心肌钙稳态的调控和失衡的生理和病理机制

Ca2+ is the most prototypical and versatile intracellular messenger. While calcium homeostasis is the prerequisite for cell function, calcium dysregulation is a key cause of diseases. Current study of calcium homeostasis relies on phenomenal measurements of intracellular calcium concentration with confusions between calcium homeostasis and calcium signaling, which limits the precise understanding of the molecular mechanisms and dysregulation of calcium homeostasis. Base on long-term studies of calcium signaling and calcium homeostasis, we postulate a set of parameters for quantifying the molecular components of calcium homeostasis in cardiomyocytes, including a newly designed experimental protocol for quantifying the resting-state activation of ryanodine receptors, as well as protocols for measuring cell membrane calcium channels, Na/Ca exchangers and sarcoplasmic reticulum calcium pumps. Utilizing this parameter set, we will investigate the mechanisms underlying the β-adrenergic regulation and calsequestrin modulation of calcium homeostasis, the calsequestrin mutation-induced calcium dysregulation in lethal arrhythmias, and the enhanced calcium homeostatic capacity in hibernator cells. Novel hypothesis of calcium homeostasis will be tested by combining model simulations and experimental results.

Ca2+是最古老、作用最广泛的细胞信使物质，其稳态是机体正常功能调控的前提，其失衡则是很多疾病的关键原因。目前钙稳态研究仍以测定胞内钙浓度变化的现象为主，在阐述其机制时又与钙通道的信号转导功能界定不清，限制了钙稳态分子机制的深入研究和其失衡机制的精准揭示。本项目基于申请人长期从事钙信号和钙稳态研究的积累，提出了心肌细胞钙稳态分子机制研究的定量指标体系，其中包括原创性地设计了在完整细胞中研究钙稳态关键分子ryanodine受体静息侧(R端)激活性质的实验方法，以及对细胞膜钙通道、钠钙交换和肌质网钙泵的定量测定。本项目将用此定量指标体系研究不同β肾上腺素受体(βAR)亚型和肌质网calsequestrin对钙稳态的调控机制、βAR和calsequestrin突变联合导致致死性心律失常的钙稳态失衡机制，以及冬眠动物心肌细胞加强钙稳态的适应性机制，结合系统建模，整合实验数据，证明钙稳态调控新理论。

钙信号是最古老、作用最广泛的细胞信使物质，其稳态维持、信号编码与传递是细胞生理功能维持的重要前提，钙信号紊乱及失衡将导致多种疾病。本研究通过探索调节心肌钙稳态的分子生理和病理机制，从以下几个方面阐明了心脏钙稳态维持机制和致病机理：（1）定量研究了β1AR一过性和持续激动后的钙稳态指标变化，并发现FKBP12.6与RyR的解离是β1AR影响RyR性质的关键因素；（2）完成了β2AR和β1AR相继激活条件下钙稳态定量指标体系的测定，发现β2肾上腺素受体通过GRK2磷酸化β1肾上腺素受体，阻止β1肾上腺素受体对钙火花的调节，产生“越位阻隔（offside compartmentalization）”效应；（3）对肌质网CSQ2-triadin/junctin-RyR2网络进行了三维重构，阐明了该蛋白复合物的细胞原位网络结构；（4）解析了人源及大鼠源CSQ2在高浓度钙离子结合状态下的分子结构，并用石墨烯技术证实了CSQ2二聚体分子的钙离子导通性；（5）通过构建CSQ2突变大鼠模型，证明突变通过影响CSQ2多聚体形成连续的钙离子转运“孔道”影响兴奋收缩耦联中细胞钙离子活动，导致儿茶酚胺敏感性室性心动过速；（6）从冬眠动物独特的兴奋收缩耦联调控机制出发，发现心肌特异性转录因子MyoCD表达量在冬眠期间显著上调，并通过SRF促进JPH2和CAV3基因的“协奏转录”和两种蛋白间相互作用，铆定肌质网与横管膜的纳米耦联结构，提高兴奋收缩耦联效率。本研究系统性的完善了βAR激活对心肌细胞钙稳态的维持及调控机制，揭示了心肌细胞肌浆网蛋白CSQ2结构及CSQ2-triadin/junctin-RyR2复合物原位结构，解释了CSQ2突变导致致死性心律失常的钙稳态失衡机制，以及冬眠动物心肌细胞加强钙稳态的适应性机制，为临床心力衰竭的防治策略提供了理论依据和研究基础。