Artiklar i de populära medierna visar ofta neuroner och muskelceller som avfyrar miniatyrblixtar när de stimuleras. I verkliga celler är dessa processer mindre glänsande men fortfarande fascinerande. Rörelser, tankar, känslor, minnen, förnimmelser med mera möjliggörs av joner som rör sig in och ut ur cellerna genom smala porer i proteiner som kallas jonkanaler, vilka öppnas och stängs som svar på olika stimuli (t.ex. en förändring av spänningen eller membranspänningen eller en molekyl som binder till jonkanalproteinet). Jonkanalerna är inbäddade i cellmembranet, och de jonströmmar som passerar genom dem förändrar spänningen över membranet, vilket skapar en elektrisk signal som kan spridas till cellens inre eller till andra celler (Hille, 2001).
Likt alla andra proteiner är jonkanaler en produkt av naturligt urval (Anderson och Greenberg, 2001), och vi kan lära oss mer om deras evolution genom att jämföra de gener som kodar för liknande jonkanaler hos olika arter (Moran och Zakon, 2014). En viktig egenskap hos en jonkanal är dess selektivitet, som bestämmer vilka typer av joner som kan passera genom den. Natriumjonkanaler har identifierats i bakterier och andra prokaryoter, och vissa av dessa kanaler kan muteras för att få selektivitet för kalcium, men fram till nyligen hade inga inhemska kalciumjonkanaler observerats i prokaryoter.
Nu, i eLife, rapporterar Katsumasa Irie från Nagoya University och kollegor – inklusive Takushi Shimomura som försteförfattare – den första identifieringen av en inhemsk prokaryotisk kalciumjonkanal i Meiothermus ruber, en bakterieart som lever i varma källor (Shimomura et al, 2020). De föreslår också en selektivitetsmekanism som skiljer sig från den som finns i kalciumjonkanaler i eukaryoter.
Genom att anpassa flera DNA-sekvenser av natrium- och kalciumkanaler från prokaryoter rekonstruerade Shimomura et al. också ett fylogenetiskt träd för att visa hur natrium- och kalciumkanaler i olika arter utvecklats från en gemensam förfader (figur 1). Detta avslöjade en ny gren av det fylogenetiska trädet som innehåller vad de har kallat förfaderliknande natriumkanaler (som är homologa med dagens natriumkanaler). Selektivitetsfiltren hos den nyligen identifierade kalciumkanalen och de förfaderliknande natriumkanalerna har sekvenser som liknar den som förutspås för en förfader till en natriumkanal som finns i bakterier (Liebeskind et al, 2013) och, anmärkningsvärt nog, till de sekvenser som finns i ett antal kalciumkanaler från däggdjur.
Evolutionsträd för kalcium- och natriumjonkanaler.
Resultaten från Shimomura et al. tyder på att två typer av mänskliga kalciumkanaldomäner (överst till vänster), mänsklig CatSper (en uppsättning kalciumkanaler som finns i spermier), de bakteriella natriumkanaler som är homologa till den som finns i Arcobacter butzleri (NavAb-liknande BacNavs), de bakteriella natriumkanaler som är homologa till dem från Bacillus-arter (Bacillus BacNavs) och den inhemska kalciumkanal som finns i M. ruber (och även de förfäderliknande natriumkanalerna; se huvudtexten) har en gemensam förfader (nederst). Jonkanalerna representeras av två identiska underenheter, och selektivitetsfiltren visas i grått med de mest bevarade resterna i färg (se guide). Observera att närvaron av glycin kan associeras med kalciumselektivitet i både de mänskliga kalciumkanalerna och M. ruber-kalciumkanalerna. Plasmamembranet är representerat i gult.
Sekvenserna för två homologer till de prokaryotiska natriumkanalerna användes sedan för att syntetisera motsvarande kanaler i däggdjurs- och insektsceller, så att deras elektriska egenskaper kunde mätas. Kanalen baserad på M. ruber visade en hög selektivitet för joner med laddning 2+: dess selektivitet för Ca2+ var faktiskt ~200 gånger större än dess selektivitet för Na+. Det anses allmänt att selektiviteten hos kalciumkanaler beror på närvaron av aspartater, som är negativt laddade, i selektivitetsfiltret (Catterall och Zheng, 2015). När kalciumkanalen från M. ruber muterades för att eliminera en aspartat i denna region behöll kanalen dock det mesta av sin selektivitet för Ca2+-joner.
Å andra sidan var kanalen från Plesiocystis pacifica, en bakterieart som lever i jord, tre gånger mer selektiv för Na+-joner än den var för Ca2+-joner. Dessutom kunde flödet av Na+-joner genom denna kanal blockeras av höga koncentrationer av extracellulära Ca2+-joner. Den blockerande effekten av Ca2+ kunde dessutom förstärkas genom att lägga till en alaninrest, som inte har någon laddning, till selektivitetsfiltret, trots att det finns tre negativt laddade aminosyror i denna region.
Dessa resultat tyder på att selektiviteten hos dessa två jonkanaler kanske inte enbart beror på närvaron av negativa laddningar i filtret.
Resultaten från M. ruber och P. pacifica fick Shimomura et al. att undersöka den molekylära grunden för Ca2+-selektiviteten i dessa kanaler. De fann att om selektivitetsfiltret i M. ruber-kalciumkanalen muterades så att det blev detsamma som i P. pacifica-natriumkanalen, förlorade denna nya kanal sin Ca2+-selektivitet och betedde sig som en icke-selektiv kanal. När P. pacifica-natriumkanalen muterades till att vara densamma som M. ruber-kalciumkanalen uppvisade den dock nivåer av kalciumselektivitet som liknar dem som observerats i M. ruber.
M. ruber och P. pacifica har olika aminosyror på positionerna 4 och 6 i sina selektivitetsfilter. Shimomura et al. fann att om glycinet i position 4 i M. ruber byttes ut mot en serin eller en aspartat minskade Ca2+-selektiviteten med en faktor på nästan 25 och utplånade all selektivitet för joner med en enda positiv laddning (t.ex. Na+). Den lilla och flexibla glycinrestigen i position 4 skulle göra porerna bredare och underlätta inträdet av joner med en laddning på 2+, såsom Ca2+. Att denna glycinrest finns kvar i vissa eukaryota kalciumkanaler tyder på att den kan vara en del av en mer allmän kalciumselektivitetsmekanism. Strukturell analys av de nya kanalerna kommer att belysa denna möjlighet.
Till sist tyder det senaste arbetet på att spänningsberoende Ca2+-signalering är äldre än vad man tidigare trott, och närvaron av kalciumkanaler hos prokaryoter antyder möjligheten att Ca2+-selektiva kanaler hos eukaryoter inte härstammar från natriumkanaler, vilket tidigare postulerats. Den nya kanalfamiljen som beskrivs av Shimomura et al. öppnar ett lockande fönster till ett enormt evolutionärt landskap som vi bara börjat förstå.