北大程和平教授等人发文 解密纳米钙火花

【字体: 时间:2013年11月28日 来源:北京大学

编辑推荐:

  钙离子是所有动植物细胞内的信号物质,调控诸如神经元通讯、心脏搏动、基因表达等复杂多样的生命过程。日前,北京大学研究人员发展了一种新颖的实验方法,首次实现了对纳米尺度钙信号的高精度实时观测。

  

钙离子是所有动植物细胞内的信号物质,调控诸如神经元通讯、心脏搏动、基因表达等复杂多样的生命过程。日前,北京大学研究人员发展了一种新颖的实验方法,首次实现了对纳米尺度钙信号的高精度实时观测。研究论文“Imaging Ca2+ Nanosparks in Heart with a New Targeted Biosensor”于11月20日在线发表于Circulation Research。

早在1993年,程和平等发现了细胞钙信号的基本单位——钙火花(Calcium spark)。其后20年来超微结构研究表明,钙火花的中心点有成簇排列的钙释放通道阵列,居于由两片细胞膜构成的厚12-18纳米的空间中。这种通道阵列是如何开启的?开启后所释放的钙离子是如何扩散形成微米尺度的钙火花的?这些是钙火花研究领域的核心问题。

在这项研究中,尚维、路福建等巧妙地设计了新的实验方法。他们通过基因操作,将最新最快的钙荧光蛋白GCaMP6f与定位于纳米空间的内源性蛋白triadin或junctin相连,使得探针分子精准地集聚于通道阵列中,并且锚定在细胞膜上而限制其自由扩散。借助于新实验方法的高灵敏度和定位精度,他们成功观测到纳米空间内毫秒量级的钙信号动态,称之为“纳米钙火花”(Calcium nanospark), 其体积仅为钙火花的1/50。

通过捕获大量的自发纳米钙火花,研究人员发现通道阵列的开启并不总是“全或无”的,促进了对钙火花形成机制的认识。在一次心肌细胞收缩过程中,细胞电生理信号触发上万个纳米钙火花,新技术可以精确测定这些事件的时间次序和空间模式,为揭示心衰和心律失常伴随的钙信号紊乱的成因提供了利器。此外,新技术可望广泛应用于各种细胞纳米尺度钙信号的研究当中。

这项实验研究在北京大学分子医学研究所程和平、陈良怡实验室和生命科学学院王世强实验室完成,并与英国Bristol大学Cannell实验室合作开展模型分析,受到国家基金委“细胞钙信号创新研究”和科技部973项目等资金支持。北京大学分子医学研究所研究生尚维、路福建同学为论文的共同第一作者。

原文摘要:
Imaging Ca2+ Nanosparks in Heart with a New Targeted Biosensor
Abstract
Rationale: In cardiac dyads, junctional Ca2+ directly controls the gating of the ryanodine receptors (RyRs), and is itself dominated by RyR-mediated Ca2+ release from the sarcoplasmic reticulum. Existing probes do not report such local Ca2+ signals due to probe diffusion, so a junction-targeted Ca2+ sensor should reveal new information on cardiac excitation-contraction coupling and its modification in disease states.

Objective: To investigate Ca2+ signaling in the nanoscopic space of cardiac dyads by targeting a new sensitive Ca2+ biosensor (GCaMP6f) to the junctional space.

Methods and Results: By fusing GCaMP6f to the N-terminus of triadin 1 or junctin, GCaMP6f-T/J was targeted to dyadic junctions, where it colocalized with t-tubules and RyRs after adenovirus-mediated gene transfer. This membrane protein-tagged biosensor displayed ~4-times faster kinetics than native GCaMP6f. Confocal imaging revealed junctional Ca2+ transients (Ca2+ nanosparks) that were ~50-times smaller in volume than conventional Ca2+ sparks (measured with diffusible indicators). The presence of the biosensor did not disrupt normal Ca2+ signaling. Because no indicator diffusion occurred, the amplitude and timing of release measurements were improved, despite the small recording volume. We could also visualize co-activation of subclusters of RyRs within a single junctional region, as well as quarky Ca2+release events.

Conclusions: This new, targeted biosensor allows selective visualization and measurement of nanodomain Ca2+ dynamics in intact cells and can be used to give mechanistic insights into dyad RyR operation in health as well as in disease states such as when RyRs become orphaned.

 

 

 

相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热搜:钙火花|钙离子|

  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号