Články v populárních médiích často ukazují neurony a svalové buňky, které po stimulaci vypouštějí miniaturní blesky. Ve skutečných buňkách jsou tyto procesy méně lesklé, ale stále fascinující. Pohyby, myšlenky, pocity, vzpomínky, vjemy a další jsou umožněny ionty, které se pohybují dovnitř a ven z buněk úzkými póry v bílkovinách zvaných iontové kanály, které se otevírají a zavírají v reakci na různé podněty (například změnu napětí nebo napětí membrány nebo navázání molekuly na bílkovinu iontového kanálu). Iontové kanály jsou zabudovány v buněčné membráně a iontové proudy, které jimi procházejí, mění napětí na membráně a vytvářejí elektrický signál, který se může šířit do nitra buňky nebo do jiných buněk (Hille, 2001).
Stejně jako všechny ostatní proteiny jsou iontové kanály produktem přírodního výběru (Anderson a Greenberg, 2001) a o jejich evoluci se můžeme dozvědět porovnáním genů, které kódují podobné iontové kanály u různých druhů (Moran a Zakon, 2014). Důležitou vlastností iontového kanálu je jeho selektivita, která určuje typy iontů, které jím mohou procházet. Sodíkové iontové kanály byly identifikovány u bakterií a dalších prokaryot a některé z těchto kanálů mohou být mutovány, aby získaly selektivitu pro vápník, ale až donedávna nebyly u prokaryot pozorovány žádné nativní vápníkové iontové kanály.
Nyní v časopise eLife Katsumasa Irie z Nagojské univerzity a jeho kolegové – včetně Takushi Shimomury jako prvního autora – uvádějí první identifikaci nativního prokaryotického vápníkového iontového kanálu u Meiothermus ruber, druhu bakterie žijícího v horkých pramenech (Shimomura et al., 2020). Navrhují také mechanismus selektivity, který se liší od mechanismu nalezeného u vápníkových iontových kanálů u eukaryot.
Srovnáním více sekvencí DNA sodíkových a vápníkových kanálů z prokaryot Shimomura a kol. také rekonstruovali fylogenetický strom, který ukazuje, jak se sodíkové a vápníkové kanály u různých druhů vyvinuly ze společného předka (obr. 1). Tím odhalili novou větev fylogenetického stromu obsahující tzv. sodíkové kanály podobné předkům (které jsou homologní současným sodíkovým kanálům). Selekční filtry nově identifikovaného vápníkového kanálu a sodíkových kanálů podobných předkům mají sekvence podobné těm, které byly předpovězeny pro předka sodíkového kanálu nalezeného u bakterií (Liebeskind et al., 2013) a pozoruhodně i sekvencím nalezeným u řady vápníkových kanálů savců.
Evoluční strom pro vápníkové a sodíkové iontové kanály.
Výsledky Shimomury a kol. naznačují, že dva typy domén lidských vápníkových kanálů (vlevo nahoře), lidský CatSper (soubor vápníkových kanálů nalezený ve spermiích), bakteriální sodíkové kanály homologické s kanálem nalezeným u Arcobacter butzleri (NavAb-like BacNavs), bakteriální sodíkové kanály homologické s kanály z druhů Bacillus (Bacillus BacNavs) a nativní vápníkový kanál nalezený u M. ruber (a také sodíkové kanály podobné předkům; viz hlavní text) mají společného předka (dole). Iontové kanály jsou reprezentovány dvěma identickými podjednotkami a filtry selektivity jsou znázorněny šedě, přičemž nejkonzervativnější zbytky jsou znázorněny barevně (viz průvodce). Všimněte si, že přítomnost glycinu může být spojena se selektivitou vápníku jak u lidských vápníkových kanálů, tak u vápníkových kanálů M. ruber. Plazmatická membrána je znázorněna žlutě.
Sekvence pro dva homology prokaryotických sodíkových kanálů byly poté použity k syntéze odpovídajících kanálů v savčích a hmyzích buňkách, aby bylo možné změřit jejich elektrické vlastnosti. Kanál založený na M. ruber vykazoval vysokou selektivitu pro ionty s nábojem 2+: jeho selektivita pro Ca2+ byla totiž ~200krát větší než selektivita pro Na+. Obecně se předpokládá, že selektivita vápníkových kanálů je způsobena přítomností aspartátů, které jsou negativně nabité, v selektivním filtru (Catterall a Zheng, 2015). Když však byl vápníkový kanál M. ruber mutován tak, aby se v této oblasti odstranil aspartát, kanál si zachoval většinu své selektivity pro ionty Ca2+.
Na druhé straně byl kanál z Plesiocystis pacifica, bakteriálního druhu žijícího v půdě, třikrát selektivnější pro ionty Na+ než pro ionty Ca2+. Tok Na+ iontů tímto kanálem navíc mohly blokovat vysoké koncentrace extracelulárních Ca2+ iontů. Blokovací účinek Ca2+ mohl být navíc zvýšen přidáním alaninového zbytku, který nemá žádný náboj, do selektivního filtru, a to navzdory přítomnosti tří záporně nabitých aminokyselin v této oblasti.
Tato zjištění naznačují, že selektivita těchto dvou iontových kanálů nemusí záviset pouze na přítomnosti záporných nábojů ve filtru.
Výsledky z M. ruber a P. pacifica podnítily Shimomuru a spol. ke zkoumání molekulární podstaty selektivity Ca2+ u těchto kanálů. Zjistili, že pokud se selektivní filtr vápníkového kanálu M. ruber zmutuje tak, aby byl stejný jako u sodíkového kanálu P. pacifica, ztratí tento nový kanál svou Ca2+ selektivitu a chová se jako neselektivní kanál. Když však byl sodíkový kanál P. pacifica mutován tak, aby byl stejný jako vápníkový kanál M. ruber, vykazoval podobnou úroveň vápníkové selektivity, jaká byla pozorována u M. ruber.
M. ruber a P. pacifica mají ve svých selektivních filtrech rozdílné aminokyseliny v polohách 4 a 6. Na rozdíl od M. ruber a P. pacifica se tento kanál choval jako vápníkový kanál. Shimomura a spol. zjistili, že změna glycinu v poloze 4 u M. ruber na serin nebo aspartát snížila selektivitu Ca2+ téměř 25krát a vymazala jakoukoli selektivitu pro ionty s jedním kladným nábojem (jako je Na+). Malý a pružný glycinový zbytek v poloze 4 by rozšířil póry a usnadnil vstup iontů s nábojem 2+, jako je Ca2+. Zachování tohoto glycinového zbytku v některých eukaryotických vápníkových kanálech naznačuje, že by mohl být součástí obecnějšího mechanismu selektivity vápníku. Strukturní analýza nových kanálů tuto možnost osvětlí.
Nejnovější práce nakonec naznačuje, že napěťově závislá signalizace Ca2+ je starší, než se dříve předpokládalo, a přítomnost vápníkových kanálů u prokaryot naznačuje možnost, že Ca2+-selektivní kanály u eukaryot nejsou odvozeny od sodíkových kanálů, jak se dříve předpokládalo. Nová rodina kanálů popsaná Shimomurou et al. otevírá lákavé okno do rozsáhlé evoluční krajiny, kterou teprve začínáme chápat.