钙调蛋白调控钙诱导的钙释放的时空特异性

《PLOS Computational Biology》：Calmodulin controls spatial and temporal specificity of calcium-induced calcium release

　　

钙动力学控制学习与记忆，异常钙动力学与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）等神经退行性疾病有关。钙动力学受钙诱导的钙释放（calcium-induced calcium release, CICR）影响，CICR由位于内质网（endoplasmic reticulum, ER）膜上的雷诺丁受体（ryanodine receptor, RyR）介导。脑中最丰富的蛋白之一钙调蛋白（calmodulin, CaM）抑制海马CA1神经元树突表达的RyR2；解除该抑制与心力衰竭相关，而增强CaM与RyR结合可减轻细胞丢失和AD样神经元高兴奋性。为研究CaM在衰老和AD中的作用，研究人员构建了带ER的树突分支反应-扩散模型，发现解除CaM对RyR2的抑制会增加树突中钙瞬变的空间和时间传播；老年模型中半数RyR2去抑制使钙瞬变空间传播翻倍，RyR2去抑制联合钙缓冲分子浓度升高使钙瞬变持续时间延长；质膜钙ATP酶（plasma membrane Ca2+ ATPase, PMCA）活性降低（PMCA也被CaM激活、被β-Amyloid寡聚体抑制）而非RyR2去抑制，导致AD中静息胞内钙浓度升高。研究表明，AD和衰老中CaM经RyR2（老年）和PMCA（AD）调控变化，是可能影响学习与记忆的钙动力学改变的基础。

研究背景方面，在海马CA1锥体神经元中，树突钙动力学是神经信息处理的重要方式，但内质网（ER）等钙库在树突信息处理中的作用仍不清楚。ER通过肌醇三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate, IP₃）受体和雷诺丁受体（RyR）参与钙释放，其中钙诱导的钙释放（CICR）可放大胞质钙信号。RyR有RyR1、RyR2、RyR3等亚型，海马CA1树突轴表达RyR2，树突棘表达RyR3。钙调蛋白（CaM）在脑中常被视为快速钙缓冲分子，但它可激活RyR1和RyR3、抑制RyR2；氧化应激和衰老会降低CaM与RyR亲和力，可能解除对RyR2的抑制。已有研究提示增强CaM与RyR2结合可逆转AD小鼠认知障碍，但RyR2单独能否支持树突内钙波传播、CaM去抑制如何改变钙瞬变时空特性、AD静息钙升高由何者驱动，尚不清楚。因此研究人员开展计算建模研究，以厘清CaM经RyR2和PMCA（质膜钙ATP酶）调控钙动力学的机制。该论文发表于《PLOS Computational Biology》。

关键技术方法方面，研究人员采用随机反应-扩散模拟器NeuroRD构建海马CA1锥体神经元细、中、粗三类树突形态模型，ER占胞质体积25%，包含腔钙、钙网蛋白（calreticulin, CRT）、SERCA（肌浆/内质网钙ATP酶）、泄漏通道、RyR2及store-operated calcium entry（SOCE，钙库操纵性钙内流）；RyR2分为组成性结合CaM的RyR2CaM模型和氧化去抑制的RyR2 no CaM模型；设置对照、老年（CaM氧化致半数RyR2去抑制、PMCA活性降20%、钙缓冲加倍、L型电压门控钙通道输入增加）和早发AD（PMCA活性降低、RyR2增多且半数去抑制、缓冲不变）三类模型；刺激包括突触样40 ms膜下钙注入和逆向动作电位样3 ms胞质钙注入；无刺激预跑至稳态，每组多随机种子重复，用空间传播距离、时间衰减常数、静息钙均值与标准差、钙事件聚类进行分析。

研究结果如下。

RyR2s do not support intracellular calcium wave propagation：研究人员在细、中、粗树突中施以突触样钙输入，发现对照模型（RyR2被CaM抑制）和无RyR2模型均不能支持树突内钙波传播，空间传播不超约一定范围；RyR2CaM缺失与无RyR2结果无差异，说明健康条件下RyR2单独不足以产生钙波。

Calmodulin inhibition of RyR2 preserves spatial specificity of calcium transients：将RyR2CaM换为去抑制RyR2后，ER钙泄漏增加、腔钙下降约10%，静息胞内钙不变；去抑制使钙瞬变空间传播约翻倍、时间衰减常数显著增大，但仍不能形成突触样或bAP样钙波，且细树突时空特异性最低、粗树突最高。

Calmodulin controls spatial and temporal specificity of calcium transients in old age：老年模型显示钙瞬变空间更广、时间更长；若恢复RyR2被CaM抑制，则空间传播回到对照水平，说明RyR2去抑制负责空间特异性下降；RyR2去抑制和缓冲增强均可延长瞬变时间，二者共同导致老年模型时间特异性下降。

Disinhibition of RyR2 alone cannot account for increased resting intracellular calcium concentration in Alzheimer’s disease：AD模型静息态出现自发性钙升高和钙波；参数分析表明RyR2去抑制本身不升高静息胞内钙，仅增加波动；PMCA活性降低20%使静息钙升约25%；低PMCA叠加RyR2变化不产生进一步静息钙升高，说明AD静息钙升高主要由PMCA功能下降驱动。

Store operated calcium entry does not affect CICR spatial specificity in control conditions：SOCE因激活时程远慢于钙动力学，对单次突触激活的CICR空间特异性无影响。

Robustness of the model：粗树突因缓冲能力强而对参数变异最稳健；PMCA活性和浓度变化对细、中树突空间传播影响最大，ER钙小幅变化影响小。

讨论部分总结：研究人员指出，CaM经RyR2抑制维持树突钙信号时空特异性，有利于树突特征选择性和学习记忆；对照模型无钙波与需IP₃产生的实验证据一致，也解释了他者模型未纳入CaM抑制RyR2而得出钙波结论的差异。随机模拟、RyR2开放时间设定和CaM慢解离是方法学关键。老年时CaM氧化使部分RyR2去抑制，AD时PMCA受β-Amyloid寡聚体和tau影响而低下，二者分别改变钙瞬变属性与静息钙水平。

研究结论部分翻译：本工作中，研究人员在对照、衰老和阿尔茨海默病条件下研究钙调蛋白如何控制钙稳态，聚焦钙经RyR2从ER流入胞质所构成的钙诱导的钙释放，以及PMCA将钙排出胞外。研究人员表明，无论对照条件（RyR2组成性结合并因而被CaM抑制）还是老年条件（RyR2与CaM均氧化使部分RyR2去抑制），RyR2单独都不太可能支持树突内钙波传播；CaM对RyR2的抑制在控制钙瞬变时空特异性中起关键作用；最后研究人员探讨AD中静息胞内钙升高的可能来源，表明RyR2去抑制不能解释该现象，而PMCA活性下降会升高静息胞内钙。