心肌细胞横管-肌质网-线粒体五膜耦联与兴奋-钙信号-代谢调控轴

It is found that T-tubule (TT)/sarcoplasmic reticulum (SR)/mitochondria membranes are coupled in parallel across 10~30 nm interspaces in cardiomyocytes, which enables high-efficient signal transduction of membrane excitation, SR calcium spark and energy supply. In this proposal, we aim to study the molecular mechanisms of spark genesis and spark-energy coupling across TT, SR and mitochondrial membranes. We will test our new “early-bird dominance” hypothesis about the molecular mechanisms of spark initiation, progression and termination to reconcile the controversies of spark mechanism. We will explore the spark-energy mutual regulation based on our finding of a new mitochondrial inner membrane protein, dubbed calmatin. We will also extend these analyses to failing heart cells to explore the effect of TT/SR/mitochondria decoupling on calcium signaling and energy supply. These studies will not only reveal fundamental principles for the physiological operation of cardiomyocytes, but also will provide new ideas for understanding and targeting diseases such as heart failure.

心肌细胞中存在横管-肌质网-线粒体之间膜与膜平行排布、相距10~30 nm的膜耦联结构，使细胞膜兴奋、肌质网钙火花、线粒体能量供应之间的调控过程可以在纳米尺度高效进行。本项目系统研究横管与肌质网之间、肌质网两侧膜之间、肌质网与线粒体外膜和内膜之间的结构耦联与钙火花发生、钙火花与能量代谢双向调控的关系。我们基于以往大量事实提出了横管-肌质网多分子动态互作产生钙火花启动、演进、终止的“先发优势”新理论，揭示二十多年来悬而未决的钙火花分子机制问题；我们从新发现的线粒体内膜蛋白calmatin（暂定名）入手，探索钙火花与线粒体能量代谢的双向调控；我们还将在此基础上研究心力衰竭细胞中横管-肌质网-线粒体脱耦联对钙信号和能量代谢调控的影响。这些研究不仅是对心肌细胞生命活动基本规律的揭示，也对阐明心力衰竭等疾病机理、寻找治病策略提供新思路。

心肌细胞中存在横管-肌质网-线粒体之间平行排布、相距10~30 nm的膜耦联结构，使细胞膜兴奋、钙火花、线粒体能量供应之间的调控过程可以在纳米尺度高效进行。本项目旨在系统研究横管-肌质网-线粒体的结构耦联与钙火花发生、能量代谢双向调控的关系。项目按计划执行并超额完成项目目标，完成了以下五方面研究内容：一是通过电子显微断层重构（electron tomography）技术，发现CSQ2在肌浆网中央单层网状排布，CSQ2-triadin/junctin -RyR2在细胞原位形成网络结构，构成细胞钙火花发生的重要结构基础。二是原创性利用了石墨烯纳米分子电极技术，首次证实了CSQ2二聚体分子的钙离子导通性，并提出非膜离子通道的全新概念，为钙火花的发生提供了理论基础。三是着眼横管膜形态发生机制及心肌梗塞模型中的病理改变，提出横管膜与肌质网的结构耦联的comboBIN1理论和致病机制假说。四是进行了心肌细胞钙信号和兴奋收缩耦联调控分子机制研究，发现心肌细胞中心肌特异性转录因子MyoCD表达量上调可通过SRF促进JPH2、CAV3基因的“协奏转录”和两种蛋白间相互作用，提高兴奋收缩耦联的分子效率。五是完成calmatin膜蛋白样品制备和冷冻电镜结构解析，并对calmatin蛋白的通道特征、门控机制及代谢进行了系统研究，发现该蛋白定位于线粒体内膜并参与ATP转运，影响细胞活性氧产生、调控细胞代谢、参与心肌缺血复灌调控。本研究系统性的研究了心肌细胞钙火花的结构基础、提出了横管-肌质网多分子动态互作产生钙火花启动、演进、终止的“先发优势”新理论，并全面研究了心肌细胞钙信号和兴奋收缩耦联调控模式，提出了“协奏转录”等新原理，同时，对于calmatin蛋白的通道特征、门控机制及代谢研究连接了心肌细胞钙信号与线粒体ATP、活性氧、能量代谢，丰富了钙信号-代谢调控轴。