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1、生物物理学报第二十三卷第四期二!!七年八月ACTABIOPHYSICASINICAVol.23No.4Aug.2007钙火花研究进展与瞻望赵婷,魏盛,方华强,王显花,郑铭,程和平（北京大学分子医学研究所，北京100871）摘要:钙离子是最广泛而又最重要的细胞内第二信使。自1993年以来,钙火花等一系列钙信号基本单元相继发现,揭示了细胞钙信号转导的数字-模拟二元特征:纳米-微米尺度上短暂的钙信号事件(数字系统)随机叠加于连续的全细胞钙信号(模拟系统)背景中。数字模式的微区域钙信号赋予细胞钙信号在时间、空间、幅度上多
2、尺度多层次的精细结构。对钙火花激活机制、协同机制、终止机制等方面的研究,为钙释放通道阵列的门控及调节提出了新的见解和问题。钙火花等对于高域值钙依赖性过程(如肌细胞兴奋-收缩耦联、细胞兴奋性和神经细胞分泌)的激活和时空调控具有特别重要的生理和病理意义。钙信号“数-模二元性”的研究可望进一步揭示细胞钙信号的简单性与复杂性的统一。关键词:钙火花;钙致钙释放;雷诺丁受体;1,4,5-三磷酸肌醇受体;数-模二元性中图分类号:Q25子由质膜上的NCX和Ca2+-ATP酶排出，同时由内0引言质网/肌浆网上的Ca2+-ATP酶（
3、sarco/endoplasmicreticulumCa2+ATPase,SERCA）回收入内钙库，钙离子是最简单也是最复杂的细胞信使。钙信号复杂性表现为无与伦比的功能多样性。快速变化重新达到动态平衡。的钙信号与肌肉收缩、神经递质传导、激素分泌等过去20多年来，众多研究者在肌肉细胞、神重要生理过程直接相关；不同钙信号的组合在长时经细胞、卵细胞等可兴奋和非可兴奋细胞中对微区程生物学过程，如受精、基因表达及细胞凋亡中发域钙信号进行了大量研究。最重要的发现之一是探2+挥关键作用[1~5]。然而，钙信号作用原理却似乎十测
4、到钙信号基本单元——“钙火花”（Caspark）及其相关钙信号事件[11]，它们揭示了钙信号局部控分简单：钙离子作为单原子二价阳离子既不被分解也不被合成，只是通过与效应蛋白的结合和解离，制的新机制，以及细胞内精细的钙信号结构体系。以及在不同细胞器之间的运动，来实现其对生物学这一工作首开先河，将钙信号原理的单一性与其调过程的调控。阐明一个如此简单的钙离子如何有序控和功能的复杂性统一了起来。本文以心脏中钙火地精细调节一个细胞内各种不同的，甚至是相反的花的研究为例，对这一迅速发展起来的领域——生理过程的必要性自不待言。
5、在已知的诸如Ca2+、“钙火花学”做一概述。钙信号基本单元及其相关cAMP、IP3、NO等细胞第二信使分子中，钙离子细胞组分名称总结于附表1。相关综述请见参考文献[5,12~30]。是研究得最清楚的一个，因此理解钙信号的简单性与复杂性的统一也将对认识整个细胞信号转导具有启迪与指导的意义。1钙火花钙离子可以通过多种途径由胞外进入细胞，如质膜上钙离子通道。这些通道的开放受控于电压、1.1自发性钙火花配体、细胞内信使、牵张力以及内质网/肌浆网清在静息的心肌细胞中，钙火花会突然随机出现空信号等。Na+/Ca2+交换体（N
6、a+/Ca2+exchanger，在本来十分平静的钙信号背景中，其荧光信号可在NCX）也可在特定的条件下逆向工作，向胞内转10ms内陡升一倍，然后在20ms内消失；直径大运钙离子。钙离子从内质网/肌浆网释放进入胞浆则由两个蛋白家族介导，雷诺丁受体（ryanodinereceptor,RyR）[6~8]和1,4,5-三磷酸肌醇受体收稿日期:2007-07-29（inositol1,4,5-trisphosphatereceptor,IP3R）[9,10]，通讯作者:程和平，电话/传真：(010)62765957，每
7、个受体家族已鉴定出三种亚型。进入胞浆的钙离E-mail：Chengp@pku.edu.cn266生物物理学报2007年小约2!m，体积约8fL（图1）。当有外源高浓度spike），其直径为0.6"m，时程仅8ms。钙针的特的钙离子螯合剂EGTA（4mmol/L）存在时，与钙点支持钙火花是由一个点状源或一个钙释放单元火花相应的局部钙信号事件称为“钙针”（Ca2+（CRU）发出的推测。(A)123456(B)ecapSTime图1钙火花。(A)静息心肌细胞中钙火花的共聚焦二维图像（扫描速度1.0s/帧）；(B)动作电
8、位引发钙瞬变波（上部）和自发钙火花（下部）的共聚焦线扫描图像（扫描速度2.0ms/行）。引自参考文献[15]和[32]自发钙火花并不需要通过L型钙通道（L-typeRyR的开放频率为10-4s-1[11]。Ca2+channel,LCC；也称为二氢吡啶受体，dihy-因为钙火花直接反映RyR开放，我们可以在dropyridinereceptor,DHPR）或其他跨膜通路进
