Inhaltszusammenfassung:
Schwere Epilepsien mit Entwicklungsverzögerungen werden durch Mutationen in Genen verursacht, die an der Neurotransmission beteiligt sind. Eine seltene Ursache sind hierbei epileptogene Varianten in den Untereinheiten des GABA-Rezeptors Typ A (GABAAR), einem der wichtigsten inhibitorischen, ligandengesteuerten Ionenkanäle des Gehirns.
Diese Studie präsentiert vier Individuen mit schweren entwicklungsbedingten und epileptischen Enzephalopathien (DEEs), die drei neue Varianten in hochkonservierten Regionen des GABRB1-Gens aufweisen, das für die ubiquitär exprimierte β1-Untereinheit kodiert: c.740T>C:p.Ile247Thr, c.841A>T:p.Thr281Ser und c.854C>A:p.Thr285Lys. Einschließlich einer zuvor beschriebenen DEE-assoziierten Variante, c.860C>T:p.Thr287Ile, wurden die Varianten hinsichtlich orthologer und paraloger Konservierung evaluiert, mit zuvor beschriebenen Varianten in GABAAR-Untereinheiten verglichen, entsprechende bakterielle Vektoren kloniert, mRNA synthetisiert und injiziert und mutierte sowie Wildtyp-Kanäle in vitro in X. laevis Oozyten exprimiert. Mittels Zwei-Elektroden-Spannungsklemme wurden hiervon GABA-induzierte Ströme aufgezeichnet, um die funktionalen Mechanismen zwischen genetischem Befund und epileptischem Phänotyp zu evaluieren.
T285K verursachte einen totalen Funktionsverlust (LoF) mit Mangel an GABA-induzierten Strömen, wohingegen I247T, T281S und T287I einen Funktionsgewinn (GoF) mit starker Zunahme (6,9-15,5-facher Verstärkung) der GABA-Potenz vorwiesen. Kollaborationspartner zeigten später eine starke (~100-fache) Zunahme der GABA Potenz, entsprechend einem GoF für T285K. Ergänzend zu den Erkenntnissen dieser Studie, etabliert dies eine Genotyp-Phänotyp Korrelation zwischen GABRB1 GoF-Varianten and schweren DEEs, wie sie bereits für Varianten in anderen GABAAR Untereinheiten, insbesondere GABRB3 demonstriert wurde.
Bei nur einer zuvor funktionell charakterisierten GABRB1-Variante wurde GABRB1 hierbei vollständig als ein mit DEEs und Epilepsie im Allgemeinen assoziiertem Gen etabliert. Die Ergebnisse dieser Studie untermauern den Paradigmenwechsel hin zur Anerkennung der Rolle von GABAAR GoF-Varianten in der Epileptogenese. Dies impliziert, neben der Notwendigkeit weiterer Studien um diese Mechanismen zu untersuchen, eine nuanciertere Sichtweise der gängigen Erklärung, dass eine LoF-induzierte Reduktion der GABAAR-vermittelten neuronalen Hemmung Übererregbarkeit verursacht, die zu epileptischen Anfällen führt. Insbesondere für GoF-Patienten sind aktuell wenige therapeutische Optionen verfügbar und Studien, die neue Behandlungsansätze erforschen, verbleiben dringend erforderlich.
Abstract:
Severe epilepsies with developmental delay and intellectual disability are caused by variants in genes involved in neurotransmission. A rare cause includes epileptogenic variants in the subunits of the GABA receptor type A (GABAAR), the mammalian brain's most important inhibitory ligand-gated ion channels.
This study presents four individuals with severe developmental and epileptic encephalopathies (DEEs), carrying three new variants in highly conserved regions of the GABRB1 gene, encoding the ubiquitously expressed β1 subunit: c.740T>C:p.Ile247Thr, c.841A>T:p.Thr281Ser and c.854C>A:p.Thr285Lys. Including a previously reported DEE-associated variant, c.860C>T:p.Thr287Ile, this study assessed ortholog and paralog conservation, compared the variants to previously reported GABAAR subunit variants, assembled the respective bacterial vectors, synthesized and injected subunit mRNA, and functionally expressed mutant and wild-type channels in vitro in X. laevis oocytes. GABA responses were recorded via two-electrode voltage clamp recordings to assess the functional mechanisms that link the genetic findings and epileptic phenotypes.
T285K caused a total loss-of-function (LoF) with absence of GABA-evoked responses, while I247T, T281S, and T287I caused a gain-of-function (GoF) with a stark (6.9-15.5-fold) increase in GABA sensitivity. Collaborators later showed a strong (~100-fold) GABA sensitivity increase GoF effect for T285K. Supplementing this study’s findings, this establishes a clear genotype-phenotype correlation between GABRB1 GoF variants and severe DEEs, as previously shown for other GABAAR subunit variants, notably GABRB3.
With only one GABRB1 variant previously functionally characterized, this fully establishes GABRB1 as a gene linked to DEEs and epilepsy in general. This study’s findings underpin the paradigmatic shift towards acknowledging the role of GABAAR GoF variants in epileptogenesis. This calls for further studies and a more nuanced view of the predominant explanation that LoF-induced reduction of GABAAR-mediated neuronal inhibition causes hyperexcitability, resulting in epileptic seizures. With few therapeutic options available today, particularly for GoF patients, studies exploring novel treatment approaches are greatly needed.
Genetics