Voltstyrda natriumkanaler spelar en central roll i utlösningen av aktionspotentialen i hela det kardiovaskulära systemet och nervsystemet, och deras utlösningsmekanismer är ytterst känsliga för förändringar i transmembranpotentialen. Negativ reglering av natriumkanalens konduktans sker genom en process som kallas inaktivering, som kan ske från antingen det öppna eller det stängda tillståndet, som kallas ”snabb” eller ”steady-state” inaktivering (SSI), respektive. När natriumkanalens konduktans är dåligt reglerad händer mycket dåliga saker. Till exempel är nedärvda eller förvärvade defekter i natriumkanalens konduktans förknippade med ett spektrum av elektriska signalstörningar, inklusive hjärtarytmier (Wang et al., 1995; Valdivia et al., 2005), epilepsi och primär erythermalgi (en perifer smärtstörning) (Yang et al., 2004), paroxysmal extrem smärtstörning (Fertleman et al, 2006), hypokalemisk periodisk paralys (Ptácek et al., 1991; Rojas et al., 1991), paramyotoni medfödd (McClatchey et al., 1992), förutom oväntade roller vid migrän (Kahlig et al., 2008), autism (Weiss et al., 2003; Han et al., 2012a), sömn (Han et al., 2012b) och multipel skleros (Craner et al., 2004). Dessutom påverkar SSI starkt den elektriska stabiliteten i excitabla celler eftersom mittpunkten i relationen inaktivering-spänning ofta ligger nära cellens vilande membranpotential; således kan till synes blygsamma förskjutningar av mittpunkten i relationen SSI-spänning, orsakade av (dys)modulering eller punktmutationer, ha en kraftfull effekt på antalet kanaler som är tillgängliga för att bidra till aktionspotentialen. Natriumkanals gating, och inaktivering i synnerhet, är således ett biofysiskt fenomen som utan ansträngning övergår från plåsterriggen till den kliniska miljön, men en detaljerad bild av den molekylära grund som ligger till grund för inaktivering är fortfarande envist olöst. I det här numret av The Journal of General Physiology använde Capes et al. en spänningssensoravaktiverande metod för att systematiskt undersöka identiteten på den molekylära utlösaren för inaktivering och bekräfta spänningssensorns roll i domän fyra (DIV S4) i denna viktiga fysiologiska process (Capes et al., 2013).

Snabb aktivering av natriumkanalen driver aktionspotentialens uppåtgående slag, men en snabb och fullständig inaktivering av natriumkonduktansen är väsentlig för att membranen ska kunna repolarisera sig i rätt tid och för att det refraktära intervallet mellan aktionspotentialer ska kunna hållas. Hodgkin och Huxley beskrev på förhand en mekanism genom vilken fyra membraninbäddade laddade partiklar, tre associerade med aktivering (m-gate) och en med inaktivering (h-gate), ger upphov till den spänningsberoende natriumkonduktansen i bläckfiskens axon (Hodgkin och Huxley, 1952). Denna idé stämmer överens med natriumkanalens genstruktur som innehåller fyra icke-identiska domäner (DI-DIV), var och en med porförstärkande S5-p-loop-S6-segment och en spänningsdetekterande domän (VSD) som består av S1-S4-segmenten, där S4-segmenten innehåller mellan tre och sju positivt laddade rester, beroende på domän. Mutationer i hela kanalen kan påverka gating; de som introduceras i DIV tenderar dock att påverka inaktiveringen starkast (Chahine et al., 1994; McPhee et al., 1994, 1998; Chen et al., 1996; Yang et al., 1996; Lerche et al., 1997). Den snabba kinetiken hos DI-III S4-rörelsen, som visualiseras genom spänningsklampsfluorometri, korrelerar nära med aktivering av natriumkonduktansen, medan den relativt långsamma rörelsen hos DIV S4 stämmer överens med utvecklingen av inaktivering och med immobiliseringen av gatorladdningen (Cha et al., 1999; Chanda och Bezanilla, 2002). Dessutom modulerar toxiner som företrädesvis interagerar med DIV VSD potent kanalinaktivering (Hanck och Sheets, 2007; Bosmans et al., 2008; Wang et al., 2011). En uppsjö av bevis stöder således idén att DI-III bidrar till kanalaktivering och att DIV S4 är förknippad med inaktivering. Det är dock inte känt om DIV S4-aktivering ensam är tillräcklig för att initiera inaktivering, och om denna enda utlösare är ansvarig för att inaktivering kan fortsätta från både öppna och stängda kanaler.

För att ta itu med denna fråga direkt använde Capes et al. (2013) en strategi för laddningsneutralisering där de tre första S4-laddningarna, som bär upp huvuddelen av laddningsrörelsen (Sheets et al., 1999), muterades till glutamin (Q), vilket resulterade i laddningsneutrala (CN) spänningssensorer. Förutom att försämra S4-spänningskänsligheten och -rörelsen är det troligt att sådana CN-VSD:er befinner sig i en aktiv konformation, som vanligtvis endast besöks vid positiva potentialer (Bao et al., 1999; Gagnon och Bezanilla, 2009; Capes et al., 2012). I det aktuella fallet gjordes dessa mutationer individuellt i vart och ett av de fyra S4-segmenten i skelettmuskelns natriumkanaler, och de resulterande kanalerna förhördes elektrofysiologiskt för aktiverings- och inaktiveringsegenskaper. Alla fyra CN-natriumkanaler var funktionella och hade robust spänningsberoende aktiveringsgating, vilket vid en första anblick är förvånande med tanke på att S4-segmenten hade kastrerats elektrostatiskt. Om S4-neutralisering främjar förflyttning av S4-segmentet till den aktiverade konformationen har man emellertid i själva verket avlägsnat en energibarriär för aktivering, vilket förklarar de ”normala” konduktans-spänningsrelationerna hos VSD-deaktiverade kanaler. När det gäller inaktivering var DI-III CN-kanaler återigen ganska funktionellt toleranta, medan DIV CN-kanaler har förändrade inaktiveringsegenskaper från stängda, öppna och inaktiverade tillstånd. För det första uppvisade DIV CN-kanaler en stor hyperpolariserande förskjutning i SSI-medelpunkten, vilket tyder på att de var ”förinaktiverade” vid negativa potentialer, vilket stämmer överens med hypotesen att DIV S4-aktivering är tillräcklig för SSI och att mutationen ”föraktiverar” DIV S4-segmentet. För det andra uppvisade DIV CN-kanalerna också en accelererad och nästan omedelbar inträde i snabbaktiverade tillstånd enligt ett protokoll med två pulser för att undvika bidrag från aktiveringslatenserna (Aldrich et al., 1983). För det tredje var DIV CN-kanaler efter inaktivering långsamma när det gällde att lämna icke-ledande tillstånd, och när de väl hade inletts var återhämtningen från inaktivering betydligt långsammare. För det fjärde kunde alla dessa tre experimentella resultat återges av en modell för natriumkanals gating där inaktivering, från antingen öppna eller stängda tillstånd, initieras av DIV S4-rörelsen, varefter en inaktiveringspartikel kan binda genom ett svagt spänningsberoende steg. Trots rynkan att QQQQ-trippelmutationen funktionellt kan påverka varje S4-segment på olika sätt, gav data ett tydligt resultat och tillsammans med tidigare arbete stödjer de uppfattningen att även om alla fyra spänningssensorer aktiveras vid kanalöppning, är DIV S4-aktivering ensam tillräcklig för initiering av både snabb- och SSI, som avbildat i figur 1. För enkelhetens skull kombineras den stokastiska aktiveringen av DI-DIII VDS:erna som ett enda steg som slutar med kanalöppning, vilket visas på banan till höger. Den efterföljande aktiveringen av DIV VSD resulterar i ytterligare porkonformationer (Goldschen-Ohm et al., 2013) och den slutliga aktiveringen av snabb inaktivering, längst ner till höger. Spekulativa domänbidrag som är involverade i SSI som porträtteras till vänster beskrivs i legenden och flödar genom en serie elektriskt tysta konformationer (Horn et al., 1981). Producerar inaktivering från öppna eller slutna tillstånd en gemensam icke-ledande konformation? En otestad men övertygande möjlighet är att DIV S4-aktivering främjar en porkonformation som är tillåtande för inaktivering genom bindning av regioner i kanalen, t.ex. länkartripletten DIII-IV av rester IFM, som har visat sig störa inaktiveringen när de är muterade (West et al., 1992). Vid inaktivering i slutet tillstånd skulle DIV S4-aktivering och efterföljande konformationer vara elektriskt tysta men kan fortfarande dela en liknande inaktiverad konformation med snabbt inaktiverade kanaler. Det är dock också möjligt att, som i spänningsstyrda kaliumkanaler, olika porområden används för olika typer av inaktivering (Choi et al., 1991). Även om uppgifterna stämmer överens med uppfattningen att DIV S4 representerar en enda molekylär omkopplare för inaktivering i slutet och öppet tillstånd, finns det få molekylära detaljer om de övergående komplex som bildas mellan DIV S4-rörelsen och utvecklingen av inaktivering eller placeringen/placeringarna av förmodade porregioner som skulle kunna fungera som en receptor för en inaktiveringspartikel. Med tanke på de många mekanistiska okända frågorna när det gäller inaktivering av natriumkanaler är faktiskt artikeln av Capes et al. (2013), liksom DIV S4-aktivering, bara början på historien.

.