β-肾上腺素受体调控心肌细胞兴奋收缩耦联的分子过程研究

兴奋收缩耦联是肌细胞兴奋期间由动作电位触发肌质网释放钙离子,从而导致收缩的过程。心肌细胞的兴奋收缩耦联是通过“钙致钙释放（Ca^2＋-induced Ca^2＋ release）的机制完成的。兴奋期间,细胞膜电位的去极化导致电压依赖性的L．型钙通道（LCC）开放,细胞外钙离子通过LCC流入细胞,激活了肌质网膜上称为ryanodine受体（RyR）的钙释放通道,后者从肌质网钙库中释放钙离子,使细胞质游离钙浓度迅速上升。细胞质钙浓度的升高一方面启动细胞收缩,另一方面激活了肌质网钙泵和细胞膜钠钙交换,二者分别将钙离子运回肌质网或细胞外,使细胞质钙浓度很快回落,从而完成了一次“钙瞬变（Ca^2＋ transient）”。钙瞬变在每个心动周期发生一次,是直接控制细胞收缩的细胞内信号。     

心肌细胞横管-肌质网耦联与钙信号调控

心肌细胞的兴奋沿横管传入细胞深处并激活L型钙通道,进而通过钙致钙释放机制激活肌质网ryanodine受体钙释放通道,由此产生的钙火花叠加成为细胞钙瞬变,引发心肌细胞同步化收缩.β1型肾上腺素受体介导的广域cAMP信号通过磷酸化L型钙通道、ryanodine受体、肌质网受磷蛋白,分别上调钙内流、钙释放和肌质网钙泵的钙回收...     

心肌细胞兴奋收缩耦联的分子机制

肌细胞兴奋时,动作电位通过电压门控钙通道激活肌质网钙释放,由此引发的细胞内钙离子的瞬时升高驱动细胞收缩,这个过程叫做兴奋收缩耦联．21世纪以来,随着钙成像技术和分子细胞生物学技术的联合应用,心肌兴奋收缩耦联的分子机制逐步阐明．本文结合本实验室的相关研究,系统总结该领域的前沿进展,包括钙释放通道的分子性质、电压门控钙通道激活肌质网钙释放通道的动力学过程、生理调控以及病理变化．     

心肌肥厚中L-型钙通道与ryanodine受体分子间信号耦联的衰退

心脏压力负荷导致心肌肥厚的过程是心衰发生的关键环节。已有研究表明,控制心脏收缩的细胞钙致钙释放过程在心肌肥厚及心衰状态下发生缺损,但分子机制尚未阐明。我们以主动脉结扎手术建立压力负荷的大鼠心肌肥厚模型：实验组分为假手术组、代偿性肥厚组（CHT）和失代偿性肥厚组（DHT）,以松钳一共聚焦成像技术研究单个L-型钙通道（LCC）与ryanodine受体（RyR）间的钙信号耦联。我们发现DHT中LCC—RyR分子耦联潜伏期延长49％,耦联成功率降低47％,失败概率提高72％,证明DHT进入了一种“分子间衰退”状态。出人意料的是,心功能正常的CHT也发生分子间衰退,并与锚定肌质网与细胞膜的junctophilin蛋白表达下降有关,表明分子间耦联衰退在细胞功能变化显现之前已经潜性地发生。与此一致,细胞兴奋期钙释放同步性降低,但钙释放总量和细胞钙瞬变在CHT并无变化。这些结果提示,在一个我们称为“稳定余量”（stability margin）的范围内,分子间耦联衰退不会影响细胞兴奋收缩耦联能力,只有分子间耦联衰退超出稳定余量,心衰才会发生。潜性的分子间耦联衰退的发现对早期防治心衰有重要意义。     

β-肾上腺素能受体调控心肌细胞钙释放的分子机制

β-肾上腺素能受体（βAR）是最经典的G蛋白耦联受体。在心室肌细胞中,βAR可以提高细胞膜L-型钙通道（LCC）介导的钙内流的幅度和同步性,通过钙致钙释放机制触发肌质网（SR）更强的钙释放活动,从而起到调节心脏收缩能力的作用。然而,目前仍不清楚β-蛋白激酶A（PKA）信号通路如何直接调控肌质网钙释放通道ryanodine受体（RyR）的功能,该领域的研究结果存在很大争议。本文使用特殊的单通道钙成像技术,通过去极化方法激活单个LCC产生钙小星,记录触发的RyR钙火花。结果表明,在βAR激动剂异丙肾上腺素（1μM）作用20分钟内,单个LCC触发的钙火花幅度显著上升,且该效应不依赖于LCC单通道钙电流的变化;βAR激动下钙火花的钙释放电流幅度与肌质网钙储量的比值显著提高,表明βAR信号动员了更多的RyR通道参与同步钙释放活动;βAR激动下钙小星触发钙火花的耦联潜伏期时间缩短,成功率上升,表明βAR信号通路增强了LCC—RyR的分子间耦联效率。上述效应不依赖BAR引起的在肌质网钙储量上升,且能够被PKA抑制剂Rp-β-CPT-cAMP（100μM）和H89（10μM）消除。上述结果证明,βAR—PKA信号能够提高RvR对LCC单通道电流的响应速率和同步性。由此揭示的交感神经调节心脏功能的分子机制,将为进一步研究心脏疾病下βhR信号的异常变化奠定基础。     

心肌细胞兴奋-收缩偶联的微观机制

心肌细胞的兴奋 收缩偶联 (ECC)本质上是胞膜上的电压门控L 型钙通道 (LCCs)和胞内ryanodine受体 (RyRs)之间通过钙诱导钙释放 (CICR)机制进行沟通进而引发肌细胞收缩的过程。最近的研究进一步揭示了微观水平上LCCs和RyRs之间的信息联系。在钙偶联位点 (couplons)上 ,LCCs因膜去极化而随机开放 ,在局部产生高强度的钙脉冲 (即钙小星 ,Ca2 sparklet) ,作用于邻近肌质网终末池上的RyRs。钙偶联位点通过由钙小星随机激活的RyRs(即钙释放通道 )以钙火花 (Ca2 spark)的形式释放钙。这些钙在全细胞水平上总和即形成钙瞬变 (Ca2 transient)。因此 ,钙小星触发钙火花就构成了ECC中的基本事件。本文重点阐述LCCs和RyRs分子间的信号转导机制 ,也即从微观水平上探讨CICR及ECC的形成机制。     

白细胞介素-2降低缺氧/复氧心肌细胞对细胞内钙的处理能力

目的 :研究在正常和缺氧 /复氧过程中白细胞介素 2 (IL 2 )对心肌细胞收缩和细胞内钙的处理能力的影响。方法 :采用酶解分离大鼠心室肌细胞化学缺氧模型 ,用视频跟踪系统和细胞内双波长钙荧光系统检测单个心肌细胞收缩和细胞内钙的变化。结果 :①缺氧过程中 ,心肌细胞收缩被抑制 ,钙瞬变幅度降低、静息钙水平增高 ,咖啡因诱导的钙释放减少 ,但对细胞膜L -型钙通道活性无明显影响 ;复氧期间 ,各指标不能恢复到对照水平。②IL 2 (2× 10 5U/L)抑制心肌细胞收缩 ,使钙瞬变幅度降低、静息钙水平增高 ,使咖啡因诱导的钙释放减少。③在缺氧期间加入IL 2 (2× 10 5U/L)后 ,复氧期间各参数回复均减慢。结论 :缺氧时同时存在IL 2 ,可加剧复氧时心肌细胞收缩功能和钙处理能力的降低 ,这可能与心肌细胞肌浆网内贮钙释放减少有关。     

热暴露大鼠心肌细胞钙稳态及其调节机制的研究

本文观察了离体成年大鼠心室肌肌质网、线粒体Ｃａ＾２＋－ＡＴＰ酶活性和总钙含是到及原代培养乳腺心肌细胞＾４６Ｃａ摄取、活性钙调素相对含量、胞浆内游离钙浓度在不同温度热暴露４０ｍｉｎ后的变化。结果表明：热暴露后,心肌奖浆、肌质网及线粒体中的Ｃａ＾２＋－ＡＴＰ酶活发表 所下降,心肌肌质网及线粒体中的总钙含量亦有降低趋势,心肌细胞活性钙调素相对含量显著下降,＾４６Ｃａ摄取量及胞浆内游离浓度显著升高。提示,     

大鼠和黄鼠心肌细胞钙瞬变记录和钙移除机制分析

用共聚焦显微术在不同温度下记录非冬眠动物大鼠和冬眠动物黄鼠心肌细胞钙瞬变,并分析钙移除速率.结果表明:大鼠细胞钙瞬变舒期水平随降温显著升高,黄鼠基本不变;相同温度下,黄鼠钙瞬变时程较短,钙移除速率较快.CPA(cyclopiazoni cacid)的药理作用显示肌质网是细胞钙移除的主要机制,黄鼠肌质网摄钙速率较大鼠快.肯定了肌质网在冬眠动物心肌细胞耐受低温适应中的关键地位,否定了钠钙交换发挥重要作用的观点,提出了改善非冬眠动物心肌低温耐受性的可能性.     

Ca2+对骨骼肌钙释放通道的调节

钙释放通道（calcium release channel）又称Ryanodine受体（RyR）,是细胞内质网膜上介导细胞内钙信号转导的离子通道。RyR1在骨骼肌细胞的兴奋-收缩偶联过程中起重要作用,是肌质网快速释放Ca^2＋的通道。许多调节因素,如一些内源性蛋白（FK结合蛋白、钙调素、钙结合蛋白）和一些离子（Ca^2＋、Mg^2＋）,通过不同的作用位点与RyR1结合,调控RyR1的结构与功能。研究表明,Ca^2＋是众多调节RyR1因素中的核心成分和前提条件,其对RyR1的结构与功能有重要的调控作用。     

弱磁场对骨骼肌肌质网钙调控作用的研究

目的：探讨弱磁场对提取的骨骼肌肌质网系（SR）Ca（2＋）转运、钙泵（Ca（2＋）-Mg（2＋）-ATPase）及钙释放通道（RyR）活性的影响,从分子水平和细胞信号系统的角度来解释生物电磁效应。方法：利用动态光谱法检测0.4 mT弱磁场辐照过的SR Ca（2＋）转运、Ca（2＋）-ATPase活性,还原型辅酶（NADH）的氧化初速率和超氧（O_2-）产率,以及用同位素标记方法检测[3H]-Ryanodine与RyR的平衡结合度。结果：弱磁场辐照引起SR的Ca（2＋）摄取功能和Ca（2＋）-ATPase的活性明显下降,Ca（2＋）释放和[3H]-Ryanodine平衡结合度上升,同时上调了NADH的氧化初速率和O_2-的产率。结论：提示0.4 mT弱磁场辐照30 min对SR Ca（2＋）-ATPase活性有明显抑制,对RyR有一定的激活效果。     

Cardiac excitation-contraction coupling: role of membrane potential in regulation of contraction

The steps that couple depolarization of the cardiac cell membrane to initiation of contraction remain controversial. Depolarization triggers a rise in intracellular free Ca(2+) which activates contractile myofilaments. Most of this Ca(2+) is released from the sarcoplasmic reticulum (SR). Two fundamentally different mechanisms have been proposed for SR Ca(2+) release: Ca(2+)-induced Ca(2+) release (CICR) and a voltage-sensitive release mechanism (VSRM). Both mechanisms operate in the same cell and may contribute to contraction. CICR couples the release of SR Ca(2+) closely to the magnitude of the L-type Ca(2+) current. In contrast, the VSRM is graded by membrane potential rather than Ca(2+) current. The electrophysiological and pharmacological characteristics of the VSRM are strikingly different from CICR. Furthermore, the VSRM is strongly modulated by phosphorylation and provides a new regulatory mechanism for cardiac contraction. The VSRM is depressed in heart failure and may play an important role in contractile dysfunction. This review explores the operation and characteristics of the VSRM and CICR and discusses the impact of the VSRM on our understanding of cardiac excitation-contraction coupling.     

Calcium-induced calcium release in smooth muscle: loose coupling between the action potential and calcium release

Calcium-induced calcium release (CICR) has been observed in cardiac myocytes as elementary calcium release events (calcium sparks) associated with the opening of L-type Ca(2+) channels. In heart cells, a tight coupling between the gating of single L-type Ca(2+) channels and ryanodine receptors (RYRs) underlies calcium release. Here we demonstrate that L-type Ca(2+) channels activate RYRs to produce CICR in smooth muscle cells in the form of Ca(2+) sparks and propagated Ca(2+) waves. However, unlike CICR in cardiac muscle, RYR channel opening is not tightly linked to the gating of L-type Ca(2+) channels. L-type Ca(2+) channels can open without triggering Ca(2+) sparks and triggered Ca(2+) sparks are often observed after channel closure. CICR is a function of the net flux of Ca(2+) ions into the cytosol, rather than the single channel amplitude of L-type Ca(2+) channels. Moreover, unlike CICR in striated muscle, calcium release is completely eliminated by cytosolic calcium buffering. Thus, L-type Ca(2+) channels are loosely coupled to RYR through an increase in global [Ca(2+)] due to an increase in the effective distance between L-type Ca(2+) channels and RYR, resulting in an uncoupling of the obligate relationship that exists in striated muscle between the action potential and calcium release.     

Cameleon测钙系统在H202诱导的A549细胞凋亡过程中的应用

观察Cameleon测钙系统在H202诱导的A549细胞凋亡过程中的应用,实时测定胞浆Ca2＋浓度（[Ca2＋]i）,并探讨[Ca2＋]I－与细胞凋亡和Pyk2磷酸化的关系。采用ca2＋指示器CameleonYC3．6转染A549细胞,24h后用50mmol／LH202刺激细胞。激光扫描共聚集显微镜实时测定选取细胞的[ca2＋]i变化。采用Westernblot检测H202刺激的细胞中Pyk2－tyr402磷酸化水平。采用DAPI染色试剂盒观察H2O2刺激后细胞凋亡情况。结果发现,在H2O2作用下,A549细胞胞浆内游离[Ca2＋]迅速升高,同时Pyk2－tyr402磷酸化水平显著升高俨〈O．05）,凋亡细胞百分比显著增加（Ｐ〈0．01）。因此,H202促进A549细胞内Ca02＋释放,可能通过活化Pvk2诱导细胞凋亡。     

线粒体DNA拷贝量降低诱发人支气管上皮细胞钙信号失调

采用溴化乙锭（EtBr）诱导线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）拷贝量降低的人支气管上皮细胞株（ρ-HBE）;Real—timePCR与共聚焦成像表明,经EtBr诱导60d并挑取的单克隆细胞株,其mtDNA拷贝量下降为正常细胞的24％,成功构建了ρ-HBE。与母本细胞相比,ρ-HBE群体倍增时间延长,生长速度减慢。流式细胞术检测细胞线粒体膜电位（△ψm）下降,以Fura-2标记胞浆内游离钙,ρ-HBE[Ca2＋]i升高;线粒体解耦联剂FccP刺激细胞后,激光共聚焦扫描显微镜动态监测单个活细胞[Ca2＋]i变化,发现[ca2＋]i水平波动幅度小。提示mtDNA拷贝数降低可导致细胞内钙信号调节紊乱。     

Embryonic lethality and abnormal cardiac myocytes in mice lacking ryanodine receptor type 2.

The ryanodine receptor type 2 (RyR-2) functions as a Ca2+-induced Ca2+ release (CICR) channel on intracellular Ca2+ stores and is distributed in most excitable cells with the exception of skeletal muscle cells. RyR-2 is abundantly expressed in cardiac muscle cells and is thought to mediate Ca2+ release triggered by Ca2+ influx through the voltage-gated Ca2+ channel to constitute the cardiac type of excitation-contraction (E-C) coupling. Here we report on mutant mice lacking RyR-2. The mutant mice died at approximately embryonic day (E) 10 with morphological abnormalities in the heart tube. Prior to embryonic death, large vacuolate sarcoplasmic reticulum (SR) and structurally abnormal mitochondria began to develop in the mutant cardiac myocytes, and the vacuolate SR appeared to contain high concentrations of Ca2+. Fluorometric Ca2+ measurements showed that a Ca2+ transient evoked by caffeine, an activator of RyRs, was abolished in the mutant cardiac myocytes. However, both mutant and control hearts showed spontaneous rhythmic contractions at E9.5. Moreover, treatment with ryanodine, which locks RyR channels in their open state, did not exert a major effect on spontaneous Ca2+ transients in control cardiac myocytes at E9.5-11.5. These results suggest no essential contribution of the RyR-2 to E-C coupling in cardiac myocytes during early embryonic stages. Our results from the mutant mice indicate that the major role of RyR-2 is not in E-C coupling as the CICR channel in embryonic cardiac myocytes but it is absolutely required for cellular Ca2+ homeostasis most probably as a major Ca2+ leak channel to maintain the developing SR.     

Ca2＋失调与阿尔茨海默病发生发展关系的研究进展

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是全球老年人中最常见的神经退行性疾病。在对家族性AD的动物模型和个别AD患者死后脑组织的研究中发现,除了A1342水平升高外,神经元内Ca2＋信号失调,并且Ca2＋信号蛋白表达水平也发生了改变。淀粉样蛋白斑、神经元纤维缠结和神经元丢失是AD的后期标志,它们的共同点可能是破坏神经元钙离子信号。细胞内钙离子水平提高在功能上与淀粉样蛋白斑、早老素突变、tau缠结和突触功能障碍相关,基于这些研究,产生了AD的Ca2＋假说。主要介绍神经元内Ca2＋失调与AD的关系以及钙拮抗剂作为AD的潜在治疗方法。     

棉纤维细胞发育过程中钙离子内流和钙依赖蛋白激酶活性的动态变化

随着大规模棉花纤维细胞发育的表达谱分析以及系统性生理和生化研究,维持纤维细胞快速伸长的机制也逐渐被阐明,超长链脂肪酸和植物激素乙烯在该过程中发挥重要作用．本研究检测到在棉花纤维发育初期细胞外钙离子内流增加．棉花cDNA芯片及QRT．PCR的数据均显示,CPKl,CPK32和CRK5的表达在纤维伸长期显著升高．系统研究发现,随着纤维细胞的伸长,CPK总活性显著增加,在开花后10～15天达到最高,提示CPK类激酶在纤维发育过程中扮演重要角色．体外胚珠培养加入CPK的抑制剂TFP或w．7导致纤维不能伸长．在体外胚珠培养中加入外源的乙烯或者超长链脂肪酸可以刺激钙离子的瞬时内流和CPK的活性．因此推断,乙烯或者超长链脂肪酸通过促进CPK的活性增强钙离子内流,从而调控纤维细胞的发育．     

适当浓度的过氧化氢诱导人支气管上皮细胞发生钙振荡

包括过氧化氢（Hzoz）在内的活性氧通过引起细胞内钙的变化而造成细胞损伤。然而,不同浓度的H202可以导致细胞内不同的钙变化,并激活不同的信号通路。细胞内钙振荡是其中的一种钙信号变化形式,钙振荡可以调控转录因子NF—KB的活性。该研究探讨可以诱导支气管上皮细胞内钙振苏发生的H2o2浓度。体外培养人支气管上皮细胞,采取钙离子荧光探针Fura_2标记细胞。并使用离子成像系统,观测不同浓度的H：0：（0～1000μmol／L）作用下细胞内钙浓度的变化。结果发现,低于50μmol／L的H202仅仅引起“钙火花”;50～500μmol／L的H202导致细胞内钙振荡的发生;而1000μmol／L的H202引起细胞内持续的高钙;同时也证实150μmol／L的H202诱发明显的钙振荡,而钙振荡随后引起了NF—KB活性的升高。该研究提示,适当浓度的H：0：可以诱发支气管上皮细胞内钙振荡的发生,推测可能是活性氧导致慢性气道炎症损伤的一个机制。