Spannungsabhängige Natriumkanäle spielen eine zentrale Rolle bei der Auslösung von Aktionspotenzialen im gesamten Herz-Kreislauf- und Nervensystem, und ihr Gating reagiert äußerst empfindlich auf Veränderungen des Transmembranpotenzials. Die negative Regulierung der Leitfähigkeit von Natriumkanälen erfolgt durch einen Prozess, der als Inaktivierung bekannt ist und entweder vom offenen oder vom geschlossenen Zustand ausgehen kann, was als „schnelle“ bzw. „stationäre“ Inaktivierung (SSI) bezeichnet wird. Wenn die Leitfähigkeit von Natriumkanälen schlecht reguliert ist, können sehr schlimme Dinge passieren. So werden beispielsweise vererbte oder erworbene Defekte in der Natriumkanal-Leitfähigkeit mit einem Spektrum elektrischer Signalstörungen in Verbindung gebracht, darunter Herzrhythmusstörungen (Wang et al., 1995; Valdivia et al., 2005), Epilepsie und primäre Erythermalgie (eine periphere Schmerzstörung) (Yang et al., 2004), paroxysmale extreme Schmerzstörungen (Fertleman et al., 2006), hypokaliämischer periodischer Paralyse (Ptácek et al., 1991; Rojas et al., 1991), kongenitaler Paramyotonie (McClatchey et al., 1992) sowie unerwarteterweise auch bei Migräne (Kahlig et al., 2008), Autismus (Weiss et al., 2003; Han et al., 2012a), Schlaf (Han et al., 2012b) und Multipler Sklerose (Craner et al., 2004). Darüber hinaus hat SSI einen starken Einfluss auf die elektrische Stabilität in erregbaren Zellen, da der Mittelpunkt des Verhältnisses zwischen Inaktivierung und Spannung häufig in der Nähe des Ruhemembranpotenzials der Zelle liegt; daher können scheinbar geringfügige Verschiebungen des Mittelpunkts des Verhältnisses zwischen SSI und Spannung, die durch (Dys-)Modulation oder Punktmutationen verursacht werden, einen starken Einfluss auf die Anzahl der Kanäle haben, die für das Aktionspotenzial zur Verfügung stehen. Das Gating von Natriumkanälen, insbesondere die Inaktivierung, ist also ein biophysikalisches Phänomen, das sich mühelos von der Patch Rig in den klinischen Bereich übertragen lässt, doch ein detailliertes Bild der molekularen Grundlagen, die der Inaktivierung zugrunde liegen, bleibt hartnäckig ungelöst. In dieser Ausgabe des Journal of General Physiology verwenden Capes et al. einen Ansatz zur Deaktivierung des Spannungssensors, um die Identität des molekularen Auslösers für die Inaktivierung systematisch zu untersuchen und die Rolle des Spannungssensors der Domäne vier (DIV S4) in diesem wichtigen physiologischen Prozess zu bestätigen (Capes et al., 2013).

Die schnelle Aktivierung des Natriumkanals treibt den Aufwärtshub des Aktionspotenzials an, aber die schnelle und vollständige Inaktivierung der Natriumleitfähigkeit ist für die rechtzeitige Repolarisierung der Membran und das Refraktärintervall zwischen Aktionspotenzialen unerlässlich. Hodgkin und Huxley haben bereits vor langer Zeit einen Mechanismus beschrieben, bei dem vier in der Membran eingebettete geladene Teilchen, von denen drei mit der Aktivierung (m-Gate) und eines mit der Inaktivierung (h-Gate) assoziiert sind, die spannungsabhängige Natriumleitfähigkeit im Tintenfischaxon hervorrufen (Hodgkin und Huxley, 1952). Diese Vorstellung stimmt mit der Genstruktur des Natriumkanals überein, der vier nicht identische Domänen (DI-DIV) mit jeweils porenauskleidenden S5-p-Loop-S6-Segmenten und einer spannungsempfindlichen Domäne (VSD) enthält, die aus den Segmenten S1-S4 besteht, wobei die S4-Segmente je nach Domäne zwischen drei und sieben positiv geladene Reste enthalten. Mutationen im gesamten Kanal können sich auf das Gating auswirken; diejenigen, die in DIV eingeführt werden, wirken sich jedoch am stärksten auf die Inaktivierung aus (Chahine et al., 1994; McPhee et al., 1994, 1998; Chen et al., 1996; Yang et al., 1996; Lerche et al., 1997). Die schnelle Kinetik der DI-III S4-Bewegung, die mit Hilfe der Voltage-Clamp-Fluorometrie sichtbar gemacht wurde, korreliert eng mit der Aktivierung der Natriumleitfähigkeit, während die relativ langsame Bewegung von DIV S4 mit der Entwicklung der Inaktivierung und der Immobilisierung der Gate-Ladung einhergeht (Cha et al., 1999; Chanda und Bezanilla, 2002). Darüber hinaus modulieren Toxine, die bevorzugt mit dem DIV VSD interagieren, die Kanalinaktivierung auf potente Weise (Hanck und Sheets, 2007; Bosmans et al., 2008; Wang et al., 2011). Eine Fülle von Belegen unterstützt somit die Idee, dass DI-III zur Kanalaktivierung beiträgt und DIV S4 mit der Inaktivierung verbunden ist. Es ist jedoch nicht bekannt, ob die DIV-S4-Aktivierung allein ausreicht, um die Inaktivierung einzuleiten, und ob dieser einzelne Auslöser dafür verantwortlich ist, dass die Inaktivierung sowohl bei offenen als auch bei geschlossenen Kanälen erfolgen kann.

Um diese Frage direkt anzugehen, verwendeten Capes et al. (2013) eine Ladungsneutralisierungsstrategie, bei der die ersten drei S4-Ladungen, die den Großteil der Ladungsbewegung tragen (Sheets et al., 1999), zu Glutamin (Q) mutiert wurden, was zu ladungsneutralen (CN) Spannungssensoren führte. Zusätzlich zur Beeinträchtigung der S4-Spannungsempfindlichkeit und -bewegung befinden sich solche CN-VSDs wahrscheinlich in einer aktiven Konformation, die normalerweise nur bei positiven Potenzialen besucht wird (Bao et al., 1999; Gagnon und Bezanilla, 2009; Capes et al., 2012). Im vorliegenden Fall wurden diese Mutationen einzeln in jedem der vier S4-Segmente der Skelettmuskel-Natriumkanäle vorgenommen, und die resultierenden Kanäle wurden elektrophysiologisch auf Aktivierungs- und Inaktivierungsmerkmale untersucht. Alle vier CN-Natriumkanäle waren funktionsfähig und hatten ein robustes spannungsabhängiges Aktivierungsgating, was auf den ersten Blick überraschend ist, da die S4-Segmente elektrostatisch kastriert worden waren. Wenn jedoch die S4-Neutralisierung die Bewegung des S4-Segments in die aktivierte Konformation fördert, hat man tatsächlich eine Energiebarriere für die Aktivierung beseitigt, was die „normalen“ Leitwert-Spannungs-Beziehungen der VSD-deaktivierten Kanäle erklärt. Was die Inaktivierung betrifft, so waren DI-III CN-Kanäle wiederum recht funktionstolerant, während DIV CN-Kanäle veränderte Inaktivierungseigenschaften im geschlossenen, offenen und inaktivierten Zustand aufweisen. Erstens zeigten DIV-CN-Kanäle eine große hyperpolarisierende Verschiebung im SSI-Mittelpunkt, was darauf hindeutet, dass sie bei negativen Potenzialen „präinaktiviert“ waren, was mit der Hypothese übereinstimmt, dass die DIV-S4-Aktivierung für SSI ausreicht und dass die Mutation das DIV-S4-Segment „präaktiviert“. Zweitens zeigten DIV-CN-Kanäle auch einen beschleunigten und nahezu sofortigen Eintritt in schnell-inaktivierte Zustände, wie mit einem Zwei-Puls-Protokoll ermittelt wurde, um den Beitrag von Aktivierungslatenzen zu vermeiden (Aldrich et al., 1983). Drittens verließen die DIV-CN-Kanäle nach ihrer Inaktivierung den nichtleitenden Zustand mit Verzögerung, und nach ihrer Aktivierung war die Erholung von der Inaktivierung deutlich verlangsamt. Viertens konnten alle drei experimentellen Ergebnisse durch ein Modell des Natriumkanal-Gatings rekapituliert werden, bei dem die Inaktivierung aus dem offenen oder geschlossenen Zustand durch die DIV-S4-Bewegung eingeleitet wird, woraufhin ein Inaktivierungspartikel durch einen schwach spannungsabhängigen Schritt gebunden werden kann. Trotz des Problems, dass die QQQ-Triplett-Mutation jedes S4-Segment funktionell unterschiedlich beeinflussen kann, ergaben die Daten ein klares Ergebnis und stützen zusammen mit früheren Arbeiten die Vorstellung, dass, obwohl alle vier Spannungssensoren bei der Kanalöffnung aktiviert werden, die DIV-S4-Aktivierung allein für die Auslösung sowohl der schnellen als auch der SSI ausreicht, wie in Abb. 1 dargestellt. Der Einfachheit halber wird die stochastische Aktivierung der DI-DIII-VDS als ein einziger Schritt zusammengefasst, der mit der Kanalöffnung endet, wie auf dem Pfad auf der rechten Seite dargestellt. Die anschließende Aktivierung von DIV VSD führt zu zusätzlichen Porenkonformationen (Goldschen-Ohm et al., 2013) und schließlich zur Aktivierung der schnellen Inaktivierung, unten rechts. Die spekulativen Domänenbeiträge, die an der links dargestellten SSI beteiligt sind, werden in der Legende beschrieben und durchlaufen eine Reihe von elektrisch stillen Konformationen (Horn et al., 1981). Führt die Inaktivierung aus offenen oder geschlossenen Zuständen zu einer gemeinsamen nichtleitenden Konformation? Eine ungetestete, aber zwingende Möglichkeit ist, dass die DIV-S4-Aktivierung eine Porenkonformation fördert, die die Inaktivierung durch die Bindung von Bereichen des Kanals zulässt, wie z. B. das DIII-IV-Linkertriplett der Reste IFM, die nachweislich die Inaktivierung unterbrechen, wenn sie mutiert sind (West et al., 1992). Im Falle einer Inaktivierung im geschlossenen Zustand wären die Aktivierung von DIV S4 und die nachfolgenden Konformationen elektrisch stumm, könnten aber dennoch eine ähnliche inaktivierte Konformation mit schnell aktivierten Kanälen teilen. Es ist jedoch auch möglich, dass, wie bei spannungsgesteuerten Kaliumkanälen, unterschiedliche Porenbereiche für verschiedene Arten der Inaktivierung verwendet werden (Choi et al., 1991). Obwohl die Daten mit der Vorstellung übereinstimmen, dass DIV S4 einen einzigen molekularen Schalter für die Inaktivierung im geschlossenen und im offenen Zustand darstellt, gibt es nur wenige molekulare Details über die vorübergehenden Komplexe, die zwischen der DIV S4-Bewegung und der Entwicklung der Inaktivierung gebildet werden, oder über die Lage(n) der mutmaßlichen Porenbereiche, die als Rezeptor für ein Inaktivierungspartikel dienen könnten. Angesichts der vielen mechanistischen Unbekannten in Bezug auf die Inaktivierung von Natriumkanälen ist die Arbeit von Capes et al. (2013), wie die DIV S4-Aktivierung, nur der Anfang der Geschichte.