Abstract Voltage-gated sodium (Nav) channels mediate rapid millisecond electrical signaling in excitable cells. Auxiliary subunits, β1-β4, are thought to regulate Nav channel function through covalent and/or polar interactions with the channel’ s voltage-sensing domains. How these interactions translate into the diverse and variable regulatory effects of β-subunits remains unclear. Here, we find that the intrinsic movement order of the voltage-sensing domains during channel gating is unexpectedly variable across Nav channel isoforms. This movement order dictates the channel’ s propensity for closed-state inactivation, which in turn modulates the actions of β1 and β3. We show that the differential regulation of skeletal muscle, cardiac, and neuronal Nav channels is explained by their variable levels of closed-state inactivation. Together, this study provides a unified mechanism for the regulation of all Nav channel isoforms by β1 and β3, which explains how the fixed structural interactions of auxiliary subunits can paradoxically exert variable effects on channel function.

Abstract Two-pore channels (TPCs) are activated by PIP 2 binding to domain I and/or by voltage-sensing in domain II (DII). Little is known about how these two stimuli are integrated and how each TPC subtype achieves its unique preference. Here, we show that the distinct conformations of DII-S4 in the voltage-sensor domain determine the two gating modes. DII-S4 takes an intermediate conformation, and forced stabilization in this conformation was found to give or maintain a high PIP 2 -dependence in primarily voltage- dependent TPC3 or in PIP 2 -gated and non-voltage-dependent TPC2, respectively. We also found in TPC2 that a tricyclic antidepressant desipramine induces the DII-S4 based voltage-dependence and that a flavonoid naringenin biases the mode preference from PIP 2 -gating to desipramine-induced voltage-gating. Taken together, our study on TPCs revealed an unprecedented mode-switching mechanism involving conformational changes in DII-S4. This will pave the way for drug development by targeting specific gating modes of TPCs. Significance statement Membrane voltage and PIP 2 are different types of signals on endosomal and lysosomal membranes. The two signals are integrated into two-pore channels (TPCs) whose two repeating domains, DI and DII, play roles in PIP 2 binding and voltage sensing, respectively. We showed that the conformation of the S4 helix in DII determines the voltage-dependent or PIP 2 -dependent gating mode, which explains the different preferences of the two signals between TPC subtypes. The preference for these two gating modes can be changed by a flavonoid, naringenin. Our findings on the molecular mechanism of the two gating modes in TPCs provide a clue to the understanding and pharmacological manipulation of the signaling by PIP 2 and voltage in intracellular organelles.

In this issue of Structure, Chi et al.

Voltage-dependent Ca2+ channels (Cavs) are indispensable for coupling action potentials with Ca2+ signaling in living organisms. The structure of Cavs is similar to that of voltage-dependent Na+ channels (Navs). It is known that prokaryotic Navs can obtain Ca2+ selectivity by negative charge mutations of the selectivity filter, but native prokaryotic Cavs had not yet been identified.Here, we report the first identification of a native prokaryotic Cav, CavMr, and its relative, NavPp. Although CavMr contains a smaller number of negatively charged residues in the selectivity filter than artificial prokaryotic Cavs, CavMr exhibits high Ca2+ selectivity. In contrast, NavPp, which has similar filter sequence to artificial Cavs, mainly allows Na+ to permeate. Interestingly, a NavPp mutant whose selectivity filter was replaced with that of CavMr exhibits high Ca2+ selectivity. Mutational analyses revealed that the glycine residue of the CavMr selectivity filter is a determinant for Ca2+ selectivity. This glycine residue is well conserved among subdomains I and III of eukaryotic Cavs.These findings provide new insight into the Ca2+ selectivity mechanism conserved from prokaryotes to eukaryotes.

Abstract Human ether - à - go - go -related gene potassium channel 1 (hERG) is a voltage-gated potassium channel, the voltage-sensing domain (VSD) of which is targeted by a gating-modifier toxin, APETx1. Although it is known that APETx1 inhibits hERG by stabilizing the resting state, it remains unclear where and how APETx1 interacts with the VSD in the resting state. Here, we prepared a recombinant APETx1, which is structurally and functionally equivalent to the natural product. Electrophysiological analyses using wild type and mutants of APETx1 and hERG revealed that their hydrophobic residues, in addition to a previously reported acidic hERG residue, play key roles in the inhibition of hERG by APETx1. Docking models of the APETx1-VSD complex that satisfy the results of mutational analysis suggest a molecular recognition mode between APETx1 and the resting state of hERG; this would provide a structural basis for designing ligands that control hERG function by binding to the VSD.

Summary Animals have to modify their behavior at the right timing to respond to changes in environments. Yet, the molecular and neural mechanisms regulating the timing of behavioral transition remain largely unknown. Performing forward genetics on a plasticity of thermotaxis behavior in C. elegans , we demonstrated that SLO potassium channels together with a cyclic nucleotide-gated channel CNG-3 determine the timing of the transition of temperature preference after shift of cultivation temperature. We further revealed that SLO and CNG-3 channels regulate the alteration in responsiveness of thermosensory neurons. Our results suggest that the regulation of sensory adaptation is a major determinant of the latency for animals to make decisions in changing behavior. Highlights Slo-1 and SLO-2 K + channels decelerated transition of temperature preference in thermotaxis behavior after upshift of cultivation temperature SLO K + channels slowed down the adaptation of AFD thermosensory neuron to new cultivation temperature A cyclic nucleotide-gated channel CNG-3 functioned together with SLO-2 Thermotaxis serves as could be a model system for early onset epilepsies