[Mechanism of action of neurotoxins acting on the inactivation of voltage-gated sodium channels].
Mécanisme(s) d'action des neurotoxines agissant sur l'inactivation des canaux sodium activés par le potentiel de membrane
Résumé
This review focuses on the mechanism(s) of action of neurotoxins acting on the inactivation of voltage-gated Na channels. Na channels are transmembrane proteins which are fundamental for cellular communication. These proteins form pores in the plasma membrane allowing passive ionic movements to occur. Their opening and closing are controlled by gating systems which depend on both membrane potential and time. Na channels have three functional properties, mainly studied using electrophysiological and biochemical techniques, to ensure their role in the generation and propagation of action potentials: 1) a highly selectivity for Na ions, 2) a rapid opening ("activation"), responsible for the depolarizing phase of the action potential, and 3) a late closing ("inactivation") involved in the repolarizing phase of the action potential. As an essential protein for membrane excitability, the Na channel is the specific target of a number of vegetal and animal toxins which, by binding to the channel, alter its activity by affecting one or more of its properties. At least six toxin receptor sites have been identified on the neuronal Na channel on the basis of binding studies. However, only toxins interacting with four of these sites (sites 2, 3, 5 et 6) produce alterations of channel inactivation. The maximal percentage of Na channels modified by the binding of neurotoxins to sites 2 (batrachotoxin and some alkaloids), 3 (alpha-scorpion and sea anemone toxins), 5 (brevetoxins and ciguatoxins) et 6 (delta-conotoxins) is different according to the site considered. However, in all cases, these channels do not inactivate. Moreover, Na channels modified by toxins which bind to sites 2, 5 and 6 activate at membrane potentials more negative than do unmodified channels. The physiological consequences of Na channel modifications, induced by the binding of neurotoxins to sites 2, 3, 5 and 6, are (i) an inhibition of cellular excitability due to an important membrane depolarization (site 2), (ii) a decrease of cellular excitability due to an important increase in the action potential duration (site 3) and (iii) an increase in cellular excitability which results in spontaneous and repetitive firing of action potentials (sites 5 and 6). The biochemical and electrophysiological studies performed with these toxins, as well as the determination of their molecular structure, have given basic information on the function and structure of the Na channel protein. Therefore, various models representing the different states of Na channels have been proposed to account for the neurotoxin-induced modifications of Na inactivation. Moreover, the localization of receptor binding sites 2, 3, 5 et 6 for these toxins on the neuronal Na channel has been deduced and the molecular identification of the recognition site(s) for some of them has been established on the alpha sub-unit forming the Na channel protein.
Cette revue est centrée sur le(s) mécanisme(s) d’action des neurotoxines agissant sur l’inactivation des canaux Na activés par le potentiel de membrane. Les canaux Na sont des protéines transmembranaires fondamentales pour la signalisation électrique cellulaire. Ces protéines forment des pores dans la membrane plasmique dont l’ouverture et la fermeture, contrôlées par un système de « portes » et dépendantes du temps et du potentiel de membrane, permettent des mouvements passifs d’ions. Les canaux Na ont trois propriétés fonctionnelles, principalement étudiées à l’aide de techniques électrophysiologiques et biochimiques, leur permettant d’assurer leur rôle dans la genèse et la propagation du potentiel d’action : (1) une haute sélectivité pour les ions Na, (2) une ouverture rapide (« activation ») responsable de la phase ascendante du potentiel d’action et (3) une fermeture tardive (« inactivation ») intervenant au niveau de la phase descendante du potentiel d’action. En tant que protéine fondamentale pour l’excitabilité membranaire, le canal Na est la cible spécifique de diverses toxines animales et végétales qui, en se fixant sur le canal, altèrent son activité en affectant l’une ou/et l’autre de ses propriétés. Au moins six sites de fixation des toxines ont été mis en évidence au niveau du canal Na neuronal. Cependant, seules les toxines interagissant avec quatre d’entre eux (sites 2, 3, 5 et 6) provoquent une altération de l’inactivation du canal. Bien que le pourcentage maximal de canaux Na modifiés par la fixation des neurotoxines sur les sites 2 (batrachotoxine et certains alcaloïdes), 3 (toxines de scorpion et toxines d’anémone de mer), 5 (brévétoxines et ciguatoxines) et 6 (-conotoxines) soit différent selon le site considéré, il n’en demeure pas moins que dans tous les cas, ces canaux ne s’inactivent pas. De plus, les canaux Na modifiés par les toxines se fixant sur les sites 2, 5 et 6 s’activent à des valeurs de potentiel de membrane plus négatives que les canaux Na non modifiés. Les conséquences physiologiques des modifications des canaux Na, induites par la fixation des neurotoxines sur les sites 2, 3, 5 et 6, sont (i) une inhibition de l’excitabilité cellulaire due à une dépolarisation importante de la membrane (site 2), (ii) une diminution de l’excitabilité cellulaire due à une forte augmentation de la durée des potentiels d’action (site 3) et (iii) une augmentation de l’excitabilité membranaire qui se traduit par l’apparition de potentiels d’action spontanés et répétitifs (sites 5 et 6). Les études biochimiques et électrophysiologiques réalisées avec ces toxines, ainsi que la détermination de leur structure moléculaire, ont permis d’obtenir des informations sur le fonctionnement et la structure du canal Na. Ainsi, plusieurs modèles représentant les différents états des canaux Na ont été proposés pour rendre compte des modifications de leur inactivation provoquées par les neurotoxines. De plus, la localisation des sites 2, 3, 5 et 6 de fixation de ces toxines en a été déduite sur le canal Na neuronal et l’identification moléculaire du (des) site(s) de reconnaissance de certaines d’entre elles a été établie au niveau de la sous-unité constituant la protéine-canal Na.