Ein erhöhter "Subschwellen"-Natrium-Strom als neuer Mechanismus einer familiären Epilepsie mit einer SCN2A Mutation

Benigne neonatal-infantile Anfälle (BFNIS) werden durch Mutationen im SCN2A-Gen verursacht, welches den spannungsabhängigen Natrium-Kanal NaV1.2 kodiert. Bei Patienten mit der meist selbstlimitierenden autosomal-dominanten Erkrankung BFNIS sind Missense-Mutationen im SCN2A-Gen beschrieben. Im Gegensatz dazu wurden aber auch einige SCN2A de novo Mutationen bei Patienten mit schwerwiegender epileptischer Enzephalopathie gefunden. Wir berichten hier von einer BFNIS Familie von Madagaskar mit neun betroffenen Individuen in vier Generationen, bei denen eine neue SCN2A-Mutation identifiziert wurde, und charakterisierten deren funktionelle Auswirkungen. Der Zeitpunkt des Anfallbeginns reichte vom dritten bis zum neunten Lebensmonat, wobei die Anfälle häufig in „Clustern“ und bei einem Individuum auch in Form eines Status epilepticus auftraten. Bei zwei Patienten konnten iktale EEGs mit fokalem Anfallsmuster mit und auch ohne sekundäre Generalisierung aufgezeichnet werden. Die Anfälle sistierten zwischen dem fünften und 18. Lebensmonat, teilweise auch ohne antiepileptische Medikation. Die psychomotorische und intellektuelle Entwicklung war bei allen Patienten unauffällig. Die direkte Sequenzierung von SCN2A ergab eine neue heterozygote Missense-Mutation, c.4766A>G, die einen Aminosäuren-Austausch p.Tyr1589Cys in einer hochkonservierten Region des NaV1.2-Kanals (D4/S2-S3) voraussagte. Diese Mutation kosegregierte mit dem klinischen Phänotyp und wurde nicht in normalen Kontrollen gefunden. Funktionelle Untersuchungen in einem heterologen Säugerzell-Expressionssystem mit tsA201-Zellen und der „whole-cell Patch-Clamp Technik“ ergab eine Verschiebung der steady-state Inaktivierung hin zu depolarisierteren Potentialen, einen erhöhten persistierenden Natriumstrom, eine Verlangsamung der schnellen Inaktivierung, sowie eine beschleunigte Erholung von der schnellen Inaktivierung. Darüber hinaus beobachteten wir bei der Anwendung eines Aktionspotentials als komplexem physiologischen Stimulus in „voltage-clamp“-Experimenten einen erhöhten Natrium-Einwärtsstrom bei unterschwelligen Spannungen. In der Gesamtschau weisen alle von uns dargestellten elektrophysiologischen Veränderungen – die „current density“ ausgenommen - auf einen Funktionsgewinn hin. Somit ist von einem durch die Mutation bedingten erhöhten Natrium-Einwärtsstrom und einer dadurch gesteigerten neuronalen Exzitabilität der Neurone auszugehen. Aufgrund der spezifischen Verteilung im zerebralen Kortex, der besonders hohen Expression in exzitatorischen pyramidalen Neuronen, wie auch dem Auftreten von ganz selektiven „Clustern“ an den Ranvier’schen Schnürringen, könnten die veränderten Eigenschaften der NaV1.2-Kanäle besonders die Funktionsweise von exzitatorischen Neuronen beeinträchtigen und dadurch eine Übererregbarkeit von neuronalen Netzwerken verursachen, was die erhöhte Suszeptibilität der Patienten für Anfälle erklären kann

Loss or gain of function? Effects of ion channel mutations on neuronal firing depend on the neuron type

IntroductionClinically relevant mutations to voltage-gated ion channels, called channelopathies, alter ion channel function, properties of ionic currents, and neuronal firing. The effects of ion channel mutations are routinely assessed and characterized as loss of function (LOF) or gain of function (GOF) at the level of ionic currents. However, emerging personalized medicine approaches based on LOF/GOF characterization have limited therapeutic success. Potential reasons are among others that the translation from this binary characterization to neuronal firing is currently not well-understood—especially when considering different neuronal cell types. In this study, we investigate the impact of neuronal cell type on the firing outcome of ion channel mutations.MethodsTo this end, we simulated a diverse collection of single-compartment, conductance-based neuron models that differed in their composition of ionic currents. We systematically analyzed the effects of changes in ion current properties on firing in different neuronal types. Additionally, we simulated the effects of known mutations in KCNA1 gene encoding the KV1.1 potassium channel subtype associated with episodic ataxia type 1 (EA1).ResultsThese simulations revealed that the outcome of a given change in ion channel properties on neuronal excitability depends on neuron type, i.e., the properties and expression levels of the unaffected ionic currents.DiscussionConsequently, neuron-type specific effects are vital to a full understanding of the effects of channelopathies on neuronal excitability and are an important step toward improving the efficacy and precision of personalized medicine approaches

Genome-wide identification and phenotypic characterization of seizure-associated copy number variations in 741,075 individuals

Copy number variants (CNV) are established risk factors for neurodevelopmental disorders with seizures or epilepsy. With the hypothesis that seizure disorders share genetic risk factors, we pooled CNV data from 10,590 individuals with seizure disorders, 16,109 individuals with clinically validated epilepsy, and 492,324 population controls and identified 25 genome-wide significant loci, 22 of which are novel for seizure disorders, such as deletions at 1p36.33, 1q44, 2p21-p16.3, 3q29, 8p23.3-p23.2, 9p24.3, 10q26.3, 15q11.2, 15q12-q13.1, 16p12.2, 17q21.31, duplications at 2q13, 9q34.3, 16p13.3, 17q12, 19p13.3, 20q13.33, and reciprocal CNVs at 16p11.2, and 22q11.21. Using genetic data from additional 248,751 individuals with 23 neuropsychiatric phenotypes, we explored the pleiotropy of these 25 loci. Finally, in a subset of individuals with epilepsy and detailed clinical data available, we performed phenome-wide association analyses between individual CNVs and clinical annotations categorized through the Human Phenotype Ontology (HPO). For six CNVs, we identified 19 significant associations with specific HPO terms and generated, for all CNVs, phenotype signatures across 17 clinical categories relevant for epileptologists. This is the most comprehensive investigation of CNVs in epilepsy and related seizure disorders, with potential implications for clinical practice