Voltage-gated sodium channels are essential for the initiation and propagation of the action potential in neurons and other excitable cells. Because of their critical roles in electrical signaling, sodium channels are targets of a variety of naturally occurring and synthetic neurotoxins, including several classes of insecticides. This review is intended to provide an update on the molecular biology of insect sodium channels and the molecular mechanism of pyrethroid resistance. Although mammalian and insect sodium channels share fundamental topological and functional properties, most insect species carry only one sodium channel gene, compared to multiple sodium channel genes found in each mammalian species. Recent studies showed that two posttranscriptional mechanisms, alternative splicing and RNA editing, are involved in generating functional diversity of sodium channels in insects. More than 50 sodium channel mutations have been identified to be responsible for or associated with knockdown resistance (kdr) to pyrethroids in various arthropod pests and disease vectors. Elucidation of molecular mechanism of kdr led to the identification of dual receptor sites of pyrethroids on insect sodium channels. Many of the kdr mutations appear to be located within or close to the two receptor sites. The accumulating knowledge of insect sodium channels and their interactions with insecticides provides a foundation for understanding the neurophysiology of sodium channels in vivo and the development of new and safer insecticides for effective control of arthropod pests and human disease vectors.

Pyrethroid insecticides are widely used as one of the most effective control measures in the global fight against agricultural arthropod pests and mosquito-borne diseases, including malaria and dengue. They exert toxic effects by altering the function of voltage-gated sodium channels, which are essential for proper electrical signaling in the nervous system. A major threat to the sustained use of pyrethroids for vector control is the emergence of mosquito resistance to pyrethroids worldwide. Here, we report the successful expression of a sodium channel, AaNa v 1–1, from Aedes aegypti in Xenopus oocytes, and the functional examination of nine sodium channel mutations that are associated with pyrethroid resistance in various Ae. aegypti and Anopheles gambiae populations around the world. Our analysis shows that five of the nine mutations reduce AaNa v 1–1 sensitivity to pyrethroids. Computer modeling and further mutational analysis revealed a surprising finding: Although two of the five confirmed mutations map to a previously proposed pyrethroid-receptor site in the house fly sodium channel, the other three mutations are mapped to a second receptor site. Discovery of this second putative receptor site provides a dual-receptor paradigm that could explain much of the molecular mechanisms of pyrethroid action and resistance as well as the high selectivity of pyrethroids on insect vs. mammalian sodium channels. Results from this study could impact future prediction and monitoring of pyrethroid resistance in mosquitoes and other arthropod pests and disease vectors.