Artikelen in de populaire media laten vaak zien hoe neuronen en spiercellen miniatuurbliksemflitsen lanceren wanneer ze worden gestimuleerd. In echte cellen verlopen deze processen minder glanzend, maar nog steeds fascinerend. Bewegingen, gedachten, gevoelens, herinneringen, gewaarwordingen en nog veel meer worden mogelijk gemaakt door ionen die in en uit de cellen bewegen door smalle poriën in eiwitten die ionenkanalen worden genoemd en die open en dicht gaan als reactie op verschillende stimuli (zoals een verandering in spanning of membraanspanning, of een molecuul dat zich bindt aan het ionenkanaal-eiwit). Ionenkanalen zijn ingebed in het celmembraan, en de ionenstromen die erdoor lopen veranderen de spanning over het membraan, waardoor een elektrisch signaal ontstaat dat kan worden doorgegeven naar het inwendige van de cel of naar andere cellen (Hille, 2001).
Zoals alle andere eiwitten zijn ionenkanalen het product van natuurlijke selectie (Anderson en Greenberg, 2001), en we kunnen meer te weten komen over hun evolutie door de genen te vergelijken die coderen voor vergelijkbare ionenkanalen in verschillende soorten (Moran en Zakon, 2014). Een belangrijke eigenschap van een ionkanaal is zijn selectiviteit, die bepaalt welke soorten ionen erdoor kunnen. Natrium-ionkanalen zijn geïdentificeerd in bacteriën en andere prokaryoten, en sommige van deze kanalen kunnen worden gemuteerd om selectiviteit voor calcium te krijgen, maar tot voor kort waren er geen natieve calcium-ionkanalen waargenomen in prokaryoten.
Nu, in eLife, melden Katsumasa Irie van de Nagoya Universiteit en collega’s – waaronder Takushi Shimomura als eerste auteur – de eerste identificatie van een natief prokaryotisch calcium ionkanaal in Meiothermus ruber, een bacteriesoort die leeft in hete bronnen (Shimomura et al, 2020). Zij stellen ook een selectiviteitsmechanisme voor dat verschilt van het mechanisme dat wordt gevonden in calciumionkanalen in eukaryoten.
Door meerdere DNA-sequenties van natrium- en calciumkanalen van prokaryoten op elkaar af te stemmen, reconstrueerden Shimomura et al. ook een fylogenetische boom om te laten zien hoe natrium- en calciumkanalen in verschillende soorten zijn geëvolueerd vanuit een gemeenschappelijke voorouder (figuur 1). Dit onthulde een nieuwe tak van de fylogenetische boom met wat zij voorouder-achtige natriumkanalen hebben genoemd (die homoloog zijn aan hedendaagse natriumkanalen). De selectiviteitsfilters van het nieuw geïdentificeerde calciumkanaal en de voorouder-achtige natriumkanalen hebben sequenties die lijken op de sequenties die voorspeld zijn voor een voorouder van een natriumkanaal dat in bacteriën is gevonden (Liebeskind et al, 2013) en, opmerkelijk genoeg, aan de sequenties die zijn gevonden in een aantal calciumkanalen van zoogdieren.
Evolutionaire boom voor calcium- en natriumionkanalen.
De resultaten van Shimomura et al. suggereren dat twee typen menselijke calciumkanaaldomeinen (linksboven), menselijke CatSper (een set calciumkanalen gevonden in sperma), de bacteriële natriumkanalen homoloog aan die gevonden in Arcobacter butzleri (NavAb-achtige BacNavs), de bacteriële natriumkanalen homoloog aan die van Bacillus species (Bacillus BacNavs), en het eigen calciumkanaal gevonden in M. ruber (en ook de voorouder-achtige natriumkanalen; zie hoofdtekst) hebben een gemeenschappelijke voorouder (onder). De ionenkanalen worden voorgesteld door twee identieke subeenheden, en de selectiviteitsfilters worden in grijs weergegeven met de meest geconserveerde residuen in kleur (zie gids). Merk op dat de aanwezigheid van glycine kan worden geassocieerd met calcium selectiviteit in zowel de menselijke calcium kanalen en M. ruber calcium kanalen. Het plasmamembraan is in geel weergegeven.
De sequenties voor twee homologen van de prokaryotische natriumkanalen werden vervolgens gebruikt om de overeenkomstige kanalen in zoogdier- en insectencellen te synthetiseren, zodat hun elektrische eigenschappen konden worden gemeten. Het kanaal op basis van M. ruber vertoonde een hoge selectiviteit voor ionen met een lading van 2+: de selectiviteit voor Ca2+ was ~200 maal groter dan de selectiviteit voor Na+. Over het algemeen wordt gedacht dat de selectiviteit van calciumkanalen het gevolg is van de aanwezigheid van aspartaten, die negatief geladen zijn, in het selectiviteitsfilter (Catterall en Zheng, 2015). Toen het calciumkanaal van M. ruber echter werd gemuteerd om een aspartaat in deze regio te elimineren, behield het kanaal het grootste deel van zijn selectiviteit voor Ca2+ ionen.
Het kanaal van Plesiocystis pacifica, een bacteriesoort die in de bodem leeft, was daarentegen drie keer zo selectief voor Na+ ionen dan voor Ca2+ ionen. Bovendien kon de stroom van Na+ ionen door dit kanaal worden geblokkeerd door hoge concentraties van extracellulaire Ca2+ ionen. Bovendien kon het blokkerende effect van Ca2+ worden versterkt door toevoeging van een alanine-residu, dat geen lading heeft, aan het selectiviteitsfilter, ondanks de aanwezigheid van drie negatief geladen aminozuren in deze regio.
Deze bevindingen suggereren dat de selectiviteit van deze twee ionenkanalen mogelijk niet uitsluitend afhangt van de aanwezigheid van negatieve ladingen in het filter.
De resultaten van M. ruber en P. pacifica zetten Shimomura et al. ertoe aan om de moleculaire basis van Ca2+ selectiviteit in deze kanalen te onderzoeken. Zij ontdekten dat wanneer het selectiviteitsfilter van het M. ruber calciumkanaal zodanig werd gemuteerd dat het hetzelfde was als het P. pacifica natriumkanaal, dit nieuwe kanaal zijn Ca2+ selectiviteit verloor en zich gedroeg als een niet-selectief kanaal. Echter, wanneer het P. pacifica natriumkanaal werd gemuteerd om hetzelfde te zijn als het M. ruber calcium kanaal, vertoonde het niveaus van calcium selectiviteit vergelijkbaar met die waargenomen in M. ruber.
M. ruber en P. pacifica hebben verschillende aminozuren op posities 4 en 6 in hun selectiviteit filters. Shimomura et al. ontdekten dat het veranderen van de glycine op positie 4 in M. ruber in een serine of een aspartaat de Ca2+ selectiviteit met een factor van bijna 25 verminderde, en elke selectiviteit voor ionen met een enkele positieve lading (zoals Na+) wegvaagde. Het kleine en flexibele glycine residu op positie 4 zou de porie breder maken en het binnendringen van ionen met een lading van 2+, zoals Ca2+, vergemakkelijken. Het feit dat dit glycine residu in sommige eukaryote calciumkanalen bewaard is gebleven, suggereert dat het deel zou kunnen uitmaken van een meer algemeen calcium-selectiviteitsmechanisme. Structurele analyse van de nieuwe kanalen zal licht werpen op deze mogelijkheid.
Finitief, het laatste werk geeft aan dat voltage-afhankelijke Ca2+ signalering ouder is dan eerder gedacht, en de aanwezigheid van calcium kanalen in prokaryoten suggereert de mogelijkheid dat Ca2+-selectieve kanalen in eukaryoten niet zijn afgeleid van natrium kanalen, zoals eerder verondersteld. De nieuwe familie van kanalen beschreven door Shimomura et al. opent een prikkelend venster op een uitgestrekt evolutionair landschap dat we nog maar net beginnen te begrijpen.