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

Introduction

Po raz pierwszy opisany w 1971 roku przez Verreta i Steele’a u 8 dzieci,1 zespół naprzemiennej hemiplegii dziecięcej (AHC, OMIM #614820) został zdefiniowany dopiero 9 lat później przez Krägeloh i Aicardi,2 którzy opisali pięć nowych przypadków i dokonali przeglądu wcześniejszych doniesień omawiających nozologię tej jednostki chorobowej. Specyficzne kryteria diagnostyczne dla AHC, nazwane „kryteriami Aicardiego”, zaproponowano po raz pierwszy w 1993 roku.3 Od tego czasu oryginalne kryteria były okresowo aktualizowane w celu wsparcia klinicznego rozpoznawania tego osobliwego zaburzenia neurorozwojowego.4-7

W 2012 roku dwie niezależne grupy badawcze – międzynarodowe konsorcjum8 i grupa niemiecka9 – zidentyfikowały heterozygotyczne mutacje de novo w ATP1A3 jako przyczynę AHC. Wkrótce potem w badaniu japońskim powtórzono to odkrycie,10 dostarczając kolejnych dowodów na to, że mutacje ATP1A3 powodują AHC.

Heterozygotyczne mutacje ATP1A3 były już wcześniej opisywane jako przyczyna innej jednostki opisanej wcześniej na podstawie klinicznej: dystonii-parkinsonizmu o szybkim początku (RDP, DYT12, OMIM #128235), rzadkiego i osobliwego zaburzenia ruchowego dziedziczonego w sposób autosomalny dominujący.11 W 2014 roku doniesiono, że ATP1A3 są przyczyną kolejnej jednostki neurologicznej: zespołu ataksji móżdżkowej, arefleksji, pes cavus, zaniku nerwu wzrokowego i niedosłuchu odbiorczego (CAPOS) (OMIM #601338).12,13 Ponadto w ostatnich latach pojawiły się dwa inne fenotypy związane z mutacjami ATP1A3: wczesna padaczka niemowlęca z encefalopatią (early infantile epilepsy with encephalopathy, EIEE)14,15 oraz nawracająca encefalopatia z ataksją móżdżkową (recurrent encephalopathy with cerebellar ataxia, RECA).16,17

Większość pacjentów z patogennymi wariantami ATP1A3 należy do jednego z tych fenotypów,18 które leżą u podstaw prawie nienakładającego się podzbioru mutacji sprawczych.19,20 Niemniej jednak niektóre osoby wykazują cechy nietypowe lub łączą cechy dwóch lub więcej z tych głównych fenotypów.20-24 Z drugiej strony, niektóre warianty patogenetyczne powodują różne fenotypy, nawet w tej samej rodzinie.4,25-27 W rezultacie zaproponowano, aby zaburzenia związane z ATP1A3 traktować raczej jako kontinuum kliniczne niż odrębne jednostki, z zależnym od wieku wzorcem pojawiania się i progresji różnych oznak i objawów.16,18,19

Pomimo rosnącej liczby doniesień opisujących formy pośrednie i nakładające się pomiędzy głównymi fenotypami związanymi z ATP1A3, AHC pozostaje dobrze zdefiniowanym i rozpoznawalnym zespołem, którego identyfikacja kliniczna jest niezbędna do ukierunkowania badań molekularnych.

W tym przeglądzie podsumowujemy wiedzę na temat AHC, skupiając się na klinicznych wskazówkach diagnostycznych, korelacjach genotyp-fenotyp oraz funkcjonalnym wpływie wariantów ATP1A3 tego schorzenia.

Cechy kliniczne

Klasyczne AHC

AHC jest swoistym zaburzeniem neurorozwojowym charakteryzującym się konstelacją napadowych objawów neurologicznych, wśród których charakterystyczne są nawracające epizody niedowładu połowiczego obejmujące każdą stronę ciała i występujące naprzemiennie w lateralizacji.18 Napady czterokończynowe mogą występować samodzielnie lub jako uogólnienie napadu hemiplegicznego. Ponadto do objawów napadowych należą napady toniczne lub dystoniczne (dotyczące jednej kończyny, jednej połowy ciała lub uogólnione), zaburzenia okulomotoryczne i zjawiska dysautonomiczne (jedno- lub obustronna krótkowzroczność, zaczerwienienie, bladość), które mogą występować samodzielnie lub w połączeniu z napadami hemiplegicznymi.19 Epizody napadowe pojawiają się zwykle przed 18 miesiącem życia, a mediana wieku zachorowania wynosi 3-5 miesięcy. Napadowe nieprawidłowe ruchy gałek ocznych (w tym oczopląs jedno- i obuoczny, zez, rozbieżne spojrzenie, drżenie gałek ocznych, trzepotanie gałek ocznych) są często pierwszym objawem neurologicznym, występującym w odosobnieniu przed wystąpieniem innych napadów.28

Zjawiska napadowe zwykle rozpoznaje się po emocjonalnych lub środowiskowych czynnikach wyzwalających (ćwiczenia, ekspozycja na światło, dźwięki lub gorącą wodę, określone pokarmy), a objawy łagodzi sen i okresy po przebudzeniu.7 Stwierdzono dużą zmienność czasu trwania i częstości napadów, nawet u tego samego pacjenta, trwających od kilku minut do kilku dni i występujących do kilku razy dziennie.28

Oprócz objawów napadowych, AHC charakteryzuje się również trwałymi, międzynapadowymi zaburzeniami neurologicznymi, których częstość występowania wzrasta z wiekiem. Najczęściej stwierdza się zaburzenia rozwojowe (opóźnienie mowy i języka, deficyty poznawcze, problemy behawioralne) o różnym stopniu nasilenia, a następnie dyzartrię, ataksję, pląsawicę, dystonię i rzadziej objawy ze strony układu piramidowego.7,27,29 Pogorszenie stanu neurologicznego może wykazywać stopniową progresję, z dyskretnym pogorszeniem sprawności ruchowej lub poznawczej po długotrwałym epizodzie napadowym. Stałe deficyty neurologiczne często wykazują rostrokaudalny gradient nasilenia, przy czym nasilenie dystonii ustno-żuchwowej i dyzartrii przewyższa nasilenie dystonii kończyn górnych i dolnych.7

Do 50% pacjentów z AHC ma napady padaczkowe.4,5,30,31 Padaczka może być ogniskowa lub uogólniona, z wieloma rodzajami napadów i lokalizacjami, i często jest lekooporna. Ponadto odnotowano dużą częstość występowania i nawrotów opornego na leczenie stanu padaczkowego.32

W ostatniej wersji kryteriów klinicznych dotyczących AHC uznano kryteria główne (diagnostyczne) i drugorzędowe (pomocnicze), a także zawarto zestaw standardowych definicji upraszczających opis epizodów napadowych, aby zapewnić opiekunom bardziej przystępny język dokumentowania zdarzeń.7 W szczególności kryteria obejmowały: 1) początek objawów przed 18 miesiącem życia, 2) powtarzające się epizody niedowładu połowiczego na przemian bocznego lub 3) powtarzające się epizody niedowładu czterokończynowego lub plegii, 4) inne epizody napadowe, w tym napady dystonii, 5) zaburzenia okulomotoryczne lub objawy automatyczne, 6) ustępowanie objawów podczas snu i 7) dowody na opóźnienie rozwoju i/lub inne zaburzenia neurologiczne, takie jak dystonia, ataksja lub pląsawica.7 Z farmakologicznego punktu widzenia najczęstszymi lekami stosowanymi w AHC są flunaryzyna, benzodiazepiny, karbamazepina, barbiturany i kwas walproinowy. Wykazano, że flunaryzyna i benzodiazepiny wykazują większą poprawę w epizodach dystonicznych lub plegicznych.5 Mikati i wsp. wykazali w szczególności, że flunaryzyna, antagonista wapnia, zmniejsza czas trwania, nasilenie i częstość napadów hemiplegicznych nawet u 80% pacjentów z AHC.33

Z drugiej strony, leki przeciwpsychotyczne, selektywne inhibitory wychwytu zwrotnego serotoniny, gabapentyna i acetazolamid były niezmiennie nieskuteczne.5

Atypowe AHC

Oprócz klasycznego fenotypu AHC opisano kilka cech atypowych. Jeśli chodzi o wiek wystąpienia choroby, opisano opóźnione wystąpienie napadów hemiplegicznych do 4 roku życia.25 Jeśli chodzi o zaburzenia poznawcze, opisano łagodne przypadki z prawidłowym rozwojem.33 Inne rzadkie cechy to fenotyp z przewagą dystonii, brak ataków czterokończynowych,33 lub występowanie naprzemiennej monoplegii kończyn górnych.34

Co więcej, u niektórych pacjentów typowe napadowe AHC łączą się z cechami encefalopatii o wczesnym początku14,35,36 lub RDP.23,37-39

Oprócz AHC opisano odrębną jednostkę chorobową o łagodniejszym przebiegu, charakteryzującą się epizodami jednostronnego lub obustronnego osłabienia występującymi wyłącznie w czasie snu.40-46 Chociaż pierwsze doniesienie o tym schorzeniu pochodzi jeszcze z czasów pierwotnego opisu AHC przez Verreta i Steele’a,1 jego odrębna nomenklatura została uznana dopiero w 1994 roku, kiedy zaproponowano termin łagodna nocna naprzemienna hemiplegia dziecięca (benign nocturnal alternating hemiplegia of childhood, BNAHC) w celu odróżnienia tej jednostki od AHC.40 W BNAHC napady (pół)plegii pojawiają się tylko podczas snu i nie dochodzi do progresji do upośledzenia neurologicznego lub intelektualnego. Ponadto nie występują inne zdarzenia napadowe, takie jak napady toniczne lub dystoniczne oraz zaburzenia okulomotoryczne.40,41 Do tej pory opisano 14 przypadków BNAHC, z których wszystkie, z wyjątkiem jednego, dotyczyły chłopców.42 Chociaż rzadko badany, nie opisano związku między BNAHC a mutacjami ATP1A3.42 Spośród 14 pacjentów tylko u 2 wykonano analizę sekwencjonowania całego eksomu (Whole Exome Sequencing – WES) i tylko w 1 przypadku ujawniono heterozygotyczną mikrodelecję 16p11.2 obejmującą między innymi gen PRRT2. PRRT2 koduje białko transmembranowe zawierające domenę bogatą w prolinę i jest związane z epizodyczną dyskinezą kinestetyczną-1 (OMIM #128200).42 Mimo że opisano kilka przypadków rodzinnych,40,41,45 podłoże genetyczne (jeśli w ogóle istnieje) tego schorzenia nadal pozostaje niejasne. W celu lepszego zbadania tego schorzenia należy przeprowadzić odpowiednią analizę WES oraz rozważyć rolę dodatkowych czynników genetycznych o charakterze regulacyjnym.

Rola zaburzeń genu ATP1A3

Struktura i funkcja Na+/K+-ATPazy

Geny ATP1A1-4 kodują cztery podjednostki α – odpowiednio α1-4 – ATPazy Na+/K+. Pompa ulega wszechobecnej ekspresji w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) i tworzą ją prawie dwie podjednostki: jedna alfa (α – zawierająca miejsce katalityczne do hydrolizy ATP i wiązania jonów) i jedna beta (β, odpowiedzialna za strukturalny i funkcjonalny atut podjednostki α).47 O ile izoforma α1 jest obecna w całym OUN, a α2 w astrocytach, o tyle α3 ulega ekspresji tylko w neuronach – neuronach GABAergicznych we wszystkich jądrach zwojów podstawy (striatum, globus pallidus, jądrze podwzgórzowym, i substantia nigra), kilku jądrach wzgórza, korze mózgowej, móżdżku, jądrze czerwonym, i kilku obszarach śródmózgowia (jądro siateczkowo-śródbłonkowe pons) i hipokampie;48 podczas gdy ekspresja nie była znacząca w komórkach dopaminergicznych substantia nigra.49,50 Ta pompa jonowa jest niezbędna do utrzymania homeostazy elektrogenicznej komórek nerwowych, wymieniając jony Na+ i K+ przez błonę plazmatyczną w sprzężeniu z hydrolizą ATP, ustalając potencjał błonowy zarówno w potencjale spoczynkowym (α1), jak i po potencjale czynnościowym (α2, α3).

Izoforma α3 jest kodowana przez gen ATP1A3 (OMIM #182350) na chromosomie 19q13 kodujący podjednostkę α3 Na+/K+-ATPazy, wszechobecnej, elektrogennej, transmembranowej ATPazy opisanej po raz pierwszy w 1957 roku51 i zlokalizowanej po cytozolowej stronie zewnętrznej błony plazmatycznej.52 Eksportując 3 jony Na+ i importując 2 jony K+ na każdą pojedynczą hydrolizowaną cząsteczkę ATP, Na+/K+-ATPaza utrzymuje gradient wyższego zewnątrzkomórkowego stężenia Na+ i wyższego wewnątrzkomórkowego poziomu K+.53,54

Chociaż α3 jest podjednostką ulegającą ekspresji głównie w neuronach, niektóre neurony wykazują ekspresję α1 – która ulega ekspresji głównie w komórkach glejowych. W porównaniu z α1, podjednostka α3 wykazuje mniejsze powinowactwo do Na+ i K+ oraz mniejszą zależność od napięcia, co umożliwia szybką normalizację gradientu transmembranowego po serii potencjałów czynnościowych.55

Podjednostka α Na+/K+-ATPazy zawiera 3 regiony cytoplazmatyczne i jeden transmembranowy. Domeny cytoplazmatyczne obejmują domenę fosforylacji („P”), domenę wiązania nukleotydów („N”) i domenę aktywatora („A”).53 Podobnie jak u innych członków nadrodziny ATPaz typu P, Na+/K+-ATPaza podczas cyklu reakcyjnego tworzy fosforylowany intermediat. Domena P zawiera wysoce konserwowaną sekwencję Asp-Lys-Thr-Gly-Lys, której reszta asparaginianowa (znajdująca się w pozycji 366) ulega fosforylacji w wyniku przeniesienia grupy γ-fosforanowej cząsteczki ATP.56 Domena A zawiera motyw Thr-Gly-Glu-Ser, który poprzez resztę glutaminianową wiąże cząsteczkę wody potrzebną do hydrolizy fosforanu asparaginy w miejscu katalitycznym.57 Region transmembranowy składa się z 10 transmembranowych helikali (TM1-10), z których heliksy TM4-6 zawierają miejsca wiązania kationów, a TM8 przyczynia się do wiązania trzeciego jonu Na+.57,58

Aby umożliwić wymianę jonów, podczas cyklu reakcyjnego białko ulega krytycznym zmianom konformacyjnym, odwracając dostępność i specyficzność miejsc wiązania kationów.59 W tzw. stanie E1 podjednostka α jest dostępna od strony cytoplazmatycznej i jest Na+-selektywna. Związanie 3 Na+ wyzwala fosforylację reszty Asp366 z ATP, co prowadzi do stanu E1P. W wyniku tego jony Na+ są transportowane przez błonę i uwalniane po stronie zewnątrzkomórkowej. Poprzez uwolnienie Na+ białko przechodzi w stan E2P, który jest konformacją dostępną zewnątrzkomórkowo, selektywną dla K+. Związanie 2 jonów K+ po stronie cytoplazmatycznej wyzwala depfosforylację poprzez hydrolizę reszty Asp366 i przejście do stanu E2. Związanie cząsteczki ATP o niskim powinowactwie do stanu E2 stymuluje przejście do stanu E1, którego niskie powinowactwo do jonów K+ warunkuje ich uwolnienie do cytozolu. Wyższe powinowactwo do ATP i jonów Na+ stanu E1 powoduje związanie Na+ i następującą fosforylację domeny P. Rotacja domeny A i rearanżacje TM1-6 pośredniczą w tych przejściach konformacyjnych.59-64

Podjednostka β – której istnieją trzy różnie wyrażone izoformy (β1-3) – działa jako chaperon molekularny, który ułatwia transport podjednostki α z retikulum endoplazmatycznego do błony plazmatycznej oraz umożliwia jej prawidłowe składanie i integrację błonową.65,66

Oprócz transportu jonów przez błonę komórkową, wykazano, że Na+/K+-ATPaza pełni różne funkcje, w tym modulację transdukcji sygnału poprzez kaskady PI3K, PLC-γ i MAPK, interakcje białkowe z innymi enzymami transmembranowymi i białkami rusztowania oraz regulację aktywności innych transporterów.20,67,68

Warianty patogenne ATP1A3 Lokalizacja i efekt

Jak pokazano na rycinie 1, mutacje ATP1A3 dotyczą całej sekwencji kodującej. W przeciwieństwie do mutacji powodujących RDP – które są rozproszone w całym genie – warianty powodujące AHC są częściej znajdowane w eksonach 17 i 18.20 W odniesieniu do dotkniętej domeny funkcjonalnej, większość wariantów powodujących AHC wpływa na miejsca wiązania jonów lub segmenty transmembranowe, w których znajdują się reszty wiążące (Rycina 2).57 Mniejsza grupa mutacji jest znajdowana w heliksach transmembranowych innych niż segmenty wiążące jony. Ponadto, kilka mutacji wpływa na cytoplazmatyczne przedłużenia helikali transmembranowych TM3-5, które łączą te heliksy z cytoplazmatycznymi domenami A, N i P (tzw. mutacje „łodygowe”).57 Stwierdzono, że ta ostatnia domena cytoplazmatyczna jest siedliskiem kilku wariantów wywołujących AHC, podczas gdy niewielka grupa patogennych wariantów wpływa na zewnątrzkomórkową pętlę między TM7 i TM8.

Rysunek 1 Rozmieszczenie wariantów wywołujących AHC wzdłuż genu ATP1A3 i mRNA.Uwaga: Kolumny pokazują liczbę wariantów powodujących AHC (jasnoszare słupki) i całkowitą liczbę patogennych wariantów ATP1A3 (ciemnoszare słupki) zgłoszonych w każdym egzonie.Skróty: AHC, alternating hemiplegia of childhood; Nt, nukleotydy; bp, basepairs.

Rysunek 2 Lokalizacja wariantów powodujących AHC w białku ATP1A3.Uwagi: Białe kropki pokazują warianty powodujące AHC, czarne kropki wskazują warianty powodujące EIEE z obecnością ataków hemiplegicznych, niebiesko-białe kropki pokazują warianty powodujące zarówno RDP, jak i AHC. Zgodnie z lokalizacją domen funkcjonalnych, warianty podzielono na warianty miejsc wiązania jonów (czarne), warianty błonowe (niebieskie), warianty łodygowe (zielone), warianty domeny P (fioletowe) i warianty zewnątrzkomórkowe (czerwone). Trzy różne domeny cytozolowe białka ATP1A3 oznaczono kolorem czerwonym (domena A), zielonym (domena N) i niebieskim (domena P).Skróty: AHC, alternating hemiplegia of childhood; EIEE, early infantile epileptic encephalopathy; RDP, rapid-onset dystonia-parkinsonism.

W rezultacie oczekuje się, że ogromna część wariantów powodujących AHC wpływa na wiązanie i transport jonów, podczas gdy inna spójna grupa mutacji ma wpływać na fosforylację enzymu.57.

Dla niektórych mutacji miejsc wiążących jony (Asp801Asn, Asp923Asn, Ser137Tyr, Phe780Leu, Ile810Asn) dostarczono eksperymentalnych dowodów na wadliwe wiązanie Na+,69-71 podczas gdy dla innych wariantów wykazano upośledzone wiązanie Na+ z mutacjami wpływającymi na odpowiednią resztę w paralogu α1.57 Warto zauważyć, że niewiele mutacji odnotowano w heliksach transmembranowych oddalonych od miejsc wiązania jonów (takich jak TM1-2 i TM9-10). Co ciekawe, warianty wpływające na domenę N-cytoplazmatyczną lub domenę C-terminus zostały opisane tylko w RDP.

Korelacja genotyp-fenotyp

Występowanie i częstość różnych wariantów wywołujących AHC

Chociaż AHC jest sporadycznym zaburzeniem spowodowanym wariantami de novo, opisano kilka przypadków dziedziczonych w sposób autosomalny dominujący.4,25,26,72 Mozaikowość linii zarodkowej była opisywana w rodzinnych przypadkach innych zaburzeń związanych z ATP1A3,73 ale jak dotąd nie została opisana w AHC.

Mimo rosnącej liczby opisywanych wariantów patogenetycznych, największe badania kohortowe przeprowadzone w różnych populacjach (kohorty europejskie, północnoamerykańskie i chińskie) wykazały, że trzy warianty odpowiadają za około 60% wszystkich przypadków.4,30,74 W szczególności stwierdzono, że wariant p.Asp801Asn jest przyczyną 30-43% wszystkich przypadków, p.Glu815Lys odpowiada za 16-35% przypadków, a p.Gly947Arg stanowi 8-15% (Ryc. 3).

Ryc. 3 Częstość występowania wariantów powodujących AHC w różnych kohortach.Uwagi: Wykres pokazuje względną częstość wariantów wpływających na każdą specyficzną resztę ATP1A3 w kohorcie północnoamerykańskiej (niebieska linia, N= 151), europejskiej (czerwona linia, N= 130) i chińskiej (czarna linia, N= 45). Szczyty wyrażone są jako procent całkowitej liczby pacjentów z AHC w każdej kohorcie. Trzy gorące punkty dla wariantów powodujących AHC (Asp801, Glu915 i Gly947) są wskazane powyżej odpowiedniego szczytu.Skróty: AHC, alternating hemiplegia of childhood.

Jak wcześniej stwierdzono, lokalizacja mutacji ATP1A3 wzdłuż sekwencji kodującej wykazuje korelację genotyp-fenotyp spektrum klinicznego ATP1A3. Tylko specyficzne mutacje – szczególnie w pobliżu domen transmembranowych – i w konsekwencji zmiany białkowe skutkują AHC (Rosewich H. Neurology 2014).27

Trzy powtarzające się mutacje typu missense liczą się za 60% wszystkich przypadków AHC. Piętnaście procent AHC nie ma zidentyfikowanej mutacji, ale spełnia kryteria kliniczne. W ostatnim doniesieniu Panagiotakaki i wsp. dokonano szczegółowego przeglądu danych klinicznych dużej kohorty 155 pacjentów z międzynarodowego konsorcjum AHC i podjęto próbę dyskretnej korelacji genotyp-fenotyp.30 Po pierwsze, co ciekawe, mutacje ATP1A3 wykryto u 85% pacjentów, potwierdzając, że niewielka grupa chorych spełnia kryteria AHC bez molekularnej diagnostyki genetycznej. W badaniu potwierdzono również względną częstość występowania trzech najczęstszych mutacji: p.Asp801Asn, p.Glu815Lys i p.Gly947Arg. Spośród nich mutacja Glu815Lys była związana z cięższym fenotypem, z padaczką lekooporną, głęboką niepełnosprawnością intelektualną i ciężką dystonią jako głównymi objawami neurologicznymi. p.Asp801Asn wydaje się być związana z łagodniejszym fenotypem z późniejszym początkiem napadów i rzadszymi napadami plegii; większość pacjentów prezentuje umiarkowaną niepełnosprawność intelektualną z wyższym odsetkiem problemów behawioralnych. p.Gly947Arg wydaje się korelować z korzystnym rokowaniem; początek napadów jest najpóźniejszy w porównaniu z pozostałymi dwiema mutacjami, ponadto nie odnotowano ciężkiej niepełnosprawności intelektualnej. Podsumowując, trzy mutacje wykazują gradient nasilenia objawów: p.Glu815Lys > p.Asp801Asn > p.Gly947Arg. Tabela 1 podsumowuje spektrum kliniczne związane z trzema najczęściej występującymi mutacjami.

Table 1 Clinical Features of Most Common ATP1A3 Variants Causing AHC

Evidence from in vitro i in vivo

Wielki wkład w wyjaśnienie heterogeniczności klinicznej związanej z mutacjami ATP1A3, jak również w poszerzenie naszej wiedzy i opracowanie nowych strategii terapeutycznych, wynika z modeli komórkowych i zwierzęcych.

Badania komórkowe

W neuronie prezentującym mutację allelu α3, ATPaza Na+/K+ wykazuje zmniejszone powinowactwo do sodu, co prowadzi do podwyższonego wewnątrzkomórkowego stężenia Na+ z wieloma możliwymi dramatycznymi zdarzeniami, takimi jak zwiększony napływ jonów Ca++ do komórki z efektami toksycznymi i uwalnianiem aminokwasów pobudzających.50 Ponadto przypuszcza się, że zmieniony wychwyt dopaminy wtórny do nieprawidłowego gradientu Na+ jest częściowo odpowiedzialny za zespół związany z ATPazą.4,75 Zmiana ta prowadzi do dystonii i/lub parkinsonizmu bez degeneracji szlaku nigrostriatalnego,54,75 ale nie wykazano jej w badaniach PET i DAT-SCAN u chorych na RDP, co tłumaczy brak odpowiedzi na lewodopę u tych pacjentów.76

Heterogenność spektrum fenotypowego u pacjentów z AHC i u pacjentów z RDP sugeruje różne konsekwencje komórkowe leżące u podstaw mechanizmów patologicznych. Ogólnie rzecz biorąc, od pierwszego opisu i charakterystyki mutacji ATP1A3 związanych z AHC,8 aktywność pompy Na+/K+ wydaje się być odpowiedzialna za patogenność w AHC. Dlatego uzasadnione było, że w RDP większość mutacji wpływa na ekspresję białek i ekspresję powierzchni komórek, a w AHC zmieniona aktywność pompy może wyjaśniać fenotyp.8 Przeprowadzono kilka badań w celu wyjaśnienia tej kwestii71,77 , a jednym z użytecznych podejść było wykorzystanie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS). Ostatnio w modelu neuronów z komórek iPS pochodzących od pacjentów z AHC, niosących mutację typu missense p.Gly947Arg, wykazano niższy poziom prądu wyjściowego wrażliwego na ouabainę (transport netto jonów Na+ na zewnątrz) w porównaniu z grupą kontrolną.77 Ponadto, jak można przewidywać na podstawie niższego wewnątrzkomórkowego stężenia jonów K+, neurony wykazują spoczynkowy potencjał błonowy podobny do spoczynkowej komórki ze zmienioną pobudliwością, co wyklucza hipotezę mechanizmu utraty funkcji.77

Co więcej, w bardzo niedawnym badaniu (2019), Arystarkhova i wsp. wskazują, że ciężkość fenotypu nie może być wyjaśniona wyłącznie przez zmniejszenie aktywności pompy, a inne mechanizmy komórkowe są hipotezowane na podstawie danych doświadczalnych, w tym błędne składanie białka na poziomie aparatu Golgiego i wynikający z tego stosunek między dobrymi i złymi allelami, przez konkurencję.78

Badania in vivo na zwierzętach

Opracowano kilka modeli mysich w celu zbadania konsekwencji in vivo wariantów izoformy α3. Istnieje pięć głównych modeli, które zostały wyczerpująco przebadane, podsumowanych w Tabeli 2. Pierwszy model scharakteryzowali Moseley i wsp. (2007).79 Wprowadzając mutację jednej pary zasad w intronie 4 (α3+/KOI4), z aberracyjnym splicingiem nokautującym allel (Atp1a3tm1/Ling/+), replikowanym przez innych autorów,80,81 myszy te wykazywały zarówno fenotyp maniakalno-podobny, nasilony reakcją na metamfetaminę, jak i drgawki ze zwiększoną aktywnością ruchową. W 2013 roku Ikeda i wsp.49 zaproponowali kolejny model mysi z dużą delecją od 2 do 6 eksonu (α3+/E2-6): po raz pierwszy myszy dotknięte delecją ujawniły dystonię indukowaną przez śródmózgowe iniekcje kainitu. Z powodu dużej delecji i sekwencyjnego aberrant product, wzorzec kliniczny powyższych dwóch modeli był bardzo ciężki i daleki od ludzkiego fenotypu ATP1A3. Clapcote i wsp.71 jako pierwsi opracowali model mysi z pojedynczą substytucją nukleotydową powodującą pojedynczą substytucję aminokwasową (I810N, Myszkin α3+/I810N). W swojej pracy opisał myszy z ciężkimi napadami zarówno spontanicznymi, jak i wywołanymi stresem przedsionkowym (bieganie, skakanie), zatrzymaniem behawioralnym (freezing-like) i śmiercią po napadach częściowych złożonych z wtórnym uogólnieniem. Inny podobny model mutanta opisali Hunayan i wsp. w 2015 roku, modelując wariant pAsp801Asn, nazwany Mashl +/- (α3+/D801N). Model ten przywołuje wiele cech AHC, takich jak dystonia i hemiplegia, z zajęciem móżdżku (ataksja i drżenie). Ostatnio opisano kolejny mysi model AHC. Ten nowy model myszy typu knock-in (Atp1a3E815K+/-, Matoub, Matb+/-) wyraża mutację E815K genu Atp1a3 (najcięższy wspólny fenotyp AHC).83 W swoim eleganckim badaniu autorzy wyraźnie wykazali, że zmutowane myszy wyrażały cechy behawioralne i neurofizjologiczne, przypominające najcięższą postać AHC. W szczególności inicjacja ruchowa była słaba, sprawność ruchowa głęboko upośledzona (np. koordynacja, równowaga, nieprawidłowy chód), a co ciekawe, poza padaczką, u wielu myszy obserwowano przemijanie podczas spontanicznego napadu drgawkowego lub prowokowanego napadu nagłej nieoczekiwanej śmierci w padaczce (SUDEP).83 Warto zauważyć, że epizody hemiplegii i dystonii były zarówno spontaniczne, jak i wywoływane przez wysoki poziom stresu (np. kontakt z wodą lub zmiana klatki), co prawdopodobnie odpowiada fenotypowi ludzkiemu. Warto podkreślić, że chociaż istnieją różnice między proponowanymi modelami, niektóre cechy są wspólne, w tym nadpobudliwość mózgu, zaburzenia ruchowe (spontaniczne lub prowokowane) i zmiany zachowania, zgodnie z kluczową rolą ATP1A3 w funkcjonowaniu mózgu.

Table 2 Summary of Pre-Clinical Mouse Models of ATP1A3 Mutations Related to AHC

Conclusion

With the growing emergence of new phenotypes related to ATP1A3 along together with the high accessibility to genetic tests in this new era, klinicyści i naukowcy odnowili swoje zainteresowanie zaburzeniami związanymi z ATP1A3. W szczególności, od czasu odkrycia, że mutacje ATP1A3 są przyczyną AHC, podjęto ogromne wysiłki, aby zrozumieć, w jaki sposób zaburzenie prawidłowych funkcji aktywności ATPazy może prowadzić do różnych fenotypów choroby. Chociaż wiele mechanizmów patogenetycznych przyczyniających się do rozwoju AHC i RDP nadal pozostaje nieznanych, fenotypy AHC zostały lepiej poznane i wyodrębnione, dlatego w ostatnich latach podjęto próbę korelacji genotyp-fenotyp w celu sklasyfikowania głównych, dyskretnych fenotypów. AHC jest złożonym schorzeniem, którego obraz kliniczny obejmuje zmienne w czasie napadowe zdarzenia, dystonię, padaczkę, ataksję, a także niepełnosprawność intelektualną i zaburzenia zachowania; w związku z tym zrozumienie naturalnego przebiegu, rokowania i oczekiwań jest bardzo istotne dla opieki nad pacjentami, klinicystów i opiekunów. W przypadku trzech najczęściej występujących i powtarzających się mutacji w populacji (jak pokazano na rycinie 3), jesteśmy w stanie w miarę dokładnie określić, jaki będzie przebieg kliniczny, jakie schorzenia musimy leczyć i być może przewidzieć rokowanie. Niestety, stosunkowo niewielki odsetek pacjentów pozostaje bez rozpoznania lub nie należy do żadnej z tych trzech dyskretnych kategorii fenotypowych; większość z nich prezentuje neurologiczne oznaki i objawy zmiennie związane z naturą kontinuum spektrum choroby ATP1A3. Niemniej jednak, w przypadku wszystkich pacjentów, zrozumienie ostatecznych mechanizmów molekularnych leżących u podstaw zaburzeń funkcji białka ATP1A3 jest celem, który pozwoli na opracowanie nowych metod terapeutycznych. Modelowanie in vitro, jak również zwierzęce modele choroby w coraz większym stopniu odwzorowujące ludzki stan kliniczny stanowią obiecujące ramy, w których można opracować nowe skuteczne metody leczenia.