突然変異のホットスポットを同定することで、KCNQ2てんかん脳症の病態メカニズムが明らかになった

Identifying mutation hotspots reveals pathogenetic mechanisms of KCNQ2 epileptic encephalopathy.

• Jiaren Zhang
• Eung Chang Kim
• Congcong Chen
• Erik Procko
• Shashank Pant
• Kin Lam
• Jaimin Patel
• Rebecca Choi
• Mary Hong
• Dhruv Joshi
• Eric Bolton
• Emad Tajkhorshid
• Hee Jung Chung

抄録

K7チャネルは軸索形質膜に集中しており、その電圧依存性カリウム電流が神経細胞の興奮性を抑制する。K7.2およびK7.3サブユニットの変異はてんかん性脳症(EE)を引き起こすが、その根本的な病因は明らかにされていない。ここでは、新しい統計的アルゴリズムと構造モデルを用いて、電圧センシングS4、細孔ループ、細孔ドメイン内のS6、細胞内カルモジュリン結合ヘリックスBおよびヘリックスB-Cリンカーを含むK7.2の主要な機能ドメインにおけるEE変異のホットスポットを同定した。これらのホットスポットから選択されたEE変異を解析した結果、S4のL203PはK7.2チャネルの電圧依存性の大きな脱分極シフトを誘導し、細孔のL268Fはその電流密度を低下させることが明らかになった。L268Fは海馬ニューロンにおける異性体チャネルの発現を著しく低下させ、内部化には影響を与えなかったが、遠位らせんBのK552TとR553Lの変異はカルモデュリン結合を低下させ、軸索の濃縮度を低下させた。重要なことは、L268F、K552T、R553Lの変異は、ホスファチジルイノシトール4,5-二リン酸（PIP）を増加させることで電流増強を阻害し、分子動力学シミュレーションではPIPとこれらの残基との相互作用が示唆されていることである。これらの知見は、各EE変異体がK7チャネル機能とニューロン発現の欠陥のユニークな組み合わせを引き起こすことを示しており、K7関連EEの病態生理を理解するためには、予測アルゴリズムと実験的な検証の両方が必要であることを示唆している。

K7 channels are enriched at the axonal plasma membrane where their voltage-dependent potassium currents suppress neuronal excitability. Mutations in K7.2 and K7.3 subunits cause epileptic encephalopathy (EE), yet the underlying pathogenetic mechanism is unclear. Here, we used novel statistical algorithms and structural modeling to identify EE mutation hotspots in key functional domains of K7.2 including voltage sensing S4, the pore loop and S6 in the pore domain, and intracellular calmodulin-binding helix B and helix B-C linker. Characterization of selected EE mutations from these hotspots revealed that L203P at S4 induces a large depolarizing shift in voltage dependence of K7.2 channels and L268F at the pore decreases their current densities. While L268F severely reduces expression of heteromeric channels in hippocampal neurons without affecting internalization, K552T and R553L mutations at distal helix B decrease calmodulin-binding and axonal enrichment. Importantly, L268F, K552T, and R553L mutations disrupt current potentiation by increasing phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP), and our molecular dynamics simulation suggests PIP interaction with these residues. Together, these findings demonstrate that each EE variant causes a unique combination of defects in K7 channel function and neuronal expression, and suggest a critical need for both prediction algorithms and experimental interrogations to understand pathophysiology of K7-associated EE.