Gli articoli dei media popolari mostrano spesso neuroni e cellule muscolari che lanciano lampi in miniatura quando vengono stimolati. Nelle cellule reali, questi processi sono meno lucidi ma comunque affascinanti. Movimenti, pensieri, sentimenti, ricordi, sensazioni e altro ancora sono resi possibili da ioni che si muovono dentro e fuori le cellule attraverso stretti pori in proteine chiamate canali ionici, che si aprono e si chiudono in risposta a vari stimoli (come un cambiamento di tensione o tensione di membrana, o una molecola che si lega alla proteina del canale ionico). I canali ionici sono incorporati nella membrana cellulare, e le correnti ioniche che li attraversano cambiano la tensione attraverso la membrana, creando un segnale elettrico che può essere propagato all’interno della cellula o ad altre cellule (Hille, 2001).
Come tutte le altre proteine, i canali ionici sono il prodotto della selezione naturale (Anderson e Greenberg, 2001), e possiamo conoscere la loro evoluzione confrontando i geni che codificano per canali ionici simili in specie diverse (Moran e Zakon, 2014). Una proprietà importante di un canale ionico è la sua selettività, che determina i tipi di ioni che possono passare attraverso di esso. Canali ionici del sodio sono stati identificati in batteri e altri procarioti, e alcuni di questi canali possono essere mutati per ottenere la selettività per il calcio, ma fino a poco tempo fa nessun canale ionico del calcio nativo era stato osservato nei procarioti.
Ora, in eLife, Katsumasa Irie dell’Università di Nagoya e colleghi – tra cui Takushi Shimomura come primo autore – riportano la prima identificazione di un canale ionico del calcio nativo procariotico in Meiothermus ruber, una specie di batterio che vive in sorgenti calde (Shimomura et al, 2020). Propongono anche un meccanismo di selettività che è diverso da quello trovato nei canali ionici del calcio negli eucarioti.
Allinando più sequenze di DNA dei canali del sodio e del calcio dai procarioti, Shimomura et al. hanno anche ricostruito un albero filogenetico per mostrare come i canali del sodio e del calcio in diverse specie si sono evoluti da un antenato comune (Figura 1). Questo ha rivelato un nuovo ramo dell’albero filogenetico contenente quelli che hanno chiamato canali del sodio simili agli antenati (che sono omologhi ai canali del sodio contemporanei). I filtri di selettività del canale del calcio appena identificato e dei canali del sodio ancestor-like hanno sequenze simili a quelle previste per un antenato di un canale del sodio trovato nei batteri (Liebeskind et al, 2013) e, notevolmente, alle sequenze trovate in un certo numero di canali del calcio dei mammiferi.
Albero evolutivo dei canali del calcio e del sodio.
I risultati di Shimomura et al. suggeriscono che due tipi di domini di canali del calcio umani (in alto a sinistra), il CatSper umano (un insieme di canali del calcio trovati nello sperma), i canali del sodio batterici omologhi a quello trovato in Arcobacter butzleri (NavAb-like BacNavs), i canali del sodio batterici omologhi a quelli delle specie Bacillus (Bacillus BacNavs), e il canale del calcio nativo trovato in M. ruber (e anche i canali del sodio simili agli antenati; vedi testo principale) hanno un antenato comune (in basso). I canali ionici sono rappresentati da due subunità identiche, e i filtri di selettività sono mostrati in grigio con i residui più conservati mostrati in colore (vedi guida). Si noti che la presenza della glicina può essere associata alla selettività del calcio sia nei canali del calcio umani che nei canali del calcio di M. ruber. La membrana plasmatica è rappresentata in giallo.
Le sequenze di due omologhi dei canali del sodio procarioti sono state poi utilizzate per sintetizzare i canali corrispondenti in cellule di mammifero e di insetto, in modo da poterne misurare le proprietà elettriche. Il canale basato su M. ruber ha mostrato un’alta selettività per gli ioni con una carica di 2+: infatti, la sua selettività per Ca2+ era ~200 volte maggiore della sua selettività per Na+. Si pensa generalmente che la selettività dei canali del calcio sia dovuta alla presenza di aspartati, che sono caricati negativamente, nel filtro di selettività (Catterall e Zheng, 2015). Tuttavia, quando il canale del calcio di M. ruber è stato mutato per eliminare un aspartato in questa regione, il canale ha mantenuto la maggior parte della sua selettività per gli ioni Ca2+.
D’altra parte, il canale di Plesiocystis pacifica, una specie batterica che vive nel suolo, era tre volte più selettivo per gli ioni Na+ che per gli ioni Ca2+. Inoltre, il flusso di ioni Na+ attraverso questo canale poteva essere bloccato da alte concentrazioni di ioni Ca2+ extracellulari. Inoltre, l’effetto bloccante del Ca2+ poteva essere aumentato aggiungendo un residuo di alanina, che non ha carica, al filtro di selettività, nonostante la presenza di tre aminoacidi con carica negativa in questa regione.
Questi risultati suggeriscono che la selettività di questi due canali ionici potrebbe non dipendere solo dalla presenza di cariche negative nel filtro.
I risultati di M. ruber e P. pacifica hanno spinto Shimomura et al. a indagare la base molecolare della selettività del Ca2+ in questi canali. Hanno scoperto che se il filtro di selettività del canale del calcio di M. ruber veniva mutato per essere lo stesso del canale del sodio di P. pacifica, questo nuovo canale perdeva la sua selettività al Ca2+ e si comportava come un canale non selettivo. Tuttavia, quando il canale del sodio di P. pacifica è stato mutato per essere uguale al canale del calcio di M. ruber, ha dimostrato livelli di selettività del calcio simili a quelli osservati in M. ruber.
M. ruber e P. pacifica hanno diversi aminoacidi nelle posizioni 4 e 6 nei loro filtri di selettività. Shimomura et al. hanno scoperto che cambiare la glicina in posizione 4 in M. ruber con una serina o un aspartato riduce la selettività del Ca2+ di un fattore di quasi 25, e cancella qualsiasi selettività per gli ioni con una singola carica positiva (come Na+). Il piccolo e flessibile residuo di glicina in posizione 4 renderebbe il poro più largo e faciliterebbe l’entrata di ioni con una carica di 2+, come il Ca2+. La conservazione di questo residuo di glicina in alcuni canali del calcio eucariotici suggerisce che potrebbe essere parte di un meccanismo più generale di selettività del calcio. L’analisi strutturale dei nuovi canali farà luce su questa possibilità.
Infine, l’ultimo lavoro indica che la segnalazione del Ca2+ dipendente dal voltaggio è più antica di quanto si pensasse in precedenza, e la presenza di canali del calcio nei procarioti suggerisce la possibilità che i canali selettivi del Ca2+ negli eucarioti non derivino dai canali del sodio, come precedentemente postulato. La nuova famiglia di canali descritta da Shimomura et al. apre una finestra allettante in un vasto paesaggio evolutivo che stiamo appena iniziando a cogliere.