Исследование выявило генетическую мутацию, лежащую в основе редкой формы эпилепсии, и выявило новые молекулярные и клеточные механизмы, посредством которых это заболевание проявляется у пациентов.
Исследование, опубликованное сегодня в виде рецензируемого препринта в журнале eLife , описывается редакторами как имеющее фундаментальное значение, поскольку оно существенно расширяет наше понимание энцефалопатии KCNQ2. Они описывают используемые методы как самые современные, предоставляя убедительные доказательства.
«KCNQ2-энцефалопатия — это редкое нарушение развития нервной системы, вызванное вариантами гена KCNQ2, который обеспечивает тип калиевого канала мозга», — объясняет ведущий автор Тимоти Абрео, студент аспирантуры по генетике и геномике в Медицинском колледже Бэйлора. Хьюстон, Техас, США. «Расстройство обычно проявляется в виде судорог, начинающихся через несколько дней после рождения, и задержки развития, которая сохраняется на всю жизнь и не требует эффективного текущего лечения».
Недавно выявленные варианты гена KCNQ2 трудно оценить, поскольку не каждый вариант вызывает заболевание, а причины, по которым некоторые варианты действительно приводят к заболеванию, плохо изучены.
Исследование исследовательской группы началось, когда у девочки, родившейся в США, случились эпилептические припадки , которые повторялись в течение первого месяца жизни. Генетическое тестирование выявило единственное изменение аминокислоты — глицин 256 заменен на триптофан (G256W) — в одной копии гена KCNQ2, которое ранее было неизвестно и классифицировалось как имеющее неопределенное клиническое значение.
Исследование команды тщательно охарактеризовало клиническую историю и историю развития молодого пациента. В младенчестве стала очевидна задержка в развитии, и впоследствии у нее диагностировали корковые нарушения зрения и расстройство аутистического спектра. Сейчас ей 12 лет, и она может использовать адаптивное коммуникационное устройство для отправки запросов и использовать модифицированный язык жестов. Исследователи проследили за научной литературой и позже обнаружили еще трех человек в Азии и ЕС с тем же вариантом G256W и симптомами, похожими на пациента из США. Этот компонент наблюдательного исследования позволил команде указать особенности, которые нужно смоделировать в лаборатории.
Команда исследовала структуру и патогенность варианта G256W, используя молекулярный, клеточный и in vivo подходы. Они смоделировали структурные последствия варианта G256W на основе данных криоэлектронной микроскопии о структурах канала KCNQ2 и других подобных белков канала.
Как и другие калиевые каналы, KCNQ2 содержит три критические области: турель, спираль поры и селективный фильтр. Болезнетворные варианты обычно располагаются в остатках рядом с селективным фильтром из-за его решающей роли, обеспечивающей поток ионов. Однако аминокислота G256 находится относительно далеко от селективного фильтра, что обычно указывает на то, что вариант с меньшей вероятностью может вызвать заболевание.
Команда обнаружила доказательства того, что G256 помогает формировать сеть водородных связей, которые служат для стабилизации структуры области образования пор. Это дало новую гипотезу о том, почему аминокислотная мутация, столь далекая от селективного фильтра, может быть патогенной.
Затем Абрео и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они ввели вариант G256W в клетки наряду с нормальными генами KCNQ2 и KCNQ3. Они измерили электрическую активность в клетках и заметили, что присутствие варианта G256W подавляет функцию нормального гена и снижает ионный ток, генерируемый клетками.
Наконец, они использовали методы редактирования генов Crispr/Cas9 и создали мышей, несущих тот же вариант G256W. У мышей с G256W наблюдались изменения в распределении белков KCNQ2 и KCNQ3 в мозге, особенно в области, называемой гиппокампом, которая играет важную роль в обучении и памяти. Они обнаружили, что в мышиных моделях белки KCNQ2 и KCNQ3 были смещены из своего обычного местоположения в начальных сегментах аксонов в соматы нейронов.
Другие эксперименты показали, что уровни белка KCNQ2 снизились примерно на 50%, а нейроны в области CA1 гиппокампа показали повышенную возбудимость, что потенциально указывает на большую предрасположенность к судорогам. Действительно, у новорожденных и пожилых мышей G256W наблюдались спонтанные судороги, которые приводили к преждевременной смертности, не наблюдавшейся у контрольных мышей.
«В совокупности наше исследование показывает, что наличие вариантов KCNQ2 G256W влияет как на молекулярные, так и на клеточные аспекты активности каналов KCNQ, включая их способность переносить ионы, экспрессию и размещение внутри клеток», — объясняет старший автор Эдвард Купер, доцент кафедры неврологии. , нейробиология, молекулярная и генетика человека в Медицинском колледже Бэйлора. «Эти изменения, вероятно, в совокупности определяют патогенность варианта и его клинические симптомы».
«Наши результаты могут быть широко применимы, поскольку большинство пациентов с энцефалопатией KCNQ2 имеют общие варианты вблизи селективного фильтра», — добавляет Абрео.
Родители ребенка из США, которые также являются соавторами статьи, сыграли решающую 10-летнюю роль в исследовании, делясь своей историей, способствуя контактам между клиницистами и учеными-лабораторами и помогая доктору Куперу построить многоинституциональную лабораторная группа, которая создала и проанализировала мышей.
«Как родители и руководители возглавляемого родителями фонда, представляющего глобальные последствия KCNQ2, мы рады видеть, что эти исследования открывают новые тайны этого расстройства. Такой прогресс — это путь к улучшению результатов лечения пациентов и точной медицинской терапии», — сказал Джим Джонсон. , отец пострадавшего ребенка из США и президент KCNQ2 Cure Alliance*.
Авторы поощряют дальнейшие исследования в этой области, чтобы расширить свои выводы. В частности, они подчеркивают, что, хотя у мышей с вариантом G256W наблюдаются спонтанные судорожные припадки и связанная с ними смерть, у них не наблюдается такого раннего начала и высокой частоты, как у людей с тем же вариантом.
«Эта разница заслуживает дальнейшего изучения», — написали они. Кроме того, «селективные открыватели KCNQ2, которые противодействуют эффектам G256W in vitro, как показано в нашем исследовании, должны быть протестированы на мутантных животных и, если они эффективны, на людях с вариантами, вызывающими заболевание KCNQ2», — говорит доктор Купер.
