Alternierende Hemiplegie des Kindesalters: Understanding the Genotype-Phenotype Relationship of ATP1A3 Variations

Introduction

Erstmals 1971 von Verret und Steele bei 8 Kindern beschrieben,1 wurde das Syndrom der alternierenden Hemiplegie des Kindesalters (AHC, OMIM #614820) erst 9 Jahre später von Krägeloh und Aicardi definiert,2 die fünf neue Fälle beschrieben und die bisherigen Berichte zur Nosologie dieser Entität überprüften. Spezifische diagnostische Kriterien für AHC, die sogenannten „Aicardi-Kriterien“, wurden erstmals 1993 vorgeschlagen.3 Seitdem wurden die ursprünglichen Kriterien regelmäßig aktualisiert, um die klinische Anerkennung dieser besonderen neurologischen Entwicklungsstörung zu unterstützen.4-7

Im Jahr 2012 identifizierten zwei unabhängige Forschungsgruppen – ein internationales Konsortium8 und eine deutsche Gruppe9 – de novo heterozygote Mutationen im ATP1A3 als Ursache von AHC. Kurz darauf wiederholte eine japanische Studie diesen Befund10 und lieferte damit weitere Beweise dafür, dass ATP1A3-Mutationen AHC verursachen.

Heterozygote ATP1A3-Mutationen waren bereits für eine andere Entität verantwortlich, die zuvor klinisch beschrieben worden war: Rapid-onset Dystonia-Parkinsonism (RDP, DYT12, OMIM #128235), eine seltene und eigentümliche Bewegungsstörung, die autosomal dominant vererbt wird.11 Im Jahr 2014 wurde berichtet, dass ATP1A3 eine weitere neurologische Entität verursacht: das CAPOS-Syndrom (OMIM #601338) (cerebellar ataxia, areflexia, pes cavus, optic atrophy and sensorineural hearing loss).12,13 Darüber hinaus sind in den letzten Jahren zwei weitere Phänotypen im Zusammenhang mit ATP1A3-Mutationen aufgetaucht: die frühkindliche Epilepsie mit Enzephalopathie (EIEE)14,15 und der Phänotyp der rezidivierenden Enzephalopathie mit zerebellärer Ataxie (RECA).16,17

Die meisten Patienten mit pathogenen ATP1A3-Varianten lassen sich einem dieser Phänotypen zuordnen,18 denen eine sich kaum überschneidende Untergruppe von ursächlichen Mutationen zugrunde liegt.19,20 Dennoch zeigen einige Personen atypische Merkmale oder kombinieren Merkmale von zwei oder mehr dieser Hauptphänotypen.20-24 Andererseits wurde berichtet, dass einige pathogene Varianten selbst in ein und derselben Familie unterschiedliche Phänotypen hervorrufen.4,25-27 Daher wurde vorgeschlagen, ATP1A3-bezogene Störungen eher als klinisches Kontinuum denn als eigenständige Entitäten zu betrachten, mit einem altersabhängigen Muster des Auftretens und Fortschreitens der verschiedenen Anzeichen und Symptome.16,18,19

Trotz der zunehmenden Zahl von Berichten, die Zwischenformen und Überschneidungen zwischen den wichtigsten ATP1A3-verwandten Phänotypen beschreiben, bleibt AHC ein klar definiertes und erkennbares Syndrom, dessen klinische Identifizierung für die Ausrichtung molekularer Untersuchungen unerlässlich ist.

In dieser Übersicht fassen wir das Wissen über AHC zusammen und konzentrieren uns dabei auf klinisch-diagnostische Hinweise, Genotyp-Phänotyp-Korrelationen und funktionelle Auswirkungen von ATP1A3-Varianten dieser Erkrankung.

Klinische Merkmale

Klassische AHC

AHC ist eine besondere neurologische Entwicklungsstörung, die durch eine Konstellation von paroxysmalen neurologischen Manifestationen gekennzeichnet ist, unter denen wiederkehrende Episoden von Hemiplegie, die beide Körperseiten betreffen und sich in der Lateralität abwechseln, das Markenzeichen dieser Krankheit sind.18 Tetraplegische Anfälle können isoliert oder als Generalisierung eines hemiplegischen Anfalls auftreten. Zu den paroxysmalen Manifestationen gehören außerdem tonische oder dystonische Anfälle (entweder an einer Extremität, einem Hemibody oder generalisiert), okulomotorische Anomalien und dysautonomische Phänomene (ein- oder beidseitige Mydriasis, Flush, Blässe), die allein oder in Verbindung mit hemiplegischen Anfällen auftreten können.19 Paroxysmale Episoden treten in der Regel vor dem 18. Lebensmonat auf, wobei das mittlere Alter für den Beginn der Erkrankung 3-5 Monate beträgt. Der Beginn kann jedoch von der Neugeborenenperiode bis zum Alter von 4 Jahren reichen.

Paroxysmale abnorme Augenbewegungen (einschließlich monokularem und binokularem Nystagmus, Strabismus, diskonjugiertem Blick, Augenwackeln, Augenflattern) sind oft die ersten neurologischen Manifestationen und treten isoliert vor dem Beginn anderer paroxysmaler Anfälle auf.28

Paroxysmale Ereignisse erkennen typischerweise emotionale oder umweltbedingte Triggerfaktoren (Bewegung, Exposition gegenüber Licht, Geräuschen oder heißem Wasser, bestimmte Nahrungsmittel), während die Symptome durch Schlaf und Zeiten nach dem Aufwachen gelindert werden.7 Es wurde über eine große Variabilität in der Dauer und Häufigkeit der Paroxysmen berichtet, selbst bei ein und demselben Patienten, die von Minuten bis zu ganzen Tagen dauern und bis zu mehrmals am Tag auftreten können.28

Neben den paroxysmalen Manifestationen ist die AHC auch durch anhaltende, interiktale neurologische Anomalien gekennzeichnet, deren Prävalenz mit dem Alter zunimmt. Entwicklungsstörungen (Sprach- und Sprechverzögerung, kognitive Defizite, Verhaltensprobleme) mit unterschiedlichem Schweregrad sind der häufigste Befund, gefolgt von Dysarthrie, Ataxie, Chorea, Dystonie und, seltener, Pyramidenbahnzeichen.7,27,29 Die neurologische Verschlechterung kann schrittweise fortschreiten, mit diskreten motorischen oder kognitiven Verschlechterungen nach einer längeren paroxysmalen Episode. Fixe neurologische Defizite zeigen oft einen rostro-kaudalen Schweregradienten, wobei der Schweregrad der oro-mandibulären Dystonie und der Dysarthrie den Schweregrad der Dystonie der oberen und unteren Gliedmaßen übersteigt.7

Bis zu 50 % der AHC-Patienten entwickeln epileptische Anfälle.4,5,30,31 Epilepsie kann fokal oder generalisiert sein, mit mehreren Anfallsarten und -lokalisationen, und sie ist oft medikamentenresistent. Darüber hinaus wurde über eine hohe Häufigkeit und Wiederholungsrate des refraktären Status epilepticus berichtet.32

Die letzte Version der klinischen Kriterien für AHC erkennt wichtige (diagnostische) und weniger wichtige (unterstützende) Kriterien an und enthält eine Reihe standardisierter Definitionen für eine vereinfachte Beschreibung paroxysmaler Episoden, um den Pflegekräften eine leichter zugängliche Sprache für die Dokumentation der Ereignisse zu bieten.7 Zu den Kriterien gehören insbesondere 1) das Auftreten der Symptome vor dem 18. Lebensmonat, 2) wiederholte Episoden von Hemiplegie, die sich seitlich abwechseln, oder 3) wiederholte Episoden von Tetraplegie oder Plegie, 4) andere paroxysmale Episoden einschließlich dystoner Anfälle, 5) okulomotorische Anomalien oder automatische Symptome, 6) Verschwinden der Symptome im Schlaf und 7) Hinweise auf Entwicklungsverzögerungen und/oder andere neurologische Anomalien wie Dystonie, Ataxie oder Chorea.7 Aus pharmakologischer Sicht sind die am häufigsten bei AHC eingesetzten Medikamente Flunarizin, Benzodiazepine, Carbamazepin, Barbiturate und Valproinsäure. Es wurde vielfach nachgewiesen, dass Flunarizin und Benzodiazepine eine stärkere Verbesserung der dystonen oder plegischen Episoden bewirken.5 Mikati et al. zeigten insbesondere, dass Flunarizin, ein Kalziumantagonist, die Dauer, Schwere und Häufigkeit der hemiplegischen Anfälle bei bis zu 80 % der AHC-Patienten reduziert.33

Andererseits waren Antipsychotika, selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer, Gabapentin und Acetazolamid ausnahmslos unwirksam.5

Atypische AHC

Neben dem klassischen AHC-Phänotyp sind mehrere atypische Merkmale beschrieben worden. In Bezug auf das Alter bei Beginn der Erkrankung wurde ein verzögertes Auftreten von hemiplegischen Anfällen im Alter von bis zu 4 Jahren beschrieben.25 Hinsichtlich der kognitiven Beeinträchtigung wurde von leichten Fällen mit normaler Entwicklung berichtet.33 Weitere ungewöhnliche Merkmale sind ein vorwiegend dystoner Phänotyp, das Fehlen von Tetraplegie-Anfällen,33 oder das Auftreten von abwechselnden Monoplegien der oberen Gliedmaßen.34

Außerdem kombinieren einige Patienten typische AHC-Paroxysmen mit den Merkmalen einer früh einsetzenden Enzephalopathie14,35,36 oder einer RDP.23,37-39

Neben der AHC wurde eine andere nosologische Entität mit milderem Verlauf beschrieben, die durch Episoden einseitiger oder beidseitiger Schwäche gekennzeichnet ist, die ausschließlich im Schlaf auftreten.40-46 Obwohl der erste Bericht über diese Erkrankung auf die ursprüngliche Beschreibung der AHC durch Verret und Steele zurückgeht,1 wurde ihre eigenständige Nosologie erst 1994 anerkannt, als der Begriff benigne nächtliche alternierende Hemiplegie des Kindesalters (BNAHC) vorgeschlagen wurde, um diese Entität von der AHC abzugrenzen.40 Bei der BNAHC treten die (halbseitigen) Lähmungsanfälle nur im Schlaf auf, und es kommt nicht zu neurologischen oder geistigen Beeinträchtigungen. Darüber hinaus fehlen andere paroxysmale Ereignisse wie tonische oder dystonische Anfälle und okulomotorische Anomalien.40,41 Bislang wurden 14 Fälle von BNAHC berichtet, von denen alle bis auf einen Jungen betroffen waren.42 Obwohl selten getestet, wurde kein Zusammenhang zwischen BNAHC und ATP1A3-Mutationen beschrieben.42 Von den 14 Patienten wurde nur bei zwei eine Whole Exome Sequencing (WES)-Analyse durchgeführt, und in nur einem Fall wurde eine heterozygote 16p11.2-Mikrodeletion festgestellt, die unter anderem das PRRT2-Gen betrifft. PRRT2 kodiert für ein Transmembranprotein, das eine prolinreiche Domäne enthält und mit episodischer kinesigener Dyskinesie-1 (OMIM #128200) assoziiert ist.42 Obwohl über mehrere familiäre Fälle berichtet wurde,40,41,45 ist die genetische Grundlage (falls vorhanden) dieser Erkrankung noch immer nicht klar. Eine angemessene WES-Analyse sollte durchgeführt werden, um diese Erkrankung besser zu untersuchen, und die Rolle regulatorischer zusätzlicher genetischer Faktoren sollte in Betracht gezogen werden.

Rolle der ATP1A3-Genstörung

Na+/K+-ATPase Struktur und Funktion

ATP1A1-4-Gene kodieren für vier α-Untereinheiten – bzw. α1-4 – der Na+/K+-ATPase. Die Pumpe wird ubiquitär im Zentralnervensystem (ZNS) exprimiert und besteht aus fast zwei Untereinheiten: einer Alpha (α – enthält die katalytische Stelle für die ATP-Hydrolyse und die Ionenbindung) und einer Beta (β, verantwortlich für die strukturelle und funktionelle Anlage der α-Untereinheit).47 Obwohl die α1-Isoform im gesamten ZNS und die α2-Isoform in den Astrozyten vorkommt, wird die α3-Isoform nur in den Neuronen exprimiert – in den GABAergen Neuronen in allen Kernen der Basalganglien (Striatum, Globus pallidus, Subthalamus und Substantia nigra), mehreren Thalamuskernen, der Hirnrinde, dem Kleinhirn, dem roten Kern und mehreren Bereichen des Mittelhirns (reticulotegmentaler Kern des Pons) und des Hippocampus;48 während die Expression in den dopaminergen Zellen der Substantia nigra nicht signifikant war.49,50 Diese Ionenpumpe ist wesentlich für die Aufrechterhaltung der elektrogenen Homöostase neuronaler Zellen, indem sie Na+- und K+-Ionen über die Plasmamembran austauscht, gekoppelt an die ATP-Hydrolyse, und das Membranpotenzial sowohl im Ruhepotenzial (α1) als auch nach einem Aktionspotenzial (α2, α3) einstellt.

Die α3-Isoform wird durch das ATP1A3-Gen (OMIM #182350) auf Chromosom 19q13 kodiert, das für die α3-Untereinheit der Na+/K+-ATPase kodiert, einer ubiquitären, elektrogenen Transmembran-ATPase, die erstmals 195751 beschrieben wurde und sich auf der zytosolischen Seite der äußeren Plasmamembran befindet.52 Durch den Export von 3 Na+- und den Import von 2 K+-Ionen für jedes einzelne hydrolysierte ATP-Molekül hält die Na+/K+-ATPase den Gradienten einer höheren extrazellulären Na+-Konzentration und eines höheren intrazellulären K+-Spiegels aufrecht.53,54

Obwohl α3 die Untereinheit ist, die vorwiegend in Neuronen exprimiert wird, exprimieren einige Neuronen auch α1 – die vorwiegend in Gliazellen exprimiert wird. Im Vergleich zu α1 weist die α3-Untereinheit eine geringere Affinität für Na+ und K+ und eine geringere Spannungsabhängigkeit auf, was eine schnelle Normalisierung des Transmembrangradienten nach einer Reihe von Aktionspotentialen ermöglicht.55

Die α-Untereinheit der Na+/K+-ATPase enthält drei zytoplasmatische und eine transmembrane Region. Zu den zytoplasmatischen Domänen gehören die Phosphorylierungsdomäne (P-Domäne), die Nukleotidbindungsdomäne (N-Domäne) und die Aktordomäne (A-Domäne).53 Wie bei den anderen Mitgliedern der P-Typ-ATPase-Superfamilie bildet die Na+/K+-ATPase während des Reaktionszyklus ein phosphoryliertes Zwischenprodukt. Die P-Domäne beherbergt eine hochkonservierte Asp-Lys-Thr-Gly-Lys-Sequenz, deren Aspartatrest (an Position 366) durch Übertragung der γ-Phosphatgruppe eines ATP-Moleküls phosphoryliert wird.56 Die A-Domäne enthält ein Thr-Gly-Glu-Ser-Motiv, das über den Glutamatrest das Wassermolekül bindet, das für die Aspartylphosphat-Hydrolyse im katalytischen Zentrum benötigt wird.57 Die Transmembranregion besteht aus 10 Transmembran-Helices (TM1-10), von denen die Helices TM4-6 die Kationenbindungsstellen enthalten und TM8 zur Bindung des dritten Na+-Ions beiträgt.57,58

Um den Ionenaustausch zu ermöglichen, durchläuft das Protein während des Reaktionszyklus kritische Konformationsänderungen, die die Zugänglichkeit und Spezifität der Kationenbindungsstellen umkehren.59 Im sogenannten E1-Zustand ist die α-Untereinheit von der zytoplasmatischen Seite her zugänglich und Na+-selektiv. Die Bindung von 3 Na+ löst die Phosphorylierung des Asp366-Rests aus ATP aus, was zum E1P-Zustand führt. Infolgedessen werden Na+-Ionen durch die Membran transportiert und auf der extrazellulären Seite freigesetzt. Durch die Na+-Freisetzung geht das Protein in den E2P-Zustand über, der eine extrazellulär zugängliche, K+-selektive Konformation darstellt. Die Bindung von 2 K+-Ionen auf der zytoplasmatischen Seite löst die Dephosphorylierung durch Hydrolyse des Asp366-Restes aus, mit Übergang in den E2-Zustand. Die Bindung eines ATP-Moleküls mit geringer Affinität an den E2-Zustand stimuliert den Übergang zum E1-Zustand, dessen geringe Affinität für K+-Ionen deren Freisetzung in das Zytosol bestimmt. Die höhere Affinität des E1-Zustands für ATP und Na+-Ionen bewirkt die Bindung von Na+ und die anschließende Phosphorylierung der P-Domäne. Rotation der A-Domäne und Umlagerungen von TM1-6 vermitteln diese Konformationsübergänge.59-64

Die β-Untereinheit – von der drei unterschiedlich exprimierte Isoformen (β1-3) existieren – wirkt als molekulares Chaperon, das den Transport der α-Untereinheit vom endoplasmatischen Retikulum zur Plasmamembran erleichtert und ihre korrekte Faltung und Membranintegration ermöglicht.65,66

Neben dem Ionentransport durch die Zellmembran hat die Na+/K+-ATPase nachweislich verschiedene Funktionen, darunter die Modulation der Signaltransduktion über PI3K-, PLC-γ- und MAPK-Kaskaden, Proteininteraktionen mit anderen Transmembranenzymen und Gerüstproteinen sowie die Regulierung anderer Transporteraktivitäten.20,67,68

ATP1A3 Pathogene Varianten Ort und Wirkung

Wie in Abbildung 1 dargestellt, betreffen ATP1A3-Mutationen die gesamte kodierende Sequenz. Im Gegensatz zu den RDP-verursachenden Mutationen – die über das gesamte Gen verteilt sind – werden AHC-verursachende Varianten häufiger in den Exons 17 und 18 gefunden.20 Was die betroffene funktionelle Domäne betrifft, so betreffen die meisten AHC-verursachenden Varianten die Ionenbindungsstellen oder die Transmembransegmente, die die Bindungsreste beherbergen (Abbildung 2).57 Eine kleinere Gruppe von Mutationen findet sich in anderen Transmembranhelices als den Ionenbindungssegmenten. Darüber hinaus betreffen mehrere Mutationen die zytoplasmatischen Verlängerungen der Transmembran-Helices TM3-5, die diese Helices mit den zytoplasmatischen A-, N- und P-Domänen verbinden (die sogenannten „Stalk“-Mutationen).57 In der letztgenannten zytoplasmatischen Domäne wurden mehrere AHC-verursachende Varianten gefunden, während eine kleine Gruppe pathogener Varianten die extrazelluläre Schleife zwischen TM7 und TM8 betrifft.

Abbildung 1 Verteilung der AHC-verursachenden Varianten entlang des ATP1A3-Gens und der mRNA.Anmerkung: Die Spalten zeigen die Anzahl der AHC-verursachenden Varianten (hellgraue Balken) und die Gesamtzahl der pathogenen ATP1A3-Varianten (dunkelgraue Balken), die in jedem Exon gemeldet wurden.Abkürzungen: AHC, Alternierende Hemiplegie des Kindesalters; Nt, Nukleotide; bp, Basenpaare.

Abbildung 2 Lage der AHC-verursachenden Varianten im ATP1A3-Protein.Anmerkungen: Weiße Punkte zeigen AHC-verursachende Varianten, schwarze Punkte zeigen Varianten, die EIEE mit dem Auftreten von hemiplegischen Anfällen verursachen, blau-weiße Punkte zeigen Varianten, die sowohl RDP als auch AHC verursachen. Nach der Lokalisierung der funktionellen Domänen werden die Varianten in Varianten mit Ionenbindungsstelle (schwarz), Membranvarianten (blau), Stielvarianten (grün), P-Domänenvarianten (lila) und extrazelluläre Varianten (rot) unterteilt. Die drei verschiedenen zytosolischen Domänen des ATP1A3-Proteins sind in rot (A-Domäne), grün (N-Domäne) und blau (P-Domäne) dargestellt.Abkürzungen: AHC, alternierende Hemiplegie des Kindesalters; EIEE, frühkindliche epileptische Enzephalopathie; RDP, schnell einsetzender Dystonie-Parkinsonismus.

Es wird erwartet, dass ein großer Teil der AHC-verursachenden Varianten die Ionenbindung und den Ionentransport beeinträchtigt, während eine weitere konsistente Gruppe von Mutationen die Phosphorylierung des Enzyms beeinflussen dürfte.57

Für einige der Mutationen der Ionenbindungsstellen (Asp801Asn, Asp923Asn, Ser137Tyr, Phe780Leu, Ile810Asn) wurden experimentelle Beweise für eine defekte Na+-Bindung erbracht,69-71 während für andere Varianten eine beeinträchtigte Na+-Bindung mit Mutationen gezeigt wurde, die den entsprechenden Rest im α1-Paralog betreffen.57 Bemerkenswert ist, dass nur wenige Mutationen in den Transmembran-Helices fernab der Ionenbindungsstellen (wie TM1-2 und TM9-10) gemeldet wurden. Interessanterweise wurden Varianten, die die N-zytoplasmatische Domäne oder die C-terminale Domäne betreffen, nur bei RDP beschrieben.

Genotyp-Phänotyp-Korrelation

Entstehung und Häufigkeit verschiedener AHC-verursachender Varianten

Obwohl es sich bei AHC um eine sporadisch auftretende Erkrankung handelt, die auf de novo-Varianten zurückzuführen ist, wurden nur wenige autosomal-dominant vererbte Fälle berichtet.4,25,26,72 Keimbahnmosaizismus wurde bei familiären Fällen anderer ATP1A3-verwandter Erkrankungen berichtet,73 wurde aber bisher bei AHC nicht beschrieben.

Trotz der wachsenden Zahl gemeldeter pathogener Varianten zeigten die größten Kohortenstudien, die in verschiedenen Populationen (europäische, nordamerikanische und chinesische Kohorten) durchgeführt wurden, dass drei Varianten für etwa 60 % aller Fälle verantwortlich sind.4,30,74 Insbesondere wurde festgestellt, dass die Variante p.Asp801Asn 30-43 % aller Fälle verursacht, p.Glu815Lys ist für 16-35 % der Fälle verantwortlich und p.Gly947Arg macht 8-15 % aus (Abbildung 3).

Abbildung 3 Häufigkeit der AHC-verursachenden Varianten in verschiedenen Kohorten.Anmerkungen: Die Grafik zeigt die relative Häufigkeit von Varianten, die jeden spezifischen ATP1A3-Rest in einer nordamerikanischen (blaue Linie, N= 151), europäischen (rote Linie, N= 130) und einer chinesischen (schwarze Linie, N= 45) Kohorte betreffen. Die Spitzenwerte sind als Prozentsatz der Gesamtzahl der AHC-Patienten in jeder Kohorte angegeben. Die drei Hotspots für AHC-verursachende Varianten (Asp801, Glu915 und Gly947) sind über dem entsprechenden Peak angegeben.Abkürzung: AHC, alternierende Hemiplegie des Kindesalters.

Wie bereits erwähnt, zeigt die Lage der ATP1A3-Mutationen entlang der kodierenden Sequenz eine Genotyp-Phänotyp-Korrelation des klinischen Spektrums von ATP1A3. Nur spezifische Mutationen – insbesondere in der Nähe der Transmembrandomänen – und folglich Proteinveränderungen führen zu AHC (Rosewich H. Neurology 2014).27

Drei rekurrente Missense-Mutationen machen 60 Prozent aller AHC-Fälle aus. Bei fünfzehn Prozent der AHC wird keine Mutation identifiziert, sie erfüllen aber die klinischen Kriterien. In einem kürzlich erschienenen Bericht von Panagiotakaki al. wurden die klinischen Daten einer großen Kohorte von 155 Patienten aus dem internationalen AHC-Konsortium eingehend geprüft und es wurde versucht, eine diskrete Genotyp-Phänotyp-Korrelation herzustellen.30 Interessanterweise wurden bei 85 % der Patienten ATP1A3-Mutationen nachgewiesen, was bestätigt, dass eine kleine Gruppe von Patienten die Kriterien für AHC erfüllt, ohne dass eine molekulargenetische Diagnose vorliegt. Die Studie bestätigte auch die relative Häufigkeit der drei häufigsten Mutationen: p.Asp801Asn, p.Glu815Lys und p.Gly947Arg. Glu815Lys wurde mit einem schwereren Phänotyp in Verbindung gebracht, mit arzneimittelresistenter Epilepsie, tiefgreifender geistiger Behinderung und schwerer Dystonie als neurologischen Hauptbefunden. p.Asp801Asn scheint mit einem milderen Phänotyp mit späterem Beginn der paroxysmalen Ereignisse und weniger häufigen plegischen Anfällen verbunden zu sein; die Mehrheit der Patienten weist eine mäßige geistige Behinderung mit einer höheren Rate an Verhaltensproblemen auf. p.Gly947Arg scheint mit einer positiven Prognose zu korrelieren; das Auftreten der paroxysmalen Ereignisse ist im Vergleich zu den anderen beiden Mutationen am spätesten, außerdem wurde keine schwere geistige Behinderung berichtet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die drei Mutationen einen Gradienten der Schwere der Symptome aufweisen: p.Glu815Lys > p.Asp801Asn > p.Gly947Arg. Tabelle 1 fasst das klinische Spektrum zusammen, das mit den drei häufigsten Mutationen verbunden ist.

Tabelle 1 Klinische Merkmale der häufigsten ATP1A3-Varianten, die AHC verursachen

Nachweise aus in vitro und in vivo Studien

Ein großer Beitrag zur Erklärung der klinischen Heterogenität, die mit ATP1A3-Mutationen einhergeht, sowie zur Verbesserung unseres Wissens und zur Entwicklung neuer therapeutischer Strategien, ergibt sich aus zellulären und tierischen Modellen.

Zelluläre Studien

In dem Neuron, das die α3-Allel-Mutation aufweist, zeigt die Na+/K+-ATPase eine verringerte Natriumaffinität, was zu einer erhöhten intrazellulären Na+-Konzentration mit vielen möglichen dramatischen Ereignissen führt, wie z. B. einem erhöhten Einstrom von Ca++-Ionen in die Zelle mit toxischen Wirkungen und der Freisetzung von erregenden Aminosäuren.50 Darüber hinaus wurde angenommen, dass eine veränderte Aufnahme von Dopamin als Folge des anormalen Na+-Gradienten teilweise für das ATPase-bezogene Syndrom verantwortlich ist.4,75 Diese Veränderung führt zu Dystonie und/oder Parkinsonismus ohne Degeneration der nigrostriatalen Bahn,54,75 konnte aber durch PET- und DAT-SCAN-Studien bei RDP-Patienten nicht nachgewiesen werden, was das fehlende Ansprechen auf Levodopa bei diesen Patienten erklärt.76

Die Heterogenität des phänotypischen Spektrums von AHC-Patienten und RDP-Patienten lässt auf unterschiedliche zugrundeliegende zelluläre Konsequenzen schließen, die für die pathologischen Mechanismen relevant sind. Seit der ersten Beschreibung und Charakterisierung von ATP1A3-Mutationen, die mit AHC assoziiert sind,8 scheint die Aktivität der Na+/K+-Pumpe für die Pathogenität von AHC verantwortlich zu sein. Daher war es naheliegend, dass bei RDP die meisten Mutationen die Proteinexpression und die Zelloberflächenexpression beeinträchtigen und bei AHC eine veränderte Aktivität der Pumpe den Phänotyp erklären könnte.8 Es wurden mehrere Studien durchgeführt, um diese Frage zu klären71,77 , und ein nützlicher Ansatz war die Verwendung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS). Kürzlich wurde in einem Modell von iPS-Zellen, die von Neuronen von AHC-Patienten stammen, welche die Missense-Mutation p.Gly947Arg tragen, im Vergleich zu Kontrollen ein geringerer Ouabain-sensitiver Auswärtsstrom (ein Nettoauswärtstransport von Na+-Ionen) nachgewiesen.77 Darüber hinaus zeigen Neuronen, wie es durch eine niedrigere intrazelluläre K+-Ionenkonzentration vorhergesagt werden kann, ein Ruhemembranpotenzial, das dem einer ruhenden Zelle mit veränderter Erregbarkeit ähnelt, was der Hypothese eines Funktionsverlustmechanismus entspricht.77

Außerdem weisen Arystarkhova et al. in einer sehr aktuellen Studie (2019) darauf hin, dass die Schwere des Phänotyps nicht allein durch die Verringerung der Pumpenaktivität erklärt werden kann und dass andere zelluläre Mechanismen aufgrund experimenteller Daten vermutet werden, einschließlich der Fehlfaltung des Proteins auf der Ebene des Golgi-Apparats und des sich daraus ergebenden Verhältnisses zwischen guten und schlechten Allelen durch Konkurrenz.78

Tierische In-vivo-Studien

Verschiedene Mausmodelle wurden entwickelt, um die In-vivo-Folgen von α3-Isoformvarianten zu untersuchen. Es gibt fünf Hauptmodelle, die eingehend untersucht wurden (siehe Tabelle 2). Das erste Modell wurde von Moseley et al. (2007) charakterisiert.79 Sie führten eine Mutation mit einem Basenpaar im Intron 4 (α3+/KOI4) ein, wobei das Allel (Atp1a3tm1/Ling/+) durch aberrantes Spleißen ausgeschaltet wurde, was von anderen Autoren repliziert wurde,80,81 diese Mäuse zeigten sowohl einen manieähnlichen Phänotyp, der durch Methamphetamin verstärkt wurde, als auch Krampfanfälle mit erhöhter motorischer Aktivität. Im Jahr 2013 schlugen Ikeda et al49 ein weiteres Mausmodell mit einer großen Deletion von 2 bis 6 Exons (α3+/E2-6) vor: Zum ersten Mal zeigten die betroffenen Mäuse eine Dystonie, die durch intrazerebellare Kainit-Injektionen ausgelöst wurde. Aufgrund der großen Deletion und des sequenziellen aberranten Produkts war das klinische Muster der beiden oben genannten Modelle sehr schwer und weit vom menschlichen ATP1A3-Phänotyp entfernt. Clapcote et al.71 waren die ersten, die ein Mausmodell mit einer einzelnen Nukleotidsubstitution entwickelten, die eine einzelne Aminosäuresubstitution verursacht (I810N, Myshkin α3+/I810N). In seiner Arbeit beschrieb er Mäuse mit schweren Anfällen, die sowohl spontan als auch durch vestibulären Stress (Laufen, Springen) hervorgerufen wurden, mit Verhaltensstillstand (Freezing-ähnlich) und Tod nach partiellen komplexen Anfällen mit sekundärer Generalisierung. Ein weiteres ähnliches Mutantenmodell wurde 2015 von Hunayan et al. beschrieben, das die pAsp801Asn-Variante, genannt Mashl +/- (α3+/D801N), modelliert. Das Modell weist viele Merkmale von AHC auf, wie Dystonie und Halbseitenlähmung, mit zerebellärer Beteiligung (Ataxie und Tremor). Vor kurzem wurde ein weiteres Mausmodell für AHC vorgestellt. Dieses neue Knock-in-Mausmodell (Atp1a3E815K+/-, Matoub, Matb+/-) exprimiert die E815K-Mutation des Atp1a3-Gens (den schwersten gemeinsamen Phänotyp der AHC).83 In ihrer eleganten Studie zeigten die Autoren deutlich, dass die mutierten Mäuse Verhaltens- und neurophysiologische Merkmale zeigten, die der schwersten Form der AHC ähneln. Insbesondere war die motorische Initiative schlecht, die motorische Leistung war stark beeinträchtigt (z. B. Koordination, Gleichgewicht, abnormaler Gang), und interessanterweise wurden neben Epilepsie bei vielen Mäusen spontane Anfälle oder provozierte Anfälle beobachtet, die zum plötzlichen unerwarteten Tod bei Epilepsie (SUDEP) führten.83 Bemerkenswert ist, dass die Hemiplegie- und Dystonie-Episoden sowohl spontan auftraten als auch durch ein hohes Maß an Stress (z. B. Wasserkontakt oder Käfigwechsel) ausgelöst wurden, was wahrscheinlich dem menschlichen Phänotyp entspricht. Es ist erwähnenswert, dass trotz der Unterschiede zwischen den vorgeschlagenen Modellen einige Merkmale gemeinsam sind, darunter die Übererregbarkeit des Gehirns, motorische Anomalien (spontan oder provoziert) und Verhaltensänderungen, was auf eine zentrale Rolle von ATP1A3 bei der Gehirnfunktion hindeutet.

Tabelle 2 Zusammenfassung präklinischer Mausmodelle für ATP1A3-Mutationen im Zusammenhang mit AHC

Schlussfolgerung

Mit dem zunehmenden Auftreten neuer Phänotypen im Zusammenhang mit ATP1A3 und der guten Zugänglichkeit von Gentests in dieser neuen Ära hat das Interesse von Klinikern und Wissenschaftlern zugenommen, haben Kliniker und Wissenschaftler ihr Interesse an ATP1A3-bedingten Störungen erneuert. Insbesondere seit der Entdeckung, dass ATP1A3-Mutationen ursächlich für AHC sind, wurden große Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wie eine Störung der normalen Funktionen der ATPase-Aktivität zu verschiedenen Phänotypen der Krankheit führen kann. Obwohl viele pathogenetische Mechanismen, die zu AHC und RDP beitragen, noch unbekannt sind, wurden die Phänotypen der AHC besser verstanden und abgegrenzt, so dass in den letzten Jahren versucht wurde, eine Genotyp-Phänotyp-Korrelation herzustellen, um die wichtigsten diskreten Phänotypen zu klassifizieren. AHC ist eine komplexe Erkrankung, deren klinisches Bild zeitlich fluktuierende paroxysmale Ereignisse, Dystonie, Epilepsie, Ataxie sowie geistige Behinderung und Verhaltensstörungen umfasst. Für die drei häufigsten und am häufigsten wiederkehrenden Mutationen in der Bevölkerung (wie in Abbildung 3 dargestellt) können wir den klinischen Verlauf, die zu behandelnden Erkrankungen und vielleicht auch die Prognose einigermaßen abschätzen. Leider bleibt ein relativ kleiner Prozentsatz der Patienten ohne Diagnose oder fällt nicht in eine dieser drei diskreten phänotypischen Kategorien; die meisten von ihnen weisen neurologische Anzeichen und Symptome auf, die in unterschiedlicher Weise mit der Natur des Kontinuum-Spektrums der ATP1A3-Krankheit verbunden sind. Bei allen Patienten ist es jedoch das Ziel, die molekularen Mechanismen zu verstehen, die den Störungen der ATP1A3-Proteinfunktion zugrunde liegen, um neue therapeutische Ansätze zu entwickeln. In-vitro-Modelle und Tiermodelle, die den klinischen Zustand des Menschen zunehmend phänotypisieren, sind der vielversprechende Rahmen, in dem neue wirksame Behandlungen entwickelt werden können.