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钙离子是一种重要的第二信使，在细胞内通过浓度变化的时空分布调控一系列重要的细胞生物学过程。细胞对钙信号的响应是通过钙离子响应蛋白实现的，钙离子响应蛋白可以将钙离子信号传递到下游靶蛋白，调控一系列钙离子信号通路，产生各种生物学效应。钙离子响应蛋白可以分为专化型和通用型。前者响应钙离子信号调控特定的靶蛋白，如骨骼肌中的肌钙蛋白C(Troponin C)结合于肌肉细丝，响应钙离子信号调控细丝与肌球蛋白相互作用，进而控制肌肉收缩与舒张。钙调蛋白(Calmodulin，CaM)是分布最广泛的通用型钙离子响应蛋白，参与一系列钙离子信号通路的调控。一个重要科学问题是CaM如何解码不同的钙信号进而调控不同的信号通路。 CaM的靶蛋白有很多，有些只能与结合钙离子的CaM(Ca2+-CaM)或不结合钙离子的CaM(apo-CaM)结合，也有些既能与Ca2+-CaM结合，也能与apo-CaM结合。目前至少已有80多种CaM-靶蛋白复合体的晶体结构被解析，其中前人报道的非典型肌球蛋白Myosin-5a(Myo5a)与apo-CaM复合体结构和本研究组得到的Myo5a与Ca2+-CaM复合体结构是目前仅有的一对晶体结构，解析了钙离子解离或结合状态的CaM与同一靶蛋白的相互作用，为研究CaM解码钙离子信号的分子机制奠定了基础。 Myo5a是一种重要的非典型肌球蛋白，具有马达活性，可以将ATP水解产生的化学能转化成沿着微丝进行运动的机械能。在果蝇中，Myo5参与视觉蛋白囊泡以及色素囊泡的转运，与果蝇复眼的发育以及光适应（瞳孔反应）有关。在哺乳动物中，Myo5参与黑色素颗粒的转运，与皮肤的颜色深浅有关。Myo5的突变可以引起人的遗传疾病，如Myo5a突变可以引起Griscellis综合症，Myo5b突变可引起小肠微绒毛内陷症。Myo5a的马达活性受钙离子调控:低钙离子浓度下，Myo5a的球形尾部结构域(GTD)与其马达头部结合，并抑制其马达活性;高浓度的钙离子可以解除头尾相互作用，激活马达活性。Myo5a包含有6个IQ模序，结合了轻链蛋白CaM的IQ模序在Myo5a的运动中起到杠杆的作用。钙离子对Myo5a马达活性的调节是通过结合于IQ模序上的CaM实现的，但Myo5a的6个IQ模序的作用是不同的。我们研究组先前的研究表明结合于第一位IQ模序(IQ1)的CaM在钙离子调节Myo5a中起着关键作用，钙离子可以诱导CaM从IQ2上解离。本课题通过动力学分析结合单分子技术研究了Myo5a的IQ1及IQ2与CaM在钙离子调控Myo5a马达活性中的作用。主要结果如下: 首先，利用动力学分析结合单分子技术研究了Myo5a的IQ1与CaM在钙离子调控Myo5a马达活性中的作用。生化分析和单分子实验显示，在钙离子浓度变化的过程中，CaM始终结合在IQ1上，说明钙离子诱导CaM在原位发生了构象变化，暗示CaM与IQ1作为一个整体响应特定钙信号。进一步的动力学分析表明，CaM/IQ1复合体具有与游离CaM不同的钙离子结合特性，CaM/IQ1复合体的钙离子释放速度比游离CaM慢很多。对CaM四个钙离子结合位点的突变分析表明，在钙离子转变过程中，位于CaM的N-lobe钙离子位点先于C-lobe发生结合或解离，据此，我们提出了钙离子诱导CaM构象变化的分子模型。上述结果表明，CaM可以与其靶蛋白作为一个整体响应特定的钙信号，更为重要的是Myo5a被钙离子激活之后，可以较长时间保持激活状态。 其次，研究了Myo5a的IQ2与CaM相互作用的特点。单分子实验结果显示与CaM/IQ1相比，CaM/IQ2更易被钙离子诱导解离。动力学分析发现，CaM与IQ2的结合可以同时减慢钙离子与N-lobe和C-lobe的结合与解离速率。根据上述结果，我们推测CaM与IQ2的解离破坏了杠杆的完整性，进而抑制马达头部活性，从而避免高浓度的钙离子带给细胞的“毒性”。 综上所述，本研究结果表明，在钙离子对Myo5a的调节中，CaM/IQ1复合体起着“开关”作用，而CaM/IQ2复合体起着“保险丝”作用，并首次提出CaM与其靶蛋白作为一个整体解码特定钙信号的观点。上述研究成果加深了对钙离子调控Myo5a分子机制的理解，为其他非典型肌球蛋白调节机制研究提供了借鉴，同时也丰富了对CaM解码钙信号机制的认识。