钙离子作为第二信使在细胞的许多生命过程中发挥着重要的调节作用。本论文从以下两方面对钙离子的检测与功能展开深入研究。　　 1.钙离子指示蛋白(GECI)是在体钙信号检测的重要工具。GCaMP蛋白作为广泛被应用的一种GECI蛋白，其工作原理的研究和基于GCaMP的改造受到重视。本研究解析了GCaMP3单体和二聚体晶体结构，探讨其单体与二聚体发光性质差异、pH敏感性以及GCaMP3较GCaMP2性质优化的结构基础。我发现Asp-365的引入使得GCaMP3对钙离子结合更敏感存在结构依据，并对Lys-65和Val-115的作用也做了详尽探讨。其中，作为H+受体的Arg-376通过氢键的联系对稳定单体中发光基团的去质子化发挥重要作用。我还发现Glu-60侧链的方向与不同pH环境中发光基团的状态存在相关性。另外，通过基于单点突变的GCaMP3改造研究，我们得到了在荧光强度（1.5倍）和钙离子亲和力（1.3倍）方面均有显著提高的GCaMPJ(GCaMP3D380Y)。结合突变分析和结构分析，我发现Tyr-380通过空间位阻减少溶剂流入从而稳定了发光基团的去质子化状态。而其酚羟基与发光基团的氢键联系是钙离子亲和力得以提高的关键。另外，我发现由于Tyr-380在CaM的loopα4-α5上的特殊定位，其产生的空间位阻使二聚体的形成受阻。总之，以上发现使我们对于GCaMP的工作机制有更深入的了解，同时GCaMPJ的获得为我们更好地在体研究钙信号提供了基础。　　 2.癌细胞运动是癌症的转移过程中重要一环。目前，对于钙信号与癌细胞迁移关系的研究并不多。本文以人肺腺癌细胞A549作为模型，首次对钙离子和内质网滞留蛋白ERp44在细胞迁移中的作用进行探索。其中，ERp44是参与调控内质网钙离子释放的分子伴侣。我发现钙通道抑制剂2-APB通过抑制细胞的极化和伪足伸出显著抑制A549细胞迁移，提示钙离子参与调控细胞迁移。但是，依据现有的技术我们没有发现A549细胞迁移中出现自发规律性的钙活动事件。此外，过表达ERp44使A549细胞形态发生改变并显著抑制了细胞运动。内质网应激相关的蛋白GRP78和CHOP在这一过程中也发生明显上调。进一步的实验表明上述的生物学过程与ERp44的活性区域Cys-29和IP3R1无关。此外，上述过表达ERp44所引起的现象并没有在人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞中出现。然而，在A549细胞中稳定和瞬时下调ERp44产生不同结果，且均没有促进A549细胞运动的趋势。上述结果表明ERp44参与调控A549细胞迁移，但具体机制还有待进一步的研究。