Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1052110.32607/20758251-2014-6-4-10-26ReviewsОбзорыResearch ArticleMechanisms of Activation of Voltage-Gated Potassium ChannelsМеханизмы активации потенциал-управляемых калиевых каналовGrizelA. V.ГризельА. В.
Russian Federation
sokolova@mail.bio.msu.ruGlukhovG. S.ГлуховГ. С.
Russian Federation
sokolova@mail.bio.msu.ruSokolovaO. S.СоколоваО. С.
Russian Federation
sokolova@mail.bio.msu.ruSaint Petersburg State UniversityСанкт-Петербургский государственный университетMoscow State MV Lomonosov UniversityМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова1512201464VOL 6, NO4 (2014)ТОМ 6, №4 (2014)102617012020Copyright ©; 2014, Grizel A.V., Glukhov G.S., Sokolova O.S.Copyright ©; 2014, Гризель А.В., Глухов Г.С., Соколова О.С.2014Grizel A.V., Glukhov G.S., Sokolova O.S.Гризель А.В., Глухов Г.С., Соколова О.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10521

Voltage-gated potassium ion channels (Kv) play an important role in a variety of cellular processes, including the functioning of excitable cells, regulation of apoptosis, cell growth and differentiation, the release of neurotransmitters and hormones, maintenance of cardiac activity, etc. Failure in the functioning of Kv channels leads to severe genetic disorders and the development of tumors, including malignant ones. Understanding the mechanisms underlying Kv channels functioning is a key factor in determining the cause of the diseases associated with mutations in the channels, and in the search for new drugs. The mechanism of activation of the channels is a topic of ongoing debate, and a consensus on the issue has not yet been reached. This review discusses the key stages in studying the mechanisms of functioning of Kv channels and describes the basic models of their activation known to date.

Калиевые потенциал-управляемые каналы (Kv) играют важную роль в разнообразных клеточных процессах, таких, как функционирование возбудимых клеток, регуляция апоптоза, клеточной дифференцировки и роста, выделение нейротрансмиттеров, гормонов, обеспечение сердечной деятельности и др. Нарушение функционирования Kv-каналов приводит к тяжелым наследственным заболеваниям и развитию опухолей, в том числе злокачественных. Понимание механизмов функционирования Kv-каналов - ключевой фактор для определения причин заболеваний, связанных с мутациями каналов, и поиска новых лекарственных средств. Механизм активации каналов - тема продолжающихся дебатов, и консенсус в этом вопросе пока не достигнут. В данном обзоре рассмотрены ключевые этапы изучения механизмов функционирования Kv-каналов и описаны основные модели их активации, известные к настоящему времени.

activationpotassium ion channelsmodelingstructureактивациякалиевые ионные каналымоделированиеструктураThe authors are grateful to Prof. G.V. Maksimov (Moscow State University) for fruitful discussions. This work was in part funded by a grant from the Seventh Framework Program of the European Union (EDICT #201924). A.V. Grizel is supported by the Development Program of St. Petersburg State University (#1.50.1038.2014).Работа частично финансирована грантом Седьмой Рамочной программы Евросоюза (EDICT #201924). А.В. Гризель получает финансирование за счет Программы развития СанктПетербургского государственного университета (№ 1.50.1038.2014).[1] Yu F.H., Yarov-Yarovoy V., Gutman G.A., Catterall W.A. // Pharmacol. Rev. 2005, V.57, P.387-395[2] Gutman G.A., Chandy K.G., Grissmer S., Lazdunski M., McKinnon D., Pardo L.A., Robertson G.A., Rudy B., Sanguinetti M.C., Stühmer W., Wang X. // Pharmacol. Rev. 2005, V.57, P.473-508[3] Hoshi T., Zagotta W.N., Aldrich R.W. // Science. 1990, V.250, P.533-538[4] Yellen G. // Nature 2002, V.419, P.35-42[5] Bosma M.M., Hille B. // Endocrinology. 1992, V.130, P.3411-3420[6] Pal S.K., Takimoto K., Aizenman E., Levitan E.S. // Cell Death. Differ. 2006, V.13, P.661-667[7] Deutsch C., Chen L.Q. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1993, V.90, P.10036-10040[8] Singer-Lahat D., Sheinin A., Chikvashvili D., Tsuk S., Greitzer D., Friedrich R., Feinshreiber L., Ashery U., Benveniste M., Levitan E.S. // J. Neurosci. 2007, V.27, P.1651-1658[9] MacDonald P.E., Sewing S., Wang J., Joseph J.W., Smukler S.R., Sakellaropoulos G., Saleh M.C., Chan C.B., Tsushima R.G., Salapatek A.M. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, P.44938-44945[10] Kim S.J., Widenmaier S.B., Choi W.S., Nian C., Ao Z., Warnock G., McIntosh C.H. // Cell Death. Differ. 2012, V.19, P.333-344[11] Wang Q., Curran M.E., Splawski I., Burn T.C., Millholland J.M., VanRaay T.J., Shen J., Timothy K.W., Vincent G.M., de Jager T. // Nat. Genet. 1996, V.12, P.17-23[12] Wray D. // Eur. Biophys. J. 2009, V.38, P.271-272[13] Watanabe H., Nagata E., Kosakai A., Nakamura M., Yokoyama M., Tanaka K., Sasai H. // J. Neurochem. 2000, V.75, P.28-33[14] Beekwilder J.P., O’Leary M.E., van den Broek L.P., van Kempen G.T., Ypey D.L., van den Berg R.J. // J. Pharmacol. Exp. Ther. 2003, V.304, P.531-538[15] Camacho J. // Cancer Lett. 2006, V.233, P.1-9[16] Milescu M., Lee H.C., Bae C.H., Kim J.I., Swartz K.J. // J. Gen. Physiol. 2013, V.141, P.203-216[17] Thomas D., Wimmer A.B., Wu K., Hammerling B.C., Ficker E.K., Kuryshev Y.A., Kiehn J., Katus H.A., Schoels W., Karle C.A. // Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 2004, V.369, P.462-472[18] Ikeda M., Tomita Y., Mouri A., Koga M., Okochi T., Yoshimura R., Yamanouchi Y., Kinoshita Y., Hashimoto R., Williams H.J. // Biological Psychiatry 2010, V.67, P.263-269[19] Sokolova O. // FEBS Lett. 2004, V.564, P.251-256[20] Carrington J.C., Freed D.D. // Virology Journal 1990, V.64, P.1590-1597[21] Long S.B., Campbell E.B., Mackinnon R. // Science. 2005, V.309, P.897-903[22] Brandt F., Etchells S.A., Ortiz J.O., Elcock A.H., Hartl F.U., Baumeister W. // Cell. 2009, V.136, P.261-271[23] Myasnikov A.G., Afonina Z.A., Klaholz B.P. // Ultramicroscopy. 2013, V.126, P.33-39[24] Doyle D.A., Morais Cabral J., Pfuetzner R.A., Kuo A., Gulbis J.M., Cohen S.L., Chait B.T., MacKinnon R. // Science. 1998, V.280, P.69-77[25] Lu Z., Klem A.M., Ramu Y. // J. Gen. Physiol. 2002, V.120, P.663-676[26] Lu Z., Klem A.M., Ramu Y. // Nature 2001, V.413, P.809-813[27] Labro A.J., Raes A.L., Grottesi A., van Hoorick D., Sansom M.S., Snyders D.J. // J. Gen. Physiol. 2008, V.132, P.667-680[28] Barghaan J., Bahring R. // J. Gen. Physiol. 2009, V.133, P.205-224[29] Batulan Z., Haddad G.A., Blunck R. // J. Biol. Chem. 2010, V.285, P.14005-14019[30] Haddad G.A., Blunck R. // J. Gen. Physiol. 2011, V.137, P.455-472[31] Pischalnikova A.V., Sokolova O.S. // J. Neuroimmune Pharmacol. 2009, V.4, P.71-82[32] Leicher T., Bahring R., Isbrandt D., Pongs O. // J. Biol. Chem. 1998, V.273, P.35095-35101[33] Shi G., Nakahira K., Hammond S., Rhodes K. J., Schechter L.E., Trimmer J.S. // Neuron. 1996, V.16, P.843-852[34] Wray D. // Eur. Biophys. J. 2004, V.33, P.194-200[35] Rasmusson R.L., Morales M.J., Wang S., Liu S., Campbell D.L., Brahmajothi M.V., Strauss H.C. // Circ. Res. 1998, V.82, P.739-750[36] Sigworth F.J. // Q. Rev. Biophys. 1994, V.27, P.1-40[37] Rettig J., Heinemann S.H., Wunder F., Lorra C., Parcej D.N., Dolly J.O., Pongs O. // Nature 1994, V.369, P.289-294[38] Armstrong C.M., Bezanilla F. // J. Gen. Physiol. 1977, V.70, P.567-590[39] Zagotta W.N., Hoshi T., Aldrich R.W. // Science. 1990, V.250, P.568-571[40] Blunck R., Cordero-Morales J.F., Cuello L.G., Perozo E., Bezanilla F. // J. Gen. Physiol. 2006, V.128, P.569-581[41] Cordero-Morales J.F., Cuello L.G., Zhao Y., Jogini V., Cortes D.M., Roux B., Perozo E. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2006, V.13, P.311-318[42] Cordero-Morales J.F., Cuello L.G., Perozo E. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2006, V.13, P.319-322[43] Jiang Y., Lee A., Chen J., Ruta V., Cadene M., Chait B.T., MacKinnon R. // Nature 2003, V.423, P.33-41[44] Long S.B., Tao X., Campbell E.B., MacKinnon R. // Nature 2007, V.450, P.376-382[45] Laine M., Lin M.C., Bannister J.P., Silverman W.R., Mock A.F., Roux B., Papazian D.M. // Neuron. 2003, V.39, P.467-481[46] Ruta V., Chen J., MacKinnon R. // Cell. 2005, V.123, P.463-475[47] Posson D.J., Ge P., Miller C., Bezanilla F., Selvin P.R. // Nature 2005, V.436, P.848-851[48] Chanda B., Asamoah O.K., Blunck R., Roux B., Bezanilla F. // Nature 2005, V.436, P.852-856[49] Yarov-Yarovoy V., Baker D., Catterall W.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006, V.103, P.7292-7297[50] Campos F.V., Chanda B., Roux B., Bezanilla F. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007, V.104, P.7904-7909[51] Grabe M., Lai H.C., Jain M., Jan Y.N., Jan L.Y. // Nature 2007, V.445, P.550-553[52] Lewis A., Jogini V., Blachowicz L., Laine M., Roux B. // J. Gen. Physiol. 2008, V.131, P.549-561[53] Pathak M.M., Yarov-Yarovoy V., Agarwal G., Roux B., Barth P., Kohout S., Tombola F., Isacoff E.Y. // Neuron. 2007, V.56, P.124-140[54] Khalili-Araghi F., Jogini V., Yarov-Yarovoy V., Tajkhorshid E., Roux B., Schulten K. // Biophys. J. 2010, V.98, P.2189-2198[55] Vargas E., Bezanilla F., Roux B. // Neuron. 2011, V.72, P.713-720[56] Jensen M.O., Jogini V., Borhani D.W., Leffler A.E., Dror R.O., Shaw D.E. // Science. 2012, V.336, P.229-233[57] Yarov-Yarovoy V., DeCaen P.G., Westenbroek R.E., Pan C.Y., Scheuer T., Baker D., Catterall W.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012, V.109, P.93-102[58] Goldstein S.A., Miller C. // Biophys. J. 1992, V.62, P.5-7[59] Gandhi C.S., Isacoff E.Y. // J. Gen. Physiol. 2002, V.120, P.455-463[60] Li-Smerin Y., Hackos D.H., Swartz K.J. // Neuron. 2000, V.25, P.411-423[61] Schonherr R., Mannuzzu L.M., Isacoff E.Y., Heinemann S.H. // Neuron. 2002, V.35, P.935-949[62] Schoppa N.E., McCormack K., Tanouye M.A., Sigworth F.J. // Science. 1992, V.255, P.1712-1715[63] Seoh S.A., Sigg D., Papazian D.M., Bezanilla F. // Neuron. 1996, V.16, P.1159-1167[64] Aggarwal S.K., MacKinnon R. // Neuron. 1996, V.16, P.1169-1177[65] Starace D.M., Stefani E., Bezanilla F. // Neuron. 1997, V.19, P.1319-1327[66] Starace D.M., Bezanilla F. // J. Gen. Physiol. 2001, V.117, P.469-490[67] Larsson H.P., Baker O.S., Dhillon D.S., Isacoff E.Y. // Neuron. 1996, V.16, P.387-397[68] Baker O.S., Larsson H.P., Mannuzzu L.M., Isacoff E.Y. // Neuron. 1998, V.20, P.1283-1294[69] Papazian D.M., Shao X.M., Seoh S.A., Mock A.F., Huang Y., Wainstock D.H. // Neuron. 1995, V.14, P.1293-1301[70] Tiwari-Woodruff S.K., Schulteis C.T., Mock A.F., Papazian D.M. // Biophys. J. 1997, V.72, P.1489-1500[71] Tiwari-Woodruff S.K., Lin M.A., Schulteis C.T., Papazian D.M. // J. Gen. Physiol. 2000, V.115, P.123-138[72] Li-Smerin Y., Hackos D.H., Swartz K.J. // J. Gen. Physiol. 2000, V.115, P.33-50[73] Gandhi C.S., Clark E., Loots E., Pralle A., Isacoff E.Y. // Neuron. 2003, V.40, P.515-525[74] Elinder F., Mannikko R., Larsson H.P. // J. Gen. Physiol. 2001, V.118, P.1-10[75] Elinder F., Arhem P., Larsson H.P. // Biophys. J. 2001, V.80, P.1802-1809[76] Mannuzzu L.M., Moronne M.M., Isacoff E.Y. // Science. 1996, V.271, P.213-216[77] Yusaf S.P., Wray D., Sivaprasadarao A. // Pflugers Arch. 1996, V.433, P.91-97[78] Cha A., Ruben P.C., George A.L., Jr. I.O., Fujimoto E., Bezanilla F. // Neuron. 1999, V.22, P.73-87[79] Glauner K.S., Mannuzzu L.M., Gandhi C.S., Isacoff E.Y. // Nature 1999, V.402, P.813-817[80] Bezanilla F., Perozo E., Stefani E. // Biophys. J. 1994, V.66, P.1011-1021[81] Jiang Y., Ruta V., Chen J., Lee A., MacKinnon R. // Nature 2003, V.423, P.42-48[82] Lee S.Y., Lee A., Chen J., MacKinnon R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005, V.102, P.15441-15446[83] Yang N., George A.L., Jr. I.O., Horn R. // Neuron. 1996, V.16, P.113-122[84] Starace D.M., Bezanilla F. // Nature 2004, V.427, P.548-553[85] Ahern C.A., Horn R. // J. Gen. Physiol. 2004, V.123, P.205-216[86] Gonzalez C., Rosenman E., Bezanilla F., Alvarez O., Latorre R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001, V.98, P.9617-9623[87] Durell S.R., Shrivastava I.H., Guy H.R. // Biophys. J. 2004, V.87, P.2116-2130[88] Durell S.R., Hao Y., Guy H.R. // J. Struct. Biol. 1998, V.121, P.263-284[89] Asamoah O.K., Wuskell J.P., Loew L.M., Bezanilla F. // Neuron. 2003, V.37, P.85-97[90] Islas L.D., Sigworth F.J. // J. Gen. Physiol. 2001, V.117, P.69-89[91] Bezanilla F. // Physiol. Rev. 2000, V.80, P.555-592[92] Jiang Q.X., Wang D.N., MacKinnon R. // Nature 2004, V.430, P.806-810[93] Neale E.J., Elliott D.J., Hunter M., Sivaprasadarao A. // J. Biol. Chem. 2003, V.278, P.29079-29085[94] Clayton G.M., Altieri S., Heginbotham L., Unger V.M., Morais-Cabral J.H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008, V.105, P.1511-1515[95] Villalba-Galea C.A., Sandtner W., Starace D.M., Bezanilla F. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008, V.105, P.17600-17607[96] Bjelkmar P., Niemela P.S., Vattulainen I., Lindahl E. // PLoS Comput. Biol. 2009, V.5, P.e1000289[97] Vieira-Pires R.S., Morais-Cabral J.H. // J. Gen. Physiol. 2010, V.136, P.585-592[98] Broomand A., Elinder F. // Neuron. 2008, V.59, P.770-777[99] Chen X., Wang Q., Ni F., Ma J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, V.107, P.11352-11357[100] Tombola F., Pathak M.M., Gorostiza P., Isacoff E.Y. // Nature 2007, V.445, P.546-549[101] Ramsey I.S., Mokrab Y., Carvacho I., Sands Z.A., Sansom M.S., Clapham D.E. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2010, V.17, P.869-875[102] Wood M.L., Schow E.V., Freites J.A., White S.H., Tombola F., Tobias D.J. // Biochim. Biophys. Acta. 2012, V.1818, P.286-293[103] Horn R., Ding S., Gruber H.J. // J. Gen. Physiol. 2000, V.116, P.461-476[104] del Camino D., Kanevsky M., Yellen G. // J. Gen. Physiol. 2005, V.126, P.419-428[105] Pathak M., Kurtz L., Tombola F., Isacoff E. // J. Gen. Physiol. 2005, V.125, P.57-69[106] Zagotta W.N., Hoshi T., Aldrich R.W. // J. Gen. Physiol. 1994, V.103, P.321-362[107] Schmidt D., Jiang Q.X., MacKinnon R. // Nature 2006, V.444, P.775-779[108] Guy H.R., Seetharamulu P. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1986, V.83, P.508-512[109] Khalili-Araghi F., Jogini V., Yarov-Yarovoy V., Tajkhorshid E., Roux B., Schulten K. // Biophys. J. 2010, V.98, P.2189-2198[110] Ahern C.A., Horn R. // Neuron. 2005, V.48, P.25-29[111] Freites J.A., Tobias D.J., White S.H. // Biophys. J. 2006, V.91, №90, P.92[112] Sands Z.A., Sansom M.S. // Structure. 2007, V.15, P.235-244[113] Jogini V., Roux B. // Biophys. J. 2007, V.93, P.3070-3082[114] Tao X., Lee A., Limapichat W., Dougherty D.A., MacKinnon R. // Science. 2010, V.328, P.67-73[115] Delemotte L., Tarek M., Klein M.L., Amaral C., Treptow W. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011, V.108, P.6109-6114[116] Henrion U., Zumhagen S., Steinke K., Strutz-Seebohm N., Stallmeyer B., Lang F., Schulze-Bahr E., Seebohm G. // Cell Physiol. Biochem. 2012, V.29, P.809-818[117] Cole K.S., Moore J.W. // Biophys. J. 1960, V.1, P.1-14[118] Lin M.C., Hsieh J.Y., Mock A.F., Papazian D.M. // J. Gen. Physiol. 2011, V.138, P.155-163[119] Tao X., MacKinnon R. // J. Mol. Biol. 2008, V.382, P.24-33[120] Madin K., Sawasaki T., Kamura N., Takai K., Ogasawara T., Yazaki K., Takei T., Miura K. I., Endo Y. // FEBS Lett. 2004, V.562, P.155-159[121] Jensen M.O., Borhani D.W., Lindorff-Larsen K., Maragakis P., Jogini V., Eastwood M.P., Dror R.O., Shaw D.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, V.107, P.5833-5838[122] Schwarz T.L., Tempel B.L., Papazian D.M., Jan Y.N., Jan L.Y. // Nature 1988, V.331, P.137-142[123] Zhou Y., Morais-Cabral J.H., Kaufman A., MacKinnon R. // Nature 2001, V.414, P.43-48[124] Berneche S., Roux B. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003, V.100, P.8644-8648[125] Vargas E., Yarov-Yarovoy V., Khalili-Araghi F., Catterall W.A., Klein M.L., Tarek M., Lindahl E., Schulten K., Perozo E., Bezanilla F. // J. Gen. Physiol. 2012, V.140, P.587-594[126] Delemotte L., Treptow W., Klein M.L., Tarek M. // Biophys. J. 2010, V.99, P.72-74[127] Tarek M., Delemotte L. // Acc. Chem. Res. 2013, V.46, P.2755-2762