Artikler i de populære medier viser ofte neuroner og muskelceller, der sender miniature-blink afsted, når de stimuleres. I virkelige celler er disse processer mindre glinsende, men stadig fascinerende. Bevægelser, tanker, følelser, minder, fornemmelser og meget mere er muliggjort af ioner, der bevæger sig ind og ud af cellerne gennem smalle porer i proteiner kaldet ionkanaler, som åbnes og lukkes som reaktion på forskellige stimuli (f.eks. en ændring i spænding eller membranspænding eller et molekyle, der binder sig til ionkanalproteinet). Ionkanaler er indlejret i cellemembranen, og de ionstrømme, der passerer gennem dem, ændrer spændingen på tværs af membranen og skaber et elektrisk signal, der kan spredes til cellens indre eller til andre celler (Hille, 2001).
Lige alle andre proteiner er ionkanaler et produkt af naturlig selektion (Anderson og Greenberg, 2001), og vi kan lære om deres evolution ved at sammenligne de gener, der koder for lignende ionkanaler i forskellige arter (Moran og Zakon, 2014). En vigtig egenskab ved en ionkanal er dens selektivitet, som bestemmer, hvilke typer ioner der kan passere igennem den. Natriumionkanaler er blevet identificeret i bakterier og andre prokaryoter, og nogle af disse kanaler kan muteres for at opnå selektivitet for calcium, men indtil for nylig var der ikke blevet observeret nogen native calciumionkanaler i prokaryoter.
Nu, i eLife, rapporterer Katsumasa Irie fra Nagoya University og kolleger – herunder Takushi Shimomura som førsteforfatter – den første identifikation af en indfødt prokaryote calciumionkanal i Meiothermus ruber, en bakterieart, der lever i varme kilder (Shimomura et al., 2020). De foreslår også en selektivitetsmekanisme, der er forskellig fra den, der findes i calciumionkanaler i eukaryoter.
Gennem at tilpasse flere DNA-sekvenser af natrium- og calciumkanaler fra prokaryoter rekonstruerede Shimomura et al. også et fylogenetisk træ for at vise, hvordan natrium- og calciumkanaler i forskellige arter har udviklet sig fra en fælles forfader (figur 1). Dette afslørede en ny gren af det fylogenetiske træ, der indeholder det, som de har kaldt forfædrelignende natriumkanaler (som er homologe med nutidige natriumkanaler). Selektivitetsfiltrene for den nyligt identificerede calciumkanal og de forfaderlignende natriumkanaler har sekvenser, der ligner den sekvens, der er forudsagt for en forfader til en natriumkanal fundet i bakterier (Liebeskind et al., 2013) og bemærkelsesværdigt nok til de sekvenser, der findes i en række calciumkanaler fra pattedyr.
Evolutionstræ for calcium- og natriumionkanaler.
Resultaterne fra Shimomura et al. tyder på, at to typer af humane kalciumkanaldomæner (øverst til venstre), human CatSper (et sæt kalciumkanaler fundet i sædceller), de bakterielle natriumkanaler homologe til den, der findes i Arcobacter butzleri (NavAb-lignende BacNavs), de bakterielle natriumkanaler homologe til dem fra Bacillus-arter (Bacillus BacNavs) og den native kalciumkanal fundet i M. ruber (og også de forfædrelignende natriumkanaler; se hovedteksten) har en fælles forfader (nederst). Ionkanalerne er repræsenteret af to identiske underenheder, og selektivitetsfiltrene er vist med grå farve med de mest bevarede rester vist med farve (se vejledning). Bemærk, at tilstedeværelsen af glycin kan være forbundet med kalciumselektivitet i både de humane kalciumkanaler og M. ruber-kalciumkanalerne. Plasmamembranen er repræsenteret med gul.
Sekvenserne for to homologer af de prokaryote natriumkanaler blev derefter brugt til at syntetisere de tilsvarende kanaler i pattedyr- og insektceller, så deres elektriske egenskaber kunne måles. Kanalen baseret på M. ruber viste en høj selektivitet for ioner med en ladning på 2+: faktisk var dens selektivitet for Ca2+ ~200 gange større end dens selektivitet for Na+. Det antages generelt, at selektiviteten af calciumkanaler skyldes tilstedeværelsen af aspartater, som er negativt ladede, i selektivitetsfilteret (Catterall og Zheng, 2015). Men da M. ruber-kalciumkanalen blev muteret for at fjerne en aspartat i denne region, beholdt kanalen det meste af sin selektivitet for Ca2+-ioner.
På den anden side var kanalen fra Plesiocystis pacifica, en bakterieart, der lever i jord, tre gange mere selektiv for Na+-ioner end for Ca2+-ioner. Desuden kunne Na+-ionernes strøm gennem denne kanal blokeres af høje koncentrationer af ekstracellulære Ca2+-ioner. Endvidere kunne den blokerende virkning af Ca2+ forstærkes ved at tilføje en alaninrest, som ikke har nogen ladning, til selektivitetsfilteret, på trods af tilstedeværelsen af tre negativt ladede aminosyrer i dette område.
Disse resultater tyder på, at selektiviteten i disse to ionkanaler måske ikke udelukkende afhænger af tilstedeværelsen af negative ladninger i filteret.
Resultaterne fra M. ruber og P. pacifica fik Shimomura et al. til at undersøge det molekylære grundlag for Ca2+ selektiviteten i disse kanaler. De fandt, at hvis selektivitetsfilteret i M. ruber-kalciumkanalen blev muteret til at være det samme som i P. pacifica-natriumkanalen, mistede denne nye kanal sin Ca2+-selektivitet og opførte sig som en ikke-selektiv kanal. Da P. pacifica-natriumkanalen imidlertid blev muteret til at være den samme som M. ruber-kalciumkanalen, viste den niveauer af kalciumselektivitet svarende til dem, der blev observeret i M. ruber.
M. ruber og P. pacifica har forskellige aminosyrer på position 4 og 6 i deres selektivitetsfiltre. Shimomura et al. fandt, at ændring af glycinet på position 4 i M. ruber til en serin eller en aspartat reducerede Ca2+-selektiviteten med en faktor på næsten 25 og udviskede enhver selektivitet for ioner med en enkelt positiv ladning (såsom Na+). Den lille og fleksible glycinrest i position 4 ville gøre porerne bredere og lette adgangen for ioner med en ladning på 2+, såsom Ca2+. Bevaringen af denne glycinrest i nogle eukaryote kalciumkanaler tyder på, at den kan være en del af en mere generel kalciumselektivitetsmekanisme. Strukturel analyse af de nye kanaler vil kaste lys over denne mulighed.
Det seneste arbejde indikerer endelig, at spændingsafhængig Ca2+-signalering er mere gammel end tidligere antaget, og tilstedeværelsen af calciumkanaler i prokaryoter antyder muligheden for, at Ca2+-selektive kanaler i eukaryoter ikke stammer fra natriumkanaler, som tidligere postuleret. Den nye familie af kanaler beskrevet af Shimomura et al. åbner et fristende vindue ind i et enormt evolutionært landskab, som vi kun lige er begyndt at forstå.