Artykuły w popularnych mediach często pokazują neurony i komórki mięśniowe wystrzeliwujące miniaturowe błyski błyskawic, gdy są stymulowane. W prawdziwych komórkach procesy te są mniej błyszczące, ale wciąż fascynujące. Ruchy, myśli, uczucia, wspomnienia, wrażenia i wiele innych są możliwe dzięki jonom przemieszczającym się do i z komórek przez wąskie pory w białkach zwanych kanałami jonowymi, które otwierają się i zamykają w odpowiedzi na różne bodźce (takie jak zmiana napięcia lub napięcia błony albo cząsteczka wiążąca się z białkiem kanału jonowego). Kanały jonowe są osadzone w błonie komórkowej, a przepływające przez nie prądy jonowe zmieniają napięcie w poprzek błony, tworząc sygnał elektryczny, który może być propagowany do wnętrza komórki lub do innych komórek (Hille, 2001).
Podobnie jak wszystkie inne białka, kanały jonowe są produktem doboru naturalnego (Anderson i Greenberg, 2001), a o ich ewolucji możemy dowiedzieć się, porównując geny kodujące podobne kanały jonowe u różnych gatunków (Moran i Zakon, 2014). Ważną właściwością kanału jonowego jest jego selektywność, która określa rodzaje jonów, które mogą przez niego przechodzić. Sodowe kanały jonowe zostały zidentyfikowane u bakterii i innych prokariotów, a niektóre z tych kanałów mogą być zmutowane w celu uzyskania selektywności dla wapnia, ale do niedawna nie zaobserwowano natywnych wapniowych kanałów jonowych u prokariotów.
Teraz, w eLife, Katsumasa Irie z Uniwersytetu Nagoya i współpracownicy – w tym Takushi Shimomura jako pierwszy autor – zgłaszają pierwszą identyfikację natywnego prokariotycznego kanału jonowego wapnia u Meiothermus ruber, gatunku bakterii, który żyje w gorących źródłach (Shimomura i in., 2020). Proponują również mechanizm selektywności, który różni się od tego znalezionego w kanałach jonów wapnia u eukariotów.
Poprzez wyrównanie wielu sekwencji DNA kanałów sodowych i wapniowych z prokariotów, Shimomura i wsp. zrekonstruowali również drzewo filogenetyczne, aby pokazać, jak kanały sodowe i wapniowe w różnych gatunkach ewoluowały od wspólnego przodka (rysunek 1). Ujawniło to nową gałąź drzewa filogenetycznego zawierającą to, co nazwali kanałami sodowymi podobnymi do przodków (które są homologiczne do współczesnych kanałów sodowych). Filtry selektywności nowo zidentyfikowanego kanału wapniowego i przodkopodobnych kanałów sodowych mają sekwencje podobne do tej przewidywanej dla przodka kanału sodowego występującego u bakterii (Liebeskind i in., 2013) oraz, co znamienne, do sekwencji znalezionych w pewnej liczbie kanałów wapniowych pochodzących od ssaków.
Drzewo ewolucyjne dla kanałów jonowych wapnia i sodu.
Wyniki badań Shimomury i wsp. sugerują, że dwa typy domen ludzkich kanałów wapniowych (u góry po lewej), ludzki CatSper (zestaw kanałów wapniowych występujących w plemnikach), bakteryjne kanały sodowe homologiczne do tych występujących u Arcobacter butzleri (NavAb-like BacNavs), bakteryjne kanały sodowe homologiczne do tych z gatunków Bacillus (Bacillus BacNavs) oraz natywny kanał wapniowy występujący u M. ruber (a także podobne do przodka kanały sodowe; patrz tekst główny) mają wspólnego przodka (na dole). Kanały jonowe są reprezentowane przez dwie identyczne podjednostki, a filtry selektywności są pokazane na szaro, z najbardziej konserwowanymi resztami pokazanymi kolorem (patrz przewodnik). Należy zauważyć, że obecność glicyny może być związana z selektywnością wapnia zarówno w ludzkich kanałach wapniowych, jak i w kanałach wapniowych M. ruber. Błona plazmatyczna jest przedstawiona na żółto.
Sekwencje dla dwóch homologów prokariotycznych kanałów sodowych zostały następnie wykorzystane do syntezy odpowiednich kanałów w komórkach ssaków i owadów, tak aby można było zmierzyć ich właściwości elektryczne. Kanał oparty na M. ruber wykazywał wysoką selektywność dla jonów o ładunku 2+: rzeczywiście, jego selektywność dla Ca2+ była ~200 razy większa niż dla Na+. Ogólnie uważa się, że selektywność kanałów wapniowych wynika z obecności asparaginianów, które są ujemnie naładowane, w filtrze selektywności (Catterall i Zheng, 2015). Jednakże, gdy kanał wapniowy M. ruber został zmutowany w celu wyeliminowania asparaginianu w tym regionie, kanał zachował większość swojej selektywności dla jonów Ca2+.
Z drugiej strony, kanał z Plesiocystis pacifica, gatunku bakterii, który żyje w glebie, był trzykrotnie bardziej selektywny dla jonów Na+ niż dla jonów Ca2+. Co więcej, przepływ jonów Na+ przez ten kanał mógł być blokowany przez wysokie stężenia zewnątrzkomórkowych jonów Ca2+. Co więcej, efekt blokujący Ca2+ mógł być wzmocniony przez dodanie do filtra selektywności reszty alaninowej, która nie ma ładunku, pomimo obecności trzech ujemnie naładowanych aminokwasów w tym regionie.
Wyniki te sugerują, że selektywność tych dwóch kanałów jonowych może nie zależeć wyłącznie od obecności ładunków ujemnych w filtrze.
Wyniki z M. ruber i P. pacifica skłoniły Shimomurę i wsp. do zbadania molekularnych podstaw selektywności Ca2+ w tych kanałach. Odkryli oni, że jeśli filtr selektywności kanału wapniowego M. ruber został zmutowany tak, by był taki sam jak kanału sodowego P. pacifica, to nowy kanał tracił selektywność Ca2+ i zachowywał się jak kanał nieselektywny. Jednakże, gdy kanał sodowy P. pacifica został zmutowany tak, aby był taki sam jak kanał wapniowy M. ruber, wykazywał poziomy selektywności wapnia podobne do tych obserwowanych u M. ruber.
M. ruber i P. pacifica mają różne aminokwasy na pozycjach 4 i 6 w swoich filtrach selektywności. Shimomura i wsp. odkryli, że zmiana glicyny w pozycji 4 w M. ruber na serynę lub asparaginian zmniejszyła selektywność Ca2+ prawie 25-krotnie i usunęła selektywność dla jonów o pojedynczym ładunku dodatnim (takich jak Na+). Mała i elastyczna reszta glicyny w pozycji 4 spowodowałaby poszerzenie porów i ułatwiłaby wnikanie jonów o ładunku 2+, takich jak Ca2+. Obecność tej reszty glicynowej w niektórych eukariotycznych kanałach wapniowych sugeruje, że może ona być częścią bardziej ogólnego mechanizmu selektywności wapniowej. Analiza strukturalna nowych kanałów rzuci światło na tę możliwość.
Wreszcie, najnowsze prace wskazują, że zależna od napięcia sygnalizacja Ca2+ jest bardziej starożytna niż wcześniej sądzono, a obecność kanałów wapniowych u prokariotów sugeruje możliwość, że kanały selektywne Ca2+ u eukariotów nie pochodzą od kanałów sodowych, jak wcześniej postulowano. Nowa rodzina kanałów opisana przez Shimomurę i wsp. otwiera okno na rozległy krajobraz ewolucyjny, który dopiero zaczynamy poznawać.