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

Introduction

Voor het eerst beschreven in 1971 door Verret en Steele bij 8 kinderen,1 werd het syndroom van alternerende hemiplegie van de kindertijd (AHC, OMIM #614820) pas 9 jaar later gedefinieerd door Krägeloh en Aicardi,2 die vijf nieuwe gevallen beschreven en de vorige rapporten over de nosologie van deze entiteit onder de loep namen. Specifieke diagnostische criteria voor AHC, genaamd “Aicardi criteria”, werden voor het eerst voorgesteld in 1993.3 Sindsdien werden de oorspronkelijke criteria periodiek bijgewerkt, ter ondersteuning van de klinische erkenning van deze eigenaardige neurologische ontwikkelingsstoornis.4-7

In 2012, identificeerden twee onafhankelijke onderzoeksgroepen – een internationaal consortium8 en een Duitse groep9 – de novo heterozygote mutaties in het ATP1A3 als de oorzaak van AHC. Kort daarna repliceerde een Japanse studie deze bevinding,10 die verder bewijs leverde dat ATP1A3-mutaties AHC veroorzaken.

Heterozygote ATP1A3-mutaties waren al gerapporteerd als oorzaak van een andere entiteit die eerder op klinische basis was beschreven: rapid-onset dystonie-parkinsonisme (RDP, DYT12, OMIM #128235), een zeldzame en eigenaardige bewegingsstoornis die op een autosomaal dominante manier wordt overgeërfd.11 In 2014 werd gerapporteerd dat ATP1A3 een andere neurologische entiteit veroorzaakt: het cerebellaire ataxie, areflexie, pes cavus, optische atrofie en sensorineuraal gehoorverlies (CAPOS) syndroom (OMIM #601338).12,13 Daarnaast zijn er de laatste jaren twee andere fenotypes ontstaan die gerelateerd zijn aan ATP1A3 mutaties: de vroege infantiele epilepsie met encefalopathie (EIEE)14,15 en het recurrente encefalopathie met cerebellaire ataxie (RECA) fenotype.16,17

De meeste patiënten met ATP1A3 pathogene varianten vallen in één van deze fenotypes,18 die ten grondslag liggen aan een bijna niet-overlappende subset van oorzakelijke mutaties.19,20 Niettemin vertonen sommige individuen atypische kenmerken of combineren kenmerken van twee of meer van deze belangrijke fenotypes.20-24 Anderzijds is van sommige pathogene varianten gemeld dat ze verschillende fenotypen veroorzaken, zelfs in dezelfde familie.4,25-27 Als gevolg hiervan is voorgesteld om ATP1A3-gerelateerde aandoeningen te beschouwen als een klinisch continuüm in plaats van afzonderlijke entiteiten, met een leeftijdsafhankelijk patroon van ontstaan en progressie van verschillende tekenen en symptomen.16,18,19

Ondanks het groeiende aantal rapporten die tussen- en overlappende vormen beschrijven tussen de belangrijkste ATP1A3-gerelateerde fenotypen, blijft AHC een goed gedefinieerd en herkenbaar syndroom, waarvan de klinische identificatie essentieel is om moleculaire onderzoeken te oriënteren.

In dit overzicht vatten we de kennis over AHC samen, met de nadruk op klinisch-diagnostische aanwijzingen, genotype-fenotype correlaties en het functionele effect van ATP1A3-varianten van deze aandoening.

Klinische kenmerken

Klassieke AHC

AHC is een eigenaardige neurologische ontwikkelingsstoornis die wordt gekenmerkt door een constellatie van paroxysmale neurologische verschijnselen, waaronder recidiverende episoden van hemiplegie die beide zijden van het lichaam treffen en elkaar afwisselen in lateraliteit het kenmerk van deze ziekte zijn.18 Quadriplegische aanvallen kunnen geïsoleerd optreden of als een generalisatie van een hemiplegische aanval. Daarnaast kunnen paroxysmale verschijnselen zoals tonische of dystonische aanvallen (van één ledemaat, één hemellichaam of gegeneraliseerd), oculomotorische afwijkingen en dysautonomische verschijnselen (uni- of bilaterale mydriasis, blozen, bleekheid) alleen of in combinatie met hemiplegische aanvallen optreden.19 Paroxysmale episoden treden gewoonlijk op voor de leeftijd van 18 maanden, met een mediane beginleeftijd van 3-5 maanden. Toch kan het begin variëren van de neonatale periode tot de leeftijd van 4 jaar.

Paroxysmale abnormale oogbewegingen (waaronder monoculaire en binoculaire nystagmus, strabismus, disconjugate gaze, oculair bobbing, oculair fladderen) zijn vaak de eerste neurologische manifestaties, die geïsoleerd optreden vóór het begin van andere paroxysmale verschijnselen.28

Paroxysmale verschijnselen herkennen meestal emotionele of omgevings-triggerfactoren (lichaamsbeweging, blootstelling aan licht, geluiden of warm water, specifiek voedsel), terwijl de symptomen worden verlicht door slaap en perioden na het ontwaken.7 Er is een grote variabiliteit in duur en frequentie van de paroxysmen gerapporteerd, zelfs bij dezelfde patiënt, variërend van minuten tot hele dagen en optredend tot meerdere keren per dag.28

Naast paroxysmale manifestaties wordt AHC ook gekenmerkt door persisterende, interictale neurologische afwijkingen, waarvan de prevalentie toeneemt met de leeftijd. Ontwikkelingsstoornissen (spraak- en taalachterstand, cognitieve stoornissen, gedragsproblemen) met verschillende gradaties van ernst zijn de meest voorkomende bevinding, gevolgd door dysarthrie, ataxie, chorea, dystonie, en, minder frequent, piramidale tractusverschijnselen.7,27,29 Neurologische achteruitgang kan een stapsgewijze progressie vertonen, met een discrete motorische of cognitieve achteruitgang na een langdurige paroxysmale episode. Vaste neurologische stoornissen vertonen vaak een rostro-caudale gradiënt van ernst, waarbij de ernst van oro-mandibulaire dystonie en dysarthrie de dystonie van de bovenste en onderste ledematen overheerst.7

Bij 50% van de AHC-patiënten treden epileptische aanvallen op.4,5,30,31 Epilepsie kan focaal of gegeneraliseerd zijn, met meerdere aanvalstypen en lokalisaties, en is vaak resistentie tegen medicijnen. Bovendien is een hoge frequentie en recidiefpercentage van refractaire status epilepticus gerapporteerd.32

De laatste versie van de klinische criteria voor AHC erkent belangrijke (diagnostische) en minder belangrijke (ondersteunende) criteria, en omvat een reeks gestandaardiseerde definities voor een vereenvoudigde beschrijving van paroxysmale episodes, om zorgverleners een meer toegankelijke taal te bieden om gebeurtenissen te documenteren.7 De criteria omvatten in het bijzonder 1) het begin van de symptomen vóór 18 maanden, 2) herhaalde episoden van hemiplegie afwisselend lateraal of 3) herhaalde episoden van quadriplegie of plegie, 4) andere paroxysmale episoden waaronder dystonische aanvallen, 5) oculomotorische afwijkingen of automatische symptomen, 6) verdwijnen van de symptomen met slaap en 7) aanwijzingen voor ontwikkelingsachterstand en/of andere neurologische afwijkingen zoals dystonie, ataxie of chorea.7 Vanuit farmacologisch oogpunt zijn de meest gebruikte geneesmiddelen bij AHC flunarizine, benzodiazepinen, carbamazepine, barbituraten en valproïnezuur. Het is in het wild aangetoond dat flunarizine en benzodiazepinen een grotere verbetering vertonen bij dystonische of plegische episoden.5 Mikati et al hebben in het bijzonder aangetoond dat flunarizine, een calciumantagonist, de duur, ernst en frequentie van de hemiplegische aanvallen vermindert bij tot 80% van de AHC-patiënten.33

Aand de andere kant waren antipsychotica, selectieve serotonine heropname remmers, gabapentine, en acetazolamide onveranderlijk ineffectief.5

Atypische AHC

Naast het klassieke AHC fenotype zijn er verschillende atypische kenmerken beschreven. Met betrekking tot de leeftijd bij aanvang is een vertraagd optreden van hemiplegische aanvallen tot de leeftijd van 4 jaar beschreven.25 Met betrekking tot cognitieve stoornissen zijn milde gevallen met een normale ontwikkeling gemeld.33 Andere ongewone kenmerken zijn een overwegend dystonisch fenotype, de afwezigheid van quadriplegische aanvallen,33 of het optreden van alternerende monoplegie van de bovenste ledematen.34

Daarnaast combineren sommige patiënten typische AHC-paroxysmen met de kenmerken van ofwel vroeg ontstane encefalopathie14,35,36 of RDP.23,37-39

Naast AHC is een aparte nosologische entiteit beschreven met een milder beloop, gekenmerkt door episoden van unilaterale of bilaterale zwakte die uitsluitend uit de slaap voortkomt.40-46 Hoewel de eerste melding van deze aandoening dateert van de oorspronkelijke beschrijving van AHC door Verret en Steele,1 werd de aparte nosologie pas in 1994 erkend, toen de term benigne nachtelijke wisselende hemiplegie van de kindertijd (BNAHC) werd voorgesteld om deze entiteit te onderscheiden van AHC.40 Bij BNAHC beginnen de (hemi)plegische aanvallen alleen vanuit de slaap, en is er geen progressie naar neurologische of intellectuele stoornissen. Bovendien ontbreken andere paroxysmale verschijnselen zoals tonische of dystonische aanvallen en oculomotorische afwijkingen.40,41 Tot op heden zijn er 14 gevallen van BNAHC gerapporteerd, die op één na allemaal jongens betroffen.42 Hoewel zelden getest, is er geen associatie beschreven tussen BNAHC en ATP1A3-mutaties.42 Bij slechts 2 van de 14 patiënten is een Whole Exome Sequencing (WES)-analyse uitgevoerd en in slechts 1 geval werd een heterozygote 16p11.2 microdeletie vastgesteld, waarbij onder andere het PRRT2-gen betrokken is. PRRT2 codeert voor een transmembraaneiwit met een proline-rijk domein en is geassocieerd met episodische kinesigene dyskinesie-1 (OMIM #128200).42 Hoewel er verschillende familiale gevallen zijn gerapporteerd,40,41,45 is de genetische basis (als die er al is) van deze aandoening nog steeds onopgehelderd. Een goede WES analyse moet worden uitgevoerd om deze aandoening beter te onderzoeken en de rol van regulerende bijkomende genetische factoren moet worden overwogen.

Rol van ATP1A3 Gen Disruptie

Na+/K+-ATPase Structuur en Functie

ATP1A1-4 genen coderen voor vier α-subeenheden – respectievelijk α1-4 – van Na+/K+ ATPase. De pomp komt alom tot expressie in het centrale zenuwstelsel (CZS) en bestaat uit bijna twee subeenheden: een alfa (α – die de katalytische plaats voor ATP-hydrolyse en het binden van de ionen bevat) en een beta (β, verantwoordelijk voor de structurele en functionele eigenschap van de α-subeenheid).47 Hoewel de α1-isovorm in het gehele CZS aanwezig is en de α2 in de astrocyten, komt de α3 alleen tot expressie in de neuronen – GABA-erge neuronen in alle kernen van de basale ganglia (striatum, globus pallidus, subthalamische kern, en substantia nigra), verschillende thalamische kernen, cortex, cerebellum, rode kern, en verschillende gebieden van de middenhersenen (reticulotegmentale kern van pons) en hippocampus;48 terwijl de expressie niet significant was in de dopaminerge cellen van de substantia nigra.49,50 Deze ionenpomp is essentieel voor het behoud van de electrogene homeostase van neurale cellen, waarbij Na+ en K+ ionen over het plasmamembraan worden uitgewisseld, gekoppeld aan ATP hydrolyse, waardoor de membraanpotentiaal zowel in rustpotentiaal (α1) als na een actiepotentiaal (α2, α3) wordt ingesteld.

De α3-isovorm wordt gecodeerd door het ATP1A3-gen (OMIM #182350) op chromosoom 19q13 dat codeert voor de α3-subeenheid van het Na+/K+-ATPase, een alomtegenwoordig, elektrogenetisch transmembraan ATPase dat voor het eerst werd beschreven in 195751 en zich bevindt aan de cytosolische zijde van het buitenste plasmamembraan.52 Door 3 Na+ te exporteren en 2 K+ ionen te importeren voor elke gehydrolyseerde ATP-molecule, houdt het Na+/K+-ATPase de gradiënt van een hogere extracellulaire Na+ concentratie en een hoger K+ intracellulair niveau in stand.53,54

Hoewel α3 de subeenheid is die overwegend in neuronen tot expressie komt, brengen sommige neuronen α1 tot expressie – dat overwegend in gliacellen tot expressie wordt gebracht. Vergeleken met α1 vertoont de α3-subeenheid een lagere affiniteit voor Na+ en K+, en een lagere spanningsafhankelijkheid, waardoor een snelle normalisatie van de transmembraan gradiënt na een reeks actiepotentialen mogelijk is.55

De α-subeenheid van het Na+/K+-ATPase bevat 3 cytoplasmatische en één transmembraangebied. De cytoplasmatische domeinen omvatten het fosforylatie (“P”)-domein, het nucleotide-bindende (“N”)-domein en het actuator (“A”)-domein.53 Net als in de andere leden van de P-type ATPase superfamilie vormt het Na+/K+-ATPase een gefosforyleerd tussenproduct tijdens de reactiecyclus. Het P-domein bevat een sterk geconserveerde Asp-Lys-Thr-Gly-Lys-sequentie, waarvan het aspartaatresidu (op positie 366) wordt gefosforyleerd door overdracht van de γ-fosfaatgroep van een ATP-molecuul.56 Het A-domein bevat een Thr-Gly-Glu-Ser-motief dat via het glutamaatresidu het watermolecuul bindt dat nodig is voor aspartyl-fosfaathydrolyse in de katalytische site.57 Het transmembraangebied bestaat uit 10 transmembraanhelixen (TM1-10), waarvan de helixen TM4-6 de kationbindingsplaatsen bevatten en TM8 bijdraagt aan het binden van het derde Na+ ion.57,58

Om ionenuitwisseling mogelijk te maken, ondergaat het eiwit tijdens de reactiecyclus kritische conformatieveranderingen, waarbij de toegankelijkheid en specificiteit van de kationbindingsplaatsen wordt omgekeerd.59 In de zogenaamde E1-toestand is de α-subeenheid toegankelijk vanaf de cytoplasmatische zijde en is Na+-selectief. De binding van 3 Na+ triggert de fosforylering van het Asp366 residu van ATP, wat leidt tot de E1P toestand. Als gevolg daarvan worden Na+ ionen over het membraan getransporteerd en aan de extracellulaire zijde vrijgemaakt. Door het vrijkomen van Na+ gaat het eiwit over in de E2P toestand, die een extracellulaire toegankelijke, K+-selectieve conformatie is. De binding van 2 K+ ionen aan de cytoplasmatische zijde activeert de defosforylering door hydrolyse van het Asp366 residu, met overgang naar de E2 toestand. De lage-affiniteit binding van een ATP-molecuul aan de E2 toestand stimuleert de overgang naar de E1 toestand, waarvan de lage affiniteit voor K+ ionen bepalend is voor het vrijkomen ervan in het cytosol. De hogere affiniteit voor ATP en Na+ ionen van de E1 toestand veroorzaakt de binding van het Na+ en de daaropvolgende fosforylering van het P-domein. Rotatie van het A-domein en herschikkingen van TM1-6 mediëren deze conformatie-overgangen.59-64

De β-subeenheid – waarvan drie differentieel tot expressie komende isovormen (β1-3) bestaan – fungeert als een moleculair chaperon dat het transport van de α-subeenheid van het endoplasmatisch reticulum naar de plasmamembraan vergemakkelijkt en de correcte vouwing en membraanintegratie mogelijk maakt.65,66

Na+/K+-ATPase heeft, naast ionentransport over het celmembraan, verschillende functies, waaronder modulatie van signaaltransductie via PI3K, PLC-γ en MAPK cascades, eiwitinteracties met andere transmembraane enzymen en scaffolding proteins en regulatie van andere transporteractiviteit.20,67,68

ATP1A3 Pathogene Varianten Locatie en Effect

Zoals blijkt uit figuur 1, tasten ATP1A3 mutaties de gehele coderende sequentie aan. Anders dan RDP-veroorzakende mutaties – die over het hele gen verspreid zijn – worden AHC-veroorzakende varianten vaker gevonden in exonen 17 en 18.20 Wat betreft het aangetaste functionele domein, beïnvloeden de meeste AHC-veroorzakende varianten de ionenbindingsplaatsen of de transmembraansegmenten waarin de bindingsresiduen zich bevinden (figuur 2).57 Een kleinere groep mutaties wordt gevonden in andere transmembraanhelixen dan de ionenbindingssegmenten. Verder hebben verschillende mutaties invloed op de cytoplasmatische extensies van de transmembraanhelixen TM3-5, die deze helixen verbinden met de cytoplasmatische A-, N- en P-domeinen (de zogenaamde “stengel”-mutaties).57 In dit laatste cytoplasmatische domein blijken verschillende AHC-veroorzakende varianten voor te komen, terwijl een kleine groep pathogene varianten de extracellulaire lus tussen TM7 en TM8 blijkt aan te tasten.

Figuur 1 Verdeling van AHC-veroorzakende varianten over het ATP1A3-gen en het mRNA.Opmerking: De kolommen tonen het aantal AHC-veroorzakende varianten (lichtgrijze balken) en het totale aantal pathogene ATP1A3-varianten (donkergrijze balken) die in elk exon zijn gerapporteerd.Afkortingen: AHC, alternating hemiplegia of childhood; Nt, Nucleotides; bp, basepairs.

Figuur 2 Locatie van AHC-veroorzakende varianten in het ATP1A3-eiwit.Opmerkingen: Witte stippen tonen AHC-veroorzakende varianten, zwarte stippen tonen varianten die EIEE veroorzaken met de aanwezigheid van hemiplegische aanvallen, blauw-witte stippen tonen varianten die zowel RDP als AHC veroorzaken. Volgens de lokalisatie van de functionele domeinen zijn de varianten onderverdeeld in ionenbindingsplaats-varianten (zwart), membraan-varianten (blauw), steel-varianten (groen), P-domein-varianten (paars) en extracellulaire varianten (rood). De drie verschillende cytosolische domeinen van het ATP1A3-eiwit zijn aangegeven in rood (A-domein), groen (N-domein) en blauw (P-domein).Afkortingen: AHC, alternating hemiplegia of childhood; EIEE, early infantile epileptic encephalopathy; RDP, rapid-onset dystonia-parkinsonism.

Dientengevolge wordt verwacht dat een groot deel van de AHC-veroorzakende varianten invloed heeft op de ionenbinding en het transport, terwijl van een andere consistente groep mutaties wordt verwacht dat ze de enzymfosforylering beïnvloeden.57

Voor sommige van de ionenbindingsplaatsmutaties (Asp801Asn, Asp923Asn, Ser137Tyr, Phe780Leu, Ile810Asn) is experimenteel bewijs geleverd voor een defecte Na+ binding,69-71 terwijl voor andere varianten een verminderde Na+ binding is aangetoond met mutaties die het corresponderende residu in de α1 paraloog aantasten.57 Opvallend is dat er weinig mutaties zijn gerapporteerd in de transmembraanhelften die ver verwijderd zijn van de ion-bindingsplaatsen (zoals TM1-2 en TM9-10). Interessant is dat varianten die het N-cytoplasmatische domein of het C-terminus domein beïnvloeden alleen zijn beschreven in RDP.

Genotype-Phenotype Correlatie

Emergence and Frequency of Different AHC-Causing Variants

Hoewel AHC een sporadische aandoening is ten gevolge van de novo varianten, zijn er weinig autosomaal dominant overgeërfde gevallen gerapporteerd.4,25,26,72 Germline mosaicisme is gemeld in familiaire gevallen van andere ATP1A3-gerelateerde aandoeningen,73 maar het is tot nu toe niet beschreven in AHC.

Ondanks het groeiende aantal gerapporteerde pathogene varianten, toonden de grootste cohortstudies uitgevoerd in verschillende populaties (Europese, Noord-Amerikaanse en Chinese cohorten) aan dat drie varianten verantwoordelijk zijn voor ongeveer 60% van alle gevallen.4,30,74 Meer bepaald werd vastgesteld dat de p.Asp801Asn variant 30-43% van alle gevallen veroorzaakt, p.Glu815Lys is verantwoordelijk voor 16-35% van de gevallen en p.Gly947Arg is goed voor 8-15% (Figuur 3).

Figuur 3 Frequentie van AHC-veroorzakende varianten in verschillende cohorten.Opmerkingen: De grafiek toont de relatieve frequentie van varianten die elk specifiek ATP1A3-residu beïnvloeden in een Noord-Amerikaans (blauwe lijn, N= 151), Europees (rode lijn, N= 130) en een Chinees (zwarte lijn, N= 45) cohort. De pieken worden uitgedrukt als percentage van het totale aantal AHC-patiënten in elk cohort. De drie hotspots voor AHC-veroorzakende varianten (Asp801, Glu915 en Gly947) zijn aangegeven boven de corresponderende piek.Afkorting: AHC, alternating hemiplegia of childhood.

Zoals eerder vermeld, laat de locatie van ATP1A3-mutaties langs de coderende sequentie een genotype-fenotype correlatie zien van het ATP1A3 klinische spectrum. Alleen specifieke mutaties – met name in de buurt van de transmembrane domeinen – en dientengevolge eiwitveranderingen resulteren in AHC (Rosewich H. Neurology 2014).27

Drie recurrente missense mutaties tellen voor 60% van alle AHC-gevallen. Vijftien procent van de AHC hebben geen geïdentificeerde mutatie, maar voldoen wel aan de klinische criteria. In een recent rapport van Panagiotakaki al. werden de klinische gegevens van een groot cohort van 155 patiënten van het internationale Consortium voor AHC grondig doorgenomen en werd een poging ondernomen om genotype-fenotype correlatie discreet vast te stellen.30 Interessant was allereerst dat bij 85% van de patiënten ATP1A3 mutaties werden vastgesteld, hetgeen bevestigt dat een kleine groep patiënten voldeed aan de criteria voor AHC zonder dat een moleculair genetische diagnose werd gesteld. De studie bevestigde ook de relatieve incidentie van de drie meest voorkomende mutaties: p.Asp801Asn, p.Glu815Lys en p.Gly947Arg. Hiervan werd Glu815Lys geassocieerd met een ernstiger fenotype, met resistente epilepsie, ernstige verstandelijke handicap en ernstige dystonie als neurologische hoofdbevindingen. p.Asp801Asn lijkt geassocieerd te zijn met een milder fenotype met later begin van de paroxysmale gebeurtenissen en minder frequente plegische aanvallen; de meerderheid van de patiënten vertoont een matige verstandelijke handicap met een hogere graad van gedragsproblemen. p.Gly947Arg lijkt te correleren met een positieve prognose; het begin van de paroxysmale gebeurtenissen is het laatst in vergelijking met de andere twee mutaties, bovendien is er geen ernstige verstandelijke handicap gerapporteerd. Samenvattend kunnen we stellen dat de drie mutaties een gradiënt van ernst van de symptomen vertonen: p.Glu815Lys > p.Asp801Asn > p.Gly947Arg. Tabel 1 geeft een overzicht van het klinisch spectrum geassocieerd met de drie meest voorkomende mutaties.

Tabel 1 Klinische kenmerken van de meest voorkomende ATP1A3-varianten die AHC veroorzaken

Evidence from in vitro en in vivo studies

Een grote bijdrage tot het verklaren van de klinische heterogeniteit geassocieerd met ATP1A3 mutaties, alsook tot het verbeteren van onze kennis en het ontwikkelen van nieuwe therapeutische strategieën, komt voort uit cellulaire en diermodellen.

Cellulaire studies

In het neuron dat de α3 allel mutatie vertoont, vertoont Na+/K+ ATPase een verminderde natrium affiniteit, wat leidt tot een verhoogde intracellulaire Na+ concentratie met vele mogelijke dramatische gebeurtenissen zoals een verhoogde influx van Ca++ ionen in de cel met toxische effecten en het vrijkomen van excitatoire aminozuren.50 Bovendien is verondersteld dat een veranderde opname van dopamine secundair aan de abnormale Na+ gradiënt gedeeltelijk verantwoordelijk is voor het ATPase gerelateerde syndroom.4,75 Deze verandering leidt tot dystonie en/of parkinsonisme zonder degeneratie van de nigrostriatale pathway,54,75 maar het is niet aangetoond door PET en DAT-SCAN studie bij RDP patiënten, wat het uitblijven van respons op levodopa bij deze patiënten verklaart.76

Heterogeniteit in het fenotypische spectrum getoond door AHC patiënten en door patiënten met RDP suggereert verschillende onderliggende cellulaire gevolgen die relevant zijn voor de pathologische mechanismen. In het algemeen, vanaf de eerste beschrijving en karakterisering van ATP1A3 mutaties geassocieerd met AHC,8 lijkt de activiteit van de Na+/K+ pomp verantwoordelijk te zijn voor de pathogeniciteit in AHC. Het lag dus in de rede dat bij RDP de meeste mutaties de expressie van eiwitten en het celoppervlak beïnvloedden, en dat bij AHC een veranderde activiteit van de pomp het fenotype zou kunnen verklaren.8 Er zijn verschillende studies uitgevoerd om deze kwestie op te helderen71,77 en een bruikbare benadering was door gebruik te maken van geïnduceerde Pluripotente Stamcellen (iPS). Recent werd in een model van iPS cellen, afgeleid van neuronen van AHC patiënten die de missense mutatie p.Gly947Arg dragen, een lager niveau van ouabain-gevoelige uitgaande stroom (een netto uitgaand transport van Na+ ionen) aangetoond in vergelijking met controles.77 Bovendien, zoals voorspeld kan worden door een lagere intracellulaire K+ ionenconcentratie, vertonen neuronen een membraanpotentiaal in rust vergelijkbaar met rustende cellen met een veranderde exciteerbaarheid, wat de hypothese van een verlies van functie mechanisme weerlegt.77

In een zeer recente studie (2019) wijzen Arystarkhova et al er bovendien op dat de ernst van het fenotype niet alleen kan worden verklaard door vermindering van de pompactiviteit en dat op basis van experimentele gegevens andere cellulaire mechanismen worden verondersteld, waaronder het misvouwen van eiwit op Golgi-apparaatniveau en de daaruit voortvloeiende verhouding tussen goede en slechte allelen, door competitie.78

Dier in vivo Studies

Er zijn verschillende muismodellen ontwikkeld om de in vivo gevolgen van α3 isovorm varianten te bestuderen. Er zijn vijf hoofdmodellen die uitvoerig zijn bestudeerd, samengevat in tabel 2. Het eerste model werd gekarakteriseerd door Moseley et al. (2007).79 Zij introduceerden een enkel basenpaar mutatie in intron 4 (α3+/KOI4), met een afwijkende splicing waardoor het allel (Atp1a3tm1/Ling/+) werd uitgeschakeld, herhaald door andere auteurs,80,81 deze muizen vertoonden zowel een maniakaal-achtig fenotype, verhoogd door methamfetamine respons, als aanvallen met een verhoogde motorische activiteit. In 2013 stelden Ikeda et al49 een ander muismodel voor met de grote deletie van 2 tot 6 exonen (α3+/E2-6): voor het eerst vertoonden de aangetaste muizen dystonie geïnduceerd door intracerebellaire kainiet injecties. Wegens de grote deletie en het opeenvolgende afwijkende product was het klinische patroon van de twee bovengenoemde modellen zeer ernstig en ver verwijderd van het menselijke ATP1A3 fenotype. Clapcote et al71 waren de eersten die een muismodel ontwikkelden met een enkele nucleotide-substitutie die een enkele aminozuursubstitutie veroorzaakt (I810N, Myshkin α3+/I810N). In zijn werk beschreef hij muizen met ernstige aanvallen, zowel spontaan als opgewekt door vestibulaire stress (rennen, springen), gedragsstilstand (freezing-achtig) en dood na partiële complexe aanvallen met secundaire generalisatie. Een ander vergelijkbaar mutantmodel is beschreven door Hunayan et al in 2015, waarbij de pAsp801Asn variant is gemodelleerd, genaamd Mashl +/- (α3+/D801N). Het model herinnert aan veel kenmerken van AHC, zoals dystonie en hemiplegie, met cerebellaire betrokkenheid (ataxie en tremor). Onlangs werd een ander muismodel van AHC gerapporteerd. Dit nieuwe knock-in muismodel (Atp1a3E815K+/-, Matoub, Matb+/-) brengt de E815K mutatie van het Atp1a3 gen (het meest ernstige veel voorkomende fenotype van AHC) tot expressie.83 In hun elegante studie toonden de auteurs duidelijk aan dat de gemuteerde muizen gedragsmatige en neurofysiologische kenmerken vertoonden, die lijken op de meest ernstige vorm van AHC. In het bijzonder was het motorisch initiatief slecht, de motorische prestaties waren sterk verminderd (bv. coördinatie, evenwicht, abnormale gang), en interessant genoeg werden, buiten epilepsie, veel muizen waargenomen tijdens spontane aanvallen of geprovoceerde aanvallen voor plotse onverwachte dood bij epilepsie (SUDEP).83 Van belang is dat de hemiplegie en dystonie episodes zowel spontaan waren als geïnduceerd door hoge mate van stress (bv. contact met water of verandering van kooi), waarschijnlijk in het menselijke fenotype. Het is opmerkelijk te onderstrepen dat, hoewel er verschillen bestaan tussen de voorgestelde modellen, sommige kenmerken gemeenschappelijk zijn, waaronder de hyperexciteerbaarheid van de hersenen, motorische afwijkingen (spontaan of uitgelokt) en gedragsveranderingen, wat wijst op een centrale rol van ATP1A3 in het functioneren van de hersenen.

Tabel 2 Overzicht van preklinische muismodellen van ATP1A3-mutaties gerelateerd aan AHC

Conclusie

Met de toenemende opkomst van nieuwe fenotypes gerelateerd aan ATP1A3 samen met de grote toegankelijkheid van genetische tests in dit nieuwe tijdperk, hebben clinici en wetenschappers hun belangstelling voor ATP1A3-gerelateerde aandoeningen vernieuwd. In het bijzonder, sinds de ontdekking dat ATP1A3 mutaties de oorzaak zijn van AHC, zijn grote inspanningen geleverd om te begrijpen hoe verstoring van de normale functies van ATPase activiteit kan leiden tot verschillende fenotypes van de ziekte. Hoewel vele pathogene mechanismen die bijdragen tot AHC en RDP nog steeds onbekend zijn, zijn de AHC fenotypes beter begrepen en afgebakend, zodat de laatste jaren een genotype-fenotype correlatie werd nagestreefd om de belangrijkste discrete fenotypes in te delen. AHC is een complexe aandoening met paroxysmale verschijnselen die in de loop van de tijd fluctueren, dystonie, epilepsie, ataxie, maar ook een verstandelijke handicap en gedragsstoornissen. Inzicht in het natuurlijk beloop, de prognose en de verwachtingen is dan ook van cruciaal belang voor de patiëntenzorg, de clinici en de verzorgers. Voor de drie meest frequente en recurrente mutaties in de populatie (zoals weergegeven in figuur 3) zijn wij redelijk in staat te weten wat het klinisch beloop zal zijn, welke aandoeningen wij moeten behandelen, en misschien de prognose te voorspellen. Jammer genoeg blijft een relatief klein percentage van de patiënten zonder diagnose of valt niet in één van deze drie discrete fenotypische categorieën; de meesten van hen vertonen neurologische tekenen en symptomen die variabel geassocieerd zijn met de aard van het continuüm spectrum van de ATP1A3 ziekte. Niettemin, voor alle patiënten, is het begrijpen van de ultieme moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de verstoringen van de ATP1A3 proteïnefunctie het doel om tot nieuwe therapeutische benaderingen te komen. In vitro modellering evenals diermodellen van ziekte die in toenemende mate de menselijke klinische conditie fenotyperen vormen het veelbelovende kader waar nieuwe effectieve behandeling kan worden ontwikkeld.