摘要：细胞膜上的通道和离子泵通过调节离子浓度维持了外正内负的膜电势差，膜电势差的周期性改变是心电和脑电活动的基础，其中钠的流入和泵出是构成细胞动作电位和心电活动的关键组成部分。同时，作为细胞环境中浓度最高的单价阳离子，钠离子的进出是影响膜电势的重要元素。由于钠离子通

点评 | 姜学军（纪念斯隆-凯特琳癌症中心）、姜有星（德克萨斯大学西南医学中心）

细胞膜上的通道和离子泵通过调节离子浓度维持了外正内负的膜电势差，膜电势差的周期性改变是心电和脑电活动的基础，其中钠的流入和泵出是构成细胞动作电位和心电活动的关键组成部分。同时，作为细胞环境中浓度最高的单价阳离子，钠离子的进出是影响膜电势的重要元素。由于钠离子通道的激活，或者负责钠泵出的钠钾泵的功能减弱，均有可能造成钠离子的过度内流或者超载。这个现象在心血管疾病，器官衰竭和神经损伤等疾病中常有发生，但是钠过载与细胞死亡的关联尚不明确。

2025年2月6日，上海交通大学医学院病理生理学系钟清课题组与中科院上海药物所李扬课题组在Nature Chemical Biology在线发表题为Persistent activation of TRPM4 Triggers necrotic cell death characterized by sodium overload的研究论文，该研究发现并定义了一种以钠过载为主要特征的新型细胞坏死。

钟清团队此前报道了一种名为Necrocide1 （NC1） 的小分子化合物，它是一种调控性细胞坏死诱导剂，且NC1诱导的细胞坏死被证明与坏死性凋亡 （Necroptosis） 、铁死 亡（Ferroptosis） 、焦亡 （Pyroptosis） 和其他已知的细胞死亡通路不同【1】。本研究发现，非选择性一价阳离子通道蛋白TRPM4（transient receptor potential cation channel subfamily M member 4）在NC1诱导的坏死性细胞死亡中起着关键作用。

通过全基因组CRISPR-Cas9筛选，作者鉴定出TRPM4是NC1诱导细胞死亡的关键蛋白，TRPM4缺失完全阻止了NC1诱导的细胞坏死。进一步实验表明，NC1能够直接结合TRPM4，并激活其离子通道功能。使用表面等离子共振SPR和电生理膜片钳技术，作者确认了NC1与TRPM4的直接结合，且NC1诱导的电流依赖于TRPM4通道的活性。NC1不 仅能诱导TRPM4特异性电流，还能持续激活TRPM4通道，维持其开放状态。

作者通过质谱 （ICP-MS） 和荧光探针分析，发现NC1处理导致细胞内Na+浓度显著增加，同时K+浓度降低。进一步实验表明，Na+内流在细胞死亡中起关键作用。TRPM4基因敲除显著抑制了NC1诱导的Na+内流及细胞死亡，证明TRPM4是介导钠内流的关键通道。NC1通过激活TRPM4通道诱导Na+内流，导致细胞膜去极化和胞内渗透压紊乱，最终引发细胞死亡。通过膜片钳和透射电镜观察，可以发现细胞发生严重水肿和细胞器肿胀。增加外部渗透压可延迟细胞死亡。一系列结果表明，NC1诱导的细胞死亡是一种Na+过载为典型特征的新型细胞坏死，因此作者将其命名为钠过载细胞死亡（Necrosis by Sodium Overload,NECSO）。

此后，作者发现NC1特异性靶向并激活人源，而非鼠源或其他一系列哺乳动物来源的TRPM4通道。作者利用人鼠序列差异，通过结构域交换实验，证明了TRPM4的跨膜区域决定了物种间对NC1的敏感性差异。接着，作者利用分子对接，在TRPM4的跨膜区寻找到了NC1的结合口袋，并通过电生理、SPR和细胞死亡实验验证了结合口袋区域重要氨基酸突变体的功能失活。

由于TRPM4的调节失衡与缺血缺氧等病理状态下严重的能量耗竭 （ATP depletion） 相关，作者猜想NECSO可能类似于能量耗竭引发的细胞坏死。作者使用NaN3 （氧化磷酸化抑制剂） 和2DG （糖酵解抑制剂） 联合处理细胞诱导严重的能量耗竭，电生理实验可以观察到TRPM4通道被显著激活，细胞死亡伴随大量钠离子内流，抑制钠内流可显著抑制细胞死亡进程。一系列实验表明，能量耗竭诱发的细胞坏死与NECSO具有高度相似的基因图谱和化学图谱。作者通过基于细胞死亡的药物筛选和基于结合口袋的虚拟筛选，发现了两类NECSO的小分子抑制剂，二氢吡啶类钙通道阻滞剂 （DHP-CCB） 和克霉唑 （Clotrimazole, CLT） 。地平类药物和克霉唑均能有效抑制NC1和能量耗竭诱导的细胞死亡。

已有多篇文献报道TRPM4与心律失常有关。多种人类TRPM4突变与进行性家族性心脏传导阻滞类型1 （PFHB1） 、布鲁加达综合症 （BrS） 和长QT综合症 （LQTS） 等心脏传导障碍有关，其中一些患者由于室性心律失常而易于发生心源性猝死 （Sudden Cardiac Death, SCD）【2-4】。在这些患者中，异常的能量供应或应激可能是SCD的诱发因素之一。到目前为止，已经报告了超过25个与家族性心脏病相关的TRPM4基因突变，其中一些被表征为功能获得性突变 （Gain of Function, GOF） ，而另一些被描述为功能丧失性突变 （Loss of Function, LOF） 。

作者通过细胞死亡和电生理的相关实验发现，GOF突变的TRPM4对能量缺失和NC1诱导的NECSO均更加敏感，相反，LOF突变的TRPM4则不敏感。作者团队筛选到的NECSO抑制剂 （地平类药物、克霉唑） 均能有效保护能量缺失诱发的心肌细胞损伤。TRPM4敲除的人心肌细胞对能量缺失和NC1均更加耐受。以上结果表明，TRPM4介导的NECSO可能在能量缺失诱发的心脏疾病中发挥重要作用。

综上所述，作者报道了一种小分子化合物诱导的新型细胞死亡，其特征是钠过载，并依赖于单价阳离子通道TRPM4。小分子化合物NC1作为TRPM4的高选择性激动剂，通过位于跨膜结构域的结构口袋与TRPM4结合。NC1持续激活TRPM4通道活性。因此，TRPM4通道的失控开启导致大量钠离子内流和膜去极化，进而引发坏死性细胞死亡，作者将这一过程命名为钠过载细胞死亡 （NECSO） 。能量耗竭能够激活NECSO并导致心肌坏死，NECSO抑制剂能够有效抑制能量耗竭引发的心肌损伤。

上海交通大学医学院助理研究员付婉、博士生王江煌，中科院上海药物所李天宇博士 （现为同济大学附属妇产科医院麻醉科博士后） ，已毕业博士生乔钰惠为本文的共同第一作者，上海交通大学医学院钟清研究员和中科院上海药物所李扬研究员为本文的共同通讯作者。该研究还获得了上海交通大学网络信息中心李琛研究员和林新华教授基于华为鲲鹏ARM平台的大力支持。

在传统的程序性细胞死亡 （programmed cell death） 的基础上，细胞死亡的概念在不断的进化更新中。更广义的观念认为，细胞死亡的发生,是由于细胞内部稳态平衡被打破以后，细胞出现完整性 （细胞膜破裂等） 的不可逆的改变。如果说铁死亡是氧化还原平衡被打破以后，膜的脂质氧化导致了膜的破裂。钠过载死亡反映的是钠过度内流以后，膜电势失衡造成的膜破裂引起的坏死。钠的超载也间接反映了能量的不足，因为钠钾泵介导的钠泵出是一个高度耗能的过程。

目前尚不清楚这些可调控死亡方式 （regulated cell death） 是否一定有负责打孔的死亡执行蛋白 （如焦亡中的Gasdermins） ，细胞膜的破裂可能以多种方式发生。细胞稳态失衡造成的死亡与人类的生理病理过程密切相关，可以预见到这些死亡方式和衰老，肿瘤，器官衰竭，和神经退化性疾病紧密相连，解析这些死亡通路中的关键信号将为我们治疗这些疾病提供重要工具。

专家点评

姜学军（纪念斯隆-凯特琳癌症中心）

2005年，袁钧英课题组利用化合物筛选，定义了坏死性凋亡necroptosis，同时报道了其特异性的小分子抑制剂 necrostatin 1。2012年，Brent Stockwell课题组利用RSL3和erastin两个小分子细胞死亡诱导剂，首次提出并揭示了铁死亡ferroptosis的概念和机制。时至今日，细胞死亡领域已经清晰地意识到，利用化学生物学的方法对死亡诱导剂或抑制剂进行系统性地分析已成为揭示细胞死亡分子机制的有力武器之一。钟清团队非常巧妙地利用了一个他们命名为NC1的这一高活性高选择性的新颖的细胞死亡诱导剂，揭开了一条新的细胞死亡通路（NECSO）的冰山一角。

细胞死亡是众多人类重大疾病的主要病理基础。每种细胞死亡方式在被准确定义前，其实早已在病理生理过程中显露出蛛丝马迹。大量临床证据表型，疾病相关的细胞死亡与钠内流和膜电势紊乱密切相关，但其病理学机制可能极其复杂因而难以深入研究。唯有找到一个靶点明确且特异的诱导剂，才能够为分子和细胞生物学研究提供恰当且有效的体外模型。钟清团队的这项研究突破了一个关键节点，NC1是一个非常高效且特异的钠过载细胞死亡诱导剂，也将成为NECSO机制研究的最有力工具。同时，这项工作也证明了钠内流并非细胞死亡过程中的伴随现象，而是一个可调控且能够直接诱发细胞坏死的关键事件。

基于基因编辑技术的高通量筛选同样是研究细胞死亡的经典方法。众多细胞死亡通路的明星分子（如Gasdermin，ACSL4等）正是利用CRISPR筛选发现的。令人惊讶的是，TRPM4是作者筛选过程中唯一高度富集的分子。这一方面说明了NC1-TRPM4互作关系的高亲和力和特异性，另一方面，我猜想作者使用的筛选条件应该是较为严苛的，由此他们筛选到了介导NECSO的最为关键的分子。改变筛选策略或将帮助研究者发现更多的NECSO调控因子。期待他们在这条细胞死亡通路上的新的机制发现，也期待他们尽早发现NESCO的体内生理和病理功能。

专家点评

姜有星（德克萨斯大学西南医学中心）

The small molecule Necrocide-1 (NC1) was originally synthesized to induce necrotic cell death and trigger an immunogenic response in human cancer cells. Using a multidisciplinary approach, Fu et al. identified the Ca²⁺-activated, monovalent-selective TRPM4 cation channel as the target of NC1. Their study demonstrated that NC1 specifically activates human TRPM4, leading to Na⁺ influx and membrane depolarization. This Na⁺ accumulation results in water entry, cell swelling, and eventual cell burst—a process the authors termedNecrosis by Sodium Overload (NECSO). Given that TRPM4 upregulation has been observed in various cancer cells, it has emerged as a promising target for novel cancer therapies aimed at promoting necrotic cell death. This study offers a detailed mechanistic understanding of how TRPM4 activation directly regulates the necrosis process.

制版人：十一

参考文献

1. Zhang, J., et al., Necrocide 1 mediates necrotic cell death and immunogenic response in human cancer cells.Cell Death Dis, 2023. 14(4): p. 238.

2. Pironet, A., F. Vandewiele, and R. Vennekens, Exploring the role of TRPM4 in calcium-dependent triggered activity and cardiac arrhythmias. J Physiol, 2023.

3. Liu, H., et al., Gain-of-function mutations in TRPM4 cause autosomal dominant isolated cardiac conduction disease.Circ Cardiovasc Genet, 2010. 3(4): p. 374-85.

4. Syam, N., et al., Variants of Transient Receptor Potential Melastatin Member 4 in Childhood Atrioventricular Block.J Am Heart Assoc, 2016. 5(5).

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来源：老刘讲科学