关分子模式 (damage-associated molecular patterns, DAMPs)，如DNA-组蛋白复合物。这些大分子DAMPs是强效的炎症信号，会招募更多的免疫细胞，引发剧烈的炎症反应。研究人员进一步检测了细胞破裂后释放到培养基中的双链DNA (dsDNA) 含量。果不其然，在高剪切力的作用下，野生型焦亡细胞释放了大量的dsDNA，而NINJ1敲除细胞的释放量则微乎其微。

这揭示了一个“两步走”的细胞破裂模型：首先，焦亡等死亡程序激活了NINJ1，使细胞膜变得像一张预先打好孔的纸张，处于一种“易碎”状态；然后，体内的机械力，如血流的冲刷，提供了撕开这张纸的“最后一根稻草”，导致细胞膜彻底瓦解，释放出大分子DAMPs，从而将细胞死亡信号转化为强烈的组织炎症信号。

从“易碎”到“爆裂”：NINJ1如何改写细胞死亡的结局？

这项研究巧妙地描绘了一幅关于细胞如何在机械暴力下走向毁灭的全新图景。NINJ1不再仅仅是细胞死亡程序的一个执行者，更是一个精密的机械敏感性“调谐器”。

我们可以这样理解：细胞死亡程序的启动，相当于给细胞膜装上了由NINJ1构成的“预制薄弱点”。但这并不意味着细胞会立即“爆炸”。它进入了一种“待破裂”的脆弱状态。最终是否会发生灾难性的、完全的破裂，还取决于它所处的物理微环境。

这个“NINJ1 + 机械力”的双重调控机制，为我们理解许多疾病提供了全新的视角。例如，在败血症 (sepsis) 中，肺部是极易受损的器官。这或许可以解释为，在肺部密布的、高剪切力的毛细血管中，那些正在走向焦亡的免疫细胞更容易被血流“撕碎”，在局部释放大量炎症因子，从而加剧了肺损伤。同样，在创伤性脑损伤或胸主动脉夹层等涉及剧烈机械应力的疾病中，NINJ1介导的细胞破裂可能也扮演着火上浇油的角色。

更重要的是，这项研究所开发的“高通量细胞健身房”本身就是一个强大的发现平台。它不仅成功地“钓”出了NINJ1这条大鱼，未来还有可能被用于筛选其他调控细胞机械敏感性的分子，甚至可以用来寻找能够增强或削弱细胞膜强度的小分子药物，为治疗相关疾病开辟新的道路。

总而言之，这项研究告诉我们，细胞的死亡并非一个简单的过程，而是一场由内在生物化学信号和外在物理力量共同导演的复杂戏剧。而NINJ1，正是这场戏剧中，那个决定细胞膜从“完整”走向“易碎”，并最终在机械力的作用下走向“爆裂”的、不可或缺的关键角色。它让我们对生命最基本的单元——细胞，如何与物理世界进行“力量”的博弈，有了更深层次的理解。