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钙离子是所有动植物细胞内的信号物质,调控诸如神经元通讯、心脏搏动、基因表达等复杂多样的生命过程。日前,澳门新葡8455最新网站-点击进入研究人员发展了一种新颖的实验方法,首次实现了对纳米尺度钙信号的高精度实时观测。研究论文“Imaging Ca2+ Nanosparks in Heart with a New Targeted Biosensor”于11月20日在线发表于Circulation Research()。

早在1993年,程和平等发现了细胞钙信号的基本单位——钙火花(Calcium spark)。其后20年来超微结构研究表明,钙火花的中心点有成簇排列的钙释放通道阵列,居于由两片细胞膜构成的厚12-18纳米的空间中。这种通道阵列是如何开启的?开启后所释放的钙离子是如何扩散形成微米尺度的钙火花的?这些是钙火花研究领域的核心问题。

本项研究中,尚维、路福建等巧妙地设计了新的实验方法。他们通过基因操作,将最新最快的钙荧光蛋白GCaMP6f与定位于纳米空间的内源性蛋白triadin或junctin相连,使得探针分子精准地集聚于通道阵列中,并且锚定在细胞膜上而限制其自由扩散(上图)。借助于新实验方法的高灵敏度和定位精度,他们成功观测到纳米空间内毫秒量级的钙信号动态(下图),称之为“纳米钙火花”(Calcium nanospark), 其体积仅为钙火花的1/50。

通过捕获大量的自发纳米钙火花,研究人员发现通道阵列的开启并不总是“全或无”的,促进了对钙火花形成机制的认识。在一次心肌细胞收缩过程中,细胞电生理信号触发上万个纳米钙火花,新技术可以精确测定这些事件的时间次序和空间模式,为揭示心衰和心律失常伴随的钙信号紊乱的成因提供了利器。此外,新技术可望广泛应用于各种细胞纳米尺度钙信号的研究当中。

本项实验研究在澳门新葡8455最新网站程和平、陈良怡实验室和生命科学学院王世强实验室完成,并与英国Bristol大学Cannell实验室合作开展模型分析,受到国家基金委“细胞钙信号创新研究”和科技部973项目等资金支持。澳门新葡8455最新网站研究生尚维、路福建同学为论文的共同第一作者。