Alternating Hemiplegia of Childhood: Understanding the Genotype-Phenotype Relationship of ATP1A3 Variations

Introduction

Verret ja Steele kuvasivat ensimmäisen kerran vuonna 1971 kahdeksalta lapselta1 lapsuusiän vuorottelevan hemiplegian oireyhtymän (alternating hemiplegia of childhood, AHC, OMIM #614820) vasta yhdeksän vuotta myöhemmin Krägeloh ja Aicardi2 , jotka kuvasivat viisi uutta tapausta ja tarkastelivat uudelleen aiempia raportteja, joissa käsiteltiin tämän oireyhtymän nosologiaa. AHC:n erityiset diagnostiset kriteerit, jotka nimettiin ”Aicardin kriteereiksi”, ehdotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1993.3 Sittemmin alkuperäisiä kriteerejä on päivitetty määräajoin tämän erikoisen neurologisen kehityshäiriön kliinisen tunnistamisen tukemiseksi.4-7

Vuonna 2012 kaksi toisistaan riippumatonta tutkimusryhmää – kansainvälinen konsortio8 ja saksalainen ryhmä9 – tunnistivat AHC:n aiheuttajiksi de novo -heterotsygoottisia mutaatioita ATP1A3:ssa. Pian tämän jälkeen japanilainen tutkimus toisti tämän löydöksen10 , mikä antoi lisätodisteita siitä, että ATP1A3-mutaatiot aiheuttavat AHC:tä.

Heterotsygoottisten ATP1A3-mutaatioiden oli jo aiemmin raportoitu aiheuttavan toista aiemmin kliinisesti kuvattua entiteettiä: nopeasti alkavaa dystonia-parkinsonismia (Rapid-onset dystonia-parkinsonism (RDP, DYT12, OMIM #128235)), harvinaista ja omalaatuista liikehäiriötä, joka periytyy autosomaalisesti dominantti periytyvällä tavalla.11 Vuonna 2014 ATP1A3:n on raportoitu aiheuttavan toisen neurologisen kokonaisuuden: pikkuaivojen ataksia, arefleksian, pes cavus -oireyhtymän, optisen atrofian ja sensorineuraalisen kuulonaleneman (CAPOS) oireyhtymän (OMIM #601338).12,13 Lisäksi viime vuosina on tullut esiin kaksi muuta ATP1A3-mutaatioihin liittyvää fenotyyppiä: varhaislapsuuden epilepsia, johon liittyy enkefalopatia (EIEE)14,15 ja toistuva enkefalopatia, johon liittyy pikkuaivojen ataksia (RECA)16,17 .

Potilaat, joilla on ATP1A3:n patogeenisiä variantteja, kuuluvat useimmiten johonkin näistä fenotyypeistä,18 joiden taustalla on lähes päällekkäinen osajoukko aiheuttajamutaatioita.19,20 Joillakin yksilöillä on kuitenkin epätyypillisiä piirteitä tai niissä yhdistyy piirteitä kahdesta tai useammasta näistä tärkeimmistä fenotyypeistä.20-24 Toisaalta joidenkin patogeenisten varianttien on raportoitu aiheuttavan erilaisia fenotyyppejä jopa samassa perheessä.4,25-27 Tämän vuoksi on ehdotettu, että ATP1A3:een liittyviä sairauksia pidetään pikemminkin kliinisenä jatkumona kuin erillisinä kokonaisuuksina, joissa eri oireiden ilmaantuminen ja eteneminen riippuu iästä.16,18,19

Huolimatta kasvavasta määrästä raportteja, joissa kuvataan tärkeimpien ATP1A3:een liittyvien fenotyyppien välisiä ja päällekkäisiä muotoja, AHC on edelleen hyvin määritelty ja tunnistettava oireyhtymä, jonka kliininen tunnistaminen on olennaista molekulaaristen tutkimusten suuntaamiseksi.

Tässä katsauksessa teemme yhteenvedon AHC:tä koskevasta tietämyksestä keskittyen kliinisiin diagnoosivihjeisiin, genotyyppi-fenotyyppi-korrelaatioihin ja ATP1A3:een liittyvien varianttivarianttien toiminnallisiin vaikutuksiin tässä tilassa.

Kliiniset piirteet

Klassinen AHC

AHC on erikoinen neurologinen kehityshäiriö, jolle on ominaista paroksysmaalisten neurologisten ilmenemismuotojen yhdistelmä, joista toistuvat hemiplegiajaksot, jotka koskevat kumpaakin puolta kehosta ja vuorottelevat lateraalisesti, ovat tämän taudin tunnusmerkki.18 Neliraajahalvauskohtauksia voi esiintyä yksinään tai hemiplegisen kohtauksen yleistymisenä. Lisäksi paroksysmaalisia ilmenemismuotoja ovat tooniset tai dystoniset kohtaukset (joko yhdessä raajassa, toisessa puoliskossa tai yleistyneenä), silmämotoriset poikkeavuudet ja dysautonomiset ilmiöt (yksi- tai molemminpuolinen mydriaasi, punoitus, kalpeus), joita voi esiintyä yksinään tai yhdessä hemiplegisten kohtausten kanssa.19 Paroksysmaaliset kohtaukset ilmaantuvat tavallisesti ennen 18 kuukauden ikää, ja mediaani-ikä on 3-5 kuukautta. Esiintymisaika voi kuitenkin vaihdella vastasyntyneisyysvaiheesta 4 vuoden ikään.

Paroksysmaaliset epänormaalit silmänliikkeet (mukaan lukien monokulaarinen ja binokulaarinen nystagmus, karsastus, disconjugate gaze, okulaarinen bobbing, okulaarinen räpyttely) ovat usein ensimmäisiä neurologisia ilmenemismuotoja, ja ne esiintyvät eristyksissä ennen muiden paroksysmaalisten kohtausten puhkeamista.28

Paroksysmaaliset tapahtumat tunnistavat tyypillisesti emotionaalisia tai ympäristöön liittyviä laukaisevia tekijöitä (liikunta, altistuminen valolle, äänille tai kuumalle vedelle, tietyt elintarvikkeet), kun taas oireet lievittyvät unen ja heräämisen jälkeisten jaksojen myötä.7 Paroxysmien keston ja esiintymistiheyden on raportoitu vaihtelevan suuresti, jopa samalla potilaalla, ja ne voivat kestää minuuteista kokonaisiin päiviin ja esiintyä jopa useita kertoja päivässä.28

Paroxysmaalisten ilmenemismuotojen lisäksi AHC:lle on ominaista myös pysyvät, interiktaaliset neurologiset poikkeavuudet, joiden esiintyvyys kasvaa iän myötä. Eriasteiset kehityshäiriöt (puheen ja kielen viivästyminen, kognitiiviset puutteet, käytöshäiriöt) ovat yleisin löydös, jota seuraavat dysartria, ataksia, korea, dystonia ja harvemmin pyramidaaliradan oireet.7,27,29 Neurologinen heikkeneminen voi edetä asteittain, jolloin motorinen tai kognitiivinen heikkeneminen on havaittavissa pitkittyneen paroksysmaalisen jakson jälkeen. Pysyvissä neurologisissa häiriöissä on usein rostrokaudaalinen vaikeusaste, jolloin oro-mandibulaarisen dystonian ja dysartrian vaikeusaste ylittää ylä- ja alaraajojen dystonian vaikeusasteen.7

Jopa 50 %:lle AHC-potilaista kehittyy epileptisiä kohtauksia.4,5,30,31 Epilepsia voi olla fokaalista tai yleistynyttä, kohtaustyyppejä ja -lokaatioita voi esiintyä useissa eri paikoissa ja epilepsiatyypeissä. Lisäksi on raportoitu, että refraktorisen status epilepticuksen esiintyvyys ja toistuvuus ovat yleisiä.32

AHC:n kliinisten kriteerien viimeisimmässä versiossa tunnustetaan tärkeät (diagnostiset) ja vähäiset (tukevat) kriteerit, ja se sisältää joukon standardoituja määritelmiä paroksysmaalisten episodien yksinkertaistettua kuvausta varten, jotta hoitohenkilökunnalle tarjottaisiin helpommin lähestyttävä kieli tapahtumien dokumentoimiseksi.7 Kriteereihin kuuluivat erityisesti 1) oireiden alkaminen ennen 18 kuukautta, 2) toistuvat sivusuunnassa vuorottelevat hemiplegiajaksot tai 3) toistuvat neli- tai neliraajahalvaus- tai plegiajaksot, 4) muut paroksysmaaliset jaksot, mukaan lukien dystoniset kohtaukset, 5) okulomotoriset poikkeavuudet tai automaatio-oireet, 6) oireiden häviäminen nukkuessa ja 7) viitteitä kehityksellisestä viiveestä ja/tai muista neurologisista poikkeavuuksista, kuten dystoniasta, ataksiapotilaasta tai koreaoireista. 7 Farmakologiselta kannalta AHC:n hoidossa käytetyimpiä lääkkeitä ovat flunaritsiini, bentsodiatsepiinit, karbamatsepiini, barbituraatit ja valproiinihappo. On villisti osoitettu, että flunaritsiini ja bentsodiatsepiinit parantavat dystonisia tai plegisia kohtauksia enemmän.5 Mikati ym. osoittivat erityisesti, että kalsiumantagonisti flunaritsiini vähentää hemiplegisten kohtausten kestoa, vaikeusastetta ja esiintymistiheyttä jopa 80 prosentilla AHC-potilaista.33

Toisaalta antipsykootit, selektiiviset serotoniinin takaisinoton estäjät, gabapentiini ja asetatsolamidi olivat poikkeuksetta tehottomia.5

Atyypillinen AHC

Klassisen AHC-fenotyypin lisäksi on kuvattu useita atyyppisiä piirteitä. Alkamisiän osalta on kuvattu hemiplegisten kohtausten viivästynyt ilmaantuminen jopa 4 vuoden ikään asti.25 Kognitiivisten häiriöiden osalta on raportoitu lieviä tapauksia, joissa kehitys on ollut normaalia.33 Muita harvinaisia piirteitä ovat pääasiassa dystoninen fenotyyppi, neliraajahalvauskohtausten puuttuminen33 tai vuorottelevan yläraajojen monoplegian esiintyminen.34

Lisäksi joillakin potilailla yhdistyvät tyypilliset AHC-oireyhtymän paroksyymit joko varhain alkaneen enkefalopatian14,35,36 tai RDP:n piirteisiin23,37 .-39

AHC:n lisäksi on kuvattu erillinen nosologinen kokonaisuus, jonka kulku on lievempi ja jolle on ominaista yksi- tai molemminpuoliset heikkouskohtaukset, jotka ilmenevät yksinomaan unen aikana.40.-46 Vaikka ensimmäinen raportti tästä tilasta on peräisin Verretin ja Steelen alkuperäisestä AHC:n kuvauksesta,1 sen erillinen nosologia tunnustettiin vasta vuonna 1994, jolloin ehdotettiin termiä lapsuusiän hyvänlaatuinen yöllinen vuorotteleva hemiplegia (benign nocturnal alternating hemiplegia of childhood, BNAHC), jotta tämä kokonaisuus voitaisiin erottaa AHC:stä.40 BNAHC:ssä (hemi)plegia-kohtaukset puhkeavat vain unen aikana, eikä neurologinen tai älyllinen vajaatoiminta etene. Lisäksi muita paroksysmaalisia tapahtumia, kuten toonisia tai dystonisia kohtauksia ja oculomotorisia poikkeavuuksia, ei esiinny.40,41 Tähän mennessä on raportoitu 14 BNAHC-tapausta, joista yhtä lukuun ottamatta kaikki koskivat poikia.42 BNAHC:n ja ATP1A3-mutaatioiden välistä yhteyttä ei ole kuvattu, vaikkakin sitä on harvoin testattu.42 Näistä 14 potilaasta vain kahdelle tehtiin Whole Exome Sequencing (WES) -analyysi, ja vain yhdessä tapauksessa paljastui heterotsygoottinen 16p11.2:n mikrodeleetio, johon liittyy muun muassa PRRT2-geeni. PRRT2 koodaa transmembraaniproteiinia, joka sisältää proliinirikkaan domeenin, ja se liittyy episodiseen kinesialliseen dyskinesiaan-1 (OMIM #128200).42 Vaikka useita perinnöllisiä tapauksia on raportoitu,40,41,45 tämän sairauden geneettinen perusta (jos sellainen on) on edelleen hämärän peitossa. Asianmukainen WES-analyysi olisi suoritettava, jotta tätä tilaa voitaisiin tutkia paremmin, ja säätelyyn vaikuttavien geneettisten lisätekijöiden roolia olisi harkittava.

ATP1A3-geenin häiriön rooli

Na+/K+-ATPaasin rakenne ja toiminta

ATP1A1-4-geenit koodaavat neljää Na+/K+-ATPaasin α-alayksikköä – vastaavasti α1-4 -. Pumppu ilmentyy kaikkialla keskushermostossa (CNS), ja se koostuu lähes kahdesta alayksiköstä: yhdestä alfa-alayksiköstä (α – joka sisältää katalyyttisen paikan ATP:n hydrolyysille ja ionien sitomiselle) ja yhdestä beeta-alayksiköstä (β, joka vastaa α-alayksikön rakenteellisesta ja toiminnallisesta omaisuudesta).47 Vaikka α1-isomuoto esiintyy koko keskushermostossa ja α2 astrosyyteissä, α3 ilmentyy vain neuroneissa – GABAergisissa neuroneissa kaikissa tyvitumakkeiden ytimissä (striatum, globus pallidus, subthalamic nucleus ja substantia nigra), useissa talamuksen ytimissä, aivokuoressa, pikkuaivoissa, punaisessa ytimessä sekä useilla keskiaivojen alueilla (ponsin reticulotegmentaalinen ydin) ja hippokampuksessa;48 kun taas ilmentyminen ei ollut merkittävää substantia nigran dopaminergisissä soluissa.49,50 Tämä ionipumppu on välttämätön hermosolujen elektrogeenisen homeostaasin ylläpitämiseksi, sillä se vaihtaa Na+- ja K+-ioneja plasmakalvon läpi ATP:n hydrolyysiin kytkettynä ja asettaa kalvopotentiaalin sekä lepopotentiaalissa (α1) että toimintapotentiaalin jälkeen (α2, α3).

A3-isomuotoa koodaa kromosomissa 19q13 sijaitseva ATP1A3-geeni (OMIM #182350), joka koodaa Na+/K+-ATPaasin α3-alayksikköä, joka on ubiikkinen, elektrogeeninen transmembraani-ATPaasi, joka kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 195751 ja joka sijaitsee plasman ulomman plasmamembraanin sytosolisella puolella.52 Na+/K+-ATPaasi vie 3 Na+-ionia ja tuo 2 K+-ionia jokaista hydrolysoitua ATP-molekyyliä kohti, joten se ylläpitää korkeamman solunulkoisen Na+-pitoisuuden ja korkeamman solunsisäisen K+-pitoisuuden gradienttia.53,54

Vaikka α3 on alayksikkö, joka ilmentyy pääasiassa neuroneissa, jotkin neuronit ilmentävät myös α1-alayksikköä, joka ilmentyy pääasiassa gliasoluissa. Verrattuna α1:een α3-alayksiköllä on alhaisempi affiniteetti Na+:aan ja K+:aan sekä alhaisempi jänniteriippuvuus, mikä mahdollistaa transmembraanigradientin nopean normalisoitumisen aktiopotentiaalisarjan jälkeen.55

Na+/K+-ATPaasin α-alayksikössä on kolme sytoplasmista ja yksi transmembraanialue. Sytoplasmisiin alueisiin kuuluvat fosforylaatiodomeeni (”P”-domeeni), nukleotideja sitova (”N”-domeeni) ja aktuaattoridomeeni (”A”-domeeni).53 Kuten muillakin P-tyypin ATPaasi-superperheen jäsenillä, Na+/K+-ATPaasi muodostaa reaktiosyklin aikana fosforyloidun välituotteen. P-domeenissa on erittäin konservoitunut Asp-Lys-Thr-Gly-Lys-sekvenssi, jonka aspartaattijäämä (joka sijoittuu 366-asemaan) fosforyloituu ATP-molekyylin γ-fosfaattiryhmän siirron kautta.56 A-domeeni sisältää Thr-Gly-Glu-Ser-motiivin, joka sitoo glutamaattijäännöksen kautta vesimolekyylin, jota tarvitaan aspartyylifosfaatin hydrolyysin toteuttamiseksi katalyyttisessä kohdassa.57 Transmembraanialue koostuu kymmenestä transmembraanikierteestä (TM1-10), joista kierteet TM4-6 sisältävät kationien sitoutumiskohdat ja TM8 osallistuu kolmannen Na+-ionin sitomiseen.57,58

Ionien vaihdon mahdollistamiseksi proteiini kokee reaktiosyklin aikana kriittisiä konformaatiomuutoksia, jolloin kationien sitoutumiskohtien saavutettavuus ja spesifisyys muuttuvat päinvastaisiksi.59 Niin sanotussa E1-tilassa α-alayksikköön pääsee käsiksi sytoplasmapuolelta ja se on Na+-selektiivinen. 3 Na+:n sitoutuminen käynnistää Asp366-jäännöksen fosforylaation ATP:stä, mikä johtaa E1P-tilaan. Tämän seurauksena Na+ -ionit kulkeutuvat kalvon läpi ja vapautuvat solunulkoiselle puolelle. Na+:n vapautuessa proteiini muuttuu E2P-tilaan, joka on solunulkoinen, K+-selektiivinen konformaatio. Kahden K+ -ionin sitoutuminen sytoplasman puolelle käynnistää defosforylaation Asp366-jäännöksen hydrolyysin avulla, jolloin siirrytään E2-tilaan. ATP-molekyylin matala-affiniteettinen sitoutuminen E2-tilaan stimuloi siirtymistä E1-tilaan, jonka matala affiniteetti K+-ioneja kohtaan määrää niiden vapautumisen sytosoliin. E1-tilan suurempi affiniteetti ATP:tä ja Na+ -ioneja kohtaan aiheuttaa Na+:n sitoutumisen ja sitä seuraavan P-domeenin fosforylaation. A-domeenin rotaatio ja TM1-6:n uudelleenjärjestelyt välittävät näitä konformaatiosiirtymiä.59-64

β-alayksikkö – josta on olemassa kolme eri tavoin ilmentyvää isoformia (β1-3) – toimii molekulaarisena chaperonina, joka helpottaa α-alayksikön kulkeutumista endoplasmisesta retikulumista plasmakalvoon ja mahdollistaa sen oikean taittumisen ja integroitumisen plasmakalvoon65,66.

Solukalvon läpi tapahtuvan ionikuljetuksen lisäksi Na+/K+-ATPaasilla on osoitettu olevan erilaisia tehtäviä, kuten signaalinsiirron modulointi PI3K-, PLC-γ- ja MAPK-kaskadien kautta, proteiinien vuorovaikutus muiden transmembraanientsyymien ja telineproteiinien kanssa sekä muiden transporterien aktiivisuuden säätely.20,67,68

ATP1A3:n patogeeniset variantit Sijainti ja vaikutus

Kuten kuvasta 1 käy ilmi, ATP1A3-mutaatiot vaikuttavat koko koodaavaan sekvenssiin. Toisin kuin RDP:tä aiheuttavat mutaatiot – jotka ovat jakautuneet koko geeniin – AHC:tä aiheuttavia variantteja esiintyy useammin eksoneissa 17 ja 18.20 Vaikutuksen kohteena olevan funktionaalisen alueen osalta useimmat AHC:tä aiheuttavat variantit vaikuttavat ioneja sitoviin kohtiin tai transmembraanisegmentteihin, jotka sisältävät sitoutumisjäännöksiä (kuva 2).57 Pienempi ryhmä mutaatioita esiintyy muissa transmembraaniheleissä kuin ioneja sitovissa segmenteissä. Lisäksi useat mutaatiot vaikuttavat transmembraaniheliksien TM3-5 sytoplasmisiin jatkeisiin, jotka yhdistävät nämä helikset sytoplasmisen A-, N- ja P-domeenin kanssa (niin sanotut ”stalk”-mutaatiot).57 Tämän jälkimmäisen sytoplasmadomeenin on todettu kätkevän sisäänsä useita AHC:tä aiheuttavia variantteja, kun taas pienen ryhmän patogeenisten varianttien on todettu vaikuttavan solunulkoiseen silmukkaan TM7:n ja TM8:n välissä.

Kuva 1 AHC:tä aiheuttavien varianttien jakautuminen pitkin ATP1A3-geeniä ja mRNA:ta.Huom: Sarakkeet osoittavat AHC:tä aiheuttavien varianttien lukumäärän (vaaleanharmaat pylväät) ja patogeenisten ATP1A3-varianttien kokonaismäärän (tummanharmaat pylväät), jotka on raportoitu kussakin eksonissa.Lyhenteet: AHC, alternating hemiplegia of childhood; Nt, nukleotidit; bp, basepairs.

Kuva 2 AHC:tä aiheuttavien varianttien sijainti ATP1A3-proteiinissa.Huomautuksia: Valkoiset pisteet kuvaavat AHC:tä aiheuttavia variantteja, mustat pisteet kuvaavat variantteja, jotka aiheuttavat EIEE:tä, johon liittyy hemiplegisia kohtauksia, sinivalkoiset pisteet kuvaavat variantteja, jotka aiheuttavat sekä RDP:tä että AHC:tä. Toiminnallisten domeenien lokalisoinnin mukaan variantit on jaettu ionisidospaikkavariantteihin (musta), kalvovariantteihin (sininen), varsi-varianteihin (vihreä), P-domeenivariantteihin (violetti) ja solunulkoisiin variantteihin (punainen). ATP1A3-proteiinin kolme erilaista sytosolista domeenia on merkitty punaisella (A-domeeni), vihreällä (N-domeeni) ja sinisellä (P-domeeni).Lyhenteet: AHC, alternating hemiplegia of childhood; EIEE, early infantile epileptic encephalopathy (varhaislapsuuden epileptinen enkefalopatia); RDP, rapid-onset dystonia-parkinsonism (nopeasti alkava dystonia-parkinsonismi).

Sen vuoksi valtaosan AHC:tä aiheuttavista varianttien odotetaan vaikuttavan ionien sitoutumiseen ja kuljetukseen, kun taas toisen johdonmukaisen mutaatioryhmän odotetaan vaikuttavan entsyymin fosforylaatioon.57

Joidenkin ionisidontakohtien mutaatioiden (Asp801Asn, Asp923Asn, Ser137Tyr, Phe780Leu, Ile810Asn) osalta on saatu kokeellista näyttöä puutteellisesta Na+-sitoutumisesta,69-71 kun taas toisten varianttien osalta heikentynyt Na+-sitoutuminen on osoitettu mutaatioilla, jotka vaikuttavat vastaavaan jäännökseen α1-paralogissa.57 Huomionarvoista on, että ioninsitomiskohdista kaukana olevissa transmembraaniheleissä (kuten TM1-2 ja TM9-10) on raportoitu vain vähän mutaatioita. Mielenkiintoista on, että N-sytoplasman domeeniin tai C-terminaaliseen domeeniin vaikuttavia variantteja on kuvattu vain RDP:ssä.

Genotyypin ja fenotyypin välinen korrelaatio

Erilaisten AHC:tä aiheuttavien varianttien ilmaantuvuus ja esiintymistiheys

Vaikka AHC on sporadinen, de novo -variantteihin perustuva sairaus, on raportoitu myös muutama autosomaalisesti dominoivasti periytyvää tapausta.4,25,26,72 Sukulinjan mosaiikisuutta on raportoitu muiden ATP1A3:een liittyvien sairauksien perinnöllisissä tapauksissa,73 mutta sitä ei ole toistaiseksi kuvattu AHC:ssä.

Vaikka raportoitujen patogeenisten varianttien määrä on kasvanut, suurimmat eri populaatioissa (eurooppalaisissa, pohjoisamerikkalaisissa ja kiinalaisissa kohorttitutkimuksissa) tehdyt kohorttitutkimukset osoittivat, että kolme varianttia selittää noin 60 %:n osuuden kaikista tapauksista.4,30,74 Erityisesti p.Asp801Asn-muunnoksen on todettu aiheuttavan 30-43 % kaikista tapauksista, p.Glu815Lys on vastuussa 16-35 %:sta tapauksista ja p.Gly947Arg:n osuus 8-15 %:sta (kuva 3).

Kuva 3 AHC:tä aiheuttavien varianttien esiintyvyys eri kohorteissa.Huom: Kuvaajassa on esitetty kuhunkin tiettyyn ATP1A3-jäämään vaikuttavien varianttien suhteellinen frekvenssi pohjoisamerikkalaisessa (sininen viiva, N= 151), eurooppalaisessa (punainen viiva, N= 130) ja kiinalaisessa (musta viiva, N= 45) kohortissa. Huiput on ilmaistu prosenttiosuutena kunkin kohortin AHC-potilaiden kokonaismäärästä. AHC:tä aiheuttavien varianttien (Asp801, Glu915 ja Gly947) kolme kuumaa pistettä on merkitty vastaavan piikin yläpuolelle: AHC, alternating hemiplegia of childhood.

Kuten aiemmin on todettu, ATP1A3-mutaatioiden sijainti koodaavassa sekvenssissä osoittaa genotyypin ja fenotyypin korrelaatiota ATP1A3:n kliinisen spektrin suhteen. Vain spesifiset mutaatiot – erityisesti lähellä transmembraanidomeeneja – ja siten proteiinimuutokset johtavat AHC:hen (Rosewich H. Neurology 2014).27

Kolme toistuvaa missense-mutaatiota muodostavat 60 prosenttia kaikista AHC-tapauksista. Viidessätoista prosentissa AHC-tapauksista ei ole tunnistettu mutaatiota, mutta ne täyttävät kliiniset kriteerit. Tuoreessa raportissa Panagiotakaki al. kansainvälisen AHC-konsortion 155 potilaan suuren kohortin kliiniset tiedot käytiin perusteellisesti läpi ja pyrittiin erottelemaan genotyyppi-fenotyyppi-korrelaatio.30 Mielenkiintoista oli ensinnäkin se, että ATP1A3-mutaatioita havaittiin 85 %:lla potilaista, mikä vahvisti sen, että pieni ryhmä potilaita täytti AHC:n kriteerit ilman molekyyligeneettistä diagnoosia. Tutkimuksessa vahvistettiin myös kolmen yleisimmän mutaation suhteellinen esiintyvyys: p.Asp801Asn, p.Glu815Lys ja p.Gly947Arg. Näistä mutaatioista Glu815Lys liittyi vakavampaan fenotyyppiin, jossa neurologisina päälöydöksinä olivat lääkkeille vastustuskykyinen epilepsia, syvä älyllinen kehitysvammaisuus ja vaikea dystonia. p.Asp801Asn näyttäisi liittyvän lievempään fenotyyppiin, jossa paroksysmaaliset tapahtumat alkavat myöhemmin ja plegiakohtaukset ovat harvinaisempia; suurimmalla osalla potilaista esiintyi keskivaikeaa älyllistä kehitysvammaisuutta, johon liittyi enemmän käytösongelmia. Mutaatio p.Gly947Arg näyttää korreloivan positiivisen ennusteen kanssa; paroksysmaalinen tapahtuma puhkeaa myöhäisimmin verrattuna kahteen muuhun mutaatioon, eikä vakavia älyllisiä häiriöitä ole raportoitu. Yhteenvetona voidaan todeta, että nämä kolme mutaatiota osoittavat oireiden vakavuuden asteittaista vaihtelua: p.Glu815Lys > p.Asp801Asn > p.Gly947Arg. Taulukossa 1 on yhteenveto kolmeen yleisimpään mutaatioon liittyvästä kliinisestä spektristä.

Taulukko 1 AHC:tä aiheuttavien yleisimpien ATP1A3-muunnosten kliiniset piirteet

Todisteet in vitro-tutkimuksista and in vivo Studies

Suuri panos ATP1A3-mutaatioihin liittyvän kliinisen heterogeenisuuden selittämiseen sekä tietämyksemme parantamiseen ja uusien hoitostrategioiden kehittämiseen, saadaan solu- ja eläinmalleista.

Solututkimukset

Neuronissa, jossa esiintyy α3-alleelin mutaatio, Na+/K+-ATPaasi osoittaa alentunutta natriumaffiniteettia, mikä johtaa kohonneeseen solunsisäiseen Na+ -pitoisuuteen, johon liittyy monia mahdollisia dramaattisia tapahtumia, kuten lisääntynyt Ca++ -ionien sisäänvirtaus soluun, jolla on myrkyllisiä vaikutuksia, ja eksitatoristen aminohappojen vapautuminen.50 Lisäksi on oletettu, että epänormaalista Na+ -gradientista johtuva muuttunut dopamiinin otto on osittain vastuussa ATPaasiin liittyvästä oireyhtymästä.4,75 Tämä muutos johtaa dystoniaan ja/tai parkinsonismiin ilman, että nigrostriataalinen rata rappeutuu,54,75 mutta sitä ei ole osoitettu PET- ja DAT-SCAN-tutkimuksissa RDP-potilailla, mikä selittää sen, että levodopa ei reagoi näillä potilailla.76

AHC-potilaiden ja RDP-potilaiden osoittaman fenotyyppisen kirjon heterogeenisuus viittaa erilaisiin taustalla oleviin solutason seurauksiin, joilla on merkitystä patologisten mekanismien kannalta. Yleisesti ottaen AHC:hen liittyvien ATP1A3-mutaatioiden ensimmäisestä kuvauksesta ja karakterisoinnista lähtien8 Na+/K+-pumpun aktiivisuus näyttää olevan vastuussa AHC:n patogeenisuudesta. Näin ollen oli järkevää, että RDP:ssä useimmat mutaatiot vaikuttivat proteiinien ilmentymiseen ja solupinnan ilmentymiin, ja AHC:ssä pumpun muuttunut aktiivisuus voisi selittää fenotyypin.8 Tämän kysymyksen selvittämiseksi on tehty useita tutkimuksia71,77 , ja yksi käyttökelpoinen lähestymistapa oli indusoitujen pluripotenttien kantasolujen (iPS) käyttö. Äskettäin AHC-potilaiden, joilla on missense-mutaatio p.Gly947Arg, iPS-soluista johdettujen neuronien mallissa on osoitettu alhaisempi ouabain-sensitiivisen ulospäin suuntautuvan virran taso (Na+ -ionien nettokuljetus ulospäin) verrattuna kontrolleihin.77 Lisäksi, kuten alhaisemman solunsisäisen K+ -ionikonsentraation perusteella voidaan ennustaa, neuroneilla on samanlainen lepomembraanipotentiaali kuin lepotilassa olevilla soluilla, joissa on muuttunutta heräteltävyyttä ja jotka käsittelevät toimintakyvyn häviämismekanismiin liittyvää olettamusta.77

Lisäksi aivan tuoreessa tutkimuksessa (2019) Arystarkhova ym. huomauttavat, että fenotyypin vakavuutta ei voida selittää pelkästään pumpun aktiivisuuden vähenemisellä, ja kokeellisen datan perusteella hypoteesina on muita solumekanismeja, mukaan lukien proteiinin vääränlainen taittuminen Golgi-laitteiston tasolla ja siitä johtuva hyvien ja huonojen alleelien keskinäinen suhde kilpailun kautta.78

Tutkimukset eläimillä (in vivo studies)

Esimallit ovat kehittäneet useita hiirimalleja, joiden avulla on voitu opiskella α3-isomuodon varianttimuunnoksen seurauksia (engl. ”inc.”). On olemassa viisi päämallia, joita on tutkittu tyhjentävästi, ja niistä on yhteenveto taulukossa 2. Ensimmäisen mallin luonnehtivat Moseley et al. (2007).79 Introdusoimalla yhden emäsparin mutaatio intronissa 4 (α3+/KOI4) ja poikkeavalla splikoinnilla, joka tyrmää alleelin (Atp1a3tm1/Ling/+), jota muut kirjoittajat ovat toistaneet,80,81 näillä hiirillä esiintyi sekä maniaakkelimaista fenotyyppiä, jota metamfetamiinivaste lisäsi, että kouristuskohtauksia, joihin liittyi lisääntynyt motorinen aktiivisuus. Vuonna 2013 Ikeda et al49 ehdottivat toista hiirimallia, jossa on suuri deleetio 2-6 eksonista (α3+/E2-6): Ensimmäistä kertaa sairastuneet hiiret paljastivat dystonian, joka indusoitiin pikkuaivojen sisäisillä kainiitti-injektioilla. Suuren deletion ja peräkkäisen poikkeavan tuotteen vuoksi edellä mainittujen kahden mallin kliininen malli oli hyvin vakava ja kaukana ihmisen ATP1A3-fenotyypistä. Clapcote ja muut71 kehittivät ensimmäisenä hiirimallin, jossa yhden nukleotidin substituutio aiheuttaa yhden aminohapon substituution (I810N, Myshkin α3+/I810N). Työssään hän kuvasi hiiriä, joilla oli vakavia kohtauksia sekä spontaanisti että vestibulaarisen stressin herättäminä (juokseminen, hyppiminen), käyttäytymisen pysähtyminen (jäätymisen kaltainen) ja kuolema osittaisten kompleksisten kohtausten jälkeen, joihin liittyi sekundaarinen yleistyminen. Toisen samanlaisen mutanttimallin ovat kuvanneet Hunayan et al. vuonna 2015 mallintamalla pAsp801Asn-muunnosta, jota kutsutaan nimellä Mashl +/- (α3+/D801N). Malli muistuttaa monia AHC:n piirteitä, kuten dystoniaa ja hemiplegiaa, sekä pikkuaivojen osallistumista (ataksia ja vapina). Äskettäin on raportoitu toinenkin AHC:n hiirimalli. Tämä uusi knock-in-hiirimalli (Atp1a3E815K+/-, Matoub, Matb+/-) ilmentää Atp1a3-geenin E815K-mutaatiota (AHC:n vakavin yleinen fenotyyppi).83 Kirjoittajat osoittivat tyylikkäässä tutkimuksessaan selvästi, että mutaatiolla varustetut hiiret ilmentävät käyttäytymispiirteitä ja neurofysiologisia piirteitä, jotka muistuttavat AHC:n vakavinta muotoa. Erityisesti motorinen aloite oli heikko, motorinen suorituskyky oli syvästi heikentynyt (esim. koordinaatio, tasapaino, epänormaali kävely), ja mielenkiintoista on, että epilepsian lisäksi monien hiirten havaittiin menehtyvän spontaanin kohtauksen aikana tai provosoitujen kohtausten aikana äkilliseen odottamattomaan kuolemaan epilepsiassa (sudden unexpected death in epilepsy, SUDEP).83 Huomionarvoista on se, että hemiplegia- ja dystoniaepisodit olivat sekä spontaaneja että voimakkaan stressin aikaansaamia (esimerkiksi vesikontaktiin joutuminen tai häkin vaihtaminen), mikä on todennäköistä ihmisen fenotyypissä. On huomionarvoista korostaa, että vaikka ehdotettujen mallien välillä on eroja, jotkin piirteet ovat yhteisiä, mukaan lukien aivojen yliherkistettävyys, motoriset poikkeavuudet (spontaanit tai provosoidut) ja käyttäytymismuutokset, jotka viittaavat ATP1A3:n keskeiseen rooliin aivojen toiminnassa.

Taulukko 2 Yhteenveto AHC:hen liittyvien ATP1A3-mutaatioiden prekliinisistä hiirimalleista

Johtopäätökset

Tämän uuden aikakauden aikana on yhä useammin ilmaantunut uusia ATP1A3:een liittyviä fenotyyppejä yhdessä geneettisten testeihin liittyvän hyvän saatavuuden kanssa, kliiniset lääkärit ja tutkijat ovat uudistaneet kiinnostuksensa ATP1A3:een liittyviä sairauksia kohtaan. Erityisesti sen jälkeen, kun havaittiin, että ATP1A3-mutaatiot ovat AHC:n aiheuttajia, on pyritty ymmärtämään, miten ATP-aasiaktiivisuuden normaalien toimintojen häiriöt voivat johtaa taudin erilaisiin fenotyyppeihin. Vaikka monia AHC:n ja RDP:n patogeneettisiä mekanismeja ei vieläkään tunneta, AHC:n fenotyyppejä on ymmärretty ja rajattu paremmin, joten viime vuosina on pyritty genotyypin ja fenotyypin väliseen korrelaatioon tärkeimpien erillisten fenotyyppien luokittelemiseksi. AHC on monimutkainen sairaus, jonka kliiniseen kuvaan kuuluu ajallisesti vaihtelevia paroksysmaalisia tapahtumia, dystoniaa, epilepsiaa, ataksiaa sekä älyllistä kehitysvammaisuutta ja käyttäytymishäiriöitä; näin ollen luonnollisen kulun, ennusteen ja odotusten ymmärtäminen on erittäin tärkeää potilaiden hoidon, lääkärien ja hoitajien kannalta. Kolmen väestössä yleisimmin esiintyvän ja toistuvan mutaation osalta (kuten kuvassa 3 on esitetty) pystymme kohtalaisen hyvin tietämään, millainen kliininen kulku on, mitä tiloja meidän on hoidettava ja ehkä ennustettava ennuste. Valitettavasti suhteellisen pieni osa potilaista jää ilman diagnoosia tai ei kuulu mihinkään näistä kolmesta erillisestä fenotyyppisestä luokasta; suurimmalla osalla heistä on neurologisia oireita, jotka liittyvät vaihtelevasti ATP1A3-taudin jatkumospektrin luonteeseen. Kaikkien potilaiden osalta ATP1A3-proteiinin toiminnan häiriöiden taustalla olevien perimmäisten molekyylimekanismien ymmärtäminen on kuitenkin tavoite uusien terapeuttisten lähestymistapojen löytämiseksi. In vitro -mallinnus sekä taudin eläinmallit, jotka yhä useammin fenotyypittävät ihmisen kliinistä tilaa, ovat lupaava kehys, jossa voidaan kehittää uutta tehokasta hoitoa.