Functional characterization of different epilepsy associated SCN2A and CACNA1E mutations

Abstract

Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen weltweit. Epilepsie kann viele unterschiedliche Ätiologien haben. Monogetische Veränderungen machen einen kleinen Bruchteil hieran aus. In dieser Arbeit wurden Mutationen in zwei Genen untersucht, die bei Patienten mit genetischer Epilepsie gefunden wurden. Diese kodieren für einen Kalzium- oder für einen Natriumkanal Bei einem französischen Patienten mit fokaler Epilepsie und schwerer geistiger Retardierung wurde die c.632 G>A (p.G211D) Mutation in SCN2A, einem bereits bekannten Epilepsiegen, gefunden. SCN2A kodiert NaV1.2, einen der Hauptnatriumkanäle des menschlichen Gehirns während der Phasen der neuronalen Entwicklung. Die Mutation wurde in das Wildtyp Gen eingeführt und in tsA201 Zellen überexprimiert. Voltage-clamp Aufnahmen der transfizierten Zellen zeigten eine Verschiebung der Aktivierungskurve um -7mV und einen fraglichen kleineren Reststrom im Vergleich zum Wildtyp-Kanal. Wir gehen davon aus, dass der hauptsächliche Funktionsgewinn in diesem Kanal, welcher aus der Verschiebung der Aktivierungskurve resultiert, der Grund für die Erkrankung des Patienten ist. Der kleinere Reststrom könnte Hinweis auf einen zusätzlichen Funktionsverlust sein. In einer weiteren weltweiten Kollaboration wurden Mutationen im neuen Epilepsiegen CACNA1E bei 30 Kindern mit frühkindlicher Epilepsie und geistiger Retardierung identifiziert. Die meisten Patienten waren schwer betroffen und zeigten eine pharmakoresistente Epilepsie, sowie eine kongenitale Hypotonie und Kontrakturen. CACNA1E kodiert den im zentralen Nervensystem weithin exprimierten R-Typ Kalzium Kanal CaV2.3. Die drei Missense-Mutationen c.2093 T>C (p.F698S), c.2101 A>G (p.I701V) und c.2104 G>A (p.A702T) wurden in das Wildtyp- Gen eingeführt und heterolog in tsA201 Zellen exprimiert. Elektrophysiologische Messungen dieser transfizierten nicht-neuronalen Zellen mit der Patch-clamp Technik zeigten einen charakteristischen elektrophysiologischen Phänotyp, der aus einer Verschiebung der Aktivierungskurve in die negative Richtung, sowie einer verlängerten Inaktivierung im Vergleich zum Wildtyp bestand. Wir gehen davon aus, dass dieser sehr konsistente Funktionsgewinn in diesem Kanal der Grund für die Erkrankung der Patienten ist.

Epilepsy is one of the most common neurological diseases worldwide. Even though many etiologies exist, only a small percentage of epilepsy cases can be traced back to monogenetic alterations. In this work, mutations in two genes, encoding a sodium or a calcium channel, that occur in patients with genetic epilepsy were studied. A patient in France with focal epilepsy and severe intellectual disability was diagnosed with the c.632 G>A (p.G211D) mutation in SCN2A, a well-known epilepsy gene. SCN2A encodes for NaV1.2, one of the main sodium channels in the human brain during early stages of development. The mutation was introduced into the wild type gene and overexpressed in tsA201 cells. Voltage clamp recordings of the transfected cells showed a -7 mV shift in the voltage dependence of activation and a debatable smaller persistent current compared to the wild type channel. We suspect the major gain of function in the channel, resulting out of the shift in the activation curve, to be the main cause of disease in this patient. Furthermore, the reduced persistent current might indicate an additional loss of function. In another worldwide collaborative study, mutations in the novel epilepsy gene CACNA1E were identified in 30 children with early infantile epilepsy and developmental delay. Most patients were severely affected and showed pharmacoresistant epilepsy and congenital hypotonia and contractures. CACNA1E encodes the R-Type calcium channel CaV2.3, which is widely expressed in the central nervous system. Three missense mutations c.2093 T>C (p.F698S), c.2101 A>G (p.I701V), and c.2104 G>A (p.A702T) were introduced into the wild type gene and expressed heterologously in tsA201 cells. Voltage clamp recordings of the transfected non-neuronal cells showed a distinctive electrophysiological phenotype with a shift of the voltage dependence of activation to more negative values and a prolonged inactivation in comparison to the wild type. We suspect that this very consistent gain of function in the channel is the cause of disease in these patients.