Articolele din presa populară arată adesea neuronii și celulele musculare care lansează fulgere în miniatură atunci când sunt stimulate. În celulele reale, aceste procese sunt mai puțin strălucitoare, dar totuși fascinante. Mișcările, gândurile, sentimentele, amintirile, senzațiile și multe altele sunt posibile datorită ionilor care intră și ies din celule prin porii înguste din proteinele numite canale ionice, care se deschid și se închid ca răspuns la diverși stimuli (cum ar fi o modificare a tensiunii sau a tensiunii membranare, sau o moleculă care se leagă de proteina canalului ionic). Canalele ionice sunt încorporate în membrana celulară, iar curenții ionici care trec prin ele modifică tensiunea de pe membrană, creând un semnal electric care poate fi propagat în interiorul celulei sau în alte celule (Hille, 2001).
Ca toate celelalte proteine, canalele ionice sunt produsul selecției naturale (Anderson și Greenberg, 2001) și putem afla despre evoluția lor comparând genele care codifică canale ionice similare la diferite specii (Moran și Zakon, 2014). O proprietate importantă a unui canal ionic este selectivitatea sa, care determină tipurile de ioni care pot trece prin el. Canalele ionice de sodiu au fost identificate la bacterii și la alte procariote, iar unele dintre aceste canale pot fi mutate pentru a obține selectivitate pentru calciu, însă până de curând nu au fost observate canale ionice de calciu native la procariote.
Acum, în eLife, Katsumasa Irie de la Universitatea Nagoya și colegii săi – inclusiv Takushi Shimomura în calitate de prim autor – raportează prima identificare a unui canal ionic de calciu procariot nativ în Meiothermus ruber, o specie de bacterie care trăiește în izvoarele termale (Shimomura et al., 2020). Ei propun, de asemenea, un mecanism de selectivitate care este diferit de cel întâlnit în canalele ionice de calciu la eucariote.
Prin alinierea mai multor secvențe de ADN ale canalelor de sodiu și de calciu de la procariote, Shimomura et al. au reconstruit, de asemenea, un arbore filogenetic pentru a arăta modul în care canalele de sodiu și de calciu din diferite specii au evoluat de la un strămoș comun (Figura 1). Acest lucru a scos la iveală o nouă ramură a arborelui filogenetic care conține ceea ce ei au numit canale de sodiu asemănătoare strămoșilor (care sunt omoloage cu canalele de sodiu contemporane). Filtrele de selectivitate ale canalului de calciu nou identificat și ale canalelor de sodiu asemănătoare strămoșilor au secvențe similare cu cea prezisă pentru un strămoș al unui canal de sodiu găsit în bacterii (Liebeskind et al., 2013) și, în mod remarcabil, cu secvențele găsite într-un număr de canale de calciu de la mamifere.
Arbore evolutiv pentru canalele ionice de calciu și sodiu.
Rezultatele lui Shimomura et al. sugerează că două tipuri de domenii ale canalelor de calciu umane (stânga sus), CatSper uman (un set de canale de calciu găsite în spermă), canalele de sodiu bacteriene omoloage cu cel găsit în Arcobacter butzleri (NavAb-like BacNavs), canalele de sodiu bacteriene omoloage cu cele din speciile Bacillus (Bacillus BacNavs) și canalul de calciu nativ găsit în M. ruber (și, de asemenea, canalele de sodiu asemănătoare strămoșilor; a se vedea textul principal) au un strămoș comun (jos). Canalele ionice sunt reprezentate de două subunități identice, iar filtrele de selectivitate sunt reprezentate în gri, reziduurile cele mai conservate fiind prezentate în culori (a se vedea ghidul). Rețineți că prezența glicinei poate fi asociată cu selectivitatea calciului atât în canalele de calciu umane, cât și în canalele de calciu din M. ruber. Membrana plasmatică este reprezentată în galben.
Secvențele pentru doi omologi ai canalelor de sodiu procariote au fost apoi folosite pentru a sintetiza canalele corespunzătoare în celule de mamifere și insecte, astfel încât proprietățile lor electrice să poată fi măsurate. Canalul bazat pe M. ruber a prezentat o selectivitate ridicată pentru ionii cu o sarcină de 2+: într-adevăr, selectivitatea sa pentru Ca2+ a fost de ~200 de ori mai mare decât selectivitatea sa pentru Na+. În general, se crede că selectivitatea canalelor de calciu se datorează prezenței aspartaților, care sunt încărcați negativ, în filtrul de selectivitate (Catterall și Zheng, 2015). Cu toate acestea, atunci când canalul de calciu din M. ruber a fost mutat pentru a elimina un aspartat din această regiune, canalul și-a păstrat cea mai mare parte a selectivității pentru ionii de Ca2+.
Pe de altă parte, canalul din Plesiocystis pacifica, o specie bacteriană care trăiește în sol, a fost de trei ori mai selectiv pentru ionii de Na+ decât pentru ionii de Ca2+. Mai mult, fluxul de ioni Na+ prin acest canal poate fi blocat de concentrații mari de ioni Ca2+ extracelulari. Mai mult, efectul de blocare a Ca2+ ar putea fi îmbunătățit prin adăugarea unui reziduu de alanină, care nu are sarcină, la filtrul de selectivitate, în ciuda prezenței a trei aminoacizi încărcați negativ în această regiune.
Aceste constatări sugerează că selectivitatea acestor două canale ionice ar putea să nu depindă numai de prezența sarcinilor negative în filtru.
Rezultatele de la M. ruber și P. pacifica au determinat Shimomura et al. să investigheze baza moleculară a selectivității Ca2+ în aceste canale. Aceștia au descoperit că, dacă filtrul de selectivitate al canalului de calciu din M. ruber a fost mutat pentru a fi același cu cel al canalului de sodiu din P. pacifica, acest nou canal și-a pierdut selectivitatea Ca2+ și s-a comportat ca un canal neselectiv. Cu toate acestea, atunci când canalul de sodiu din P. pacifica a fost mutat pentru a fi același cu canalul de calciu din M. ruber, acesta a demonstrat niveluri de selectivitate a calciului similare cu cele observate în M. ruber.
M. ruber și P. pacifica au aminoacizi diferiți în pozițiile 4 și 6 în filtrele lor de selectivitate. Shimomura et al. au constatat că schimbarea glicinei din poziția 4 în M. ruber cu o serină sau un aspartat a redus selectivitatea Ca2+ de aproape 25 de ori și a eliminat orice selectivitate pentru ionii cu o singură sarcină pozitivă (cum ar fi Na+). Reziduul glicină mic și flexibil din poziția 4 ar face ca porul să fie mai larg și ar facilita intrarea ionilor cu o sarcină de 2+, cum ar fi Ca2+. Conservarea acestui reziduu de glicină în unele canale de calciu eucariote sugerează că acesta ar putea face parte dintr-un mecanism mai general de selectivitate a calciului. Analiza structurală a noilor canale va face lumină asupra acestei posibilități.
În cele din urmă, cele mai recente lucrări indică faptul că semnalizarea Ca2+ dependentă de voltaj este mai veche decât se credea anterior, iar prezența canalelor de calciu la procariote sugerează posibilitatea ca canalele selective de Ca2+ la eucariote să nu fie derivate din canalele de sodiu, așa cum s-a postulat anterior. Noua familie de canale descrisă de Shimomura et al. deschide o fereastră tentantă într-un peisaj evolutiv vast pe care abia începem să-l înțelegem.