北京大學鈣信號研究團隊成功開發心臟肌質網鈣信號成像新技術

2020年10月13日,北京大學鈣信號研究團隊在心臟領域頂級期刊Circulation在線發表了題為“Imaging Sarcoplasmic Reticulum Ca2+ Signaling in Intact Cardiac Myocytes”的通訊論文。該論文提供了一種新穎通用的實驗策略,實現了在生理條件下對心肌細胞肌質網(SR)鈣信號高精度實時觀測。

SR是由生物膜形成的具有納米管和納米囊結構、三維聯通並瀰漫於整個胞漿的單一細胞器。SR貯存高濃度鈣離子,是細胞內最重要的鈣庫(Ca2+ store),其鈣濃度時空動態有着豐富多彩的生物學信號功能。正常SR鈣釋放驅動心臟的每一次搏動,SR鈣庫超載可導致鈣釋放通道RyR的過度活躍,引發鈣波及心率失常。另一方面,SR鈣庫貯存不足不僅影響心臟收縮功能,還可誘發內質網應激及細胞死亡。然而,由於帶有AM基團的鈣染料(如Fluo5N-AM,其AM基團為穿越生物膜所必需)在裝載過程中會滯留於胞漿而難以實現精準定位於SR,直接觀測SR鈣動態是心臟領域內長期以來的一大瓶頸。前人研究表明,除了在實驗動物兔和狗上取得部分成功,在擁有眾多基因操作和疾病模型的鼠類模式生物上,尚未實現對完整心肌細胞SR鈣信號的成像研究。

srCES新策略實現心臟肌質網鈣信號成像

研究團隊巧妙地採用了SR定位的羧酸酯酶(srCES)策略來實現鈣染料的定向富集。作者首先利用腺病毒將srCES遞送入分離培養的大鼠心肌細胞,在10分鐘的染料裝載過程中,srCES高效地水解AM基團,達到將Fluo5N選擇性富集在SR中的效果,且效率接近100%。為實現在活體(in vivo)條件下使小鼠心臟特異地表達srCES,作者進一步設計了含有心肌特異性啓動子元件的腺相關病毒,也獲得了近乎完美的鈣染料富集效果。

藉助於新實驗方法捕捉的高分辨SR鈣動態,作者測定了在一次心臟搏動過程中SR釋放約40%的鈣庫含量,解析了鈣信號基本單位——鈣火花(Ca2+ spark)的“孿生兄弟”——鈣空穴(Ca2+ blink)。進一步地,作者從全新的SR視角,驗證了鈣波傳播的多個假説,為“鈣致鈣釋放”(CICR)機制提供了直接的實驗證據,並定量測定了CICR的閾值,為揭示心衰和心律失常伴隨的鈣信號紊亂的成因提供了新的研究技術和思路。此外,新策略可望廣泛應用於各種肌細胞(如心房肌、骨骼肌)SR及各種細胞器(如溶酶體)鈣信號的研究中。

該工作由北京大學分子醫學研究所程和平實驗室、生命科學學院王世強實驗室、西安交通大學生命科學與技術學院謝文俊實驗室合作完成。北京大學分子醫學研究所博士畢業生路福建和研究生趙琰為論文的共同第一作者。程和平和路福建為論文的通訊作者。合作者還包括北京大學分子醫學研究所王顯花老師和生命科學學院郭前進同學。項目得到科技部和國家基金委多項資金的支持。

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