A népszerű médiában megjelenő cikkek gyakran mutatják, hogy az idegsejtek és izomsejtek ingerlés hatására miniatűr villámokat lövellnek ki. A valódi sejtekben ezek a folyamatok kevésbé fényesek, de még mindig lenyűgözőek. A mozgásokat, gondolatokat, érzéseket, emlékeket, érzékeléseket és egyebeket az ioncsatornáknak nevezett fehérjék szűk pórusain keresztül a sejtekbe be- és onnan kiáramló ionok teszik lehetővé, amelyek különböző ingerekre (például a feszültség vagy a membránfeszültség változására, vagy egy molekula ioncsatorna-fehérjéhez való kötődésére) válaszul nyílnak ki és záródnak. Az ioncsatornák a sejtmembránba ágyazódnak, és a rajtuk áthaladó ionáramok megváltoztatják a membránon keresztüli feszültséget, elektromos jelet hozva létre, amely továbbítható a sejt belsejébe vagy más sejtek felé (Hille, 2001).
A többi fehérjéhez hasonlóan az ioncsatornák is a természetes szelekció termékei (Anderson és Greenberg, 2001), és evolúciójukról úgy tudhatunk meg többet, ha összehasonlítjuk a különböző fajok hasonló ioncsatornákat kódoló génjeit (Moran és Zakon, 2014). Egy ioncsatorna fontos tulajdonsága a szelektivitás, amely meghatározza, hogy milyen típusú ionok haladhatnak át rajta. Baktériumokban és más prokariótákban már azonosítottak nátriumion-csatornákat, és e csatornák némelyike mutálható, hogy szelektivitást nyerjen a kalcium számára, de egészen a közelmúltig nem figyeltek meg natív kalciumion-csatornákat prokariótákban.
Most az eLife-ban Katsumasa Irie, a Nagoya Egyetem munkatársa és kollégái – köztük Takushi Shimomura első szerzőként – beszámolnak egy natív prokarióta kalciumioncsatorna első azonosításáról a Meiothermus ruber baktériumfajban, amely forró forrásokban él (Shimomura et al, 2020). Emellett olyan szelektivitási mechanizmust javasolnak, amely különbözik az eukarióták kalciumion-csatornáiban találtaktól.
A prokariótákból származó nátrium- és kalciumcsatornák több DNS-szekvenciájának összehangolásával Shimomura és munkatársai egy filogenetikai fát is rekonstruáltak, hogy megmutassák, hogyan fejlődtek a különböző fajok nátrium- és kalciumcsatornái egy közös ősből (1. ábra). Ez feltárta a filogenetikai fa egy új ágát, amely az általuk ős-szerűnek nevezett nátriumcsatornákat tartalmazza (amelyek homológok a mai nátriumcsatornákkal). Az újonnan azonosított kalciumcsatorna és az ős-szerű nátriumcsatornák szelektivitási szűrői hasonló szekvenciával rendelkeznek, mint amit a baktériumokban található nátriumcsatorna ősére jósoltak (Liebeskind et al., 2013), és figyelemre méltó módon az emlősökből származó számos kalciumcsatornában található szekvenciákhoz.
Kalcium- és nátriumioncsatornák evolúciós fája.
A Shimomura et al. arra utalnak, hogy a humán kalciumcsatorna-domének két típusa (balra fent), a humán CatSper (a spermiumokban található kalciumcsatornák egy csoportja), az Arcobacter butzleriben találhatóval homológ bakteriális nátriumcsatornák (NavAb-like BacNavs), a Bacillus fajokéval homológ bakteriális nátriumcsatornák (Bacillus BacNavs) és a M. ruber (és az ős-szerű nátriumcsatornák is; lásd a főszöveget) közös ősökkel rendelkeznek (alul). Az ioncsatornákat két azonos alegység képviseli, a szelektivitási szűrők szürkével, a leginkább konzervált maradékok pedig színnel vannak feltüntetve (lásd az útmutatót). Megjegyezzük, hogy a glicin jelenléte mind a humán kalciumcsatornákban, mind az M. ruber kalciumcsatornákban összefüggésbe hozható a kalcium-szelektivitással. A plazmamembrán sárgával van ábrázolva.
A prokarióta nátriumcsatornák két homológjának szekvenciáit ezután a megfelelő csatornák szintéziséhez használtuk emlős- és rovarsejtekben, hogy elektromos tulajdonságaikat megmérhessük. A M. ruber alapú csatorna nagy szelektivitást mutatott a 2+ töltésű ionok iránt: a Ca2+ iránti szelektivitása ugyanis ~200-szor nagyobb volt, mint a Na+ iránti szelektivitása. Általában úgy gondolják, hogy a kalciumcsatornák szelektivitása a negatív töltésű aszpartátok jelenlétének köszönhető a szelektivitási szűrőben (Catterall és Zheng, 2015). Amikor azonban a M. ruber kalciumcsatornát úgy mutálták, hogy kiiktattak egy aszpartátot ebben a régióban, a csatorna megtartotta a Ca2+ ionok iránti szelektivitásának nagy részét.
A talajban élő baktériumfaj, a Plesiocystis pacifica csatornája viszont háromszor szelektívebb volt a Na+ ionokra, mint a Ca2+ ionokra. Ráadásul a Na+ -ionok áramlását ezen a csatornán keresztül magas koncentrációjú extracelluláris Ca2+ -ionok is blokkolni tudták. Továbbá a Ca2+ blokkoló hatása fokozható volt egy töltés nélküli alanin-maradék hozzáadásával a szelektivitási szűrőhöz, annak ellenére, hogy ebben a régióban három negatív töltésű aminosav található.
Ezek az eredmények arra utalnak, hogy e két ioncsatorna szelektivitása nem kizárólag a negatív töltések jelenlététől függ a szűrőben.
A M. ruber és a P. pacifica eredményei arra késztették Shimomura és munkatársait, hogy megvizsgálják a Ca2+-szelektivitás molekuláris alapjait ezekben a csatornákban. Azt találták, hogy ha az M. ruber kalciumcsatorna szelektivitási szűrőjét úgy mutálták, hogy az megegyezzen a P. pacifica nátriumcsatornával, akkor ez az új csatorna elvesztette Ca2+-szelektivitását, és úgy viselkedett, mint egy nem szelektív csatorna. Amikor azonban a P. pacifica nátriumcsatornát úgy mutálták, hogy az megegyezzen az M. ruber kalciumcsatornával, az M. ruberben megfigyelthez hasonló kalcium-szelektivitási szintet mutatott.
A M. ruber és a P. pacifica szelektivitási szűrőjének 4. és 6. pozíciójában különböző aminosavak találhatók. Shimomura és munkatársai azt találták, hogy a M. ruberben a 4. pozícióban lévő glicin cseréje szerinre vagy aszpartátra csaknem 25-szörösére csökkentette a Ca2+-szelektivitást, és eltörölt minden szelektivitást az egyszeres pozitív töltéssel rendelkező ionokra (mint például a Na+). A 4. pozícióban lévő kis és rugalmas glicin-maradék tágabbá tenné a pórust, és megkönnyítené a 2+ töltésű ionok, például a Ca2+ bejutását. Ennek a glicin-maradéknak a konzerváltsága néhány eukarióta kalciumcsatornában arra utal, hogy ez egy általánosabb kalcium-szelektivitási mechanizmus része lehet. Az új csatornák szerkezeti elemzése fényt fog deríteni erre a lehetőségre.
Végezetül, a legújabb munka azt jelzi, hogy a feszültségfüggő Ca2+ jelátvitel sokkal ősibb, mint korábban gondolták, és a kalciumcsatornák jelenléte a prokariótákban felveti annak lehetőségét, hogy az eukarióták Ca2+-szelektív csatornái nem a nátriumcsatornákból származnak, ahogy azt korábban feltételezték. A Shimomura és munkatársai által leírt új csatornacsalád izgalmas ablakot nyit egy olyan hatalmas evolúciós tájra, amelyet még csak most kezdünk felfogni.