Oamenii de ştiinţă au identificat o mutaţie genetică care stă la baza unei forme rare de epilepsie, dezvăluind noi mecanisme moleculare şi celulare prin care această tulburare se manifestă la pacienţi.
Cercetarea, publicată marţi în ediţia online eLife, este descrisă de editori ca având o semnificaţie importantă, deoarece avansează substanţial înţelegerea asupra encefalopatiei KCNQ2.
Specialiştii spun că dovezile sunt convingătoare, metodele utilizate în studiu fiind de ultimă generaţie.
„Encefalopatia KCNQ2 este o tulburare rară de neurodezvoltare cauzată de variante în gena KCNQ2, care furnizează reţeta pentru un tip de canal de potasiu din creier", explică autorul principal Timothy Abreo, student în cadrul programului de studii superioare de genetică şi genomică la Colegiul medical Baylor, din Houston, Statele Unite.
Tulburarea se manifestă, de obicei, prin convulsii care încep la câteva zile după naştere şi prin întârzieri în dezvoltare care durează toată viaţa şi care nu au un tratament actual eficient.
Variantele nou identificate în gena KCNQ2 sunt greu de evaluat, deoarece nu toate sunt cauzatoare de boală, iar motivele pentru care unele variante duc la dezvoltarea bolii sunt prea puţin înţelese, spun specialiştii.
Echipa de cercetare şi-a bazat studiul pe cazul unui copil de sex feminin, născut în Statele Unite, care a suferit crize epileptice ce s-au repetat pe parcursul primei luni de viaţă.
Testele genetice au dezvăluit o singură modificare de aminoacizi - glicina 256 schimbată în triptofan (G256W) - pe o copie a genei KCNQ2, care era anterior necunoscută şi clasificată ca având o semnificaţie clinică incertă.
Studiul echipei a urmărit cu atenţie istoricul clinic şi de dezvoltare al micuţei paciente.
În copilărie, au devenit evidente întârzierile de dezvoltare, iar ulterior copila a fost diagnosticată cu deficienţă vizuală corticală şi tulburare de spectru autist.
Acum, în vârstă de 12 ani, fetiţa este capabilă să folosească un dispozitiv de comunicare adaptat şi să folosească limbajul modificat al semnelor.
Cercetătorii au studiat literatura ştiinţifică şi au găsit ulterior alte trei persoane din Asia şi Uniunea Europeană (UE) cu aceeaşi variantă G256W şi simptome similare cu cele ale pacientei americane.
Această componentă de studiu observaţional a permis echipei să dezvolte caracteristicile specifice care urmau să fie modelate în laborator.
Echipa a examinat structura şi patogenitatea variantei G256W folosind abordări moleculare, celulare şi in vivo.
Cercetătorii au modelat consecinţele structurale ale variantei G256W pe baza structurilor canalului KCNQ2 şi ale altor proteine similare, raportate cu ajutorul microscopiei crioelectronice.
Ca şi alte canale de potasiu, KCNQ2 conţine trei regiuni critice: turela, helixul porului şi filtrul de selectivitate. Variantele care cauzează boli tind să se afle în reziduurile din apropierea filtrului de selectivitate, datorită rolului său crucial care permite circulaţia ionilor.
Cu toate acestea, aminoacidul G256 se află relativ departe de filtrul de selectivitate, ceea ce ar indica, de obicei, că o variantă ar putea fi mai puţin susceptibilă de a provoca boli.
Echipa a descoperit dovezi că G256 ajută la formarea unei reţele de legături de hidrogen care servesc la stabilizarea structurii regiunii de formare a porilor.
Acest lucru a oferit o ipoteză nouă în ceea ce priveşte motivul pentru care o mutaţie de aminoacizi atât de îndepărtată de filtrul de selectivitate ar putea fi patogenă.
În continuare, echipa a efectuat o serie de experimente în care a introdus varianta G256W în celule, alături de genele KCNQ2 şi KCNQ3 normale.
Ei au măsurat activitatea electrică în celule şi au observat că prezenţa variantei G256W a suprimat funcţia genei normale şi a redus curentul ionic generat de celule.
În cele din urmă, au folosit tehnici de editare genetică Crispr/Cas9 şi au generat şoareci purtători ai aceleiaşi variante G256W.
Şoarecii cu G256W au prezentat modificări în distribuţia proteinelor KCNQ2 şi KCNQ3 în creier, în special într-o regiune numită hipocampus, care joacă roluri esenţiale în învăţare şi memorie.
Echipa a descoperit că, în modelele de şoareci, proteinele KCNQ2 şi KCNQ3 au fost deplasate de la locaţia lor obişnuită în segmentele iniţiale ale axonului către soma neuronală.
Alte experimente au arătat că nivelurile proteinei KCNQ2 au fost reduse cu aproximativ 50%, iar neuronii din regiunea CA1 a hipocampusului au prezentat o excitabilitate crescută, ceea ce ar putea indica o susceptibilitate mai mare la crize.
Într-adevăr, şoarecii G256W nou-născuţi şi mai în vârstă au avut convulsii spontane care au dus la o mortalitate prematură ce nu a fost observată la şoarecii de control.
„Luate împreună, constatările studiul arată că prezenţa variantelor KCNQ2 G256W afectează atât aspectele moleculare, cât şi pe cele celulare ale activităţii canalelor KCNQ, inclusiv capacitatea lor de a transporta ioni, expresia şi plasarea în interiorul celulelor", explică autorul principal Edward Cooper, profesor asociat de neurologie, neuroştiinţe şi genetică moleculară şi umană la Colegiul Baylor.
Cercetătorul spune că, aceste modificări se combină probabil pentru a determina patogenitatea variantei şi simptomele sale clinice.
Rezultatele studiului pot fi aplicate la scară largă, deoarece majoritatea pacienţilor cu encefalopatie KCNQ2 au în comun variantele din apropierea filtrului de selectivitate, spun cercetătorii
Autorii încurajează continuarea cercetărilor în acest domeniu pentru a extinde aceste descoperiri.
În special, ei subliniază faptul că, deşi şoarecii cu varianta G256W prezintă crize convulsive spontane şi decese asociate cu aceste crize, animalele nu prezintă debutul foarte timpuriu şi frecvenţa ridicată observate la oamenii cu aceeaşi variantă.
„Această diferenţă merită mai multe investigaţii", scriu ei.
În plus, „deschizătorii selectivi ai KCNQ2, care contracarează efectele G256W in vitro, aşa cum s-a arătat în studiu, ar trebui să fie testaţi la animalele cu mutaţii şi, dacă sunt eficienţi, la oamenii cu variante care cauzează boala KCNQ2", a concluzionat dr. Cooper.
