相關背景
鈣離子是所有動植物細胞內的信號物質，調控諸如神經元通訊、心臟搏動、基因表達等複雜多樣的生命過程。2013年，北京大學研究人員發展了一種新穎的實驗方法，首次實現了對納米尺度鈣信號的高精度實時觀測。
早在1993年，程和平等發現了細胞鈣信號的基本單位——鈣火花（Calcium spark）。其後20年來超微結構研究表明，鈣火花的中心點有成簇排列的鈣釋放通道陣列，居於由兩片細胞膜構成的厚12-18納米的空間中。這種通道陣列是如何開啟的？開啟後所釋放的鈣離子是如何擴散形成微米尺度的鈣火花的？這些是鈣火花研究領域的核心問題。
最新研究成果
本項研究中，研究人員巧妙地設計了新的實驗方法。他們通過基因操作，將最新最快的鈣螢光蛋白GCaMP6f與定位於納米空間的內源性蛋白triadin或junctin相連，使得探針分子精準地集聚於通道陣列中，並且錨定在細胞膜上而限制其自由擴散。藉助於新實驗方法的高靈敏度和定位精度，他們成功觀測到納米空間內毫秒量級的鈣信號動態，稱之為“納米鈣火花”（Calcium nanospark）， 其體積僅為鈣火花的1/50。
通過捕獲大量的自發納米鈣火花，研究人員發現通道陣列的開啟並不總是“全或無”的，促進了對鈣火花形成機制的認識。在一次心肌細胞收縮過程中，細胞電生理信號觸發上萬個納米鈣火花，新技術可以精確測定這些事件的時間次序和空間模式，為揭示心衰和心律失常伴隨的鈣信號紊亂的成因提供了利器。此外，新技術可望廣泛套用於各種細胞納米尺度鈣信號的研究當中。
本項實驗研究在北京大學分子醫學研究所程和平、陳良怡實驗室和生命科學學院王世強實驗室完成，並與英國Bristol大學Cannell實驗室合作開展模型分析，受到國家基金委“細胞鈣信號創新研究”和科技部973項目等資金支持。北京大學分子醫學研究所研究生尚維、路福建同學為論文的共同第一作者。
