线粒体钙单向转运体和线粒体应激关系的研究进展

钙离子(calcium ion,Ca~(2+))在线粒体功能障碍及细胞损伤凋亡过程中发挥重要的细胞信号作用。近些年来关于Ca~(2+)通道以及其调控蛋白的研究越来越多,其中,线粒体单向转运体(uniporter)复合物的结构组成及其相关蛋白的分布特点成为主要研究热点。作为uniporter复合物中关键的通道蛋白,线粒体钙单向转运蛋白(mitochondrial calcium uniporter,MCU)可顺电化学梯度摄入Ca~(2+),将Ca~(2+)从胞质转运到线粒体基质并控制转运速率,其在胞内Ca~(2+)信号转导、Ca~(2+)稳态、线粒体能量代谢以及细胞凋亡方面具有重要意义。识别调控线粒体内Ca~(2+)信号的MCU及其相关蛋白可深入阐明线粒体应激在相关疾病中的发生发展,并为进一步的疾病治疗提供理论依据。     

线粒体钙单向转运蛋白在神经元氧化应激中的作用

在神经元氧化应激损伤中,线粒体被认为是参与氧化应激的关键环节,其主要参与维持离子平衡、信息传递、提供能量等过程。Ca~(2+)作为信息传递第二信使,在神经元氧化应激凋亡过程中起着重要作用。而线粒体钙单向转运蛋白(mitochondrial calcium uniporter,MCU)作为吸收Ca~(2+)的重要通道,自发现以来,就一直备受关注。本文就MCU的结构、与Ca~(2+)的相关关系、在神经元氧化应激中的作用作一综述。     

线粒体钙离子单向转运蛋白MCU及调节蛋白MICU1

线粒体钙离子摄入对能量生成、细胞分裂和死亡均具有十分重要的作用,但对该过程的机制却知之甚少。最近研究鉴定出线粒体钙离子单向转运蛋白(MCU,mitochondrial calcium uniporter)和线粒体钙离子摄入蛋白1(MICU1,mitochondrial calcium uptake 1),这两种蛋白都定位于线粒体内膜,均参与钙离子摄入。MCU拥有两个跨膜结构域,显示出钙离子通道活性并对钌红敏感,而MICU1具有两个典型的EF手形结构域,该结构可感知钙离子的变化,可能作为MCU调节蛋白发挥作用。这些研究进展对线粒体内稳态的理解和线粒体相关疾病的治疗具有重要意义。     

线粒体内质网结构偶联介导的线粒体Ca~(2+)摄取及其与肿瘤发生关系研究进展

线粒体内质网结构偶联(mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes,MAMs)是线粒体外膜与内质网膜间形成的、具有稳定间距的相互作用膜结构,在介导两细胞器间的物质和信息传递中发挥关键作用。研究表明, MAMs上分布有大量Ca~(2+)转运通道及相关调控蛋白,可精细调控线粒体Ca~(2+)稳态及ATP生成、细胞凋亡等一系列重要细胞生命活动。进一步研究还发现,MAMs上富集了大量肿瘤相关分子,因此,其参与恶性肿瘤发生的作用机制迅速成为肿瘤基础研究的热点。该文围绕MAMs对线粒体Ca~(2+)摄取及肿瘤发生调控的最新研究进展予以综述,旨在为进一步理解肿瘤发病机制提供新的思路和依据。     

TRPC1与Orai1的相互作用参与人脐静脉内皮细胞钙敏感受体介导的钙内流及一氧化氮生成

本研究旨在探讨Ca~(2+)感受蛋白经典瞬时感受器电位蛋白1(canonical transient receptor potential channel 1,TRPC1)与钙释放激活钙通道调节分子1(calcium release-activated calcium modulator 1,Orai1)的相互作用在人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)钙敏感受体(Ca-sensing receptor,Ca R)介导的Ca~(2+)内流和一氧化氮(NO)生成中的作用。取2~3代HUVECs,单独或联合用Ca R激动剂精胺[Spermine,激活钙库活化的钙通道(store-operated calcium channels,SOC)和受体活化的钙通道(receptor-operated calcium channels,ROC)]、ROC模拟剂12-O-十四烷酰佛波醇-13-乙酸酯(TPA)+Ca R负性变构调节剂Calhex231(阻断SOC,激活ROC)、PKC抑制剂Ro31-8220(激活SOC,阻断ROC)以及经典型PKCs和PKCμ抑制剂Go6967(激活SOC,阻断ROC)处理。用免疫荧光技术检测HUVECs中TRPC1和Orai1的蛋白表达、共定位;用免疫共沉淀法检测TRPC1和Orai1之间的相互作用模式;随后用TRPC1和Orai1干扰质粒联合转染HUVECs,采用荧光探针同时检测HUVECs中[Ca~(2+)]i和NO生成的变化。结果显示,HUVECs中TRPC1和Orai1蛋白表达共定位于胞膜。与Spermine+Ca~(2+)组相比,Calhex231+TPA+Spermine+Ca~(2+)组、Ro31-8220+Spermine+Ca~(2+)组和Go6976+Spermine+Ca~(2+)组HUVECs中定位于胞浆中的TRPC1、Orai1蛋白表达均显著降低,二者的结合也减少。免疫共沉淀结果显示,Calhex231+TPA+Spermine+Ca~(2+)组、Ro31-8220+Spermine+Ca~(2+)组和Go6976+Spermine+Ca~(2+)组TRPC1/Orai1和Orai1/TRPC1相对比值百分数均明显低于对照组以及Spermine+Ca~(2+)组(均P0.05),表明Orai1和TRPC1相互作用均减弱。联合转染质粒敲低TRPC1和Orai1显著降低Spermine+Ca~(2+)组、Calhex231+TPA+Spermine+Ca~(2+)组、Ro31-8220+Spermine+Ca~(2+)组和Go6976+Spermine+Ca~(2+)组的HUVECs中[Ca~(2+)]i和NO生成。以上结果提示,TRPC1与Orai1以二元复合物的形式激活SOC和ROC,介导Ca~(2+)内流及NO生成。     

钙结合蛋白对花粉生长发育调控研究进展

植物钙结合蛋白存在于花粉管中,通过直接或间接结合Ca~(2+),定位膜结构,形成Ca~(2+)信号通道,发生信号转导,对花粉发育及花粉管的生长起到调控作用。目前已明确以钙调蛋白(CAM)、钙依赖型蛋白激酶(CDPK)、类钙调蛋白(CML)、类钙调素B类蛋白(CBL)和激酶蛋白(CIPK)为主的植物钙结合蛋白在调控花粉发育及花粉管生长方面的重要作用。该文主要对近年来国内外已经明确的各类钙结合蛋白家族以及家族成员间不同的作用机理的研究进展进行综述,并举例阐述了钙结合蛋白家族中各类成员对花粉管特定的作用方式及调控作用,最后对今后相关领域的研究前景进行了展望。     

丹参酮Ⅱ-A磺酸钠对异丙基肾上腺素引起的心肌线粒体积蓄钙离子的保护作用

 临床报道丹参酮Ⅱ-A磺酸钠(T)对冠心病心绞痛和胸闷症状有一定疗效,并能改善缺血性心电图。药理研究证明,具有抗钙和抗钙调蛋白(CaM)作用。本文进一步研究了T对正常的和异丙基肾上腺素(Isp)兴奋的家兔心肌线粒体摄取~(45)Ca~(2+)的影响。本文制备的心肌线粒体经透射和扫描电镜检查证明形态和内部结构均正常。线粒体蛋白在0.1mg/ml以下时其钙摄取与浓度呈线性关系。Isp10~(-6)mol/L可使线粒体钙摄取提高20±5％。T在10μg/ml时对正常的和Isp兴奋的线粒体摄取钙的抑制率分别为61.2±3.9％和54.2±5.1％。已知大剂量Isp可引起心肌线粒体钙超载和细胞坏死。戊脉安可减少以上病理性损害。本文结果表明T也具有类似戊脉安的保护心肌的作用。     

致凋亡的声动力疗法诱导巨噬细胞线粒体钙升高的机制研究

目的:研究致凋亡的声动力疗法诱导巨噬细胞线粒体钙升高的机制。方法:应用佛波酯(PMA)诱导THP-1单核细胞分化为巨噬细胞进行实验研究。选用5-氨基酮戊酸(ALA)作为声敏剂,进行声动力治疗(SDT)。应用流式细胞术证实SDT显著促进了细胞凋亡;应用Rhod 2/AM实时监测线粒体Ca~(2+)水平;通过蛋白质免疫印迹对全细胞蛋白中的Bax、Cleaved-caspase3、电压依赖性阴离子通道1(VDAC1)和三磷酸肌醇Ⅲ型受体(IP3R-Ⅲ)进行检测;应用VDAC1抗体进行免疫共沉淀,检测VDAC1和IP3R-Ⅲ之间的相互作用;实时监测线粒体Ca~(2+)水平,检测VDAC抑制剂DIDS和IP3Rs抑制剂2-ABP对SDT效果的影响。结果:与对照组相比,仅SDT组出现了显著的细胞凋亡(P0.001)。与对照组相比,ALA对线粒体Ca~(2+)水平无明显影响,超声诱导了线粒体Ca~(2+)水平的明显升高,SDT诱导了线粒体Ca~(2+)水平快速且大幅度的升高,且去除超声后仍维持在较高水平。与对照组相比,超声对Bax、Cleaved-caspase3、VDAC1和IP3R-Ⅲ的表达无明显影响,ALA诱导了VDAC1(P0.01)和IP3R-Ⅲ表达量的增加(P0.05),SDT诱导了Bax(P0.001)、Cleaved-caspase3(P0.001)、VDAC1(P0.01)和IP3R-Ⅲ(P0.05)表达量的增加,VDAC1和IP3R-Ⅲ的增加幅度与ALA组接近;ALA和SDT均诱导了VDAC1和IP3R-Ⅲ之间相互作用的显著增强(P0.05)。DIDS和2-ABP均明显抑制了SDT诱导的线粒体Ca~(2+)增加。结论:在致凋亡的SDT作用于THP-1巨噬细胞的过程中,ALA诱导了线粒体外膜Ca~(2+)转运通道VDAC1和内质网重要Ca~(2+)转运通道IP3R-Ⅲ的表达量增加与二者间相互作用的增强,在内质网和线粒体之间建立了大量的Ca~(2+)转运通道,超声的作用则在于触发这些Ca~(2+)转运通道的开放,进而引发线粒体钙的迅速增加。这是后续线粒体凋亡通路启动的重要机制之一。     

Calsyntenins家族在学习记忆和阿尔茨海默病发病中的作用研究

钙结合蛋白家族(calsyntenins,CLSTNs)属于细胞黏附分子钙黏素超家族,包括CLSTN1、CLSTN2和CLSTN3三个成员,主要表达于锥体神经元突触后膜和转运囊泡中,参与调控线虫和人的学习记忆。CLSTNs能将细胞外水解信号和细胞内Ca~(2+)激活信号相关联,还是一个调控多个膜结合细胞器转运的胞内运输蛋白。现分析CLSTNs激活Ca~(2+)信号途径和参与胞内转运的功能,归纳CLSTNs调控学习记忆、突触发育和突触传递的作用,以及在阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)发病中的作用,为理解CLSTNs的细胞生物学功能提供线索。     

大鼠心肌线粒体Ca2+-ATP酶的制备及活性测定

Ca~(2 )在细胞内有许多重要的功能,它参与不同酶系和多种类型细胞活动的调节。细胞内Ca~(2 )的这些功能需很低的Ca~(2 )浓度(μmol/L或更低),维持细胞浆低Ca~(2 )浓度是与细胞Ca~(2 )调节装置有关,心肌细胞的这类装置包括肌膜、肌浆网、线粒体以及一些与Ca~(2 )结合的蛋白(如钙调素)和小分子物质,其中线粒体是重要的机构之一。Vasington等首次报道了肾脏线粒体对Ca~(2 )的摄取作用,并注意到这一过     

肝脏不存在钙反常现象

无钙灌流一定时间后复钙灌流的组织发生严重的功能和结构损伤的现象称之为钙反常(calcium paradox)。尽管这种现象存在一定的普遍性(在心肌、肾、骨骼肌、血管平滑肌中均存在),但迄今为止对肝脏在缺Ca~(2+)复Ca~(2+)过程中的变化及肝脏组织中Ca~(2+)和氧应激之间的关系还所知甚少。最近,Okuda等采用离体肝脏     

硒对心肌质膜(Ca~(2+)·Mg~(2+))-ATPase和肌浆网Ca~(2+)-ATPase活力的影响

本文以豚鼠和大白鼠心肌肌浆网膜(SR)Ca~(2+)-ATPase的活力,心肌质膜(SL)(Ca~(2+)Mg~(2+))-ATPase的活力和电子显微镜的方法探索克山病病区粮中低硒与心肌细胞钙转运调控的共系,实验结果为硒对克山病有预防作用的观点提供了新的理论依据,并进一步支持了“克山病是一种心肌线粒体病”的观点。     

L-型钙通道自身调控异常参与缺血再灌注心肌钙超载的形成

钙超载作为心肌缺血再灌注损伤的重要机制之一,其形成原因与治疗策略一直是研究的热点。心肌遭受缺血再灌注后,参与细胞内钙循环的L-型电压依赖钙通道(L-type voltage-dependent calcium channel,L-VDCC)、肌浆网钙ATP酶2a(sarco/endoplasmic reticulum ATPase 2a,SERCA2a)和受磷蛋白(phospholamban,PLB)、Ryanodine受体2(RyR2)、Na~+/Ca~(2+)交换体、Na~+/H~+交换体等多种蛋白功能异常,导致舒张期[Ca~(2+)]_i上升,钙瞬变幅度降低,细胞出现钙超载。[Ca~(2+)]_i升高的过程大致可分为两个阶段:早期的[Ca~(2+)]_i升高过程(部分由钙通道介导)和晚期的[Ca~(2+)]_i升高过程(主要由Na~+/Ca~(2+)交换体介导)。L-VDCC活性增加参与钙超载的形成,但是L-VDCC蛋白在缺血再灌注过程中的分子变化机制尚不清楚。L-VDCC通道调控方式包括两类:自身调节和外源性调节,其中外源性调节蛋白PKG和PKA的调控不能解释细胞水平的L-VDCC活性增加现象,而在缺血再灌注过程中,钙依赖的失活(calcium-dependent inactivation,CDI)效应减弱、钙依赖的易化(calcium-dependent facilitation,CDF)效应增强、羧基远端部分肽链(distal carboxy terminus,DCT)的抑制效应减弱,这三种自身调节机制的改变引起L-VDCC活性的增加。因此,可以认为L-VDCC通道自身调控异常参与缺血再灌注损伤中心肌细胞钙超载的形成。     

铝与钙调蛋白相互作用及其作用位点的研究

用500MHzNMR研究了铝与钙调蛋白的相互作用,主要研究了铝对钙调蛋白中芳香氨基酸残基(Tyr,His,Phe)构象变化的影响。实验结果表明,铝在钙饱和的钙调蛋白上存在着特异性的结合位点,结合位点数目至少为两个,第一结合位点可能位于钙调蛋白的N端结构域,第二结合位点靠近Ca~(2+)的Ⅲ结合域。Al~(3+)结合引起脱钙的钙调蛋白的构象变化不同于与Ca~(3+)结合引起的构象变化。Al~(3+)在CaM上的结合位点与Ca~(2+)的并不相同。柠檬酸等有机酸对铝的毒性有保护作用,这种保护作用是由于柠檬酸分子对铝的络合。     

山莨菪碱对经有限蛋白水解后的脑突触膜Ca~(2+)-ATPase的影响

 从猪脑中提取钙调蛋白和突触质膜,我们研究了山莨菪碱对经有限蛋白水解和磷脂酶A_2处理后的突触膜Ca~(2+)-ATPase活性影响。发现药物对不同预处理后的Ca~(2+)-ATPase表现出不同影响并调节钙调蛋白对它的激活作用。     

电针、吗啡镇痛和耐受时某些脑区线粒体结合钙的变化

采用 Tb~(3+)荧光探针和离子选择电极研究了电针和吗啡镇痛及镇痛耐受时,动物不同脑区游离 Ca~(2+)和线粒体膜结合 Ca~(2+)的变化。实验结果表明,电针和吗啡都有较强的镇痛作用,与此同时,导水管周围灰质和下丘脑的线粒体膜结合 Ca~(2+)升高。脑室内预注钌红,则能降低这两个脑区的线粒体膜结合 Ca~(2+)和痛阈。另一方面,在电针或吗啡耐受时,两脑区的游离 Ca~(2+)浓度增加,线粒体膜结合 Ca~(2+)降低。结果提示,神经细胞质膜内外 Ca~(2+)的移动可能在电针和吗啡镇痛中起某种调节作用。     

H_2S与Ca~(2+)互作提高黄瓜幼苗耐冷性

硫化氢(hydrogen sulfide,H_2S)是一种新型气体信号分子,钙离子(calcium,Ca~(2+))为重要的第二信使,两者在调控植物生长发育及多种逆境胁迫中分别起着重要作用。然而,H_2S和Ca~(2+)信号在调控植物耐冷性中的作用关系并不十分清楚。本研究针对以上问题以‘津优35号’黄瓜为试材进行研究,结果表明,低温胁迫可诱导H_2S信号的产生,且这种信号可被外源Ca~(2+)增强;低温胁迫可诱导Ca~(2+)信号转导相关基因CaM、CIPK5的mRNA表达,且外源H_2S能够上调低温下CaM、CIPK5的表达量;进一步研究发现,外源H_2S和Ca~(2+)可显著增强植株的抗氧化能力,减少活性氧积累,从而降低低温胁迫对黄瓜幼苗的损伤,且加入Ca~(2+)螯合剂乙二醇二乙醚二胺四乙酸(ethylene glycol tetraacetic acid,EGTA)或钙调素拮抗剂氯丙嗪(chlorpromazine,CPZ)后,H_2S对黄瓜幼苗抗氧化能力的促进效应明显减弱,同样的,H_2S清除剂次牛磺酸(hypotaurine,HT)也会降低Ca~(2+)的作用。以上结果表明H_2S与Ca~(2+)信号间存在着复杂的联系,而且他们可以通过相互作用调控黄瓜幼苗的抗氧化系统,从而增强植株耐冷性。     

非损伤微测技术实时检测海马脑片跨膜钙离子流

脑内β-淀粉样蛋白(amyloid-βprotein,Aβ)的聚集是阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)的重要病理特征。Aβ的神经毒性作用机制与其扰乱神经元Ca~(2+)稳态有密切关系。非损伤微测技术(non-invasive micro-test technique,NMT)是近年发展起来的一种利用Fick第一扩散定律和Nernst方程,通过非接触方式检测膜外扩散电位获取离子跨膜流速的最新技术手段。本研究在C57BL/6小鼠海马脑片,利用NMT首次检测了Aβ对谷氨酸(Glu)诱发的Ca~(2+)内流以及细胞外低钙引起的Ca~(2+)外排的影响,并初步探讨了Aβ扰乱神经元Ca~(2+)稳态的相关机制。结果显示:(1)急性给予Glu可诱发海马脑片CA1区神经元产生起始快、继而缓慢衰减的持续性内向Ca~(2+)流;(2)Aβ预处理浓度依赖性地增强海马神经元对Glu的反应性,显著提高给药后5 min内Ca~(2+)内流的平均流速,而NMDA受体拮抗剂D-APV可有效阻断Aβ对神经元Glu反应的这种易化作用;(3)用低钙人工脑脊液急性灌流脑片可引起海马CA1区神经元产生持续的外向跨膜Ca~(2+)流,其大部分可被特异性Na+/Ca~(2+)交换体抑制剂KB-R7943所阻断;(4)Aβ预处理可部分抑制低钙人工脑脊液引起的Ca~(2+)外排。这些结果表明:Aβ引起的细胞内Ca~(2+)超载不仅涉及到Ca~(2+)内流增加,也与其对Ca~(2+)外排的抑制有关;Aβ易化Glu的兴奋毒作用主要是通过NMDA受体介导的,其抑制Ca~(2+)外排的靶点主要是Na+/Ca~(2+)交换体。NMT具有操作相对简单、实时获取结果、非损伤的优点,适用于脑片Ca~(2+)内流和Ca~(2+)外排的长时间测定。因此,本研究不仅为解释Aβ所致Ca~(2+)超载的神经毒性机制提供了新的实验证据,也为开展跨膜Ca~(2+)信号转导机制的脑研究提供了新的技术方法。     

红光对绿豆下胚轴线粒体Ca~(2+)积累、ATPase及NAD激酶活性的影响

绿豆下胚轴切段经红光处理后10min,其线粒体的Ca~(2+)积累下降15％,Ca~(2+)-ATPase 及 Mg~(2+)-ATPase活性也分别下降29％和10％,切段CaM含量增加近1倍。Ca~(2+)存在时,红光能促进线粒体NAD 激酶活性。说明Ca~(2+)-ATPase及一部分Mg~(2+)-ATPase可作为钙泵控制Ca~(2+)进入线粒体。     

植物体内的钙信使系统

Ca对植物不仅仅是一种大量营养元素,更重要的是作为偶连胞外信号与胞内生理生化反应的第二信使,作为植物代谢和发育的主要调控者。本文介绍了Ca在植物细胞中的分布及其体内平衡机制,以及Ca~(2+)信使系统调控的植物生理生化过程,讨论了外界信号通过Ca~(2+)信使系统的传递和表达过程,Ca~(2+)信使系统对基因表达的可能影响,以及Ca~(2+)信使系统的作用机制,并提出了今后的研究方向。