Los artículos de los medios de comunicación populares muestran a menudo neuronas y células musculares que lanzan relámpagos en miniatura cuando son estimuladas. En las células reales, estos procesos son menos brillantes, pero siguen siendo fascinantes. Los movimientos, los pensamientos, los sentimientos, los recuerdos y las sensaciones, entre otros, son posibles gracias a los iones que entran y salen de las células a través de los estrechos poros de unas proteínas denominadas canales iónicos, que se abren y se cierran en respuesta a diversos estímulos (como un cambio en el voltaje o la tensión de la membrana, o una molécula que se une a la proteína del canal iónico). Los canales iónicos están incrustados en la membrana celular, y las corrientes iónicas que pasan por ellos cambian el voltaje a través de la membrana, creando una señal eléctrica que puede propagarse al interior de la célula o a otras células (Hille, 2001).
Al igual que todas las demás proteínas, los canales iónicos son el producto de la selección natural (Anderson y Greenberg, 2001), y podemos aprender sobre su evolución comparando los genes que codifican canales iónicos similares en diferentes especies (Moran y Zakon, 2014). Una propiedad importante de un canal iónico es su selectividad, que determina los tipos de iones que pueden pasar por él. Se han identificado canales iónicos de sodio en bacterias y otros procariotas, y algunos de estos canales pueden mutarse para ganar selectividad para el calcio, pero hasta hace poco no se habían observado canales iónicos de calcio nativos en procariotas.
Ahora, en eLife, Katsumasa Irie, de la Universidad de Nagoya, y sus colegas -incluyendo a Takushi Shimomura como primer autor- informan de la primera identificación de un canal de iones de calcio procariota nativo en Meiothermus ruber, una especie de bacteria que vive en aguas termales (Shimomura et al, 2020). También proponen un mecanismo de selectividad que es diferente del que se encuentra en los canales de iones de calcio en los eucariotas.
Alineando múltiples secuencias de ADN de canales de sodio y calcio de procariotas, Shimomura et al. también reconstruyeron un árbol filogenético para mostrar cómo evolucionaron los canales de sodio y calcio en diferentes especies a partir de un ancestro común (Figura 1). Esto reveló una nueva rama del árbol filogenético que contiene lo que han llamado canales de sodio similares a los ancestros (que son homólogos a los canales de sodio contemporáneos). Los filtros de selectividad del canal de calcio recién identificado y de los canales de sodio ancestrales tienen secuencias similares a la predicha para un ancestro de un canal de sodio encontrado en bacterias (Liebeskind et al, 2013) y, notablemente, a las secuencias encontradas en una serie de canales de calcio de mamíferos.
Árbol evolutivo para los canales iónicos de calcio y sodio.
Los resultados de Shimomura et al. sugieren que dos tipos de dominios de canales de calcio humanos (arriba a la izquierda), el CatSper humano (un conjunto de canales de calcio encontrados en el esperma), los canales de sodio bacterianos homólogos al encontrado en Arcobacter butzleri (NavAb-like BacNavs), los canales de sodio bacterianos homólogos a los de las especies de Bacillus (Bacillus BacNavs), y el canal de calcio nativo encontrado en M. ruber (y también los canales de sodio ancestrales; véase el texto principal) tienen un ancestro común (abajo). Los canales iónicos están representados por dos subunidades idénticas, y los filtros de selectividad se muestran en gris con los residuos más conservados en color (véase la guía). Nótese que la presencia de glicina puede asociarse a la selectividad del calcio tanto en los canales de calcio humanos como en los de M. ruber. La membrana plasmática se representa en amarillo.
Las secuencias de dos homólogos de los canales de sodio procariotas se utilizaron entonces para sintetizar los canales correspondientes en células de mamíferos e insectos, de modo que pudieran medirse sus propiedades eléctricas. El canal basado en M. ruber mostró una alta selectividad para los iones con carga 2+: de hecho, su selectividad para el Ca2+ era ~200 veces mayor que su selectividad para el Na+. Generalmente se piensa que la selectividad de los canales de calcio se debe a la presencia de aspartatos, con carga negativa, en el filtro de selectividad (Catterall y Zheng, 2015). Sin embargo, cuando se mutó el canal de calcio de M. ruber para eliminar un aspartato en esta región, el canal conservó la mayor parte de su selectividad para los iones de Ca2+.
Por otro lado, el canal de Plesiocystis pacifica, una especie bacteriana que vive en el suelo, era tres veces más selectivo para los iones de Na+ que para los de Ca2+. Además, el flujo de iones Na+ a través de este canal podía ser bloqueado por altas concentraciones de iones Ca2+ extracelulares. Además, el efecto de bloqueo del Ca2+ podía potenciarse añadiendo un residuo de alanina, que no tiene carga, al filtro de selectividad, a pesar de la presencia de tres aminoácidos con carga negativa en esta región.
Estos hallazgos sugieren que la selectividad de estos dos canales iónicos puede no depender únicamente de la presencia de cargas negativas en el filtro.
Los resultados de M. ruber y P. pacifica llevaron a Shimomura et al. a investigar la base molecular de la selectividad del Ca2+ en estos canales. Descubrieron que si se mutaba el filtro de selectividad del canal de calcio de M. ruber para que fuera el mismo que el del canal de sodio de P. pacifica, este nuevo canal perdía su selectividad de Ca2+ y se comportaba como un canal no selectivo. Sin embargo, cuando el canal de sodio de P. pacifica fue mutado para ser igual que el canal de calcio de M. ruber, demostró niveles de selectividad de calcio similares a los observados en M. ruber.
M. ruber y P. pacifica tienen diferentes aminoácidos en las posiciones 4 y 6 en sus filtros de selectividad. Shimomura et al. descubrieron que el cambio de la glicina en la posición 4 en M. ruber por una serina o un aspartato reducía la selectividad del Ca2+ en un factor de casi 25, y anulaba cualquier selectividad para los iones con una sola carga positiva (como el Na+). El pequeño y flexible residuo de glicina en la posición 4 haría el poro más ancho y facilitaría la entrada de iones con una carga de 2+, como el Ca2+. La conservación de este residuo de glicina en algunos canales de calcio eucariotas sugiere que podría formar parte de un mecanismo de selectividad de calcio más general. El análisis estructural de los nuevos canales arrojará luz sobre esta posibilidad.
Por último, los últimos trabajos indican que la señalización de Ca2+ dependiente de voltaje es más antigua de lo que se pensaba, y la presencia de canales de calcio en procariotas sugiere la posibilidad de que los canales selectivos de Ca2+ en eucariotas no deriven de los canales de sodio, como se había postulado anteriormente. La nueva familia de canales descrita por Shimomura et al. abre una tentadora ventana a un vasto paisaje evolutivo que apenas estamos empezando a comprender.