内质网与线粒体微域耦合的钙震荡和IP3Rs通道集团的局域钙动力学

摘要

钙离子(Ca2+)是细胞内广泛存在的一种重要的第二信使，参与并控制着几乎所有的生命活动过程。大部分真核细胞中细胞质Ca2+浓度([Ca2+]Cyt)复杂的时空动力学都依赖于内质网和线粒体这两种主要的细胞器。 在现代线粒体生理学中，钙微域在线粒体摄钙过程中所起的关键作用已被大家广泛认可。目前为止大部分已发表的Ca2+模型仅考虑内质网的作用，只有少数模型包含了线粒体，但是它们或不太符合实际情况或没有考虑钙微域。在第一个工作中，我们基于三磷酸肌醇分子受体(inositol1，4，5-trisphosphatereceptors，IP3Rs)通道和线粒体钙单向转运体(mitochondrial calcium uniporter，MCU)之间形成的钙微域构建了一个内质网与线粒体互作的Ca2+模型。我们的模型指出在IP3Rs通道与MCU之间存在一个临界距离rcrt，在此距离下内质网释放Ca2+总量中大约有一半被线粒体吸收，而且线粒体对细胞质钙信号的调节在此距离附近发生显著变化。当二者的距离大于rcrt时，线粒体摄钙通过降低[Ca2+]Cyt的振幅来减缓高[Ca2+]Cyt对IP3Rs通道的抑制作用，从而对Ca2+释放提供正调节。当二者的距离小于rcrt时，强力的线粒体摄钙迫使[Ca2+]Cyt保持在很低的水平，防止细胞质Ca2+对IP3Rs通道的激活，从而对Ca2+释放提供负调节。我们的模型预测当MCU与IP3Rs通道距离太近时，增强的线粒体摄钙会使得[Ca2+]Cyt大幅上涨。我们的模型显示在健康的细胞中为了进行有效的Ca2+转运和产生有生理意义的钙信号，IP3R-MCU的最优距离为30-85nm。我们揭示线粒体内外膜的间距为防止高[Ca2+]Cyt的发生提供了一种保护机制，并暗示当IP3Rs通道与MCU不在它们的最优距离工作时产生的异常高的[Ca2+]Cyt可能是一种病理机制。 除了作为整体钙信号钙波的基本构建之外，局域钙信号(blip和puff)还直接控制着一些细胞生理活动，因此受到实验和理论学家的关注。然而人们对多IP3Rs通道集团中blip的行为，以及blip的生物学功能了解的很少。在第二个工作中，我们模拟了小规模IP3Rs通道集团中局域钙信号的释放，主要研究了一个随机打开的IP3Rs通道或触发其它通道打开形成puff或仅仅作为blip发生的概率以及它们的频率。我们的结果显示相邻局域事件的间隔期以及第一次释放事件的响应延迟时间与IP3Rs通道数目的倒数(1/N)呈线性关系，而相邻puff事件的间隔期以及第一次puff事件的响应延迟时间与1/N为非线性关系。此外，模拟结果还显示blip在所有局域事件中发生的比例以及它的频率都会随着静息[Ca2+]Cyt的增加而增大，从而使得blip对[Ca2+]Cyt的增加有持续的贡献。因此，我们的结果暗示blip不仅仅只是未触发puff的局部事件，它可能可以通过增加静息[Ca2+]Cyt来促进钙波的发生，在仅含有小规模IP3Rs通道集团的细胞内发挥重要作用。

目录

声明

摘要

第一章 生物学背景

1 生死攸关的钙离子

2 钙信号系统

3 内质网和线粒体是重要的钙库

4 内质网释放钙信号的多尺度行为

4．1 内质网钙信号研究简介

4．2 IP3受体通道

4．3 钙信号的层级事件

4．4 SH-SY5Y细胞中的局域钙信号

5 线粒体钙信号研究的主要进展

5．1 早期线粒体钙信号的研究

5．2 钙微域假说的提出与验证

5．3 MCU及其调控蛋白

5．4 线粒体对细胞质Ca2+的影响

5．5 内质网与线粒体之间的距离

6 本章小结

第二章 前人已发表模型和本文研究内容

1 构建数学模型基础

1．1 质量作用定律

1．2 米曼方程和希尔函数

1．3 马尔科夫过程

2 已发表的内质网钙模型

2．1 DeYoung-Keizer模型及其简化版Li-Rinzel模型

2．2 双钙池及单钙池模型

3 已发表的内质网-线粒体互作模型

3．1 Fall-Keizer模型

3．2 Marhl模型及其扩展模型Szopa模型

4 已发表的局域钙模型

4．1 Rüdiger-Shuai模型

4．2 其他关于SH-SY5Y细胞puff的模型

5 本论文的主要研究内容

6 本章小结

第三章 内质网与线粒体最优微域耦合的钙震荡

1 引言

2 模型

3 结果

3．1 钙震荡

3．2 线粒体做为储存Ca2+的钙库

3．3 IP3R-MCU距离调节钙震荡

3．4 临界IP3R-MCU距离

3．5 IP3R-MCU距离对钙动力学的影响

3．6 IP3浓度对钙动力学的影响

3．7 变化的IP3Rs通道数目检验模型的鲁棒性

4 讨论

4．1 临界IP3R-MCU距离是钙信号的决定性因素

4．2 线粒体对胞质钙信号的调节因IP3R-MCU距离而异

4．3 内质网与线粒体之间的距离

4．4 线粒体内外膜间距是细胞的一种保护机制

4．5 模型及方法的讨论

5 本章小结

第四章 IP3R钙离子通道集团中的局域钙动力学

1 引言

2 模型

3 结果

3．1 局域钙信号blip和puff

3．2 IP3Rs通道集团大小对blip和puff的影响

3．3 IP3浓度对blip和puff的影响

3．4 细胞质静息钙浓度对blip和puff的影响

3．5 突增式IP3浓度与响应延迟时间

3．6 饱和IP3浓度下对puff事件的解析

4 讨论

4．1 通道关闭的自抑制机制

4．2 决定blip持续时间的不同动力学

4．3 IP3浓度和静息钙浓度对局域事件的不同影响

4．4 IP3Rs通道集团规模对puff频率和响应延迟时间的影响

4．5 Blip在增加静息钙浓度和引发钙波中所起的作用

5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢