2020年11月，题为“The Oscillation Amplitude, Not the Frequency of Cytosolic Calcium, Regulates Apoptosis Induction”的论文发表于Cell出版社Research Journals系列中的《iScience》杂志，揭示了细胞质钙信号调控细胞凋亡的动力学机制 [文章链接]。

细胞之间以及细胞内部的通讯皆依赖信号分子，钙离子正是一种从细菌到哺乳动物细胞都广泛存在的重要的信号分子。它常以浓度振荡变化的方式形成钙信号，通过其频率或振幅编码相关的生物信息，从而控制受精、基因表达、细胞分化、细胞凋亡等几乎所有的细胞活动过程。细胞凋亡是细胞死亡的主要方式，在多细胞生物体的生长发育和维持细胞数量的动态平衡中发挥关键作用，异常的细胞凋亡可引发癌症或神经退行性疾病。

尽管早在20年前，人们已发现细胞质中钙浓度的异常升高会导致细胞凋亡，但由于实验上很难同时监测快速变化的钙信号和缓慢变化的凋亡蛋白，导致有两个基本问题悬而未决：一是振荡的钙信号如何转化为类似全或无的细胞命运响应，二是钙信号到底是通过调频还是调幅的方式调控细胞凋亡。

为此，祁宏等研究者查阅了大量的生物学文献，首次构建了细胞质钙信号调控细胞凋亡的信号网络，并将该网络转化为微分方程模型，该模型包含四个模块：钙振荡模块、钙调蛋白模块、Bcl-2蛋白家族控制线粒体外膜通透(MOMP)模块、Caspase级联反应模块。数值模拟结果显示：振荡的钙信号虽然能传递到钙调蛋白模块，但在经过MOMP模块时逐渐转化为渐变信号，最终到达Caspase级联反应模块时转变为类似全或无的阈值信号。在信号传递过程中，钙信号的振幅属性可以很好地传递到下游，但其频率属性在中途被屏蔽，导致细胞凋亡对钙信号的振幅变化很敏感，但对其频率变化不敏感。因此，该研究表明钙信号是以调幅的方式调控细胞凋亡。

以往的很多研究表明钙信号多以调频的方式控制细胞活动，调幅调控虽作为一个概念被提出很久，但一直缺乏实例，该研究为钙信号通过调幅形式控制细胞活动提供了一个范例。该研究还阐明了振荡的钙信号转化为类似全或无的细胞命运响应的动力学过程，可为细胞内诸多的复杂信号通路的研究提供思路。

山西大学复杂系统研究所祁宏副教授[个人主页]为该文的第一作者，他与厦门大学帅建伟教授为共同通讯作者。厦门大学的李翔博士、山西大学的靳祯教授、加拿大阿尔伯塔大学的Thomas Simmen教授参与了此项工作。该研究得到了国家自然科学基金、山西省青年基金等的资助。