Voltage-gated natrium kanalen spelen een centrale rol in de actiepotentiaal vuren in het cardiovasculaire en zenuwstelsel, en hun gating is uiterst gevoelig voor veranderingen in transmembraanpotentiaal. Negatieve regulatie van de geleiding van natriumkanalen vindt plaats via een proces dat inactivatie wordt genoemd, en dat kan plaatsvinden vanuit de open of gesloten toestand, respectievelijk “snelle” of “steady-state” inactivatie (SSI) genoemd. Wanneer de geleiding van natriumkanalen slecht geregeld is, kunnen er zeer slechte dingen gebeuren. Bijvoorbeeld, geërfde of verworven defecten in de geleiding van natrium kanalen zijn geassocieerd met een spectrum van elektrische signaal stoornissen, waaronder hartritmestoornissen (Wang et al., 1995; Valdivia et al., 2005), epilepsie en primaire erythermalgie (een perifere pijn stoornis) (Yang et al., 2004), paroxysmale extreme pijn stoornis (Fertleman et al., 2006), hypokalemische periodieke verlamming (Ptácek et al., 1991; Rojas et al., 1991), paramyotonia congenital (McClatchey et al., 1992), naast onverwachte rollen bij migraine (Kahlig et al., 2008), autisme (Weiss et al., 2003; Han et al., 2012a), slaap (Han et al., 2012b), en multiple sclerose (Craner et al., 2004). Bovendien beïnvloedt SSI de elektrische stabiliteit in exciteerbare cellen sterk omdat het midden van de inactivatie-spanningsrelatie vaak in de buurt ligt van het rustmembraanpotentiaal van de cel; dus schijnbaar bescheiden verschuivingen in het midden van de SSI versus spanningsrelatie, veroorzaakt door (dys)modulatie of puntmutaties, kunnen een krachtig effect hebben op het aantal kanalen dat beschikbaar is om bij te dragen aan de actiepotentiaal. Natrium kanaal gating, en inactivatie in het bijzonder, is dus een biofysisch fenomeen dat moeiteloos de patch rig overstijgt naar de klinische setting, maar een gedetailleerd beeld van de moleculaire basis die ten grondslag ligt aan inactivatie blijft hardnekkig onopgelost. In dit nummer van The Journal of General Physiology, gebruikten Capes et al. een spanningssensor-uitschakelaanpak om systematisch de identiteit van de moleculaire trigger voor inactivatie te onderzoeken en de rol voor de domein vier (DIV S4) spanningssensor in dit belangrijke fysiologische proces te bevestigen (Capes et al., 2013).

Snelle activering van het natriumkanaal drijft de opgaande slag van de actiepotentiaal aan, maar snelle en volledige inactivatie van de natriumgeleiding is essentieel voor tijdige membraanrepolarisatie en het refractaire interval tussen actiepotentialen. Hodgkin en Huxley beschreven een mechanisme waarbij vier in het membraan ingebedde geladen deeltjes, drie geassocieerd met activering (m-poorten) en één met inactivering (h-poort), aanleiding geven tot de spanningsafhankelijke natriumgeleiding in inktvis axon (Hodgkin en Huxley, 1952). Dit idee is consistent met de genstructuur van het natriumkanaal dat vier niet-identieke domeinen (DI-DIV) bevat, elk met porie-lijnende S5-p-lus-S6 segmenten en een spanningsgevoelig domein (VSD) dat bestaat uit de S1-S4 segmenten, waarbij de S4 segmenten tussen drie en zeven positief geladen residuen bevatten, afhankelijk van het domein. Mutaties in het gehele kanaal kunnen de gating beïnvloeden; de mutaties in DIV hebben echter de neiging de inactivering het sterkst te beïnvloeden (Chahine et al., 1994; McPhee et al., 1994, 1998; Chen et al., 1996; Yang et al., 1996; Lerche et al., 1997). De snelle kinetiek van DI-III S4 beweging, zoals gevisualiseerd door voltage-clamp fluorometrie, correleert nauw met de activering van natrium geleiding, terwijl de relatief langzame beweging van DIV S4 in lijn ligt met de ontwikkeling van inactivatie en met de immobilisatie van de gating lading (Cha et al., 1999; Chanda en Bezanilla, 2002). Bovendien moduleren toxines die bij voorkeur interageren met de DIV VSD krachtig de kanaalinactivatie (Hanck en Sheets, 2007; Bosmans et al., 2008; Wang et al., 2011). Aldus ondersteunt een overvloed aan bewijsmateriaal het idee dat DI-III bijdragen tot kanaal activering en DIV S4 geassocieerd is met inactivering. Het is echter niet bekend of DIV S4-activering alleen voldoende is om inactivatie te initiëren, en of deze enkele trigger verantwoordelijk is voor het mogelijk maken van inactivatie van zowel open als gesloten kanalen.

Om deze vraag direct aan te pakken, gebruikten Capes et al. (2013) een ladingsneutralisatiestrategie waarbij de eerste drie S4-lasten, die het grootste deel van de ladingsbeweging dragen (Sheets et al., 1999), werden gemuteerd tot glutamine (Q), wat resulteerde in ladingsneutrale (CN) spanningssensoren. Dergelijke CN-spanningssensoren belemmeren niet alleen de S4-spanningsgevoeligheid en -beweging, maar bevinden zich waarschijnlijk ook in een actieve conformatie, die gewoonlijk alleen bij positieve potentialen wordt bezocht (Bao et al., 1999; Gagnon en Bezanilla, 2009; Capes et al., 2012). In dit geval werden deze mutaties individueel aangebracht in elk van de vier S4-segmenten van skeletspier-natriumkanalen, en de resulterende kanalen werden elektrofysiologisch ondervraagd op activerings- en inactiveringskenmerken. Alle vier CN natriumkanalen waren functioneel en hadden een robuuste spanningsafhankelijke activeringsgating, wat op het eerste gezicht verrassend is, gezien het feit dat de S4 segmenten elektrostatisch geneutraliseerd waren. Echter, als S4 neutralisatie de beweging van het S4 segment naar de geactiveerde conformatie bevordert, heeft men in feite een energiebarrière voor activering verwijderd, hetgeen de “normale” conductantie-spanningsrelaties van VSD-geactiveerde kanalen verklaart. Wat inactivatie betreft, waren DI-III CN-kanalen opnieuw vrij functioneel tolerant, terwijl DIV CN-kanalen gewijzigde inactivatie-eigenschappen hebben van gesloten, open, en geïnactiveerde toestanden. Ten eerste, DIV CN kanalen vertoonden een grote hyperpolariserende verschuiving in de SSI middelpunt, wat suggereert dat ze “voorgeïnactiveerd” bij negatieve potentialen, in overeenstemming met de hypothese dat DIV S4 activering is voldoende voor SSI en dat de mutatie “pre-inactiveert” de DIV S4 segment. Ten tweede vertoonden DIV CN kanalen ook een versnelde en bijna ogenblikkelijke intrede in snel-geïnactiveerde toestanden, zoals bepaald door een twee-pulsen protocol om de bijdrage van activeringslatenties te vermijden (Aldrich et al., 1983). Ten derde, eenmaal geïnactiveerd, bleven de DIV CN kanalen achter bij het verlaten van de niet-geleidende toestand, en eenmaal geïnactiveerd, werd het herstel van de inactivatie aanzienlijk vertraagd. Ten vierde, alle drie deze experimentele resultaten konden gerecapituleerd worden door een model van natriumkanaal gating waarbij inactivatie, vanuit open of gesloten toestand, geïnitieerd wordt door DIV S4 beweging, waarna een inactivatiedeeltje zich kan binden via een zwak spanningsafhankelijke stap. Ondanks de rimpel dat de QQQ triplet mutatie functioneel elk S4 segment verschillend kan beïnvloeden, leverden de gegevens een duidelijk resultaat op en ondersteunen ze, samen met vroeger werk, de notie dat, hoewel alle vier spanningssensoren activeren bij kanaalopening, DIV S4 activatie alleen voldoende is voor initiatie van zowel snelle als SSI, zoals afgebeeld in Fig. 1. Voor de eenvoud, zijn de stochastische activering van de DI-DIII VDSs gecombineerd als een enkele stap die eindigt met kanaal opening, zoals weergegeven op het pad aan de rechterkant. De daaropvolgende activering van DIV VSD resulteert in extra porieconformaties (Goldschen-Ohm et al., 2013), en de uiteindelijke activering van snelle inactivatie, rechtsonder. Speculatieve domeinbijdragen betrokken bij SSI links zijn beschreven in de legenda en lopen door een reeks van elektrisch stille conformaties (Horn et al., 1981). Leidt inactivering vanuit open of gesloten toestand tot een gemeenschappelijke niet-geleidende conformatie? Een ongeteste maar overtuigende mogelijkheid is dat DIV S4 activatie een porieconformatie bevordert die permissief is voor inactivatie door de binding van delen van het kanaal, zoals het DIII-IV linker triplet van residuen IFM, waarvan is aangetoond dat ze inactivatie verstoren wanneer ze gemuteerd zijn (West et al., 1992). In het geval van inactivering in gesloten toestand, zouden DIV S4 activering en daaropvolgende conformatie elektrisch stil zijn, maar toch een gelijkaardige inactieve conformatie delen met snel-geïnactiveerde kanalen. Het is echter ook mogelijk dat, zoals in spanningsafhankelijke kalium kanalen, verschillende poriegebieden gebruikt worden voor verschillende types van inactivering (Choi et al., 1991). Hoewel de gegevens consistent zijn met het idee dat DIV S4 een enkele moleculaire schakelaar voor inactivatie in gesloten en open toestand vertegenwoordigt, zijn er weinig moleculaire details beschikbaar over de voorbijgaande complexen die gevormd worden tussen DIV S4 beweging en de ontwikkeling van inactivatie of de locatie(s) van veronderstelde poriegebieden die zouden kunnen dienen als receptor voor een inactivatiedeeltje. Inderdaad, gezien de vele mechanistische onbekenden met betrekking tot natriumkanaal inactivatie, is het artikel van Capes et al. (2013), net als DIV S4 activering, slechts het begin van het verhaal.