Voltageafhængige natriumkanaler spiller en central rolle i afgivelsen af aktionspotentialer i hele det kardiovaskulære system og nervesystemet, og deres gating er yderst følsom over for ændringer i transmembranpotentialet. Negativ regulering af natriumkanalens konduktans sker gennem en proces, der er kendt som inaktivering, som kan foregå fra enten den åbne eller lukkede tilstand, der betegnes henholdsvis “hurtig” eller “steady-state” inaktivering (SSI). Når natriumkanalens konduktans er dårligt reguleret, sker der meget dårlige ting. For eksempel er arvelige eller erhvervede defekter i natriumkanalens konduktans forbundet med et spektrum af elektriske signalforstyrrelser, herunder hjertearytmier (Wang et al., 1995; Valdivia et al., 2005), epilepsi og primær erythermalgi (en perifer smerteforstyrrelse) (Yang et al., 2004), paroxysmal ekstrem smerteforstyrrelse (Fertleman et al, 2006), hypokalemisk periodisk paralyse (Ptácek et al., 1991; Rojas et al., 1991), paramyotoni medfødt (McClatchey et al., 1992), foruden uventede roller i migræne (Kahlig et al., 2008), autisme (Weiss et al., 2003; Han et al., 2012a), søvn (Han et al., 2012b) og multipel sklerose (Craner et al., 2004). Desuden påvirker SSI stærkt den elektriske stabilitet i excitable celler, fordi midtpunktet af inaktiverings-spændingsforholdet ofte er tæt på cellens hvilemembranpotentiale; således kan tilsyneladende beskedne forskydninger i midtpunktet af SSI versus spændingsforholdet, forårsaget af (dys)modulering eller punktmutationer, have en kraftig virkning på antallet af kanaler, der er tilgængelige til at bidrage til aktionspotentialet. Således er natriumkanal-gating, og især inaktivering, et biofysisk fænomen, der ubesværet overfører patch-riggen til den kliniske situation, men et detaljeret billede af det molekylære grundlag, der ligger til grund for inaktivering, er stadig stædigt uafklaret. I dette nummer af The Journal of General Physiology brugte Capes et al. en spændingssensor-deaktiverende tilgang til systematisk at undersøge identiteten af den molekylære udløser for inaktivering og bekræfte rollen for domæne fire (DIV S4) spændingssensor i denne vigtige fysiologiske proces (Capes et al., 2013).

Hurtig natriumkanalaktivering driver aktionspotentialets opadgående slag, men hurtig og fuldstændig inaktivering af natriumledning er afgørende for rettidig membranrepolarisering og det refraktære interval mellem aktionspotentialerne. Hodgkin og Huxley beskrev på forhånd en mekanisme, hvorved fire membranindlejrede ladede partikler, hvoraf tre er forbundet med aktivering (m-gate) og en med inaktivering (h-gate), giver anledning til den spændingsafhængige natriumkonduktans i blæksprutteaxonet (Hodgkin og Huxley, 1952). Denne idé er i overensstemmelse med natriumkanalens genstruktur, der indeholder fire ikke-identiske domæner (DI-DIV), hver med pore-lining S5-p-loop-S6-segmenter og et spændingsfølende domæne (VSD) bestående af S1-S4-segmenterne, hvor S4-segmenterne har mellem tre og syv positivt ladede rester, afhængigt af domænet. Mutationer i hele kanalen kan påvirke gating; dog har de, der indføres i DIV, tendens til at påvirke inaktivering mest kraftigt (Chahine et al., 1994; McPhee et al., 1994, 1998; Chen et al., 1996; Yang et al., 1996; Lerche et al., 1997). Den hurtige kinetik af DI-III S4-bevægelse, som visualiseret ved spændingsklamp-fluorometri, korrelerer tæt med aktivering af natriumledningskapaciteten, mens den relativt langsomme bevægelse af DIV S4 flugter med udviklingen af inaktivering og med immobilisering af gating-ladningen (Cha et al., 1999; Chanda og Bezanilla, 2002). Desuden modulerer toksiner, der fortrinsvis interagerer med DIV VSD potent kanalinaktivering (Hanck og Sheets, 2007; Bosmans et al., 2008; Wang et al., 2011). Således understøtter en overflod af beviser ideen om, at DI-III bidrager til kanalaktivering, og at DIV S4 er forbundet med inaktivering. Det vides imidlertid ikke, om DIV S4-aktivering alene er tilstrækkelig til at initiere inaktivering, og om denne enkelt udløser er ansvarlig for, at inaktivering kan fortsætte fra både åbne og lukkede kanaler.

For at tackle dette spørgsmål direkte anvendte Capes et al. (2013) en ladningsneutraliseringsstrategi, hvorved de første tre S4-ladninger, som bærer hovedparten af ladningsbevægelsen (Sheets et al., 1999), blev muteret til glutamin (Q), hvilket resulterede i ladningsneutrale (CN) spændingssensorer. Ud over at forringe S4-spændingsfølsomhed og -bevægelse er sådanne CN VSD’er sandsynligvis i en aktiv konformation, som normalt kun besøges ved positive potentialer (Bao et al., 1999; Gagnon og Bezanilla, 2009; Capes et al., 2012). I det foreliggende tilfælde blev disse mutationer foretaget individuelt i hvert af de fire S4-segmenter af skeletmuskelnatriumkanaler, og de resulterende kanaler blev elektrofysiologisk afhørt for aktiverings- og inaktiveringsegenskaber. Alle fire CN-natriumkanaler var funktionelle og havde robust spændingsafhængig aktiveringsgating, hvilket ved første øjekast er overraskende, da S4-segmenterne var blevet elektrostatisk kastreret. Men hvis S4-neutralisering fremmer bevægelsen af S4-segmentet ind i den aktiverede konformation, har man faktisk fjernet en energibarriere for aktivering, hvilket forklarer de “normale” konduktans-spændingsforhold for VSD-deaktiverede kanaler. Med hensyn til inaktivering var DI-III CN-kanaler igen ret funktionelt tolerante, hvorimod DIV CN-kanaler har ændrede inaktiveringsegenskaber fra lukkede, åbne og inaktiverede tilstande. For det første viste DIV CN-kanaler et stort hyperpolariserende skift i SSI-midtpunktet, hvilket tyder på, at de var “præinaktiveret” ved negative potentialer, hvilket er i overensstemmelse med hypotesen om, at DIV S4-aktivering er tilstrækkelig for SSI, og at mutationen “præaktiverer” DIV S4-segmentet. For det andet viste DIV CN-kanaler også en accelereret og næsten øjeblikkelig indtræden i hurtigt aktiverede tilstande som bestemt af en protokol med to impulser for at undgå bidrag fra aktiveringslatenserne (Aldrich et al., 1983). For det tredje var DIV CN-kanaler, når de først var inaktiveret, forsinkede i at forlade ikke-ledende tilstande, og når de først var igangsat, var genoprettelsen fra inaktivering betydeligt langsommere. For det fjerde kunne alle tre af disse eksperimentelle resultater rekapituleres af en model for natriumkanal-gating, hvorved inaktivering, fra enten åbne eller lukkede tilstande, initieres af DIV S4-bevægelse, hvorefter en inaktiveringspartikel kan binde gennem et svagt spændingsafhængigt trin. På trods af den rynke, at QQQQ-tripletmutationen kan påvirke hvert S4-segment funktionelt forskelligt, gav dataene et klart resultat og understøtter sammen med tidligere arbejde den opfattelse, at selv om alle fire spændingssensorer aktiveres ved kanalåbning, er DIV S4-aktivering alene tilstrækkelig til initiering af både hurtig og SSI, som afbildet i Fig. 1. For enkelhedens skyld er den stokastiske aktivering af DI-DIII VDS’erne kombineret som et enkelt trin, der ender med kanalåbning, som vist på stien til højre side. Den efterfølgende aktivering af DIV VSD resulterer i yderligere porekonformationer (Goldschen-Ohm et al., 2013) og den endelige aktivering af hurtig inaktivering, nederst til højre. Spekulative domænebidrag, der er involveret i SSI, der er afbildet til venstre, er beskrevet i legenden og flyder gennem en række elektrisk tavse konformationer (Horn et al., 1981). Producerer inaktivering fra åbne eller lukkede tilstande en fælles ikkeledende konformation? En uprøvet, men overbevisende mulighed er, at DIV S4-aktivering fremmer en porekonformation, der tillader inaktivering gennem binding af regioner af kanalen, såsom DIII-IV linker triplet af rester IFM, som har vist sig at forstyrre inaktivering, når de er muteret (West et al., 1992). I tilfælde af inaktivering i lukket tilstand ville DIV S4-aktivering og efterfølgende konformationer være elektrisk tavse, men kan stadig dele en lignende inaktiveret konformation med hurtigt inaktiverede kanaler. Det er imidlertid også muligt, at der, som i spændingsafhængige kaliumkanaler, anvendes forskellige poregrupper til forskellige typer inaktivering (Choi et al., 1991). Selv om dataene er i overensstemmelse med forestillingen om, at DIV S4 repræsenterer en enkelt molekylær switch for inaktivering i lukket og åben tilstand, er der kun få molekylære detaljer om de forbigående komplekser, der dannes mellem DIV S4-bevægelsen og udviklingen af inaktivering eller placeringen(e) af formodede poreområder, der kan tjene som receptor for en inaktiveringspartikel. Faktisk, i betragtning af de mange mekanistiske ubekendte med hensyn til natriumkanalinaktivering, er papiret af Capes et al. (2013), ligesom DIV S4-aktivering, kun begyndelsen af historien.