Liten genförändring med stor effekt ger nya ledtrådar om epilepsi

Ibland kan en så liten förändring som en enstaka dna-bas i en gen orsaka allvarlig sjukdom. Hos en pojke med epilepsi stör en sådan mutation inte bara funktionen hos det påverkade proteinet, utan skulle också kunna hämma flera närbesläktade proteiners funktion. Det visar svenska och amerikanska forskare i en studie som sprider ljus över molekylärbiologin bakom vissa former av epilepsi, och som publicerats i tidskriften PNAS.

I den aktuella studien har forskarna hittat en tidigare okänd mutation hos ett barn med epilepsi. Pojken har en ytterst liten förändring – det är en enda dna-bas som är utbytt – i genen KCNA2 som beskriver hur ett jonkanalsprotein ska se ut. Jonkanaler är proteiner som bildar porer i cellernas membran. När kanalerna öppnas kan vissa elektriskt laddade joner flöda in i eller ut ur cellen. Detta ger upphov till att elektriska impulser uppstår eller stängs av i celler, som nervceller och muskelceller. Jonkanaler har därför en mycket viktig funktion för exempelvis hjärnans funktion.

I hjärnan råder i normala fall balans mellan signaler som höjer aktiviteten i nervceller och signaler som sänker den. Men vid ett epilepsianfall har balansen rubbats och nervceller signalerar okontrollerat. Jonkanalen som är muterad hos patienten har i normala fall en bromsande effekt på nervsignalering.

­­– En intressant sak med den här jonkanalen är att både mutationer som ökar dess funktion och sådana som minskar funktionen har kopplats till epilepsi. Det verkar som att det behövs lagom mycket aktivitet, annars ökar risken för epileptiska anfall, säger Antonios Pantazis, universitetslektor vid Institutionen för biomedicinska och kliniska vetenskaper vid Linköpings universitet.

När forskarna bakom den aktuella studien tittade närmare på effekten av mutationen, märkte de att celler med den muterade genen kunde bilda jonkanalsprotein, men de kunde inte transportera dem till cellmembranet. Eftersom de muterade jonkanalerna hölls kvar inne i cellen, gick det inte att uppmäta någon jonkanalsaktivitet.

De flesta av våra gener finns i två kopior. Patienten hade en muterad kopia och en normal, så man skulle kunna förvänta sig att hälften av jonkanalerna fungerade normalt. Men när forskarna återskapade dessa förutsättningar i experiment visade det sig att jonkanalsaktiviteten var så låg som 20 procent. Mutationen verkade hämma funktionen hos de normala proteinerna också. Mutationer som ger sådana effekter kallas dominant negativa.

För att förstå varför det blir så behöver vi känna till att en jonkanal byggs av fyra stycken sammankopplade proteiner. Forskarna kunde visa att protein som bildades från den muterade genen kan kopplas ihop med normala protein och hålla dem fångade inne i cellen.

Och här i ligger problemets kärna: det finns flera gener som är närbesläktade med KCNA2. De olika proteinerna som bildas från dessa gener bildar ofta jonkanaler tillsammans. När forskarna blandade det muterade proteinet från KCNA2 med protein från den närbesläktade genen KCNA4, kunde de konstatera att även KCNA4-protein förhindrades från att transporteras till cellens yta.

Antonios Pantazis beskriver att när olika kanalproteiner kombineras med varandra för att bilda jonkanaler bidrar det till en mångfald och komplexitet i nervcellernas signalering. Denna mångfald är viktig för de processer som vi förknippar med hjärnans funktion, som tankar, medvetande och föreställningsförmåga. En nackdel med att kanalproteinerna kombineras på detta sätt är att funktionen blir sårbar för den sortens dominant negativa mutationer som stör funktionen av flera jonkanaler och orsakar sjukdom, som i det aktuella fallet.

– Genom att undersöka effekterna av mutationer i jonkanaler kan vi få viktiga ledtrådar om sjukdomsmekanismer och möjliga behandlingsstrategier, säger Michelle Nilsson, doktorand i Pantazis forskargrupp och huvudförfattare till studien.

­­­­– Eftersom dessa mutationer kan ha oväntade effekter på jonkanalers funktion, kan studier av dem också leda till nya upptäckter om hur våra kroppar fungerar på molekylär nivå, säger Antonios Pantazis.

Studien har finansierats med stöd av bland annat Knut och Alice Wallenbergs stiftelse genom Wallenberg centrum för molekylär medicin, WCMM, vid Linköpings universitet, och Vetenskapsrådet.

Artikeln: An epilepsy-associated Kv1.2 charge-transfer-center mutation impairs Kv1.2 and Kv1.4 trafficking, Michelle Nilsson, Sarah Lindström, Maki Kaneko, Kaiqian Wang, Teresa Minguez-Viñas, Marina Angelini, Federica Steccanella, Deborah Holder, Michela Ottolia, Riccardo Olcese och Antonios Pantazis, (2022), Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), publicerad online den 19 april 2022, doi: https://doi.org/10.1073/pnas.2113675119

För mer information, kontakta gärna:

Antonios Pantazis, universitetslektor, antonios.pantazis@liu.se, 013-28 26 26 (engelska)

Michelle Nilsson, doktorand, michelle.nilsson@liu.se

Högupplösta pressbilder kan också laddas ner från LiU:s mediabank.