Genetic decoupling of NINJ1-mediated cell lysis from developmental hydrocephalus reveals the physiological role of the α1 domain

在每一个活细胞内，一层被称为质膜的保护性皮肤充当着至关重要的屏障，保护细胞内部的机制免受外界干扰。当一个细胞以一种被称为焦亡（pyroptosis）的特定暴力方式死亡时，这层“皮肤”不仅是受损，而是被粉碎了。这种破裂会释放出大量的内部信号来警示免疫系统面临危险，但它也会引发一场炎症连锁反应。一种被称为 NINJ1 的蛋白质位于这些细胞的表面，充当着这种粉碎过程的总开关。如果没有 NINJ1，即使细胞死亡，其膜结构仍能保持完整，从而阻止了那些炎症信号的释放。科学家长期以来一直想通过研究小鼠来了解这一过程，以理解炎症如何驱动疾病，但面临着一个重大障碍：完全缺乏 NINJ1 蛋白的小鼠通常会患上一种严重的脑部疾病——脑积水（即液体在颅内堆积），导致许多小鼠在能够用于研究之前就已死亡。这使得培育用于大规模实验的大型小鼠群体几乎变得不可能。

由 Genentech 和澳大利亚国立大学的一支研究团队现在通过创造一种新型小鼠解决了这个问题，这种小鼠在免疫反应方面表现得像 NINJ1 缺失的小鼠，但发育却非常健康。他们将注意力集中在 NINJ1 蛋白的一个特定微小片段上，即分子起始端附近的一个被称为 alpha-1 结构域的弯曲段。通过对这一特定部分的遗传代码进行极其精确的微调，他们创造出了一种在细胞死亡时无法破裂细胞膜的小鼠，就像完全没有 NIN lack NINJ1 的小鼠一样。然而，与完全缺失 NINJ1 的小鼠不同，这些新小鼠发育正常，不会遭受脑积水的困扰。这一发现证明，负责破裂细胞的部分与维持健康大脑发育的部分是不同的。

要理解他们是如何实现的，首先必须了解 NINJ1 蛋白的工作原理。在健康、活性的细胞中，NINJ1 静静地坐落在表面。当细胞接收到死亡信号时，NINJ1 会改变形状并自我组装成长而紧密的链或丝状体。这些丝状体就像拉链或楔子一样，将细胞膜撑开，导致其爆裂。研究人员知道，位于该 alpha-1 结构域内第 45 位的一个特定氨基酸（蛋白质的构建模块）对于这种组装至关重要。在之前的细胞培养实验中，将这个单一的构建模块从赖氨酸（lysine）改为谷氨酰胺（glutamine）会阻止蛋白质形成破裂细胞膜所需的链条。团队决定测试这种相同的改变是否能在整个活体动物身上奏效。

他们使用一种现代基因编辑工具，将这一精确的改变引入了小鼠胚胎的 DNA 中。结果产生了一系被命名为 Ninj1K45Q 的小鼠，它们在两个基因拷贝上都携带了这一特定突变。当研究人员检查这些小鼠的免疫细胞时，发现细胞看起来和表现得都很正常。NINJ1 蛋白以正确的量存在于表面。然而，当他们使用各种方法（如暴露于细菌毒素或诱导细胞死亡的化学物质）触发细胞死亡时，细胞拒绝爆裂。这些细胞并没有破裂并释放其内容物，而是仅仅萎缩并保持完整。这证实了该突变成功地禁用了蛋白质破裂细胞膜的能力，有效地模拟了完全没有 NINJ1 蛋白的效果。

研究人员随后测试了这种突变是否会影响其他相关的蛋白质。他们观察了 NINJ2，这是 NINJ1 的一个“堂兄弟”蛋白，具有相似的结构和序列。早期的一些研究曾暗示 NINJ2 可能也扮演着细胞破裂的角色，或许是作为备份或调节器。团队创建了完全缺失 NINJ2 的小鼠，发现这些小鼠在细胞破裂方面与正常小鼠相比没有差异。即使同时移除 NINJ1 和 NINJ2，细胞的行为也与仅缺失 NINJ1 时完全相同。这排除了 NINJ2 在这些特定免疫细胞中协助破裂细胞的可能性，确认了 NINJ1 是在此语境下驱动这一过程的唯一驱动力。

然而，真正的突破在于研究人员观察小鼠的整体健康状况。完全缺失 NINJ1 蛋白的小鼠有一个记录在案的问题：大约一半的小鼠在出生后不久死亡，而幸存者中许多人由于脑部液体堆积会出现头部肥大。这种脑积水一直是研究中的瓶颈，阻碍了科学家培育进行复杂疾病研究所需的大量小鼠。当团队检查他们的 Ninj1K45Q 小鼠时，结果令人瞩目。这些小鼠出生数量符合预期，能够存活至成年，且没有出现脑积水或其他发育异常的迹象。它们的头部大小和形状都正常。

为了确保这并非偶然，研究人员还在肝损伤模型中测试了这些小鼠。他们向小鼠注射了一种会导致肝细胞死亡的物质，在标准小鼠中，这一过程通常会导致大规模的炎症信号释放和肝脏损伤。在新的突变小鼠中，肝细胞虽然死亡了，但由于 NINJ1 蛋白无法破裂细胞膜，炎症信号并未被释放。因此，肝损伤显著减轻。这证明了该突变在活体动物中成功阻断了炎症级联反应，正如在培养皿中的细胞实验所表现的那样。

研究人员还创造了第二种类型的突变小鼠来测试蛋白质的不同部分。他们改变了另一个位于第 29 位的色氨酸（tryptophan），此前认为该位置参与细胞间的粘附。这些名为 Ninj1W29A 的小鼠同样生长健康，没有脑积水。然而，与第一组不同的是，它们的细胞在死亡时仍能正常破裂。这告诉科学家，第 29 位的色氨酸对于破裂细胞膜的功能并非必不可少，但第 45 位的赖氨酸则是。

这些发现使科学家终于能够分离出 NINJ1 执行的两种截然不同的任务。一项工作是破裂细胞膜以释放炎症信号，这一功能需要 alpha-1 结构域和特定的第 45 位赖氨酸；另一项工作是确保正常的大脑发育，这一功能不需要破裂细胞膜的能力，但在整个蛋白质缺失时会丧失。新的 Ninj1K45Q 小鼠拥有破裂细胞膜的功能，但保留了健康的开发功能。这意味着研究人员现在可以培育大规模的这类小鼠种群，以研究细胞破裂如何驱动诸如败血症、自身免疫性疾病或感染等疾病，而不必担心动物会死于脑积水，或实验结果会受到发育缺陷的影响。

这项研究还阐明了 NINJ2 蛋白的角色。通过展示缺乏 NINJ2 的小鼠在细胞破裂方面没有问题，研究人员提供了强有力的证据，表明 NINJ2 在这些免疫细胞中（至少在他们测试的条件下）并不扮演显著角色。这有助于缩小未来的研究范围，表明理解细胞破裂的研究重点应集中在 NINJ1 上。

从更广泛的图景来看，这项工作为科学界提供了一个强大的新工具。多年来，无法产生大量健康的 NINJ1 缺失小鼠限制了炎症性疾病研究的范畴。这种新型小鼠模型移除了这一障碍。它允许科学家在活体生物中研究停止细胞破裂的具体后果，而不会受到发育性脑缺陷这一干扰因素的影响。研究人员已经证明，在遗传学上将细胞破裂的破坏性力量与发育的基本过程进行“解耦”是可能的。这为更精确地调查炎症是如何运作的，以及如何控制炎症打开了大门，为理解和治疗由不受控制的炎症引起伤害的疾病提供了更清晰的路径。这项工作是一个清晰的范例，展示了精确的基因工程如何解决研究中的实际问题，将一个难以研究的生物现象转化为一个可控且稳健的实验系统。