哺乳动物的交感神经系统在应激状态下兴奋，使心脏的泵血能力在短时间内迅速提高，表现为正性变时、正性变传导和正性变力，满足机体为应对紧急情况所需要的代谢需求。上述过程主要由β-肾上腺素受体(β-adrenergic receptor，βAR)介导。心肌细胞的收缩依赖细胞内钙离子活动。动作电位产生后，细胞膜去极化引起膜上电压依赖的L-型钙通道(L-type calcium channel，LCC)开放，钙离子内流触发肌质网上的钙离子通道2型ryanodine受体(ryanodine receptor，RyR2)开放，使肌质网内储存的大量钙离子迅速进入细胞浆，该过程称为钙致钙释放(Ca2+-induced Ca2+release，CICR)。βAR激动后使细胞内cAMP合成增多，进而活化cAMP依赖的蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)，后者可以磷酸化多种与钙致钙释放相关的蛋白，通过调节这些蛋白的活性来增强心肌细胞的功能。　　 使用钙荧光染料可以观察记录到一组RyR2钙释放通道单元的钙释放活动，称为钙火花(Ca2+spark)，它的性质反映了RyR2的活动情况。本文利用松钳结合激光共聚焦显微镜钙成像技术，记录在细胞膜附近发生的分子间钙致钙释放事件，还利用全细胞膜片钳技术结合钙成像技术记录全细胞水平的钙活动。实验结果表明，使用1μMβAR特异性激动剂异丙肾上腺素(isoproterenol，ISO)作用细胞5-20分钟可以提高RyR2对LCC的反应性，表现为单个LCC触发的钙火花幅度提高而上升时间不变，LCC-RyR2耦联潜伏期缩短。由于ISO可以提高肌质网钙储量，而肌质网钙储量会影响RyR2对LCC的反应性，本文使用肌质网钙泵(sarco-endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA)抑制剂CPA和胞外低钙两种方法排除ISO作用下肌质网钙储量升高对RyR2活动的影响。将ISO作用下细胞的肌质网钙储量调节至与对照组相当的水平后，RyR2对LCC的反应性依然可以被ISO提高。因此，βAR信号通路可以直接调节RyR2的活动性。使用10μMPKA的抑制剂H89可以消除ISO对RyR2活动的调节。因此，ISO对RyR2活动的调节是通过βAR-PKA通路介导的。本文还发现，尽管肌质网钙储量会影响RyR2对LCC的反应性，但ISO可以削弱这种影响。　　 在心脏中βAR有β1-、β2-与β3AR三种亚型，交感神经兴奋对心脏功能的正性调节与前两者有关。β1-与β2AR激动后均可以使细胞内cAMP合成增多，但对心肌细胞钙致钙释放的调节作用则有差异。本文使用50μMβ2AR特异性激动剂沙丁胺醇(salbutamol，Salb)作用细胞。实验结果表明，单独激动β2AR仅能调节LCC的活动，表现为分子水平上LCC活动趋于同步化，细胞水平LCC电流幅度提高；不能调节RyR2的活动。当抑制了可以降解cAMP的磷酸二酯酶3(phosphodiesterase3，PDE3)后，使用Salb作用细胞则可以得到与ISO类似的效果。　　 DAR激动后不仅可以激活PKA，还可以激活钙/钙调素蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin kinaseⅡ，CaMKⅡ)。本文使用10μM CaMKⅡ的上游蛋白Epac(exchange proteins directly activated by cAMP)的激动剂8-CPT作用细胞，来研究CaMKⅡ对LCC-RyR2耦联的调节作用。松钳实验结果表明，8-CPT可以提高RyR2对LCC的反应性，表现为单个LCC触发的钙火花幅度升高而上升时间不变，LCC-RyR2耦联潜伏期缩短。使用10μM CaMKⅡ的抑制剂KN93预处理细胞后，8-CPT对RyR2活动的调节作用消失。　　 长期的βAR刺激导致心肌细胞内RyR2过度磷酸化，RyR2易与稳定它的FK506结合蛋白12.6(FK506-binding protein12.6，FKBP12.6)解离，导致细胞内钙活动紊乱，诱发心律失常。本文使用FKBP12.6敲除小鼠心室肌单细胞及FK506处理的大鼠心室肌单细胞，来研究FKBP12.6缺失对RyR2活动的影响以及βAR刺激对FKBP12.6缺失细胞RyR2活动的影响。实验结果表明，FKBP12.6缺失后：RyR2的自发活动增强，表现为静息状态下细胞自发钙火花频率升高，肌质网钙储量降低；RyR2对LCC的反应性提高，表现为单个LCC触发下LCC-RyR2耦联潜伏期缩短，全细胞水平钙致钙释放产生的钙瞬变速率提高。βAR激动后，缺失了FKBP12.6的RyR2的活动性过度增强：表现为静息状态下不仅细胞自发钙火花频率升高，自发钙波数目也增多；RyR2对LCC的反应性进一步提高，表现为单个LCC触发下LCC-RyR2耦联潜伏期进一步缩短；全细胞水平钙致钙释放产生的钙瞬变幅度与速率均显著提高。FKBP12.6缺失还破坏了RyR2钙释放通道单元中各个RyR2活动的同步性，表现为钙火花幅度降低，钙火花的量子特性变差。　　 综上所述，本文证明了在心肌细胞中，βAR信号通路在短时间内可以通过PKA直接增强RyR2的活动性。β2AR信号通路由于PDE3的屏蔽，不参与上述调节过程。CaMKII的激活也可以调节RyR2的活动性。FKBP12.6缺失提高RyR2的敏感性，受到βAR刺激后钙释放活动过度增强，易引起细胞内钙紊乱，为心律失常发生的分子基础。本文的发现为进一步研究心脏功能在生理及病理条件下的调节机制具有重要的意义。