Nature开创性成果：信号激活，三步走

　　

生物通报道  当动物和植物受到如细菌攻击、气味和寒冷等影响时，钙离子会流入细胞。钙向细胞提供信号告知其细胞外正在发生什么，然而由于高浓度的钙对细胞是有毒的，它必须被再度快速泵出。来自哥本哈根大学和奥尔胡斯大学丹麦国家研究基金PUMPkin中心的研究人员现在证明细胞外膜上的钙泵非常精确地调整了泵速来适应钙浓度。这些研究结果发表在著名的《自然》（Nature）杂志上。

钙泵定位在人类、动物与植物的细胞膜上，来自奥尔胡斯大学和哥本哈根大学的研究人员现在提供了关于钙泵调控细胞内钙量机制的新信息。细胞内的钙量对于细胞的健康和生存至关重要。

“结果表明钙泵可以精确测量细胞的钙含量，并根据这一信息调整它的速度。这可以防止细胞质中的钙离子浓度达到损害细胞的临界浓度。当钙浓度较低时钙泵处于无活性状态，而当钙浓度增高时它就会被逐步激活，”博士后研究人员Henning Tidow和Lisbeth Rosager Poulsen说。

研究人员是以定位在模式植物拟南芥（阿拉伯芥，thale cress）细胞膜上的钙泵作为研究起点，但调控机制也适用于人类和动物对应的钙泵。

钙泵结合两个钙调蛋白

以往的研究表明动物和植物的钙泵与一种称为钙调蛋白（calmodulin）一起发挥功能。当细胞内存在大量钙离子时，一些钙离子与钙调蛋白相结合，由此能够激活钙泵。

“我们纯化了钙泵与钙激活钙调蛋白相互作用的部分，我们成功地结晶了一个蛋白质复合物。让我们感到大为惊奇地是，我们发现钙泵结合了两个钙调蛋白，而非一直认为的一个，”Tidow.博士解释说。

三步调控钙泵

有两个钙调蛋白参与钙泵活性调控，这一事实意味着钙泵有三步。当没有钙激活钙调蛋白结合时钙泵关闭，当结合一个钙调蛋白时钙泵处于中速，当结合两个钙调蛋白时钙泵处于全速。

“钙泵需要相当大的能量将钙运出细胞。因此重要的是，只有当需要移除钙时它们才会被激活。钙泵内有两个钙调蛋白结合域，细胞能够调整运输至高效节能，同时能够在钙浓度接近有毒水平时快速减少钙离子量，”Poulsen博士说。

数学揭示生物功能

研究人员还利用数学网络模型进一步确定了钙泵的作用差异是否取决于激活的钙调蛋白数量是零、一个或是两个。这揭示了细胞内钙泵调控钙的另一个特征。

“我们可以证明当发现浓度高于仔细定义的阈值时，细胞只对进入的钙离子做出应答。这对于例如在昼夜节律或细胞过程中细胞定义它们的状态或许是非常重要的，”Tidow博士说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A bimodular mechanism of calcium control in eukaryotes

Calcium ions (Ca2+) have an important role as secondary messengers in numerous signal transduction processes1, 2, 3, 4, and cells invest much energy in controlling and maintaining a steep gradient between intracellular (~0.1-micromolar) and extracellular (~2-millimolar) Ca2+ concentrations1. Calmodulin-stimulated calcium pumps, which include the plasma-membrane Ca2+-ATPases (PMCAs), are key regulators of intracellular Ca2+ in eukaryotes5, 6, 7, 8. They contain a unique amino- or carboxy-terminal regulatory domain responsible for autoinhibition, and binding of calcium-loaded calmodulin to this domain releases autoinhibition and activates the pump. However, the structural basis for the activation mechanism is unknown and a key remaining question is how calmodulin-mediated PMCA regulation can cover both basal Ca2+ levels in the nanomolar range as well as micromolar-range Ca2+ transients generated by cell stimulation7. Here we present an integrated study combining the determination of the high-resolution crystal structure of a PMCA regulatory-domain/calmodulin complex with in vivo characterization and biochemical, biophysical and bioinformatics data that provide mechanistic insights into a two-step PMCA activation mechanism mediated by calcium-loaded calmodulin. The structure shows the entire PMCA regulatory domain and reveals an unexpected 2:1 stoichiometry with two calcium-loaded calmodulin molecules binding to different sites on a long helix. A multifaceted characterization of the role of both sites leads to a general structural model for calmodulin-mediated regulation of PMCAs that allows stringent, highly responsive control of intracellular calcium in eukaryotes, making it possible to maintain a stable, basal level at a threshold Ca2+ concentration, where steep activation occurs.