Populaarimediassa esiintyvissä artikkeleissa näytetään usein neuronien ja lihassolujen laukaisevan miniatyyrisiä salamoita, kun niitä stimuloidaan. Todellisissa soluissa nämä prosessit ovat vähemmän kiiltäviä mutta silti kiehtovia. Liikkeet, ajatukset, tunteet, muistot, aistimukset ja monet muut tapahtumat ovat mahdollisia, koska ionit liikkuvat soluihin ja soluista ulos ionikanaviksi kutsuttujen proteiinien kapeiden huokosten kautta, jotka avautuvat ja sulkeutuvat erilaisten ärsykkeiden (kuten jännitteen tai kalvojännityksen muutoksen tai ionikanavaproteiiniin sitoutuvan molekyylin) vaikutuksesta. Ionikanavat on upotettu solukalvoon, ja niiden läpi kulkevat ionivirrat muuttavat kalvon yli kulkevaa jännitettä, jolloin syntyy sähköinen signaali, joka voi levitä solun sisälle tai muihin soluihin (Hille, 2001).
Kuten kaikki muutkin proteiinit, ionikanavat ovat luonnollisen valinnan tulosta (Anderson ja Greenberg, 2001), ja niiden evoluutiosta saadaan tietoa vertailemalla samankaltaisia ioni-kanavia eri lajeissa koodaavia geenejä keskenään (Moran ja Zakon, 2014). Ionikanavan tärkeä ominaisuus on sen selektiivisyys, joka määrittää, minkä tyyppiset ionit voivat kulkea sen läpi. Natriumionikanavia on tunnistettu bakteereista ja muista prokaryooteista, ja jotkut näistä kanavista voidaan mutaatioilla saada selektiivisiksi kalsiumille, mutta viime aikoihin asti prokaryooteissa ei ole havaittu natiiveja kalsiumionikanavia.
Nyt eLife-lehdessä Katsumasa Irie Nagoyan yliopistosta ja kollegat – mukaan lukien Takushi Shimomura ensimmäisenä kirjoittajana – raportoivat ensimmäisen kerran natiivin prokaryoottisen kalsiumionikanavan tunnistamisesta Meiothermus ruber -bakteerilajista, joka elää kuumissa lähteissä (Shimomura ym, 2020). He myös ehdottavat selektiivisyysmekanismia, joka poikkeaa eukaryoottien kalsiumionikanavissa esiintyvästä mekanismista.
Sovittamalla yhteen useita prokaryoottien natrium- ja kalsiumkanavien DNA-sekvenssejä Shimomura ym. rekonstruoivat myös fylogeneettisen puun osoittaakseen, miten eri lajeissa esiintyvät natrium- ja kalsiumkanavat evoluutioituivat yhteisestä esi-isästä (kuva 1). Tämä paljasti fylogeneettisen puun uuden haaran, joka sisältää heidän mukaansa esi-isien kaltaisia natriumkanavia (jotka ovat homologisia nykyisten natriumkanavien kanssa). Äskettäin tunnistetun kalsiumkanavan ja esi-isien kaltaisten natriumkanavien selektiivisyyssuodattimet ovat sekvensseiltään samanlaisia kuin bakteereista löydetyn natriumkanavan esi-isälle ennustettu sekvenssi (Liebeskind ym., ), 2013) ja huomattavaa on, että ne vastaavat sekvenssejä, joita on löydetty useista nisäkkäiden kalsiumkanavista.
Evoluutiopuu kalsium- ja natrium-ionikanaville.
Tulokset, jotka on saatu tutkimuksessa Shimomura ym. viittaavat siihen, että kahdenlaiset ihmisen kalsiumkanavadomeenit (ylhäällä vasemmalla), ihmisen CatSper (siittiöissä esiintyvien kalsiumkanavien joukko), Arcobacter butzleri -bakteerissa esiintyvien natriumkanavien kanssa homologiset bakteerien natriumkanavat (NavAb:n kaltaiset BacNav:t), bakteerien Bacillus-lajeissa esiintyvien natriumkanavien kanssa homologiset bakteerien natriumkanavat (Bacillus-bacNav:t) ja natiivien kalsiumkanavien joukko, joka esiintyy M. ruberin (ja myös esi-isän kaltaisilla natriumkanavilla; ks. pääteksti) on yhteinen esi-isä (alhaalla). Ionikanavat on esitetty kahdella identtisellä alayksiköllä, ja selektiivisyyssuodattimet on esitetty harmaalla ja konservoituneimmat jäännökset värillä (ks. opas). Huomaa, että glysiinin läsnäolo voi liittyä kalsiumselektiivisyyteen sekä ihmisen kalsiumkanavissa että M. ruberin kalsiumkanavissa. Plasmakalvo on esitetty keltaisella.
Prokaryoottisten natriumkanavien kahden homologin sekvenssejä käytettiin sitten vastaavien kanavien syntetisoimiseksi nisäkäs- ja hyönteissoluissa, jotta niiden sähköisiä ominaisuuksia voitiin mitata. M. ruberiin perustuva kanava osoitti suurta selektiivisyyttä 2+ -varauksisille ioneille: sen selektiivisyys Ca2+:lle olikin ~200 kertaa suurempi kuin sen selektiivisyys Na+:lle. Yleisesti ajatellaan, että kalsiumkanavien selektiivisyys johtuu negatiivisesti varautuneiden aspartaattien läsnäolosta selektiivisuodattimessa (Catterall ja Zheng, 2015). Kun M. ruberin kalsiumkanava kuitenkin mutatoitiin niin, että aspartaatti poistettiin tältä alueelta, kanava säilytti suurimman osan selektiivisyydestään Ca2+ -ioneille.
Toisaalta maaperässä elävän bakteerilajin Plesiocystis pacifican kanava oli kolme kertaa selektiivisempi Na+ -ioneille kuin Ca2+ -ioneille. Lisäksi Na+ -ionien virtaus tämän kanavan läpi voitiin estää korkeilla solunulkoisten Ca2+ -ionien pitoisuuksilla. Lisäksi Ca2+:n estävää vaikutusta voitiin lisätä lisäämällä selektiivisyyssuodattimeen alaniinijäännös, jolla ei ole varausta, vaikka tällä alueella on kolme negatiivisesti varautunutta aminohappoa.
Nämä havainnot viittaavat siihen, että näiden kahden ionikanavan selektiivisyys ei välttämättä riipu pelkästään negatiivisten varausten läsnäolosta suodattimessa.
M. ruberista ja P. pacificasta saadut tulokset saivat Shimomuran ym. tutkimaan Ca2+ -selektiivisyyden molekulaarista perustaa näissä kanavissa. He havaitsivat, että jos M. ruberin kalsiumkanavan selektiivisyyssuodatin mutatoitiin samaksi kuin P. pacifican natriumkanavalla, tämä uusi kanava menetti Ca2+ -selektiivisyytensä ja käyttäytyi kuin ei-selektiivinen kanava. Kun P. pacifica -natriumkanava kuitenkin mutatoitiin samaksi kuin M. ruberin kalsiumkanava, se osoitti samanlaista kalsiumselektiivisyyttä kuin M. ruberissa.
M. ruberin ja P. pacifican kalsiumkanavien selektiivisyyssuodattimissa on eri aminohappoja paikoissa 4 ja 6. Shimomura et al. havaitsivat, että M. ruberin glysiinin vaihtaminen positiossa 4 seriiniksi tai aspartaatiksi vähensi Ca2+ -selektiivisyyttä lähes 25-kertaisesti ja hävitti kaiken selektiivisyyden ionien osalta, joilla on yksi positiivinen varaus (kuten Na+). Pieni ja joustava glysiinijäännös positiossa 4 tekisi huokosesta laajemman ja helpottaisi 2+ -varauksisten ionien, kuten Ca2+:n, sisäänpääsyä. Tämän glysiinijäännöksen säilyminen joissakin eukaryoottisissa kalsiumkanavissa viittaa siihen, että se saattaa olla osa yleisempää kalsiumselektiivisyysmekanismia. Uusien kanavien rakenneanalyysi valottaa tätä mahdollisuutta.
Loppujen lopuksi viimeisin työ osoittaa, että jännite-riippuvainen Ca2+-signalointi on muinaisempaa kuin aiemmin on luultu, ja kalsiumkanavien esiintyminen prokaryooteissa antaa viitteitä siitä mahdollisuudesta, että eukaryooteissa esiintyvät Ca2+-selektiiviset kanavat eivät ole peräisin natriumkanavista, kuten aiemmin on oletettu. Shimomuran ym. kuvaama uusi kanavaperhe avaa jännittävän ikkunan laajaan evoluutiomaisemaan, jota vasta alamme hahmottaa.