2020年10月13日，北京大學(xué)鈣信號(hào)研究團(tuán)隊(duì)在心臟領(lǐng)域頂級(jí)期刊Circulation在線發(fā)表了題為“Imaging Sarcoplasmic Reticulum Ca2⁺ Signaling in Intact Cardiac Myocytes”的通訊論文。該論文提供了一種新穎通用的實(shí)驗(yàn)策略，實(shí)現(xiàn)了在生理?xiàng)l件下對(duì)心肌細(xì)胞肌質(zhì)網(wǎng)（SR）鈣信號(hào)高精度實(shí)時(shí)觀測(cè)。

SR是由生物膜形成的具有納米管和納米囊結(jié)構(gòu)、三維聯(lián)通并彌漫于整個(gè)胞漿的單一細(xì)胞器。SR貯存高濃度鈣離子，是細(xì)胞內(nèi)最重要的鈣庫(kù)（Ca²⁺ store），其鈣濃度時(shí)空動(dòng)態(tài)有著豐富多彩的生物學(xué)信號(hào)功能。正常SR鈣釋放驅(qū)動(dòng)心臟的每一次搏動(dòng)，SR鈣庫(kù)超載可導(dǎo)致鈣釋放通道RyR的過(guò)度活躍，引發(fā)鈣波及心率失常。另一方面，SR鈣庫(kù)貯存不足不僅影響心臟收縮功能，還可誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及細(xì)胞死亡。然而，由于帶有AM基團(tuán)的鈣染料（如Fluo5N-AM，其AM基團(tuán)為穿越生物膜所必需）在裝載過(guò)程中會(huì)滯留于胞漿而難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位于SR，直接觀測(cè)SR鈣動(dòng)態(tài)是心臟領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期以來(lái)的一大瓶頸。前人研究表明，除了在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物兔和狗上取得部分成功，在擁有眾多基因操作和疾病模型的鼠類模式生物上，尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)完整心肌細(xì)胞SR鈣信號(hào)的成像研究。

srCES新策略實(shí)現(xiàn)心臟肌質(zhì)網(wǎng)鈣信號(hào)成像

研究團(tuán)隊(duì)巧妙地采用了SR定位的羧酸酯酶（srCES）策略來(lái)實(shí)現(xiàn)鈣染料的定向富集。作者首先利用腺病毒將srCES遞送入分離培養(yǎng)的大鼠心肌細(xì)胞，在10分鐘的染料裝載過(guò)程中，srCES高效地水解AM基團(tuán)，達(dá)到將Fluo5N選擇性富集在SR中的效果，且效率接近100%。為實(shí)現(xiàn)在活體（in vivo）條件下使小鼠心臟特異地表達(dá)srCES，作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了含有心肌特異性啟動(dòng)子元件的腺相關(guān)病毒，也獲得了近乎完美的鈣染料富集效果。

借助于新實(shí)驗(yàn)方法捕捉的高分辨SR鈣動(dòng)態(tài)，作者測(cè)定了在一次心臟搏動(dòng)過(guò)程中SR釋放約40%的鈣庫(kù)含量，解析了鈣信號(hào)基本單位——鈣火花（Ca²⁺ spark）的“孿生兄弟”——鈣空穴（Ca²⁺ blink）。進(jìn)一步地，作者從全新的SR視角，驗(yàn)證了鈣波傳播的多個(gè)假說(shuō)，為“鈣致鈣釋放”（CICR）機(jī)制提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并定量測(cè)定了CICR的閾值，為揭示心衰和心律失常伴隨的鈣信號(hào)紊亂的成因提供了新的研究技術(shù)和思路。此外，新策略可望廣泛應(yīng)用于各種肌細(xì)胞（如心房肌、骨骼?。㏒R及各種細(xì)胞器（如溶酶體）鈣信號(hào)的研究中。

該工作由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所程和平實(shí)驗(yàn)室、生命科學(xué)學(xué)院王世強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院謝文俊實(shí)驗(yàn)室合作完成。北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所博士畢業(yè)生路福建和研究生趙琰為論文的共同第一作者。程和平和路福建為論文的通訊作者。合作者還包括北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所王顯花老師和生命科學(xué)學(xué)院郭前進(jìn)同學(xué)。項(xiàng)目得到科技部和國(guó)家基金委多項(xiàng)資金的支持。

來(lái)源： 分子醫(yī)學(xué)研究所