Kanały sodowe bramkowane napięciem odgrywają główną rolę w wyzwalaniu potencjałów czynnościowych w całym układzie sercowo-naczyniowym i nerwowym, a ich bramkowanie jest niezwykle wrażliwe na zmiany potencjału transmembranowego. Negatywna regulacja przewodnictwa kanałów sodowych zachodzi w procesie zwanym inaktywacją, który może przebiegać od stanu otwartego lub zamkniętego, zwanego odpowiednio „szybką” lub „ustaloną” inaktywacją (SSI). Kiedy przewodnictwo kanałów sodowych jest źle regulowane, dzieją się bardzo złe rzeczy. Na przykład, wrodzone lub nabyte defekty przewodnictwa kanałów sodowych są związane ze spektrum zaburzeń sygnalizacji elektrycznej, w tym zaburzeniami rytmu serca (Wang i in., 1995; Valdivia i in., 2005), padaczką i pierwotną erytmią (zaburzenie bólu obwodowego) (Yang i in., 2004), napadowym ekstremalnym zaburzeniem bólowym (Fertleman i in., 2006), hipokaliemicznym porażeniu okresowym (Ptácek i in., 1991; Rojas i in., 1991), paramyotonii wrodzonej (McClatchey i in., 1992), a także nieoczekiwanej roli w migrenie (Kahlig i in., 2008), autyzmie (Weiss i in., 2003; Han i in., 2012a), śnie (Han i in., 2012b) i stwardnieniu rozsianym (Craner i in., 2004). Co więcej, SSI silnie wpływa na stabilność elektryczną w komórkach pobudliwych, ponieważ punkt środkowy zależności inaktywacja-napięcie jest często bliski spoczynkowemu potencjałowi błonowemu komórki; dlatego pozornie skromne przesunięcia punktu środkowego zależności SSI od napięcia, spowodowane (dys)modulacją lub mutacjami punktowymi, mogą mieć silny wpływ na liczbę kanałów, które są dostępne, aby przyczynić się do powstania potencjału czynnościowego. Tak więc bramkowanie kanałów sodowych, a w szczególności ich inaktywacja, jest zjawiskiem biofizycznym, które z łatwością przenosi się z urządzenia patch rig do warunków klinicznych, jednak szczegółowy obraz podstaw molekularnych leżących u podstaw inaktywacji pozostaje uporczywie nierozwiązany. W tym numerze The Journal of General Physiology, Capes i wsp. zastosowali metodę wyłączania czujnika napięcia, aby systematycznie zbadać tożsamość molekularnego wyzwalacza inaktywacji i potwierdzić rolę czujnika napięcia domeny czwartej (DIV S4) w tym kluczowym procesie fizjologicznym (Capes i wsp., 2013).

Szybka aktywacja kanału sodowego napędza skok potencjału czynnościowego, ale szybka i całkowita inaktywacja przewodnictwa sodowego jest niezbędna dla terminowej repolaryzacji błony i przerwy refrakcyjnej między potencjałami czynnościowymi. Hodgkin i Huxley dokładnie opisali mechanizm, w którym cztery wbudowane w błonę cząsteczki naładowane, trzy związane z aktywacją (bramki m) i jedna z inaktywacją (bramki h), dają początek zależnemu od napięcia przewodnictwu sodowemu w aksonie kałamarnicy (Hodgkin i Huxley, 1952). Idea ta jest zgodna ze strukturą genu kanału sodowego, który zawiera cztery nieidentyczne domeny (DI-DIV), każda z segmentami S5-pętla-S6 wyściełającymi pory oraz domenę wrażliwą na napięcie (VSD) składającą się z segmentów S1-S4, przy czym segmenty S4 zawierają od trzech do siedmiu dodatnio naładowanych reszt, w zależności od domeny. Mutacje w całym kanale mogą wpływać na bramkowanie; jednak te wprowadzone w DIV zwykle najsilniej wpływają na inaktywację (Chahine i in., 1994; McPhee i in., 1994, 1998; Chen i in., 1996; Yang i in., 1996; Lerche i in., 1997). Szybka kinetyka ruchu DI-III S4, wizualizowana za pomocą fluorometrii voltage-clamp, ściśle koreluje z aktywacją przewodnictwa sodowego, podczas gdy względnie powolny ruch DIV S4 pokrywa się z rozwojem inaktywacji i z unieruchomieniem ładunku bramkującego (Cha i in., 1999; Chanda i Bezanilla, 2002). Co więcej, toksyny, które preferencyjnie oddziałują z DIV VSD, silnie modulują inaktywację kanału (Hanck i Sheets, 2007; Bosmans i in., 2008; Wang i in., 2011). Wiele dowodów przemawia za tym, że DI-III przyczyniają się do aktywacji kanałów, a DIV S4 wiąże się z ich inaktywacją. Nie wiadomo jednak, czy sama aktywacja DIV S4 jest wystarczająca do zainicjowania inaktywacji i czy ten pojedynczy wyzwalacz jest odpowiedzialny za umożliwienie inaktywacji zarówno z otwartych, jak i zamkniętych kanałów.

Aby bezpośrednio zmierzyć się z tym pytaniem, Capes i wsp. (2013) zastosowali strategię neutralizacji ładunku, zgodnie z którą pierwsze trzy ładunki S4, które przenoszą większość ruchu ładunku (Sheets i wsp., 1999), zostały zmutowane na glutaminę (Q), co dało w rezultacie neutralne ładunkowo (CN) czujniki napięcia. Poza upośledzeniem wrażliwości na napięcie i ruchu S4, takie CN VSD mogą znajdować się w aktywnej konformacji, która jest zwykle odwiedzana tylko przy dodatnich potencjałach (Bao i in., 1999; Gagnon i Bezanilla, 2009; Capes i in., 2012). W tym przypadku, mutacje te zostały wprowadzone indywidualnie do każdego z czterech segmentów S4 kanałów sodowych mięśni szkieletowych, a powstałe kanały zostały przebadane elektrofizjologicznie pod kątem charakterystyki aktywacji i inaktywacji. Wszystkie cztery kanały sodowe CN były funkcjonalne i miały solidne bramkowanie aktywacyjne zależne od napięcia, co na pierwszy rzut oka jest zaskakujące, biorąc pod uwagę, że segmenty S4 zostały wykastrowane elektrostatycznie. Jednakże, jeśli neutralizacja S4 promuje ruch segmentu S4 do konformacji aktywowanej, to w rzeczywistości usunięto barierę energetyczną dla aktywacji, co wyjaśnia „normalne” relacje konduktancja-napięcie w kanałach wyłączonych przez VSD. Jeśli chodzi o inaktywację, kanały DI-III CN ponownie były dość tolerancyjne funkcjonalnie, podczas gdy kanały DIV CN mają zmienione właściwości inaktywacji ze stanu zamkniętego, otwartego i inaktywowanego. Po pierwsze, kanały DIV CN wykazywały duże hiperpolaryzujące przesunięcie w punkcie środkowym SSI, co sugeruje, że były one „preinaktywowane” przy potencjałach ujemnych, zgodnie z hipotezą, że aktywacja DIV S4 jest wystarczająca do SSI i że mutacja „preaktywuje” segment DIV S4. Po drugie, kanały DIV CN również wykazywały przyspieszone i prawie natychmiastowe wejście w stan szybkiej inaktywacji, jak określono w protokole dwóch impulsów, aby uniknąć wkładu latencji aktywacji (Aldrich i in., 1983). Po trzecie, po inaktywacji, kanały DIV CN z opóźnieniem opuszczają stany nieprzewodzące, a po zainicjowaniu, powrót z inaktywacji był znacznie spowolniony. Po czwarte, wszystkie trzy z tych wyników eksperymentalnych mogą być zrekapitulowane przez model bramkowania kanałów sodowych, w którym inaktywacja, ze stanu otwartego lub zamkniętego, jest inicjowana przez ruch DIV S4, po którym cząsteczka inaktywująca może wiązać się przez słabo zależny od napięcia krok. Pomimo tego, że mutacja tripletu QQQ może funkcjonalnie wpływać na każdy segment S4 inaczej, dane dały jasny wynik i, wraz z wcześniejszymi pracami, wspierają koncepcję, że chociaż wszystkie cztery czujniki napięcia aktywują się w otwarciu kanału, sama aktywacja DIV S4 jest wystarczająca do inicjacji zarówno szybkiego, jak i SSI, jak przedstawiono na Rys. 1. Dla uproszczenia, stochastyczne aktywacje DI-DIII VDSs są połączone jako pojedynczy krok, który kończy się otwarciem kanału, jak pokazano na ścieżce po prawej stronie. Kolejna aktywacja DIV VSD skutkuje dodatkowymi konformacjami porów (Goldschen-Ohm i in., 2013) i ostatecznie aktywacją szybkiej inaktywacji, na dole po prawej. Spekulatywne wkłady domenowe zaangażowane w SSI przedstawione po lewej stronie są opisane w legendzie i przepływają przez serię elektrycznie cichych konformacji (Horn i in., 1981). Czy inaktywacja ze stanu otwartego lub zamkniętego wytwarza wspólną konformację nieprzewodzącą? Jedna z niesprawdzonych, ale przekonywuj±cych możliwo¶ci jest taka, że aktywacja DIV S4 promuje konformację porów, która jest sprzyjaj±ca dla inaktywacji poprzez wi±zanie regionów kanału, takich jak trójk±t ł±cz±cy DIII-IV reszt IFM, które, jak wykazano, zaburzaj± inaktywację, gdy s± zmutowane (West i in., 1992). W przypadku inaktywacji w stanie zamkniętym, aktywacja DIV S4 i kolejne konformacje byłyby elektrycznie nieme, ale nadal mogłyby dzielić podobną konformację w stanie inaktywacji z kanałami szybko aktywowanymi. Jest jednak również możliwe, że tak jak w kanałach potasowych bramkowanych napięciem, różne regiony porów są wykorzystywane do różnych typów inaktywacji (Choi i in., 1991). Chociaż dane te są zgodne z koncepcją, że DIV S4 reprezentuje pojedynczy molekularny przełącznik dla inaktywacji w stanie zamkniętym i otwartym, niewiele molekularnych szczegółów jest dostępnych na temat przejściowych kompleksów tworzonych pomiędzy ruchem DIV S4 a rozwojem inaktywacji lub lokalizacją(ami) przypuszczalnych regionów porów, które mogą służyć jako receptor dla cząsteczki inaktywującej. Rzeczywiście, biorąc pod uwagę wiele mechanistycznych niewiadomych w odniesieniu do inaktywacji kanału sodowego, praca Capes i wsp. (2013), podobnie jak aktywacja DIV S4, jest tylko początkiem historii.

.