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

Bevezetés

Először 1971-ben Verret és Steele írták le 8 gyermeknél,1 a gyermekkori alternáló hemiplegia szindrómát (AHC, OMIM #614820) csak 9 évvel később határozta meg Krägeloh és Aicardi,2 akik öt új esetet írtak le és áttekintették a korábbi, az entitás nosológiáját tárgyaló jelentéseket. Az AHC specifikus diagnosztikai kritériumait, amelyeket “Aicardi-kritériumoknak” neveztek el, először 1993-ban javasolták.3 Azóta az eredeti kritériumokat rendszeresen frissítették, hogy támogassák e sajátos idegfejlődési zavar klinikai felismerését.4-7

2012-ben két független kutatócsoport – egy nemzetközi konzorcium8 és egy német csoport9 – de novo heterozigóta mutációkat azonosított az ATP1A3-ban az AHC okaként. Nem sokkal később egy japán tanulmány megismételte ezt az eredményt,10 további bizonyítékot szolgáltatva arra, hogy az ATP1A3 mutációi okozzák az AHC-t.

A heterozigóta ATP1A3 mutációkról már korábban beszámoltak egy másik, korábban klinikai alapon leírt entitás, a rapid-onset dystonia-parkinsonism (RDP, DYT12, OMIM #128235), egy ritka és sajátos, autoszomális domináns módon öröklődő mozgászavar okozásáról.11 2014-ben arról számoltak be, hogy az ATP1A3 egy másik neurológiai entitást is okoz: kisagyi ataxia, areflexia, pes cavus, optikai atrófia és szenzorineurális halláscsökkenés (CAPOS) szindróma (OMIM #601338).12,13 Emellett az utóbbi években két másik, ATP1A3 mutációkkal összefüggő fenotípus is megjelent: a korai infantilis epilepszia enkefalopátiával (EIEE)14,15 és a recidiváló enkefalopátia kisagyi ataxiával (RECA) fenotípus16,17.

Az ATP1A3 patogén variánsokkal rendelkező betegek többsége e fenotípusok egyikébe esik,18 amelyek mögött az okozó mutációk szinte át nem fedő alcsoportja áll.19,20 Mindazonáltal néhány egyén atipikus jellemzőket mutat, vagy két vagy több ilyen fő fenotípus jellemzőit kombinálja.20-24 Másrészt egyes patogén variánsok különböző fenotípusokat okoznak, még ugyanabban a családban is.4,25-27 Ennek eredményeképpen azt javasolták, hogy az ATP1A3-mal kapcsolatos rendellenességeket inkább tekintsük klinikai kontinuumnak, mint különálló entitásoknak, a különböző tünetek és tünetek megjelenésének és progressziójának életkorfüggő mintázatával.16,18,19

Az ATP1A3-mal kapcsolatos főbb fenotípusok közötti köztes és átfedő formákat leíró beszámolók növekvő száma ellenére az AHC továbbra is egy jól definiált és felismerhető szindróma, amelynek klinikai azonosítása elengedhetetlen a molekuláris vizsgálatok orientálásához.

Ebben az áttekintésben összefoglaljuk az AHC-vel kapcsolatos ismereteket, a klinikai diagnosztikai támpontokra, a genotípus-fenotípus összefüggésekre és az állapot ATP1A3 variánsainak funkcionális hatására összpontosítva.

Klinikai jellemzők

Klasszikus AHC

Az AHC egy sajátos neurológiai fejlődési rendellenesség, amelyet paroxizmális neurológiai manifesztációk konstellációja jellemez, amelyek közül a test mindkét oldalát érintő, lateralitásban váltakozó, visszatérő hemiplegia epizódok a betegség jellemzői.18 A quadriplegiás rohamok előfordulhatnak elszigetelten vagy egy hemiplegiás roham generalizációjaként. Ezenkívül a paroxizmális megnyilvánulások közé tartoznak a tónusos vagy dystonikus rohamok (akár az egyik végtagot, akár az egyik féltestet, akár generalizáltan), az okulomotoros rendellenességek és a dysautonomikus jelenségek (egy- vagy kétoldali mydriasis, kipirulás, sápadtság), amelyek önmagukban vagy hemiplegikus rohamokkal együtt jelentkezhetnek.19 A paroxizmális epizódok általában 18 hónapos kor előtt jelentkeznek, a kezdet medián életkora 3-5 hónap. Mindazonáltal a kezdet az újszülöttkortól 4 éves korig terjedhet.

A paroxizmális abnormális szemmozgások (beleértve a monokuláris és binokuláris nystagmust, a strabizmust, a disconjugate gaze-t, az okuláris bóbiskolást, az okuláris fluttert) gyakran az első neurológiai manifesztációk, amelyek elszigetelten, más paroxizmális rohamok kialakulása előtt jelentkeznek.28

A paroxizmális események jellemzően érzelmi vagy környezeti kiváltó tényezőket (testmozgás, fénynek, hangoknak vagy forró víznek való kitettség, bizonyos ételek) ismernek fel, míg a tüneteket az alvás és az ébredés utáni időszakok enyhítik.7 A paroxizmusok időtartamának és gyakoriságának nagyfokú változékonyságáról számoltak be, még ugyanazon betegnél is, percektől egész napokig tarthatnak, és naponta akár többször is előfordulhatnak.28

A paroxizmális megnyilvánulásokon túl az AHC-t tartós, interiktális neurológiai eltérések is jellemzik, amelyek gyakorisága az életkorral nő. A különböző súlyosságú fejlődési problémák (beszéd- és nyelvi késés, kognitív deficit, viselkedési problémák) a leggyakoribb lelet, amelyet dysartria, ataxia, chorea, dystonia és ritkábban a piramispálya tünetei követnek.7,27,29 A neurológiai romlás fokozatos progressziót mutathat, a hosszan tartó paroxizmális epizódot követő diszkrét motoros vagy kognitív hanyatlással. A fix neurológiai hiányosságok gyakran rostrocaudalis súlyossági gradienst mutatnak, az oro-mandibuláris dystonia és a dysarthria súlyossága felülmúlja a felső és alsó végtagok dystonia súlyosságát.7

Az AHC-betegek akár 50%-ánál epilepsziás rohamok alakulnak ki.4,5,30,31 Az epilepszia lehet fokális vagy generalizált, többféle típusú és lokalizációjú roham, és gyakran gyógyszerrezisztens. Ezenkívül a refrakter status epilepticus magas gyakoriságáról és kiújulási arányáról számoltak be.32

Az AHC klinikai kritériumainak legutóbbi változata elismeri a fő (diagnosztikus) és a mellék (támogató) kritériumokat, és tartalmaz egy sor szabványosított definíciót a paroxizmális epizódok egyszerűsített leírására, annak érdekében, hogy az ápolók számára hozzáférhetőbb nyelvet biztosítson az események dokumentálásához.7 A kritériumok közé tartozik különösen 1) a tünetek 18 hónapos kor előtt történő megjelenése, 2) az oldalirányban váltakozó hemiplegia ismételt epizódjai vagy 3) a quadriplegia vagy plegia ismételt epizódjai, 4) egyéb paroxizmális epizódok, beleértve a dystonikus rohamokat, 5) okulomotoros rendellenességek vagy automatikus tünetek, 6) a tünetek eltűnése alvással és 7) a fejlődési késés és/vagy egyéb neurológiai rendellenességek, mint a dystonia, ataxia vagy chorea bizonyítékai.7 7 Farmakológiai szempontból az AHC-ben leggyakrabban alkalmazott gyógyszerek a flunarizin, a benzodiazepinek, a karbamazepin, a barbiturátok és a valproinsav. Vadul bizonyították, hogy a flunarizin és a benzodiazepinek nagyobb javulást mutatnak a dystonikus vagy plegikus epizódokban.5 Mikati és munkatársai különösen azt bizonyították, hogy a flunarizin, egy kalciumantagonista, csökkenti a hemiplegikus rohamok időtartamát, súlyosságát és gyakoriságát az AHC-s betegek akár 80%-ánál.33

Az antipszichotikumok, a szelektív szerotonin visszavétel gátlók, a gabapentin és az acetazolamid viszont kivétel nélkül hatástalanok voltak.5

Atipikus AHC

A klasszikus AHC fenotípus mellett számos atipikus jellemzőt is leírtak. A megjelenési életkor tekintetében leírták a hemiplegikus rohamok késleltetett, akár 4 éves korig tartó megjelenését.25 A kognitív károsodást illetően beszámoltak enyhe, normális fejlődésű esetekről.33 További szokatlan jellemzők közé tartozik a túlnyomórészt dystonikus fenotípus, a quadriplegikus rohamok hiánya,33 vagy a felső végtagok váltakozó monoplegiájának előfordulása.34

Mellett egyes betegeknél a tipikus AHC-paroxizmusok a korai encephalopathia14,35,36 vagy az RDP jellemzőivel kombinálódnak.23,37-39

Az AHC mellett leírtak egy különálló, enyhébb lefolyású nosológiai entitást, amelyet a kizárólag alvás közben jelentkező egy- vagy kétoldali gyengeség epizódjai jellemeznek.40-46 Bár az első beszámoló erről az állapotról Verret és Steele eredeti AHC leírásáig nyúlik vissza,1 különálló nosológiáját csak 1994-ben ismerték el, amikor a gyermekkori benignus éjszakai váltakozó féllábfájás (BNAHC) kifejezést javasolták, hogy megkülönböztessék ezt az entitást az AHC-től.40 A BNAHC-ben a (fél)féllábfájásos rohamok csak alvásból indulnak ki, és nem alakul ki neurológiai vagy intellektuális károsodás. Emellett hiányoznak az egyéb paroxizmális események, mint a tónusos vagy dystonikus rohamok és az oculomotoros rendellenességek.40,41 Eddig 14 BNAHC esetről számoltak be, amelyek egy kivételével mind fiúkat érintettek.42 Bár ritkán vizsgálták, nem írtak le összefüggést a BNAHC és az ATP1A3 mutációi között.42 A 14 beteg közül csak 2 esetben végeztek Whole Exome Sequencing (WES) analízist, és csak 1 esetben mutattak ki heterozigóta 16p11.2 mikrodeléciót, amely többek között a PRRT2 gént is érinti. A PRRT2 egy prolinban gazdag domént tartalmazó transzmembránfehérjét kódol, és összefüggésbe hozható az epizodikus kinesztigénes diszkinézia-1-gyel (OMIM #128200).42 Bár több familiáris esetről is beszámoltak,40,41,45 az állapot genetikai alapja (ha van ilyen) még mindig nem tisztázott. Megfelelő WES-analízist kellene végezni ennek az állapotnak a pontosabb vizsgálatához, és figyelembe kellene venni a szabályozó további genetikai tényezők szerepét.

Az ATP1A3 génzavar szerepe

Na+/K+-ATPáz szerkezete és működése

Az ATP1A1-4 gének a Na+/K+ ATPáz négy α alegységét – illetve α1-4 – kódolják. A pumpa ubiquitikusan expresszálódik a központi idegrendszerben (CNS), és szinte két alegységből áll: egy alfa (α – amely az ATP-hidrolízis katalitikus helyét és az ionok megkötését tartalmazza) és egy béta (β, amely az α-alegység szerkezeti és funkcionális eszközéért felelős).47 Bár az α1 izoforma az egész CNS-ben, az α2 pedig az asztrocitákban van jelen, az α3 csak a neuronokban – GABAerg neuronokban a bazális ganglionok összes magjában (striatum, globus pallidus, subthalamicus mag és substantia nigra), több talamuszmagban, a kéregben, a kisagyban, a vörös magban, valamint a középagy több területén (a pons reticulotegmentális magja) és a hippokampuszban;48 míg a substantia nigra dopaminerg sejtjeiben az expresszió nem volt jelentős.49,50 Ez az ionpumpa nélkülözhetetlen az idegsejtek elektrogén homeosztázisának fenntartásához, ATP-hidrolízissel összekapcsolva Na+ és K+ ionokat cserél a plazmamembránon keresztül, beállítva a membránpotenciált mind nyugalmi potenciálban (α1), mind akciós potenciál után (α2, α3).

Az α3 izoformát a 19q13 kromoszómán található ATP1A3 gén (OMIM #182350) kódolja, amely a Na+/K+-ATPáz α3 alegységét kódolja, amely egy ubiquitikus, elektrogenikus transzmembrán ATPáz, amelyet először 195751 írtak le, és a külső plazmamembrán citoszolikus oldalán található.52 A Na+/K+-ATPáz minden egyes hidrolizált ATP-molekulára 3 Na+-iont exportál és 2 K+-iont importál, így fenntartja a magasabb extracelluláris Na+-koncentráció és a magasabb K+ intracelluláris szint gradiensét.53,54

Bár az α3 az az alegység, amely túlnyomórészt a neuronokban expresszálódik, egyes neuronok α1-et expresszálnak – amely túlnyomórészt a gliasejtekben expresszálódik. Az α1-hez képest az α3 alegység kisebb affinitást mutat a Na+ és a K+ iránt, és kisebb feszültségfüggést mutat, ami lehetővé teszi a transzmembrán gradiens gyors normalizálódását egy sor akciós potenciált követően.55

A Na+/K+-ATPáz α alegysége 3 citoplazmatikus és egy transzmembrán régiót tartalmaz. A citoplazmatikus domének közé tartozik a foszforilációs (“P”) domén, a nukleotidkötő (“N”) domén és a működtető (“A”) domén.53 A P-típusú ATPáz szupercsalád többi tagjához hasonlóan a Na+/K+-ATPáz is foszforilált intermediert képez a reakcióciklus során. A P-domén egy erősen konzervált Asp-Lys-Thr-Gly-Lys szekvenciát rejt, amelynek aszpartát-maradványa (a 366-os pozícióba esik) egy ATP-molekula γ-foszfátcsoportjának átvitelével foszforilálódik.56 Az A-domén egy Thr-Gly-Glu-Ser motívumot tartalmaz, amely a glutamát-maradványon keresztül a katalitikus helyen az aszpartil-foszfát hidrolíziséhez szükséges vízmolekulát köt.57 A transzmembrán régió 10 transzmembrán hélixből (TM1-10) áll, amelyek közül a TM4-6 hélixek tartalmazzák a kationkötő helyeket, a TM8 pedig a harmadik Na+ ion lekötéséhez járul hozzá.57,58

Az ioncsere lehetővé tétele érdekében a fehérje a reakcióciklus során kritikus konformációs változásokon megy keresztül, megfordítva a kationkötő helyek hozzáférhetőségét és specifitását.59 Az úgynevezett E1 állapotban az α alegység a citoplazma felől hozzáférhető és Na+-szelektív. A 3 Na+ megkötése az ATP-ből származó Asp366 maradék foszforilációját váltja ki, ami az E1P állapothoz vezet. Ennek eredményeképpen a Na+ -ionok a membránon keresztül szállítódnak és az extracelluláris oldalon szabadulnak fel. A Na+ felszabadulásával a fehérje átvált az E2P állapotba, amely egy extracellulárisan hozzáférhető, K+-szelektív konformáció. A citoplazmatikus oldalon 2 K+ ion megkötése az Asp366 maradék hidrolízisével kiváltja a defoszforilációt, az E2 állapotba való átmenettel. Egy ATP-molekula alacsony affinitású kötődése az E2 állapothoz serkenti az átmenetet az E1 állapotba, amelynek alacsony affinitása a K+ ionokhoz meghatározza a citoszolban történő felszabadulást. Az E1 állapot ATP és Na+ ionok iránti nagyobb affinitása okozza a Na+ megkötését és az azt követő P-domén foszforilációját. Az A-domén forgása és a TM1-6 átrendeződései közvetítik ezeket a konformációs átmeneteket.59-64

A β-alegység – amelynek három különbözőképpen kifejezett izoformája (β1-3) létezik – molekuláris chaperonként működik, amely megkönnyíti az α-alegységnek az endoplazmatikus retikulumból a plazmamembránba történő transzportját, és lehetővé teszi annak helyes hajtogatását és membránbeépülését.65,66

A sejtmembránon keresztüli iontranszporton kívül a Na+/K+-ATPáznak különböző funkciói is bizonyítottak, többek között a PI3K, PLC-γ és MAPK kaszkádokon keresztül történő szignáltranszdukció modulálása, fehérje kölcsönhatások más transzmembrán enzimekkel és állványzatfehérjékkel, valamint más transzporterek aktivitásának szabályozása.20,67,68.

ATP1A3 patogén variánsok elhelyezkedése és hatása

Amint az 1. ábrán látható, az ATP1A3 mutációk a teljes kódoló szekvenciát érintik. Az RDP-t okozó mutációktól eltérően – amelyek az egész génben eloszlanak – az AHC-t okozó variánsok gyakrabban fordulnak elő a 17. és 18. exonban.20 Az érintett funkcionális domén tekintetében a legtöbb AHC-t okozó variáns az ionkötő helyeket vagy a kötő maradékokat tartalmazó transzmembrán szegmenseket érinti (2. ábra).57 A mutációk kisebb csoportja az ionkötő szegmensektől eltérő transzmembrán hélixekben található. Továbbá számos mutáció érinti a TM3-5 transzmembrán hélixek citoplazmatikus nyúlványait, amelyek összekötik ezeket a hélixeket a citoplazmatikus A-, N- és P-doménekkel (az úgynevezett “szár” mutációk).57 Ez utóbbi citoplazmatikus doménről kiderült, hogy számos AHC-t okozó variánst rejt, míg a patogén variánsok egy kis csoportja a TM7 és TM8 közötti extracelluláris hurkot érinti.

1. ábra Az AHC-t okozó variánsok eloszlása az ATP1A3 gén és az mRNS mentén.Megjegyzés: Az oszlopok az AHC-t okozó variánsok számát (világosszürke sávok) és az egyes exonokban jelentett patogén ATP1A3 variánsok teljes számát (sötétszürke sávok) mutatják.Rövidítések: AHC, alternáló gyermekkori hemiplegia; Nt, nukleotidok; bp, bázispárok.

2. ábra Az AHC-t okozó variánsok elhelyezkedése az ATP1A3 fehérjében.Megjegyzések: A fehér pontok az AHC-t okozó variánsokat, a fekete pontok a hemiplegikus rohamokkal járó EIEE-t okozó variánsokat, a kék-fehér pontok az RDP-t és az AHC-t egyaránt okozó variánsokat mutatják. A funkcionális domének lokalizációja szerint a változatok ionkötőhely-változatokra (fekete), membránváltozatokra (kék), szárváltozatokra (zöld), P-domén-változatokra (lila) és extracelluláris változatokra (piros) oszlanak. Az ATP1A3 fehérje három különböző citoszolikus doménjét piros (A-domén), zöld (N-domén) és kék (P-domén) színnel jelöltük.Rövidítések: AHC, alternating hemiplegia of childhood; EIEE, early infantile epileptic encephalopathy; RDP, rapid-onset dystonia-parkinsonism.

Az AHC-t okozó variánsok túlnyomó része várhatóan az ionkötést és a transzportot befolyásolja, míg a mutációk másik egységes csoportja várhatóan az enzim foszforilációját befolyásolja.57

Az ionkötő helyek néhány mutációja (Asp801Asn, Asp923Asn, Ser137Tyr, Phe780Leu, Ile810Asn) esetében kísérleti bizonyítékot szolgáltattak a Na+ kötés hibás működésére,69-71 míg más változatok esetében a Na+ kötés károsodását mutatták ki az α1 paralóg megfelelő maradékát érintő mutációkkal.57 Megjegyzendő, hogy az ionkötő helyektől távol eső transzmembrán hélixekben (mint például a TM1-2 és TM9-10) kevés mutációt jelentettek. Érdekes módon az N-citoplazmatikus domént vagy a C-terminális domént érintő variánsokat csak az RDP-ben írtak le.

Genotípus-fenotípus korreláció

A különböző AHC-t okozó variánsok megjelenése és gyakorisága

Bár az AHC egy de novo variánsok által okozott sporadikus betegség, kevés autoszomális dominánsan öröklődő esetet jelentettek.4,25,26,72 Más ATP1A3-mal kapcsolatos rendellenességek familiáris eseteiben csíravonal-mozaikosságról számoltak be,73 de az AHC esetében eddig nem írták le.

A bejelentett patogén variánsok növekvő száma ellenére a különböző populációkban (európai, észak-amerikai és kínai kohorszokban) végzett legnagyobb kohorszvizsgálatok azt mutatták, hogy az összes eset mintegy 60%-áért három variáns felelős.4,30,74 Konkrétan a p.Asp801Asn variáns az esetek 30-43%-át, a p.Glu815Lys az esetek 16-35%-át, a p.Gly947Arg pedig 8-15%-át okozza (3. ábra).

3. ábra Az AHC-t okozó variánsok gyakorisága különböző kohorszokban.Megjegyzések: Az ábra az egyes ATP1A3-reziduumokat érintő variánsok relatív gyakoriságát mutatja egy észak-amerikai (kék vonal, N= 151), egy európai (piros vonal, N= 130) és egy kínai (fekete vonal, N= 45) kohorszban. A csúcsokat az egyes kohorszokban az AHC-betegek teljes számának százalékában fejezik ki. Az AHC-t okozó variánsok (Asp801, Glu915 és Gly947) három hotspotja a megfelelő csúcs felett van feltüntetve.Rövidítés: AHC, alternáló gyermekkori hemiplegia.

Amint korábban megállapítottuk, az ATP1A3 mutációk elhelyezkedése a kódoló szekvencia mentén genotípus-fenotípus korrelációt mutat az ATP1A3 klinikai spektrumában. Csak specifikus mutáció – különösen a transzmembrán domének közelében – és ennek következtében a fehérje megváltozása eredményezi az AHC-t (Rosewich H. Neurology 2014).27

Három visszatérő miszense mutáció az AHC-esetek 60%-át teszi ki. Az AHC tizenöt százalékában nem azonosítanak mutációt, de megfelelnek a klinikai kritériumoknak. Panagiotakaki al. közelmúltbeli jelentésében az AHC nemzetközi konzorcium 155 betegből álló nagy kohorszának klinikai adatait mélyen áttekintették, és kísérletet tettek a genotípus-fenotípus korreláció diszkrét meghatározására.30 Először is érdekes módon a betegek 85%-ánál ATP1A3 mutációt mutattak ki, ami megerősíti, hogy a betegek egy kis csoportja molekuláris genetikai diagnózis nélkül is megfelel az AHC kritériumainak. A vizsgálat megerősítette a három leggyakoribb mutáció relatív előfordulását is: p.Asp801Asn, p.Glu815Lys és p.Gly947Arg. Ezek közül a Glu815Lys súlyosabb fenotípussal társult, a fő neurológiai leletek között gyógyszerrezisztens epilepsziával, mély intellektuális fogyatékossággal és súlyos dystoniával. A p.Asp801Asn a jelek szerint enyhébb fenotípussal társult, a paroxizmális események későbbi kezdetével és ritkább plegikus rohamokkal; a betegek többségénél mérsékelt intellektuális fogyatékosság és nagyobb arányban viselkedési problémák jelentkeztek. A p.Gly947Arg látszólag pozitív prognózissal korrelál; a másik két mutációval összehasonlítva a paroxizmális esemény kezdete a legkésőbbi, továbbá nem számoltak be súlyos értelmi fogyatékosságról. Összefoglalva, a három mutáció a tünetek súlyosságának gradiensét mutatja: p.Glu815Lys > p.Asp801Asn > p.Gly947Arg. Az 1. táblázat összefoglalja a három leggyakoribb mutációhoz kapcsolódó klinikai spektrumot.

Táblázat 1 Az AHC-t okozó leggyakoribb ATP1A3-változatok klinikai jellemzői

In vitro vizsgálatokból származó bizonyítékok. és in vivo vizsgálatok

Egy nagyszerű hozzájárulás az ATP1A3 mutációkkal kapcsolatos klinikai heterogenitás magyarázatához, valamint ismereteink bővítéséhez és új terápiás stratégiák kidolgozásához, a sejt- és állatmodellekből származik.

Celluláris vizsgálatok

Az α3 allélmutációt mutató neuronban a Na+/K+ ATPáz csökkent nátrium-affinitást mutat, ami emelkedett intracelluláris Na+ koncentrációhoz vezet, számos lehetséges drámai eseménnyel, mint például a Ca++ ionok fokozott beáramlása a sejtbe toxikus hatásokkal és gerjesztő aminosavak felszabadulásával.50 Feltételezik továbbá, hogy az ATPázzal kapcsolatos szindrómáért részben a dopamin megváltozott felvétele felelős, ami másodlagosan az abnormális Na+ gradiensnek köszönhető.4,75 Ez a változás a nigrostriatalis pálya degenerációja nélkül dystoniához és/vagy parkinsonizmushoz vezet,54,75 de ezt PET és DAT-SCAN vizsgálat nem bizonyította RDP betegekben, ami megmagyarázza a levodopára adott válasz hiányát ezeknél a betegeknél.76

Az AHC-betegek és az RDP-betegek által mutatott fenotípusos spektrum heterogenitása a kóros mechanizmusok szempontjából releváns, különböző mögöttes sejtes következményekre utal. Általánosságban elmondható, hogy az AHC-hez társuló ATP1A3 mutációk első leírása és jellemzése óta8 úgy tűnik, hogy az AHC-ben a Na+/K+ pumpa aktivitása felelős a patogenitásért. Így ésszerű volt, hogy az RDP-ben a legtöbb mutáció a fehérjeexpressziót és a sejtfelszíni expressziót érinti, az AHC-ben pedig a pumpa megváltozott aktivitása magyarázhatja a fenotípust.8 Számos vizsgálatot végeztek e kérdés tisztázására71,77 , és az egyik hasznos megközelítés az indukált pluripotens őssejtek (iPS) felhasználásával történt. A közelmúltban az AHC-betegekből származó, a p.Gly947Arg miszense mutációt hordozó iPS-sejtekből származó neuronok modelljében a kontrollokhoz képest alacsonyabb ouabain-érzékeny kifelé irányuló áram (a Na+ ionok nettó kifelé irányuló transzportja) szintjét mutatták ki.77 Továbbá, ahogy azt az alacsonyabb intracelluláris K+ ionkoncentráció előrevetítheti, a neuronok nyugalmi membránpotenciálja a nyugalmi sejtekhez hasonló, megváltozott ingerlékenységű, a funkcióvesztés mechanizmusának hipotézisével foglalkozó nyugalmi membránpotenciált mutatnak.77

Még egy nagyon friss tanulmányban (2019) Arystarkhova és munkatársai rámutatnak, hogy a fenotípus súlyossága nem magyarázható kizárólag a pumpa aktivitásának csökkenésével, és a kísérleti adatok alapján más sejtes mechanizmusokat is feltételeznek, többek között a Golgi-apparátus szintjén a fehérje félregördülését és ebből következően a jó és rossz allélok közötti arányt, a versengés révén.78

Állati in vivo vizsgálatok

Az α3 izoforma variánsok in vivo következményeinek vizsgálatára több egérmodellt is kifejlesztettek. Öt fő modell van, amelyeket kimerítően tanulmányoztak, ezeket a 2. táblázat foglalja össze. Az első modellt Moseley és munkatársai (2007) jellemezték.79 A 4. intronban (α3+/KOI4) egy bázispár mutációt vezettek be, aberráns splicinggel kiütve az allélt (Atp1a3tm1/Ling/+), amelyet más szerzők is megismételtek,80,81 ezek az egerek mind mániákus fenotípust, fokozott metamfetaminreakciót, mind fokozott motoros aktivitással járó görcsöket mutattak. 2013-ban Ikeda és munkatársai49 egy másik egérmodellt javasoltak a 2-től 6 exonig terjedő nagy delécióval (α3+/E2-6): az érintett egerek először intracerebelláris kainit-injekcióval kiváltott dystoniát mutattak ki. A nagy deléció és a szekvenciális aberráns termék miatt a fenti két modell klinikai mintázata nagyon súlyos volt, és távol állt a humán ATP1A3 fenotípustól. Clapcote és munkatársai71 elsőként fejlesztettek ki egy olyan egérmodellt, amelyben egyetlen nukleotid szubsztitúció egyetlen aminosav szubsztitúciót okoz (I810N, Myshkin α3+/I810N). Munkájában olyan egereket írt le, amelyeknél mind spontán, mind vestibuláris stressz által kiváltott súlyos rohamok (futás, ugrálás), viselkedésbeli leállás (fagyásszerű) és a másodlagos generalizációval járó részleges komplex rohamokat követő halál következett be. Egy másik hasonló mutáns modellt Hunayan és munkatársai írtak le 2015-ben, a pAsp801Asn változatot modellezve, Mashl +/- (α3+/D801N) néven. A modell az AHC számos jellemzőjét idézi, mint például a dystonia és a hemiplegia, kisagyi érintettséggel (ataxia és tremor). Nemrégiben az AHC egy másik egérmodelljéről számoltak be. Ez az új knock-in egérmodell (Atp1a3E815K+/-, Matoub, Matb+/-) az Atp1a3 gén E815K mutációját expresszálja (az AHC legsúlyosabb gyakori fenotípusa).83 Elegáns tanulmányukban a szerzők egyértelműen kimutatták, hogy a mutáns egerek viselkedési és neurofiziológiai jellemzőket fejeznek ki, amelyek hasonlítanak az AHC legsúlyosabb formájára. Különösen a motoros kezdeményezés volt gyenge, a motoros teljesítmény mélyen károsodott (pl. koordináció, egyensúly, abnormális járás), és érdekes módon az epilepszián kívül sok egeret spontán roham vagy az epilepsziás hirtelen váratlan halál (SUDEP) provokált rohamai során is elhaláloztak.83 Megjegyzendő, hogy a hemiplegia és a dystonia epizódok spontán és nagyfokú stressz (pl. vízzel való érintkezés vagy ketreccsere) által kiváltott, valószínűleg az emberi fenotípusra jellemző epizódok voltak. Érdemes aláhúzni, hogy bár a javasolt modellek között vannak különbségek, néhány jellemző közös, beleértve az agyi túlgerjesztettséget, a motoros rendellenességeket (spontán vagy provokált) és a viselkedésváltozásokat, az ATP1A3-nak az agyműködésben betöltött kulcsfontosságú szerepe szerint.

2. táblázat Összefoglaló az AHC-vel kapcsolatos ATP1A3 mutációk pre-klinikai egérmodelljeiről

Következtetés

Az ATP1A3-hoz kapcsolódó új fenotípusok növekvő megjelenésével együtt a genetikai vizsgálatokhoz való jó hozzáférhetőséggel ebben az új korszakban, a klinikusok és a tudósok újra érdeklődnek az ATP1A3-mal kapcsolatos rendellenességek iránt. Különösen azóta, hogy felfedezték, hogy az ATP1A3 mutációi okozzák az AHC-t, nagy erőfeszítéseket tettek annak megértésére, hogy az ATP-aktivitás normális funkcióinak megzavarása hogyan vezethet a betegség különböző fenotípusaihoz. Bár az AHC és az RDP kialakulásához hozzájáruló számos patogenetikai mechanizmus még mindig ismeretlen, az AHC fenotípusait egyre jobban megértik és körülhatárolják, így az utóbbi években megkísérelték a genotípus-fenotípus korrelációt a fő diszkrét fenotípusok osztályozása érdekében. Az AHC egy összetett állapot, amelynek klinikai képe magában foglalja az idővel ingadozó paroxizmális eseményeket, dystoniát, epilepsziát, ataxiát, valamint értelmi fogyatékosságot és viselkedési zavarokat; következésképpen a természetes lefolyás, a prognózis és a várakozások megértése nagyon fontos a betegek, a klinikusok és a gondozók számára. A populációban leggyakrabban előforduló és visszatérő három mutáció esetében (amint az a 3. ábrán látható), viszonylag jól tudjuk, hogy milyen lesz a klinikai lefolyás, milyen állapotokat kell kezelnünk, és talán a prognózist is megjósolhatjuk. Sajnos a betegek viszonylag kis százaléka diagnózis nélkül marad, vagy nem tartozik e három diszkrét fenotípusos kategória egyikébe sem; a legtöbbjüknél a neurológiai jelek és tünetek változó mértékben társulnak, ami az ATP1A3 betegség kontinuum spektrumának jellegét mutatja. Mindazonáltal valamennyi beteg esetében az ATP1A3 fehérje működésének zavarai mögött meghúzódó végső molekuláris mechanizmusok megértése a cél az új terápiás megközelítések elérése érdekében. Az in vitro modellezés, valamint a betegség állati modelljei, amelyek egyre inkább a humán klinikai állapot fenotípusát mutatják, olyan ígéretes keretet jelentenek, amelyben új, hatékony kezelést lehet kifejleszteni.