北大教授最新《Cell》论文

研究人员发现了一种超氧化物产生的新方式：“超氧化物闪现”（superoxide flashes），这对于进一步了解活性氧分子ROS的产生，ROS信号转导和线粒体生理学具有重要的意义。

　　

生物通报道：来自美国国立卫生研究院NIH老年研究院（National Institute on Aging，NIA）心血管科学实验室，北京大学分子医学研究院，生物膜与膜生物工程国家重点实验室，罗切斯特大学，马里兰大学，加州大学医学院的研究人员发现了一种超氧化物产生的新方式：“超氧化物闪现”（superoxide flashes，生物通译），这对于进一步了解活性氧分子ROS的产生，ROS信号转导和线粒体生理学具有重要的意义。这一研究成果公布在新鲜出炉的《Cell》（7月25日）杂志上。

领导这一研究的是曾是NIH的终身资深研究员，现辞去NIH的职位，全职回到北京大学分子医学研究所工作的程和平教授，目前担任北京大学分子医学研究所高级研究员和钙信号实验室主任。文章的第一作者为北医医疗系毕业的王望博士，他曾先后在美国NIH老年所和美国密西根大学医学院生理系做博士后，后被美国密尼苏达大学医学院生理系聘为研究助理教授，曾在Cell, Circ Res, JBC,Am J Physiol以第一作者发表文章。

进入九十年代以来，越来越多的肿瘤、发育和神经生物学家、免疫学家和其他生物学工作者以极大的热情致力于细胞凋亡(apoptosis)或称细胞程序化死亡的研究，使之成为当今生命科学研究中最引人注目的领域之一。许多研究显示活性氧分子（reactive oxygen species，ROS）即氧自由基及其衍生物与细胞凋亡密切相关。

在休眠细胞中，活性氧分子（reactive oxygen species，ROS）最初来源于线粒体，是由电子传递链（electron transport chain，ETC）泄漏产生的。高水平ROS会导致细胞死亡，然而低水平ROS则能驱动各种重要的细胞功能。

在这篇文章中，研究人员通过利用一种新颖的线粒体靶向基质的超氧化物（superoxide）指示剂，发现个别线粒体会发生天然的超氧化物爆发，这被称为“超氧化物闪现”（superoxide flashes，生物通译）。这一现象的出现没有固定的时间或者空间，具有全或无（ all-or-none）的特征，能在许多不同的细胞类型中提供关键的超氧化物来源。个别的闪现是由线粒体中能通过ETC刺激超氧化物产生的通透性转运孔（Mitochondrial permeability transition pore，MPTP)的瞬间开启启动的。

并且通过进一步的研究，研究人员在缺氧后心肌细胞（cardiomyocytes）的复氧（reoxygenation）过程中，发现了急促的超氧化物闪现，而这种现象能被心肌保护复合物腺苷（adenosine）抑制。因此研究人员认为超氧化物闪现是一种与许多氧化应激（Oxidative Stress，OS）相关疾病的有效生物标记。

原文摘要：

Cell, Vol 134, 279-290, 25 July 2008
Superoxide Flashes in Single Mitochondria
[Abstract]

链接：

程和平：从NIH资深研究员到北大教授

附：

程和平简历

1. 1980．9-1984．7 北京大学应用数学与流体力学专业本科获学士学位。
2. 1984．9-1987．7 在北大应用数学与力学系生物工程专业研究生，获硕士学位； 同时在北京大学生物学系辅修生物学系生理学专业本科课程，获第二学士学位。
3. 1987．8-1989．7 在北大无线电电子学系任教。
4. 1989．9-1990．7 美国 Puerto Rico 大学生理学及生物物理学系研究生
5. 1990．8-1995．4美国马里兰大学(Baltimore)医学院生理系研究生，获博士学位。研究心肌细胞兴奋收缩耦联的分子机制，首次发现并命名了细胞内钙释放的最基本单位“钙火花(Calcium Sparks)”，有关结果发表于1993、 1995年《Science》上。
6. 1995．4 -1995．8 美国马里兰大学(Baltimore)医学院生理系博士后；
7. 1995．8 - 至今 美国国家卫生研究院(NIH)衰老研究所心血管实验室先后任Senior Staff Fellow 和Investigator。一方面继续深入研究心肌细胞钙释放的分子机制，其中在骨骼肌、血管平滑肌的有关钙火花的发现发表于1996年《Nature》和1995年《Science》上；另一方面将研究拓展到心肌疾病的病因与病理,最近于《Science》上报道了有关心衰心肌细胞L型钙流与钙火花脱耦联的重大发现。最近率先阐述 钙释放及终止机制，并确定钙火花过程参与的通道数目。此两项成果分别发表于1998年和2000年的《美国科学院院报》。

本人共发表论文50多篇，其中6篇刊于《Science》或《Nature》，特邀综 述7篇，总引用率迄今达1568篇次（2000/02/18），并获得美国心脏学会Katz奖。
此外，本人多次担任美国生物物理学会、心脏学年会的分会主席，并任英国Wellcome Trust 基金会和美国心脏学会专家评审委员。

主要的学术成绩、创新点及其科学意义

8. 我对生物学的兴趣始于15年前。当时我在北京大学数学力学系求学，但憧憬于21世纪是生物学的世纪，开始在生物系（现生命科学学院）选课。在我获得两个学士（力学、生理学）和一个硕士（生物医学工程）后，得益于良师、严师指点，来到北大无线电系任教，以进一步磨砺电子学及计算机软硬件的实验技能。在北大的九年（1980-89）非常充实，为日后从事细胞生理学研究奠定了不可多得的多学科知识和素养，同时，我也发表了6篇论文，涉及流体力学，生物优化设计，电子学及激光物理。其中关于红细胞形态优化设计理论一文，别具创意，发表于《中国科学》。

9. 1990年前后，我来到马里兰大学就读博士，选择的方向是心肌细胞钙信号转导及兴奋收缩耦联的细胞及分子机制。在近十年的发现之旅中，我综合运用了多学科尖端技术，包括单细胞电生理，荧光细胞钙测量，激光共聚焦扫描显微术，数字图像处理及计算机数学模型，来攻克这一学科中最基本最热点的难题。1992年圣诞节前后，我们用激光共聚焦显微术及荧光细胞内钙测定、成像技术，首次发现静息状态的大鼠心肌细胞中有自发性的微点钙释放现象。稍后的计算机数学模拟提示其可能成因于肌质网上的单个和若干钙释放通道（亦称ryanodine受体）的开启，这一推测为实验所证实。鉴于这一特征及其它实验证据，我们认为这是细胞内钙释放的最基本单位（elementary events），并命名这一现象为“钙火花（calcium sparks）”。“calcium sparks”一词已被广泛接受和引用，1993年《Science》上的原始论文迄今（02/18/00）以被引用348次；世界各国，包括美、中、英、日、法、德、瑞士、澳大利亚等至少有四十多家主流细胞钙实验室正在这一新开拓的领域作跟进、纵深研究。近年来美国及国际学术会议如生物物理学会、心脏学会、神经科学学会及国际普通生理学会年会上，均独辟一个或多个大会专题，讨论这一方面的研究进展。美国NIH ， Gordon Conferences ，冷泉港实验室及犹它州大学等曾组织专题研讨会，有关内容已编入新版的教科书。同类钙火花不仅见之于可兴奋性组织（如心肌、骨骼肌、平滑肌、神经元，见下文），亦见之于非兴奋性组织和细胞，如神经胶质细胞、蛙卵细胞（Xenopus occytes），及植物根毛生长锥中的细胞。美国科学院Knox Chandler院士1999年在展望这一领域进展时，称之为一新学科，冠名为“Sparkology, 钙火花学”。

10. 在发现自发性“钙火花”不久，我们接着研究，并于1995年在《Science》上报道，钙火花也是心肌兴奋-收缩耦联过程中细胞内钙释放的最小单位。这篇报道中，我们提出：1）细胞表面膜上单个L型钙通道的开放，通过钙致钙释放机制，可触发肌质网的钙火花；2）一经触发后，钙火花是“全或无”现象，其时程、幅度及空间大小均不受L型钙流控制；传统的细胞钙瞬变（calcium transient）是由于钙火花在时间及空间随机触发并叠加的结果。特别是，细胞水平呈现的梯级式（graded）钙释放是由于不同数目的“全或无”式的钙火花累加所造成的。在一次强有力的心脏搏动中，单细胞可触发约一万个钙火花，整个心脏中钙火花数约是5×1010量级。所以我们确认钙火花是心肌兴奋-收缩耦联的最小单位。

11. 接着我们研究了钙火花是如何熄灭的。如果钙火花是单通道现象这个不难理解，因为通道可以随时地、自发地关闭，从而停止钙释放。可是，如果钙火花是由于多个毗邻的钙释放通道，由钙离子通过“钙致钙释放”机制来耦合为一体，直观的想法是钙火花会持续不熄，因为释放的钙会作为正反馈信号来维持钙释放通道的开放，但在细胞中，钙火花只能持续短暂的20毫秒左右。1996年我们首先发现了一个重要的调节机制。在钙释放通道分子的四个亚单位上均有一个FK506结合蛋白（Fk506-binding protein, FKBP）。在心肌细胞中，FK506处理使FKBP失活或脱离于钙释放通道可使钙火花时程延长6倍以上，达100毫秒左右。但不影响钙火花出现的频度。可见，FKBP的作用是迅速关闭一开启的通道，打断“钙致钙释放”的正反馈。我的这一工作赢得了美国心脏学会最高奖Kats奖。必须指出，FKBP只是起辅助、调节作用，因为钙火花在没有FKBP功能时仍能自发关闭。为探讨直接和主要的钙释放通道关闭的机制，我们自创了一套实验方法来观察钙释放的流量（flux）而非传统的钙浓度。结合Confocal成像技术，可以精细测定钙释放时程及 空间定位。这一方法学革新终于使得我们能够揭示钙释放的终止是由于通道在开启后，迅速而彻底地失活。而此前大量文献则报道，脂质双层膜上单通道记录条件下，心肌钙释放通道不表现类似的失活行为。在“拟开展的研究工作”中，我们将进一步探讨通道在细胞内失活的分子机制。

12. 另一个我深感兴趣的问题是，钙火花这一基础理论研究的发现是否可以起到纽带与桥梁的作用来探索心肌疾病的病因与病理呢？在病理高钙条件下，我们发现钙火花频度增高，更亮更大，特别是，单个钙火花可触发毗邻的钙释放和钙火花；这一连锁式的反应最终形成自传导性的“钙波（calcium wave）”，后者可引起细胞膜去极化乃至产生自发动作电位，干扰正常的起搏节律，是心脏心律失常的重要诱因之一。所以至少某些心肌疾病可以溯源于钙火花的异常。

13. 1997年，我们续于《science》上报道了另一有关心衰心肌细胞收缩力下降的重大发现。用"钙火花"作用于“探针”，我们发现在心衰心肌细胞中等量的L型钙电流只能引发正常数目1/2-1/3的钙火花，而钙火花本身及其它兴奋收缩耦联的参量均未改变。因之，钙瞬变及细胞收缩幅度均大为下降。我们提出假说，造成这种L型钙流与钙火花脱耦联（uncoupling）的原因可能在于表面膜上L型通道与肌质网上钙释放通道的相对位置有所变化，而使钙释放通道偏离于L型通道周围的高钙浓度区而不能被有效地触发。如经证实，这将是一个革命性的观念，因为它将提示，仅仅是微观尺度上的分子之间的错位，而非蛋白质分子本身的异常，也足以造成危及人类的一个主要疾病。该文发表时，曾被新闻媒介如《纽约时报》、《巴尔的摩太阳报》广为报道。 　

14. 我的兴趣并不囿于心血管领域,在与其他研究者合作过程中,我们也在骨骼肌、平滑肌钙生理领域做出了重要贡献。在大脑血管平滑肌中，钙火花则出人意料地有松弛血管张力，而非如预期的收缩血管的作用。究其原因，是因为钙火花大多产生于紧靠表面的胞浆中，局部高钙激活钙敏感性钾离子通道（KCa）电流，引致细胞膜超极化，让L型钙内流失活，从而净效应是降低细胞整体的钙浓度和钙依赖性的收缩力。这一结果首次明确地表明，同样是钙离子，依其空间分布的不同，可以产生截然相反的生理效应，这一工作于1995年发表于《Science》。在骨骼肌单纤维中，另一亚型的钙释放通道的开放也产生火花，这些钙火花受电压依赖性及钙依赖性双重机制调控。前者已为众所周知，后者虽于70年代就已提出，但一直未能确证。钙火花研究为其存在提供了确凿的依据。这一工作于1996年发表于英国的《Nature》杂志。

15. 我的这些研究特色不仅在于综合运用多学科的技术和思维，同时也在于把理 论研究与实验研究紧密结合。理论与实验，或先或后，亦本亦辅，相辅相成。我的一个重要理论成果是率先提出关于钙释放通道“钙适应（adaptation）”行为的理论模型。在人工脂质双层膜上，随着一个阶跃型增加的钙浓度，通道开放率亦突然上升，但随时间又逐渐下降。可是这种下降又不同于一般离子通道的失活，因为给以新的更大的阶跃式增加钙浓度，通道又重新活跃起来。这一现象自1993年首次报道后，一直不能得到很好的解释。1995年，我的模型作为短文刊于《Science》，能够定性及半定量的解释这种行为，并引导了多个模型相继提出。我的这些研究特色不仅在于综合运用多学科的技术和思维，同时也在于把理 论研究与实验研究紧密结合。理论与实验，或先或后，亦本亦辅，相辅相成。我的一个重要理论成果是率先提出关于钙释放通道“钙适应（adaptation）”行为的理论模型。在人工脂质双层膜上，随着一个阶跃型增加的钙浓度，通道开放率亦突然上升，但随时间又逐渐下降。可是这种下降又不同于一般离子通道的失活，因为给以新的更大的阶跃式增加钙浓度，通道又重新活跃起来。这一现象自1993年首次报道后，一直不能得到很好的解释。1995年，我的模型作为短文刊于《Science》，能够定性及半定量的解释这种行为，并引导了多个模型相继提出。

16. 综而言之，钙火花的发现及一系列多学科、多领域开创性的成果拓展了细胞钙生理研究的新局面，将以前的细胞层次的研究推进到单通道及分子水平，创立了一个新学科Sparkology,不仅对心肌生理产生了深刻的影响，同时也为探求心肌疾病的成因及其它领域，如神经细胞钙信号，乃至植物钙生理，提供了新的研究工具。作为这一新领域、新学科的开创人之一，我曾多次为《Cell Calcium》，《Journal of General Physiology》，《Circulation Research》等杂志撰写特邀综述，担任大型学术会议分会主席，并受聘为英、美著名学术机构或基金会评审员。