凋亡是细胞的一种生理性、主动性的自杀行为，它使机体能够有效清除多余或病态的细胞。作为细胞内普遍存在的第二信使，钙离子(Ca2+)在信号转导过程中发挥重要作用。它能够将细胞感受的刺激转化为其在不同细胞组分间的分布差异及浓度的振荡形式，这种在细胞内和细胞间的波动协调了生命活动的各个方面。以往的研究认为细胞内Ca2+浓度的升高是凋亡进行到后期的结果，而最近的研究发现Ca2+也可以在凋亡通路的前期，通过影响线粒体膜通透性的方式调控凋亡的进程，这构成了凋亡中的钙调控网络。　　 已知钙离子在细胞内的浓度振荡现象中，有几种孔道和膜蛋白发挥作用。其中，肌醇三磷酸(InsP3)发挥着关键的作用。Boehning etal.于2003年发现了一个钙释放信号的前馈机制，即细胞色素C(Cytc)--一种参与激活线粒体依赖型凋亡通路的蛋白，缓解了高浓度钙离子环境对InsP3受体(InsP3R)的开放抑制作用，放大了钙离子释放的速率，但是其中的动力学机理尚待探讨。将“Cytc-InsP3R活化”反馈机制以数学建模的方式引入到一个经典的钙离子振荡模型--DeYoung&Keizer模型中，通过模型分别检验了三种可能的暗含在钙释放现象中的动力学机制。通过在DeYoung&Keizer模型基础上的三组拓展模型的假设检验(Hypothesis Test)，得到了一个相对合理的动力学解释，即InsP3R上存在Cytc的结合位点，因此Cytc可以结合在活化的InsP3R上，维持其在高钙浓度下孔道开放的性质，因为这个机制引入了InsP3R的Cytc结合位点，称之为“四位点”模型(之前的DeYoung&Keizer模型为“三位点”模型)。在新的模型基础上，通过数学推导，模型结构可以简化为三维，对简化后的模型进行时间过程仿真(time-course simulation)能够进一步验证其合理性，同时为进一步探讨其与凋亡的关系提供便捷。仿真结果与实验得到了很好的拟合，证明模型可以很好的表现钙信号通路引入Cytc后的时域性质。通过分岔分析(Bifurcation Analysis)的方法，发现在这个钙信号网络中，存在着钙离子浓度上升的阈值现象，即超过刺激某一个浓度后，游离的钙离子浓度将快速到达一个较高的水平。这个阈值效应可能和两个正反馈密切相关(“Cytc-InsP3R活化”“Ca2+-InsP3生成”)。考虑到线粒体对钙离子的摄取将导致自身的去极化和促凋亡蛋白Ctyc的进一步释放，钙离子信号调控的凋亡起始可以视作一个开关。类似的开关机制已经被证明存在于凋亡信号通路的各个水平上。基于以上分析，在国际上首次提出钙离子信号通路可以作为一个新的凋亡检测关卡，这个理论模型对于进一步的实验验证具有很好的指导意义。　　 本研究主要从系统生物学角度，采用动力学建模手段研究了钙离子和线粒体凋亡途径中分子间的复杂联系以及钙信号通路调控凋亡的开关机制和调控规律。总之，从系统生物学和动力学建模角度对钙信号通路凋亡开关机制进行深入的、动态的研究，帮助深化了对细胞凋亡决定中开关机制的理解。可以预计，随着实验数据的累积，可以在更为精确的模型指导下，对钙离子信号与凋亡网络得到透彻的理解。