钙离子通道蛋白的研究进展

钙离子是细胞内最古老、作用最广泛的信号物质，参与调控机体几乎所有的生物学功能，诸如心脏和肌肉收缩、神经信息传递、学习和记忆、胚胎形成和发育、细胞增殖和凋亡、细胞分裂和分化、细胞能量代谢、蛋白质磷酸化和去磷酸化修饰、基因表达和调控等等[1-2].哺乳动物细胞的细胞质游离钙离子浓度一般控制在100～200 nmol/L，而胞外和细胞器内钙浓度则维持在mmol/L量级.钙离子在细胞膜内外以及细胞质和细胞器之间这种陡峭但严格受控的浓度梯度之所以得以维持，并根据细胞的需要动态调控，凭借的是多种多样的离子通道、离子泵以及转运体的协同工作.虽然不同细胞有不同的具体机制，但参与其中的分子一般包括细胞膜和细胞器膜离子通道(介导钙离子进入细胞质)、细胞膜和细胞器膜的转运蛋白(包括原发性主动转运和继发性转运，将钙离子运出细胞或运入细胞器)、细胞质和细胞器的钙缓冲蛋白(结合储存钙离子) 等[2-3](图 1).其中任何一个环节的异常都可能引起钙稳态的失稳，并引起疾病.阐明钙通道的调控机制是揭示钙稳态与生命过程调控规律的基本环节之一.

20世纪后叶，随着电压钳和膜片钳等电生理技术的不断进步，人们逐步对各种钙离子通道的电生理特性、生理功能有了全面深入的认识.然而，要揭示钙离子通道的门控机制、精细调控、基因突变、与疾病的关系，还有赖于对通道蛋白分子结构的认识.21世纪以来，MacKinnon[4]和颜宁实验 室[5]等分别用晶体学方法解析了细菌钾通道和钠通道的结构，揭示了离子通道电压门控和离子选择性通透的一般机制.然而，离子通道蛋白的结构与功能不仅取决于膜蛋白本身，更取决于膜脂与膜蛋白相互作用.要对通道蛋白进行结构解析，通道蛋白的制备及其与膜脂的配伍和优化是一个非常重要、特别需要技术探索和经验积累的工作[6].通道蛋白晶体制备的技术瓶颈限制了对膜蛋白结构与功能的认识，因此该领域一直在寻求新的研究技术.理论上，冷冻电镜单颗粒技术有可能达到原子级别的分辨率，但真正实现这一点面临着许多的挑战.2013年，美国加州大学旧金山分校程亦凡与同事David Julius合作，采用新研发的单电子计数探测器，以3.4 Å分辨率解析了TRPV1离子通道的结构[7-8].这一重要突破使科学界开始重新认识冷冻电镜对解析分子结构带来的空前契机.与X射线衍射晶体学技术相比，冷冻电镜单颗粒技术所需的样品量较少，对纯度的要求也较低，关键是不需要制备晶体，这大大降低了膜蛋白结构与功能研究的门槛.单电子计数探测器与冷冻电镜单颗粒技术的联合应用极大地推动着各种离子通道的结构与功能研究.

本文结合最近对钙离子通道结构与功能研究的最新进展，对影响细胞钙信号和钙稳态的主要离子通道的分子性质研究进行一个简要总结.

TRP通道是一类在各器官组织分布很广泛的通道蛋白，TRP通道通常包含4个亚基，每个亚基均为6次跨膜蛋白，其N端和C端均在胞内，由第五和第六跨膜结构域共同构成非选择性阳离子孔道，一般都对钠、钾、钙离子有通透性，但它们对钙离子的通透性会因亚型不同而有很大差异.这些通道可被多种因素调节，包括温度、渗透压、pH值、机械力、细胞内信号分子，以及一些内源或外源配体.到目前为止，哺乳动物中已克隆了超过30个TRP通道.它们按照基因同源性等特点可分为6个家族，包括TRPC(canonical)、TRPV(vanilloid)、TRPA (ankyrin)、TRPM (melastatin)、TRP polycystin (TRPP)、TRPML (mucolipin)等.每个家族又有很多亚型.有的TRP通道可以由不同亚型的4个亚基组成.这些不同亚型和不同亚型组合表达于不同器官和组织，发挥不同的作用[9].

TRPC通道是在高等动物中与最早发现于果蝇的TRP通道最接近的一个TRP家族，TRPC通道介导蛋白激酶C依赖性钙内流[10].现已发现7种不同的TRPC(TRPC1～7).其中，TRPC1在血管内皮细胞中和平滑肌细胞中是库控钙内流的主要通道，对血管紧张度维持很重要，TRPC4主要表达于脑血管，在G蛋白耦联受体和受体酪氨酸激酶激活后介导蛋白激酶C依赖性钙内流，并可调节血管舒张[11].

TRPV通道是脊椎动物中研究得最多的TRP通道，对钙离子的选择性比较高.TRPV在各种热或痛的感觉中发挥关键作用.其中TRPV1是辣椒素受体，对刺激性化学物质敏感[12]，TRPV2对52℃以上的温度敏感[13]，TRPV3对较温和的温度敏感[14]，TRPV4对机械和渗透刺激敏感[15].TRPV5和TRPV6与前面几种TRPV有所不同，分别主要分布在肾脏、小肠等器官的上皮组织，与钙摄取密切相关[16].

2013年，程亦凡与Julius首次用冷冻电镜单颗粒技术解析了TRPV1离子通道在三种状态下的结构，其中一种是通道不结合底物的自然状态下的结构，其孔径尺寸显示通道处于关闭状态[7]，另两种分别是在肽类神经毒素resiniferatoxin或辣椒素存在时的结构[8].TRPV1三维结构与电压门控离子通道类似，每个亚基中含有6个α螺旋(S1～S6)贯穿磷脂膜，其中S5和S6及二者间的孔道螺旋(pore helix)和孔道环(pore loop)共同组成通道蛋白的离子通透孔道.来自每个亚基的643位甘氨酸所处位置为孔道最狭窄部位，是通道的离子选择器；通道离子选择器下方，由每个亚基S6螺旋上的679位异亮氨酸构成另外一个狭窄的疏水区域，是TRPV1通道的“低位门控(lower gate)”结构.因此TRPV1的冷冻电镜结构研究揭示了该通道具有“双门控(dual gating)”的调节机制[8].当辣椒素或resiniferatoxin结合通道时，这个狭窄区域直径扩大，这一构象变化是通道由关闭态向开放态转变的重要过程.由于TRP通道家族与人体多数细胞感受各种理化刺激有关，因此对通道结构的认识将极大地推动这些感受过程的分子机制和生物物理原理的研究.对这些原理的揭示不仅是弄清TRP突变或功能异常造成疾病的原因，并且对开发药物和工程器件有重要参考价值.

电压门控钙通道介导细胞钙内流，对脑、骨骼肌、心肌和平滑肌、内分泌腺以及其他可兴奋细胞的生理功能至关重要.这些膜蛋白将细胞膜去极化信号转换为快速、局部的胞质钙浓度变化，继而触发分泌、收缩、迁移和基因转录等关键生物学事 件[2, 17].

电压依赖性钙通道通常由α1、α2、β、γ和δ等多个亚基组成(图 2)，其中α1、α2/δ、β是必需的组成部分.γ亚基一直被认为只存在骨骼肌中.α1亚基是构成钙离子跨膜孔道的亚基.与电压门控钠通道类似，α1亚基由4个同源结构域(Ⅰ～Ⅳ)组成，每个结构域与电压门控钾通道的一个亚基同源，都含6个跨膜螺旋(S1～S6)，其中第4个跨膜螺旋S4是一个带正电荷的高度保守片段，能够感受细胞膜电场变化，在细胞去极化时S4向胞外方向位移，导致通道构象发生变化.S5和S6两个跨膜螺旋之间有一个连接环，构成了离子选择性滤 器[17].α1亚基的羧基末端较长，可以通过二硫键构成一个环，有很多磷酸化位点，对通道的激活性质有重要影响.羧基末端还有酶切位点，断开后的肽段可以进入细胞核，发挥转录因子的作用.

α2/δ亚基紧密结合在α1亚基上.其中α2亚基全部游离在胞外，而δ亚基有一个跨膜片段.α2与δ亚基由同一个基因编码，通过后期的剪切形成不同的结构，两者由二硫键相连(图 2).α2/δ亚基调节α1亚基的物理学特性，并可能和β亚基一起协助α1亚基正确地定位到细胞膜上.

β亚基存在于细胞内侧，没有跨膜区域，而是通过与α1亚基的第一和第二结构域间的连接环紧密相连.一般来说，β亚基调节α1亚基的电压依赖性，导致电流-电压(I-V)曲线向左移动.β亚基的这一作用受到RGK的调节.RGK蛋白是单体GTP酶家族的一员，是电压门控钙通道最强的细胞内源调节因子[18].

根据编码基因的不同，电压门控钙通道可分为L、T、N、P/Q和R等多种类型.目前为止，共确认了10个α1亚基的基因，分成Cav1.1-4(L型钙通道)、Cav2.1-3(分别为P/Q、N、R型钙通道)、Cav3.1-3.3(T型钙通道)[18].其中，Cav1.1也叫二氢吡啶受体(dihydropyridine receptor，DHPR)，是最早被鉴定出的电压门控钙通道，主要位于骨骼肌细胞的横管，是肌肉兴奋收缩耦联(excitation- contractioncoupling)的膜电位敏感元件，在感受膜电位变化后，第Ⅱ和第Ⅲ结构域之间的连接环上第671位苏氨酸至第690位亮氨酸这一段序列通过与ryanodine受体相互作用激活后者，是骨骼肌L型钙通道控制钙释放，进而引起骨骼肌收缩的关键机制.Cav1.2和1.3存在于脑、心脏、血管、腺体等多种可兴奋组织，在心肌兴奋收缩耦联和多种细胞钙信号转导方面发挥关键作用.

电压门控钙通道的α1亚基的4个结构域大致对称但又不完全相同，这给结构解析带来很大困难(难以识别通道方向).2015年，颜宁实验室利用带有谷胱甘肽巯基转移酶标签的β1a亚基融合蛋白从兔骨骼肌膜上纯化出了内源性Cav1.1复合物.由于亚基的存在Cav1.1具有了不对称性，便于识别通道的方向，从而利用单颗粒冷冻电镜技术首次重构出兔源Cav1.1复合物三维结构[19]，分辨率为4.2 Å.2016年，该实验室又在3.6 Å的标称分辨率上解析了兔Cav1.1复合物的结构，发现其中形成孔道的α1亚基内闸门是关闭的，所有4个电压传感结构域都采用一个“向上”的构造，这意味着通道处于失活的状态.

分析显示，Cav1.1孔道结构域从胞外向胞内的方向分为三个部分，依次为胞外环状区，离子选择器及孔内门控区.胞外环状区包含来自Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ结构域S5胞外末端与孔道环之间的环形结构，由多个二硫键稳固，在选择性滤器上面形成一个窗口化的圆顶.该圆顶结构发挥两个功能，圆顶的一面为α2δ亚基提供固着点，另一面富含酸性氨基酸，可能通过其表面负电吸引钙离子，并运送到下方的离子选择器.离子选择器中，第292、614、 1 014、1 323位谷氨酸在空间上围成离子通透“廊道”，其侧链可以与钙离子相互作用，实现钙离子的选择性通透.钙离子通过离子选择器后进入孔内门控区，该区域由疏水性氨基酸组成，分别来自4个亚基的S6螺旋围成一个疏水的狭窄孔道(相当于TRP通道的低位门控).通道处于关闭状态时，该孔道直径仅为0.66 Å.

在Cav1.1的细胞内一侧，Ⅰ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅳ结构域之间的连接环存在螺旋结构，分别与β1亚基和α1的羧基末端结构域相互作用[20].由于β1亚基和α1的羧基末端结构域均影响通道的电压依赖性，因此这些发现为理解电压依赖性钙通道的功能调控及它们与疾病的相关机制提供了重要的结构 基础.

RyR是存在于肌细胞肌质网和其他细胞内质网的胞内钙释放通道之一(另一种是三磷酸肌醇受体，IP3R)，是已知最大的膜蛋白分子.每个分子包含相同的4个560 ku的亚基，组合成了一个正方形的阳离子通道.哺乳动物的RyR有RyR1(骨骼肌型)、RyR2(心肌型)、RyR3(脑型)三种亚型[21].RyR1在骨骼肌表达水平最高，在海马和小脑等少数脑组织有也有表达.一般认为，骨骼肌肌质网RyR1与细胞膜DHPR有分子间相互作用，DHPR的构象变化激活RyR1产生电压依赖性钙释放.RyR2主要表达于心肌细胞和部分脑组织.在心肌细胞，肌质网RyR2的钙释放是通过细胞膜L型钙通道流入的钙离子而激活的，被称为钙致钙释放(calcium-induced calcium release).RyR3分布广泛，在很多组织有表达，也是通过钙致钙释放的方式激活.由于RyR钙释放在神经肌肉组织和心血管系统的重要功能，先天性或后天性通道调控缺陷均可引起细胞钙调控异常，导致神经肌肉疾病和心律失常性心脏病[22].大量文献报道统计表明，目前已有500多种RyR突变与各种疾病有关.

最近，随着单分子冷冻电镜技术的应用，对RyR的结构生物学研究连续取得突破性进展.2015年，Raunser、Frank-Marks以及颜宁三个课题组，同时发表了来自兔骨骼肌的RyR1冷冻电镜结构，分辨率分别为6.1 Å[23]、4.8 Å[24]和3.8 Å[25].RyR1包含跨膜孔道结构域和极为庞大的胞质结构域.其中跨膜结构域有6个跨膜的α螺旋，与电压门控钾通道和TRP通道的特点十分类似，但有额外的结构域以实现对通道开闭状态的调控.跨膜结构域第4 937位异亮氨酸位于通道最狭窄的部位(相当于TRP通道的低位门控)，孔道直径小于1 Å，不能允许钙离子的通过，显示通道处于关闭状态.

2016年，尹长城-孙飞[26]、颜宁[27]以及Frank-Marks[28]课题组先后发表了RyR1的激活状态结构，但其激活条件各不相同.尹长城-孙飞课题组解析的是结合钙离子和钌红的RyR1开放态结构；颜宁实验室通过施加钙离子和促进RyR激活的PCB95获得了RyR1的开放状态结构.Frank-Marks组解析了RyR1在钙离子、ATP、咖啡因、ryanodine存在的情况下RyR1的结构多态性.根据他们的结构和功能研究，ATP结合在通道S6的胞质端、CTD和拇食指(TaF)结构域的交汇区；钙离子结合在C端(CTD)结构域和中心螺旋(CSol)结构域之间由CSol提供的一对EF手型结构上；咖啡因结合于CTD 和S2-S3连接区.钙离子集合后激活RyR1使通道在开放和关闭状态随机转换；进一步集合咖啡因则可将通道保持在开放状态.ryanodine结合于孔道侧壁，低浓度时可将通道锁定在亚电导状态(有部分离子流通过)，高浓度则阻断离子的通过[28](图 3).

继解析RyR1结构之后，颜宁实验室又率先解析了猪心RyR2的冷冻电镜三维结构[29].RyR2的结构与RyR1大致类似，但桥型螺旋(BSol)结构中的HD2结构域的一部分在解析RyR2时没有探测到，推测RyR2(没有结合FKBP)的HD2结构域具有较大的活动自由度，这是一个非常有趣的发现，很可能与RyR2复杂的调控有关，具体生理意义尚有待探索.

FKBP(FK506-binding protein)是结合于RyR的重要调节分子.RyR1三维结构解析显示FKBP在RyR胞质侧有FKBP12(又称calstabin-1)的结合位点[24].与心肌细胞RyR2结合的主要是FKBP12.6(又称calstabin-2).十几年来，关于FKBP12.6对心肌细胞RyR2是否有调节作用、是否在儿茶酚胺敏感性室速、心力衰竭等疾病中发挥作用长期存在激烈的争论[24, 30-32].由于最近解析的RyR2结构中并未包含FKBP12.6[29]，因此关于FKBP12.6对RyR2分子性质的影响还有待未来将RyR2-FKBP12.6复合体结构与RyR2结构进行对比.

此外，由于有500多种RyR突变与肌肉、心血管和神经疾病有关，又加上RyR分子极为庞大、修饰位点和调控分子非常多，因此，结合分子结构对RyR正常、异常功能和调控的研究将成为一个方兴未艾的热点领域.

内质网是细胞内重要的钙离子储存库，IP3R是广泛存在于各种细胞内质网的另一种钙释放通道家族.当IP3R与1,4,5三磷酸肌醇和钙离子两种底物分子均结合后，IP3R开放，钙离子便从内质网钙库释放到到细胞质中.哺乳动物IP3R有三种亚型，包括IP3R1、IP3R2和IP3R3.

IP3R1在小脑的蒲肯野细胞中有较高表达，是目前研究最为深入的亚型.2015年Irina Serysheva研究组利用冷冻电镜单颗粒技术解析了大鼠源IP3R1结构，分辨率达4.7 Å[33].该研究表明，IP3R是与RyR结构相似的四聚体蛋白，每个单体由跨膜孔道结构域和庞大的胞质结构域构成.

IP3R1孔道结构域构成与RyR1和上述其他通道相似，有6个跨膜的α螺旋(S1～S6).但有两点不同：一是在相当于RyR1的CTD的羧基末端多出一个很长的α螺旋伸到胞质侧最表面，并与相邻亚基的氨基端结构域直接形成相互作用，推测在协调亚基之间变构过程中发挥作用；二是S5和S6之间环特别长，横在通道内质网腔侧(图 4).在孔道中，S6的L2582、P2586及I2590几个疏水氨基酸共同围成孔道最细的瓶颈(相当于TRP通道的低位门控)，直径为5 Å，不能允许6～8 Å的水化钙离子的通过，因此可以推断通道处于关闭状态.由于IP3存在于几乎所有细胞的内质网，在钙信号转导中发挥关键作用，因此，其冷冻电镜结构的研究为理解该受体的离子通透性、功能调节和相关致病的分子机理奠定了基础.

30年前，Puteney等[34]发现当内质网中钙离子通过IP3R释放导致内质网钙储量下降时，钙离子可以从细胞外进入细胞，这一过程被称为库控钙内流.库控钙内流在基因表达调控、细胞运动、分泌以及免疫反应中都发挥着重要作用.

近几年研究人员陆续发现并鉴定了参与SOCE的蛋白质分子.SOCE的核心蛋白包括位于内质网上的STIM(stromal interaction molecule)[35-37]和位于胞膜上的Orai[38-40].STIM是SOCE的钙感受器.与细胞膜钙感受蛋白是一个G蛋白耦联受体[41]不同，STIM是一个单次跨膜的内质网蛋白.当内质网钙库耗竭时，STIM可以发生快速聚集，并位移到与细胞膜相对的区域激活Orai产生钙内流(图 5).在哺乳动物中，STIM蛋白存在高度同源的STIM1和STIM2两种亚型，广泛表达于多种器官和组织中.在不同类型的细胞中，两种亚型的表达丰度不同，而且可通过彼此竞争性结合Orai发挥功能.

STIM1位于内质网腔的氨基端序列由两个EF手型结构和SAM结构域组成，EF手型结构可结合钙离子从而感知内质网内钙离子浓度.STIM胞质区有若干个卷曲螺旋结构域，其中包括结合Orai的CAD结构域，位于羧基末端的可结合胞膜的碱性结构域[42].当钙库消耗，钙离子从STIM1分子的 EF 手型结构域中解离，引起EF-hand-SAM结构域的去折叠，STIM1继而快速聚集至内质网近细胞膜区并通过其羧基末端的卷曲螺旋结构CC2与Orai蛋白相互作用而激活后者的开放.

2012年Stephen Long课题组以X射线晶体学方法解析了衍射分辨率3.35 Å的黑腹果蝇源Orai通道结构[43].Orai 通道由6个亚基构成六聚体的结构，每个亚基由4个跨膜α螺旋组成.其中来自6个亚基的S1螺旋共同组成了通道离子通透孔道.Orai 通道的孔道结构有别于其他离子通道，孔道内部氨基酸侧链决定了孔道不同部位的性质.从胞外向胞内方向，通道可以分为4个区域：a. 谷氨酸环区；b. 疏水区；c. 碱性区；d. 胞质区.其中谷氨酸环区由非常保守的178位谷氨酸组成.位于胞外区域的谷氨酸环是带正电荷钙离子通透的入口.谷氨酸环下方由多个保守疏水氨基酸(V174、P171和 L167)形成直径8～10 Å、长度18 Å的孔道.这部分疏水区是通道形成稳定三维结构的疏水核心.疏水区下方由18个包含精氨酸和赖氨酸的碱性氨基酸构成，形成非常独特的碱性区.由于阳离子带正电荷，而碱性氨基酸在生理pH下也带正电荷，碱性氨基酸孔道在阳离子通道中非常罕见.结构分析揭示，碱性通道部分在通透钙离子过程中必须发生构象变化，才能允许钙离子顺利通过.Orai的结构分析可以解释多种致病突变的分子机理.如疏水区域中V102C和G98P等突变，可以影响通道整体稳定性，导致通道持续通透.

SOCE作为调节细胞内钙稳态的重要途径，与肿瘤发生有着密切的联系，包括细胞增殖能力、迁移浸润能力、凋亡抵抗能力、血管生成以及肿瘤免疫原性改变[44].食道鳞状上皮细胞癌(ESCC)病人肿瘤组织中的Orai1有高水平的表达，敲减Orai1可以显著降低ESCC细胞的增殖和迁移.Dubois等[45]发现在前列腺细胞中Orai1和Orai3的比例可以调节SOCE的功能，从而影响肿瘤细胞的增殖和凋亡.

在心血管系统中，SOCE同样发挥了维持钙稳态的重要作用.高血压病人往往会出现血管平滑肌细胞增殖，这一过程伴随着SOCE激活.敲减Orai1和STIM1可以显著减弱血管平滑肌细胞的增殖和迁移[46].

线粒体在细胞钙稳态和氧自由基(reactive oxygen species，ROS)稳态方面发挥关键作用[47-48].发生于细胞质的钙离子信号可经VDAC穿过线粒体外膜，再经MCU复合体转运入线粒体基质.MCU是位于线粒体内膜上的钙离子单向转运蛋白，将钙离子顺电化学梯度从细胞质转运入线粒体基 质[49].线粒体基质内的钙离子可经线粒体钠钙交换从线粒体转出[50].作为线粒体摄入钙离子的核心结构分子，MCU对线粒体的能量代谢和维持细胞生存起着关键的作用，对于神经细胞、胰腺细胞、心肌细胞等多种细胞的正常功能至关重要.

2016年，周界文实验室采用核磁共振和电子显微镜技术，率先解析了处于关闭状态的MCU结构，发现MCU可能以同源五聚体形式存在，形成一个中间内空“花瓶”样结构.每个MCU单体的第二跨膜区与卷曲螺旋结构域构成了花瓶的内围，第一跨膜区包围在第二跨膜区外侧，而位于基质侧的疏水卷曲螺旋结构可进一步稳定整个通道的构 象[51].在该结构中，由D240和E243形成的孔道直径分别为7 Å和11 Å，比较其他形成羟基环结构的钙离子通道(如Orai孔道为12 Å)可以发现该孔道直径不能允许钙离子的通过，因此该结构中MCU处于关闭状态.MCU的整个通道口均由亲水性氨基酸构成，而Orai通道由于羟基环下方出现疏水氨基酸，因此MCU的钙离子传导速率可能较Orai更快[51].

MCU作为线粒体钙转运的核心通道，其开放与关闭受到多个蛋白的调节，这些蛋白与MCU分子以一个复合物的形式稳定存在，统称为MCU全复合物.近年来，基因组学的研究已经鉴定了MCU全复合物的其他几个重要成员，在哺乳动物细胞中主要有MICU1/MICU2、MCUb以及 EMRE(essential MCU regulator)[49].其中，含有EF手形结构的MICU1与MICU2通过二硫键形成异源二聚体，覆盖在MCU通道入口.当胞质内钙离子浓度升高时，MICU1/MICU2二聚体构象发生改变，允许钙离子进入MCU通道口，MICU1可进一步促进MCU通道活性达到较高的钙摄入水平. EMRE特异性表达于哺乳动物细胞，通过生物信息学预测发现其有一个跨膜结构域和一个高度酸化的羧基端.EMRE可能的功能是维持MCU通道的开放构象并将MICU1/MICU2所感知的钙离子信号传导到MCU离子通道孔中.要完整地理解MCU的功能还有赖于对MCU复合体结构的全面认识.冷冻电镜三维重构技术已为此提供了空前的可能性.

以上讨论的是多数细胞内存在的主要钙离子通透性离子通道.它们在结构上具有诸多相似性，每个通道又具有自身的结构特性和独特功能.如TRPV通道、电压敏感性钙离子通道、IP3R和RyR都与钾离子通道相似，为四聚体或四个重复结构域的膜蛋白，它们的跨膜区都有6个α螺旋和S5-S6之间的孔道环和孔道螺旋.S6靠近胞质侧的疏水氨基酸构成的狭窄区是控制这些通道开放和关闭的共同结构.而孔道螺旋和孔道环在钙通道、钾通道和钠通道构成离子选择器.Orai通道与MCU的孔道都包含由酸性氨基酸侧链构成的羟基环，这与电压门控通道由孔道氨基酸主链羟基控制孔道性质十分不同.不过由于Orai与MCU孔道的结构很不相同，两者的通透特性和门控特性也大相径庭.除了孔道性质外，他们各自的调节结构域也使得每种通道蛋白分子的功能调控机制迥异.如RyR和IP3R的胞质结构域十分庞大，这个庞大的胞质结构域是多种调节分子结合的区域，为其功能的复杂调控提供了精细的结构基础.

除了以上钙离子通道介导细胞外或细胞器内的钙离子流入细胞质或线粒体基质外，细胞还有细胞膜钙泵、钠钙交换体、内质网钙泵等转运蛋白负责将钙离子移出细胞或移入细胞器，另有钙感受蛋白[41, 36]感受细胞外和细胞器内的钙离子浓度，它们共同构成钙信号调控系统.不同细胞还有其他一些特殊的离子通道和转运蛋白参与细胞钙信号的调控.各种钙离子通道、钙转运蛋白、钙感受蛋白相互配合，共同维护细胞钙稳态.其中任何环节发生功能异常，就可能会导致疾病的发生.

由于离子通道所处的位置、分布、通透性、选择性、动力学、调控因素的不同，其产生的钙信号具有不同的时空特征、不同的生理功能[1-2, 52].现代成像技术在时间分辨率、空间分辨率方面不断超越，为记录和分析这些各不相同的钙信号提供了有力的工具.结合动力学建模，将结构生物学技术对通道构象变化的微观解析和光学成像技术对钙信号动态行为的刻画以定量的方式有机结合起来，将是未来阐明钙信号时空动态活动特异性调控生命过程的发展方向.目前中国科学家在这两方面都逐步跻身国际前沿的竞争，并在一些方面取得了世界领先的研究优势.通过继续加强跨学科合作，在提出钙信号调控理论、发展相关研究技术方面实现两条腿走路，中国将有望在优势方向上引领该领域的前沿发展，并在阐明钙通道相关疾病机理和开发相关药物方面不断取得新突破.