植物细胞中钙信号的时空多样性与信号转导

近年来,对钙信号的研究,包括对钙信号的产生、传导及最终靶蛋白的研究,越来越受到人们的重视。植物生长发育许多过程的信息传递,包括对各种内外刺激的反应都涉及到钙信号。钙信号的产生及传导是通过胞质自由钙离子的浓度变化来实现的。本文综述了胞质自由钙离子的测定、钙信号的时空多样性及钙信号的靶蛋白如CaM、Ca2+依赖的蛋白激酶、钙调磷酸酶、磷脂酰肌醇_磷脂酶C 等方面的一些最新进展,展望了今后钙信号研究的方向及所用到的一些技术方法等。     

核钙信号与基因表达调节

钙（Ca^2 ）是细胞内重要的第二信使,近年的一些研究证实胞质Ca^2 和核Ca^2 信号通过不同的机制影响基因转录,核Ca^2 通过CaM激酶调节核蛋白磷酸化及cAMP反应元件结合蛋白（CREB）介导转录,胞质Ca^2 信号则触动血清反应元件（SRE）介导的基因转录。另外,核Ca^2 也参与多种核酶和核蛋白转运等核过程的调节。     

植物钙吸收、转运及代谢的生理和分子机制

钙是植物必需的营养元素。酸性砂质土壤中含钙较少,导致在其土壤上生长的作物容易缺钙。另外由于果树果实、果菜类和包心叶菜类的蒸腾作用弱,导致果树和蔬菜普遍生理缺钙。根系维管束组织可能通过共质体和质外体两种途径进行钙素吸收,而果实则可通过非维管束组织直接吸收钙素。Ca2 通过Ca2 通道内流进入胞质,并通过Ca2 -ATPase和Ca2 /H 反向转运蛋白外流以保持胞质内低Ca2 浓度。为了应对植物发育和环境胁迫信号,Ca2 由质膜、液泡膜和内质网膜的Ca2 通道内流进入胞质,导致胞质Ca2 浓度迅速增加,产生钙瞬变和钙振荡,传递到钙信号靶蛋白,如钙调素、钙依赖型蛋白激酶及钙调磷酸酶B类蛋白,引起特异的生理生化反应。本文综述了植物钙素吸收、转运以及代谢研究的最新进展,包括植物对钙的需求和作物缺钙的原因,根系维管束组织及果实钙素吸收机理,Ca2 跨膜运输特性,钙的信使作用以及钙信号靶蛋白等方面内容。     

植物钙吸收、转运及代谢的生理和分子机制

钙是植物必需的营养元素。酸性砂质土壤中含钙较少, 导致在其土壤上生长的作物容易缺钙。另外由于果树果实、果菜类和包心叶菜类的蒸腾作用弱, 导致果树和蔬菜普遍生理缺钙。根系维管束组织可能通过共质体和质外体两种途径进行钙素吸收, 而果实则可通过非维管束组织直接吸收钙素。Ca2+通过Ca2+通道内流进入胞质, 并通过Ca2+-ATPase 和Ca2+/H+反向转运蛋白外流以保持胞质内低Ca2+浓度。为了应对植物发育和环境胁迫信号, Ca2+由质膜、液泡膜和内质网膜的Ca2+通道内流进入胞质, 导致胞质Ca2+浓度迅速增加, 产生钙瞬变和钙振荡, 传递到钙信号靶蛋白, 如钙调素、钙依赖型蛋白激酶及钙调磷酸酶B类蛋白, 引起特异的生理生化反应。本文综述了植物钙素吸收、转运以及代谢研究的最新进展, 包括植物对钙的需求和作物缺钙的原因, 根系维管束组织及果实钙素吸收机理, Ca2+跨膜运输特性, 钙的信使作用以及钙信号靶蛋白等方面内容。     

植物机械响应中的钙通信北大核心CSCD

以胞质钙离子浓度变化(钙信号)为核心的钙通信系统在植物机械响应中发挥着不可替代的作用。本文综述了机械刺激诱导的植物细胞钙信号及其生理作用、植物机械敏感钙通道,以及TCH基因编码的钙调蛋白和钙调蛋白类似蛋白等的研究进展,总结了该领域尚待解决的问题,并对未来的研究方向进行了展望。     

植物体内钙信号及其在调节干旱胁迫中的作用

钙作为植物体内第二信使广泛参与了植物响应的各种非生物和生物胁迫的信号传导。胁迫信号通过激活位于细胞质膜上的钙离子通道,产生胞质内特异性的钙信号,传递至钙信号感受蛋白,如钙调素(calmodulin,CaM)、钙依赖蛋白激酶(Ca2+-dependent protein kinases,CDPK)和类钙调磷酸酶B蛋白(calcineurin B-like protein,CBL)等,进而引起胞内一系列生理生化变化,最终对胁迫做出响应。钙信号在植物响应干旱胁迫信号系统中起枢纽作用,主要通过调节气孔运动,水通道蛋白(aquaporin,AQP)和抗氧化酶活性来减少水分流失,提高水分利用率,最终降低干旱对植物细胞的伤害,并具有一定的生态学功能。该文对近年来国内外有关植物体内钙信号的研究进展以及在干旱逆境中的调节作用进行综述,并对今后的研究做了展望。     

洋葱花药发育中钙离子分布特征

采用焦锑酸钾沉淀钙离子技术,对洋葱（Alliumcepa）花药发育中Ca^2＋分布进行了研究。在小孢子母细胞时期,小孢子母细胞中的钙沉淀颗粒很少,但绒毡层细胞的内切向壁已出现明显的钙沉淀颗粒。在四分体时期,四分体小孢子的胼胝质壁中出现较多的钙沉淀颗粒;绒毡层细胞内切向壁的钙沉淀颗粒消失,而在外切向壁和径向壁部位的钙沉淀颗粒增加。在小孢子早期,小孢子中也出现了钙沉淀颗粒,而绒毡层细胞内切向壁表面出现了很多絮状物,其上附有细小钙沉淀颗粒。到小孢子晚期,小孢子中出现一些小液泡,细胞质中的钙沉淀颗粒有所下降。此时绒毡层细胞已明显退化,但在绒毡层膜上仍有一些乌氏体和钙沉淀颗粒。在二胞花粉早期,营养细胞中的液泡收缩、消失,细胞质中又出现了较多的钙沉淀颗粒,在质体和其内部的淀粉粒表面上附有较多的钙沉淀颗粒。到二胞花粉晚期,花粉中的钙沉淀颗粒已明显下降,仅在花粉外壁中还有一地钙沉淀颗粒．     

花粉管钙信号特性及其调控研究进展

花粉管在花柱中生长受多个信号分子的协同调控,钙离子在其中发挥着重要作用.钙是一种重要的第二信使,它将外界的多种生物或非生物信息转化为对细胞内基因表达以及细胞生理反应的调控.钙信号表达方式是胞内自由钙浓度的特异性变化.该文对国内外近年来有关花粉管生长中钙信号特性及其调控的研究进展,如花粉管尖端自由钙离子浓度梯度与胞内钙振荡、花粉管质膜钙转运体的鉴定及其调控特性、花粉管钙信号与微丝和ROP蛋白的关系以及花粉管钙信号与植物自交不亲和性反应的关系等进行综述,为深入开展相关研究提供参考.     

钙/钙调素信号途径在胁迫中的作用研究进展

钙调素普遍存在于真核生物细胞中,是多种生物学作用的信号组分.钙/钙调素信号途径由钙离子,钙调素以及下游的靶蛋白组成,通过与靶蛋白作用而传递信号并且发挥生物学功能.本文主要对于旱,盐,冷以及热胁迫下钙调素结合蛋白的作用进行综述,并对相关研究领域的未来研究方向进行了展望.     

应用重组表达钙离子敏感蛋白YC2.1研究粟酒裂殖酵母细胞内钙离子浓度的分布

把重组表达钙离子敏感蛋白的YC2．1基因（yellow cameleon 2．1）导入了粟酒裂殖酵母中,观察了粟酒裂殖酵母细胞内钙离子浓度的分布。结果发现,钙离子敏感蛋白所指示的钙离子呈细胞周缘胞质较高浓度分布,而在细胞胞质中部的钙离子浓度相对低一些。通过DAPI染色实验证实这是由于胞质中部细胞核的填充而形成。fluo-3染色的裂殖酵母细胞,由于fluo-3进入到细胞器（房室化现象）,所以出现胞质的内部区域高的荧光信号,而在周缘的胞质区相对弱,不能真实反应胞质钙离子的分布。因此重组表达钙离子敏感蛋白测定钙离子的方法优于fluo-3荧光探针的方法,对于裂殖酵母细胞胞内钙离子的研究具有良好的应用前景。     

植物感受盐胁迫及相关钙信号的研究进展

盐胁迫对植物的生长和发育造成严重影响,其危害包括渗透胁迫、离子毒害等,严重损害了农业生产和粮食安全。在盐胁迫下,植物相关感受器接受刺激,使得Ca²⁺通过细胞膜以及细胞内钙库膜上打开的Ca²⁺通道进入细胞质基质,导致细胞质内Ca²⁺浓度升高,产生钙信号。钙离子作为重要的第二信使,在植物细胞内和细胞间传递信号,信号往下游传递,在不同生长和发育阶段引起植物一系列的生理响应来应对盐胁迫影响。钙信号主要通过钙调蛋白（CaM）、钙调素样蛋白（CML）、钙依赖性蛋白激酶（CDPK）、钙调磷酸酶B样蛋白（CBL）和CBL互作蛋白激酶（CIPK）感知并将特异的钙信号信息传递到下游;从而激活植物盐胁迫生理响应。本文主要综述植物如何感知盐胁迫刺激,以及钙信号产生与传导机制,并对该研究领域需解决的问题进行了展望。     

白菜核雄性不育系可育和不育花药中Ca2+的分布

研究了白菜(Brassica campestris L. ssp.chinensis Makino)细胞核雄性不育系花药中Ca2 的分布特征.在可育花药发育过程中,减数分裂后花药壁细胞中钙颗粒明显增加.早期小孢子开始积累钙颗粒并特异性地附在小液泡膜上.小孢子分裂后,大液泡消失过程中又伴随着许多钙颗粒附在小液泡膜上,显示出Ca2 与花粉中液泡的形成和分解有关.在不育花药中,最早出现的钙颗粒异常分布是在小孢子母细胞的胼胝质壁中积累了较多的钙颗粒.然而,在小孢子细胞质中钙颗粒一直很少,也不形成大液泡,最后通过细胞质收缩的方式败育.这是首次发现Ca2 参与调控花药发育过程,其异常分布与花粉败育密切相关.     

Short-range intercellular calcium signaling in bone

The regulation of bone turnover is a complex and finely tuned process. Many factors regulate bone remodeling, including hormones, growth factors, cytokines etc. However, little is known about the signals coupling bone formation to bone resorption, and how mechanical forces are translated into biological effects in bone. Intercellular calcium waves are increases in intracellular calcium concentration in single cells, subsequently propagating to adjacent cells, and can be a possible mechanism for the coupling of bone formation to bone resorption. The aim of the present studies was to investigate whether bone cells are capable of communicating via intercellular calcium signals, and determine by which mechanisms the cells propagate the signals. First, we found that osteoblastic cells can propagate intercellular calcium transients upon mechanical stimulation, and that there are two principally different mechanisms for this propagation. One mechanism involves the secretion of a nucleotide, possibly ATP, acting in an autocrine action to purinergic P2Y2 receptors on the neighboring cells, leading to intracellular IP3 generation and subsequent release of calcium from intracellular stores. The other mechanism involves the passage of a small messenger through gap junctions to the cytoplasm of the neighboring cells, inducing depolarization of the plasma membrane with subsequent opening of membrane bound voltage-operated calcium channels. Next, we found that osteoblasts can propagate these signals to osteoclasts as well. We demonstrated that paracrine action of ATP was responsible for the wave propagation, but now the purinergic P2X7 receptor was involved. Thus, the studies demonstrate that calcium signals can be propagated not only among osteoblasts, but also between osteoblasts and osteoclasts in response to mechanical stimulation. Thus, intercellular calcium signaling can be a mechanism by which mechanical stimuli on bone are translated into biological signals in bone cells, and propagated through the network of cells in bone. Further, the observations offer new pharmacological targets for the modulation of bone turnover, and perhaps even for the treatment of bone metabolic disorders.     

NaHCO3胁迫下星星草根中Ca2＋与Ca2＋-ATPase的超微细胞化学定位

利用焦锑酸盐和磷酸铅沉淀技术分别对NaHCO3胁迫条件下星星草（Puccinellia tenuiflora）根中Ca2＋和Ca2＋-ATPase进行超微细胞化学定位研究,旨在进一步探讨Ca2＋在NaHCO3胁迫诱导胞内信号转导过程中的作用,以及Ca2＋-ATPase活性定位变化与NaHCO3胁迫下星星草抗盐碱能力的关系。结果表明：在正常状态下,根毛区细胞质内Ca2＋较少,主要位于质膜附近和液泡中,Ca2＋-ATPase主要定位于质膜和液泡膜,有一定活性。在0.448%NaHCO3胁迫下,根毛区细胞质中Ca2＋增多,液泡中Ca2＋减少,且主要集中于液泡膜附近,质膜和液泡膜Ca2＋-ATPase活性明显升高。在1.054%NaHCO3胁迫下,细胞质中分布的Ca2＋增多,而液泡中Ca2＋极少,Ca2＋-ATPase活性也降低。以上结果表明,Ca2＋亚细胞定位和Ca2＋-ATPase活性变化在星星草响应NaHCO3胁迫的信号传递过程中具有重要作用。     

增强UV-B辐照对小麦幼苗叶肉细胞内Ca2＋水平的研究

以小麦（Triticum aestivum）幼苗叶片为材料,利用提取原生质体方法在小麦幼苗叶肉细胞中成功地装载了钙离子荧光指示剂fluo-3/AM,采用激光共聚焦显微技术检测了增强UV-B辐射后小麦幼苗叶肉细胞内游离钙离子荧光强度的分布,并对[Ca2＋];进行了测定.结果显示,对照组细胞内钙离子荧光分布较均匀,主要分布于紧贴质膜处和核周围,UV-B辐射组钙离子荧光与对照组分布相似,但其原生质体表面不如对照组平滑;同时发现增强UV-B辐射组细胞内钙离子荧光强度值较对照组高,说明增强UV-B辐射组小麦幼苗叶肉细胞维持较高浓度的钙离子水平.这些变化表明Ca2＋信号有可能以一定的方式参与了小麦响应UV-B辐射胁迫的过程.     

中枢神经系统钙稳态失调和老龄脑功能

脑的老化表现为记忆力的减退。脑老化的钙假说认为脑的老化与中枢神经系统「Ｃａ＾２＋」ｉ的调节机制紊乱有关,衰老可以通过多种因素导致「Ｃａ＾２＋」ｉ升高,影响突触传导,神经递质释放,信号转导等导致记忆障碍,本文综述了近年来的进展。     

神经干细胞体外增殖分化的钙成像研究

神经干细胞具有广阔的应用前景,但对于其增殖和分化的内源机制、外部环境信号还并不十分了解。研究表明,钙信号很可能在其中起到了调控作用。利用钙离子成像技术,观察神经干细胞的单细胞体外增殖和分化过程,记录了在细胞分裂过程中钙信号变化的曲线。发现细胞增殖和分化过程中都会产生钙浓度的变化,但在细胞分裂后期两者钙信号的模式却存在差别。实验结果提示,胞内钙水平的波动只是细胞增殖的伴随产物,但却是细胞分化的必要条件。由此提出钙信号对神经干细胞分化调控机制的假设,并指出其对今后研究的意义。     

Calcium signalling in early embryos

The onset of development in most species studied is triggered by one of the largest and longest calcium transients known to us. It is the most studied and best understood aspect of the calcium signals that accompany and control development. Its properties and mechanisms demonstrate what embryos are capable of and thus how the less-understood calcium signals later in development may be generated. The downstream targets of the fertilization calcium signal have also been identified, providing some pointers to the probable targets of calcium signals further on in the process of development.In one species or another, the fertilization calcium signal involves all the known calcium-releasing second messengers and many of the known calcium-signalling mechanisms. These calcium signals also usually take the form of a propagating calcium wave or waves. Fertilization causes the cell cycle to resume, and therefore fertilization signals are cell-cycle signals. In some early embryonic cell cycles, calcium signals also control the progress through each cell cycle, controlling mitosis.Studies of these early embryonic calcium-signalling mechanisms provide a background to the calcium-signalling events discussed in the articles in this issue.     

巨细胞病毒感染与细胞内钙离子变化相关性研究

人类受人巨细胞病毒（HCMV）感染非常普遍,但其致病机制尚不清楚,钙是细胞内最普遍而重要的信号传导成分,它在细胞活动的各种生理生化反应和疾病的发生和发展中有重要作用,HCMV感染后对受染细胞内钙离子浓度产生明显影响,这不仅有利于HCMV在胞内的复制和成熟,而且与其致病有关。