“多细胞器之间的离子稳态调控”专题｜《中国科学：生命科学》
“多细胞器之间的离子稳态调控”专题｜《中国科学：生命科学》
《中国科学：生命科学》2024年第8期出版“多细胞器之间的离子稳态调控专题”，特邀编辑为北京大学王世强教授。该专题邀请国内该领域专家从不同角度阐述内质网、线粒体等细胞器离子稳态的动态调控，以及基于新型探针创新的钙信号研究方法，揭示细胞器互作中维持离子稳态的重要意义。
专题篇目
编者按
多细胞器之间的离子稳态调控
王世强
评述
内质网钙稳态与内质网应激
赵松，刘红美，唐铁山
内质网-线粒体互作与钙稳态
屈川人，刘垒
钠-葡萄糖共转运蛋白的结构机制研究进展
崔文浩，孙泽健，陈雷
β肾上腺素受体对心肌细胞钙信号的调控
任宇捷，梁景辉，侯婷婷，王世强
Piezo1介导机械力信号调控心血管功能的研究进展
楼静，高峰，张星
钙离子和活性氧在多能干细胞中的功能和调控作用
洪雪君，符江琴，林东童，张旖凯，丁浩霖，谭天欣，李邱致，李安琪，刘兴国
基因编码的细胞器钙指示剂研究进展
谷文佳，钟梓铱，张涵涵，张晓嫣，王友军
专辑背景
真核细胞中存在众多的生物膜结构，其中包括细胞膜及其衍生结构（例如肌细胞的横管）、内质网或肌细胞的肌质网、线粒体、溶酶体、高尔基体、核膜等。这些膜结构的重要功能是使细胞与外界、细胞内不同细胞器之间实现隔室化，从而细胞质与不同的细胞器能够具有各不相同的离子、小分子、大分子成分，为复杂而精细的生命过程提供各种精准匹配的微环境。例如，细胞外钙离子的浓度在10-3mol/L以上，细胞质中的游离钙离子浓度却只有10-7mol/L左右，两者相差一万倍；内质网为满足细胞钙库储备以及蛋白折叠等过程的需要，其钙离子浓度也接近10-3mol/L。线粒体基质、高尔基体、溶酶体、核膜腔中也具有各不相同但相对稳定的钙离子浓度，以实现对不同细胞过程的精细调控。
不同细胞器跨膜离子浓度梯度的稳态为细胞质与不同细胞器之间的离子动态（包括离子信号）提供了稳定的电化学势能。例如，由钠钾泵通过原发性主动转运所维持的钠离子和钾离子跨膜浓度梯度提供了细胞膜电位去极化和复极化的前提；而钠离子浓度梯度又为葡萄糖、氨基酸等营养物质在肾小管和胃肠道上皮细胞的继发性主动转运提供了能量。细胞电活动通过与内质网或肌质网钙释放通道的信号耦联提供了低能耗（10-7~10-6mol/L的转运负荷）及高速度（毫秒或亚毫秒）的局部钙信号；钙信号通过线粒体钙离子单向转运体等机制调控线粒体呼吸链的活动；线粒体电子传递过程形成的跨膜氢离子浓度梯度为ATP的生产提供了能源；ATP作为细胞能量货币又为细胞膜钠钾泵、内质网/肌质网钙泵、溶酶体氢泵以及其他离子的原发性主动转运或继发性主动转运直接或间接地提供能量，从而使不同细胞器在各种跨膜离子动态的同时又维持了离子稳态。
细胞器离子稳态的维持在调节正常细胞代谢和生理功能过程中起着核心作用。在生理状况下，钙信号是重要的细胞内离子信号，广泛参与了受精与发育、学习记忆与认知、基因表达与调控、细胞增殖与分化，乃至细胞存活与死亡等多种细胞生命活动过程。细胞正常钙信号的触发有赖于细胞质膜介导的钙内流、内质网/肌质网/溶酶体钙稳态、线粒体钙稳态等环节的精细调控。类似地，氢离子、钠离子、钾离子、镁离子、铁离子、锌离子、氯离子、氧自由基等在细胞质和不同细胞器之间的活动也都受到精细调控，形成细胞生命过程所需的离子稳态。
正因为离子稳态受到精细调控，任何一个调控环节异常都会导致细胞生理功能异常和疾病。例如，钙信号系统的紊乱与高血压、心血管病、免疫缺陷、肿瘤、神经退行性疾病等多种人类重大疾病密切相关。内质网钙释放过度或钙回收不力造成的钙超载会诱导细胞毒性很强的超氧阴离子（O2-）的产生，并刺激线粒体通透性转换孔道开放，导致细胞色素C的释放和细胞凋亡程序的启动。类似地，铁离子是血红素和铁硫簇合物的必需组份，参与线粒体三羧酸循环、电子传递等重要过程，但铁离子稳态失衡会导致一种新型的铁依赖的细胞程序性死亡，铁死亡。因此，各种离子的动态与稳态的对立统一既是多种细胞器跨膜转运整合调控的结果，也是各种细胞器行使功能和功能互作的基本前提。
不同细胞器离子稳态和动态的调控机制是国际学术界的研究热点。然而，由于细胞内外、细胞内不同区域、不同细胞器钙水平浓度差别很大，因此需要灵敏度高、动态范围大的离子探针对不同细胞器及其互作过程中的离子浓度时空特异性变化进行检测。钙离子的检测手段目前是最丰富的。既有indo-1，fura-2，fluo-3/4等小分子钙离子荧光探针，又有基因编码的钙离子探针，在检测、解析细胞胞内和细胞器内钙离子稳态和动态活动中发挥着重要作用。我国学者开发了定位于不同细胞器及互作区、高动态范围高灵敏的新型离子探针，推动了对离子稳态与动态调控机制的研究。
鉴于多细胞器功能性互作在离子稳态与动态调控中的关键作用，本专题邀请国内该领域专家从不同角度阐述内质网、线粒体等细胞器离子稳态的动态调控以及基于新型探针创新的钙信号研究方法，揭示细胞器互作中维持离子稳态的重要意义。