一般的なメディアでは、神経細胞や筋肉細胞が刺激を受けると小さな稲妻が走るという記事がよく見られます。 実際の細胞では、このようなプロセスはあまり艶やかではありませんが、それでも魅力的です。 運動、思考、感情、記憶、感覚などは、イオンチャネルと呼ばれるタンパク質に開けられた細い孔からイオンが細胞内に出入りすることで実現されている。イオンチャネルは、電圧や膜張力の変化、あるいはイオンチャネルタンパク質に結合する分子などのさまざまな刺激に応じて開いたり閉じたりする。 イオンチャネルは細胞膜に埋め込まれており、そこを通過するイオン電流が膜の電圧を変化させ、細胞内部や他の細胞に伝えられる電気信号を作り出す（Hille, 2001）。
他のタンパク質と同様、イオンチャネルは自然選択の産物であり（Anderson and Greenberg, 2001）、異なる種で同様のイオンチャネルをコードする遺伝子を比較すればその進化について知ることができます（Moran and Zakon, 2014）。 イオンチャネルの重要な特性は、それを通過できるイオンの種類を決定する選択性である。 ナトリウムイオンチャンネルは細菌などの原核生物で同定されており、これらのチャネルの一部は変異させることでカルシウムに対する選択性を得ることができるが、最近まで原核生物にネイティブなカルシウムイオンチャンネルは観察されていなかった。
今回、名古屋大学の入江勝正氏ら（筆頭著者：下村卓史氏ら）は、温泉に生息する細菌の一種、Meiothermus ruberで原核生物由来のカルシウムイオンチャネルを初めて同定したとeLifeに報告しました（Shimomura et al, 2020). また、真核生物のカルシウムイオンチャネルとは異なる選択機構を提案している。
下村らは、原核生物のナトリウム・カルシウムチャネルの複数のDNA配列を整列させることで、異なる種のナトリウム・カルシウムチャネルが共通の祖先から進化した様子を示す系統樹も再構築している（図1）。 その結果、祖先のようなナトリウムチャネル（現代のナトリウムチャネルと相同性あり）と彼らが呼ぶものを含む系統樹の新しい枝が発見された。 新たに同定されたカルシウムチャネルと祖先様ナトリウムチャネルの選択性フィルターは、細菌に見られるナトリウムチャネルの祖先について予測されたものと類似した配列を持っている（Liebeskind et al, 2013）、そして驚くべきことに、哺乳類由来の多くのカルシウムチャネルに見られる配列と類似している。
カルシウムおよびナトリウムイオンチャネルの進化木
Shimomura et al.の結果では、カルシウムおよびナトリウムイオンチャネルの進化は、哺乳類由来の多くのカルシウムチャネルに見られる配列と類似しており、哺乳類のカルシウムチャネルは、哺乳類のカルシウムチャネルに見られる配列と類似している。 左上）、ヒトのCatSper（精子に見られるカルシウムチャネルの集合）、Arcobacter butzleriに見られるものと相同な細菌のナトリウムチャネル（NavAb様BacNavs）、Bacillus属のものと相同な細菌のナトリウムチャネル（Bacillus BacNavs）、およびM.Calciumに見られる固有のカルシウムチャネル（Native Calcium Channel）が示唆される。 ruberに見られるネイティブなカルシウムチャネル（および祖先のようなナトリウムチャネル；本文参照）は共通の祖先を持つ（下）。 イオンチャネルは2つの同じサブユニットで表され、選択性フィルターは灰色で、最も保存されている残基は色で示されている（ガイド参照）。 グリシンの存在は、ヒトのカルシウムチャネルとM. ruberカルシウムチャネルの両方において、カルシウム選択性と関連づけることができることに注意してほしい。 原核生物のナトリウムチャネルの2つのホモログの配列を用いて、哺乳類と昆虫の細胞で対応するチャネルを合成し、その電気的特性を測定できるようにした。 M. ruberをベースにしたチャネルは、電荷が2+のイオンに対して高い選択性を示した。実際、Ca2+に対する選択性はNa+に対する選択性の約200倍であった。 一般に、カルシウムチャネルの選択性は、選択性フィルターに負電荷を帯びたアスパラギン酸が存在するためと考えられている（Catterall and Zheng, 2015）。 しかし、M. ruberカルシウムチャネルを変異させてこの領域のアスパラギン酸をなくしたところ、チャネルはCa2+イオンに対する選択性のほとんどを保持した
一方、土壌に生息する細菌種Plesiocystis pacificaのチャネルはCa2+イオンに対する選択性の3倍ものNa+イオンに対する選択性があることが明らかになった。 さらに、このチャネルを通るNa+イオンの流れは、高濃度の細胞外Ca2+イオンによって遮断されることがわかった。 さらに、この領域には負電荷を持つアミノ酸が3つ存在するにもかかわらず、電荷を持たないアラニン残基を選択性フィルターに加えることにより、Ca2+のブロッキング効果を増強することが可能であった。
これらの結果は、これら2つのイオンチャネルの選択性がフィルター内の負電荷の存在だけに依存していない可能性を示唆している。
M. ruberとP. pacificaの結果を受けて、下村らはこれらのチャネルにおけるCa2+選択性の分子基盤を調べることとした。 その結果、M. ruberカルシウムチャネルの選択性フィルターをP. pacificaナトリウムチャネルと同じに変異させると、この新しいチャネルはCa2+選択性を失い、非選択性チャネルのように振る舞うことを見出した。 しかし、P. pacificaナトリウムチャネルをM. ruberカルシウムチャネルと同じになるように変異させると、M. ruberで観察されたのと同じレベルのカルシウム選択性を示した。
M. ruberとP. pacificaでは、選択性フィルターの4位と6位に異なるアミノ酸が存在する。 下村らは、M. ruberの4位のグリシンをセリンまたはアスパラギン酸に変更すると、Ca2+選択性がほぼ25分の1に低下し、正電荷を1つ持つイオン（Na+など）に対する選択性が一掃されることを見出した。 4位の小さく柔軟なグリシン残基は、孔を広くし、Ca2+のような2価の電荷を持つイオンの侵入を容易にすると考えられる。 このグリシン残基は、いくつかの真核生物のカルシウムチャネルに保存されていることから、より一般的なカルシウム選択性メカニズムの一部である可能性がある。 6854>
最後に、今回の研究により、電位依存性Ca2+シグナル伝達はこれまで考えられていたよりも古くから存在し、原核生物にカルシウムチャネルが存在することは、真核生物のCa2+選択的チャネルが、これまで仮定されていたようなナトリウムチャネルに由来しない可能性を示唆するものであることがわかった。 下村らによって報告された新しいチャネルファミリーは、私たちが把握し始めたばかりの広大な進化の風景に、心躍るような窓を開いているのである
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