Патофизиологические механизмы генетически обусловленной эпилепсии

Мутации генов, ответственных за формирование нейронных ионных каналов, занимают центральное место в этиологии генетически обусловленных форм эпилепсии. Генетические дефекты могут затрагивать потенциал-зависимые ионные каналы (натриевые, калиевые), усиление или, напротив, потеря функций которых ведет к нарушениям генерации потенциала действия. Лиганд-управляемые ионные каналы, как например, рецепторы гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК-А, GABA-A), глутаматные или ацетилхолиновые рецепторы также могут заключать в себе причину нарушения синаптической передачи при условии наличия повреждений в их генах. Изменения структуры и функции вышеперечисленных каналов и рецепторов могут оказывать влияние на возбудимость нейронов, приводя к синхронной активности целых групп нейронов, что становится причиной развития эпилептического приступа.

Функции канальных белков, кроме прочего, зависят от локализации в головном мозге, расположении в самом нейроне и от его типа (возбуждающие/тормозные). При этом как среди возбуждающих, так и среди тормозных нейронов различают некоторые подтипы в зависимости от задействуемых в передаче сигнала химических соединений. Если для возбуждающих нейронов характерно использование таких нейромедиаторов, как глутамат и ацетилхолин, то для ингибирующих нейронов типична гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Потенциал действия зарождается в инициальном сегменте аксона и направляется к синапсу через потенциал-зависимые ионные каналы. К примеру, в пирамидальных клетках находятся такие потенциал-зависимые натриевые каналы, как NaV1.2 и NaV1.6, а также калиевые каналы - KV7.2 и KV7.3. Тормозные же нейроны экспрессируют преимущественно только натриевые каналы типа NaV1.2.

Исследования патофизиологии возникновения и развития генетически обусловленных эпилепсий указывают на то, что, вероятно, в основе данных процессов лежат два основных механизма: 1) дезингибирование, запускаемое как утратой функциональной активности различными постсинаптическими субъединицами GABA-A-рецепторов, так и пресинаптическими дефектами ионных каналов, образуемых преимущественно тормозными нейронами; 2) дисфункция инициального сегмента аксона, где расположено большое количество уже упомянутых типов ионных каналов. Помимо данных механизмов предполагается также существенный вклад таламо-кортикальной системы (во всяком случае, при возникновении абсансов).

Чтобы установить причинно-следственную связь между генетическим дефектом того или иного ионного канала или рецептора и его физиологическим проявлением, в самом начале исследования нередко используются системы экспрессии, не содержащие одинаковых (или сходных) эндогенных каналов и рецепторов (данному критерию соответствуют различные клеточные линии млекопитающих или ооциты Xenopus laevis). Недостатком таких систем гетерологической экспрессии является тот факт, что экспрессия белков осуществляется в отсутствие естественного микроокружения, которое невозможно создать в культуре. Таким образом, взаимодействия с другими белками или какие-либо возможные компенсаторные эффекты в том виде, в котором они могут осуществляться в нервных клетках, с помощью данных систем экспрессии не могут быть объяснены. Тем не менее, эти системы позволяют установить для множества каналов последовательность реакционных изменений, сходную как в системе экспрессии, так и в естественной ткани, что имеет невероятно важное значение на начальном этапе исследования, поскольку данная информация позволяет впоследствии изучить результаты функционального анализа и первые гипотезы как на культуре нервных клеток, так и на животных моделях.

Чтобы исследовать, к примеру, влияние какой-либо мутации, обнаруженной у пациента с диагнозом эпилепсия, на клеточном уровне, прибегают к использованию моделей гуманизированных мышей. Такого рода трансгенные мыши могут нести любые желаемые генные мутации, ответственные за развитие эпилепсии у человека, и позволяют исследовать механизмы развития заболевания в пределах отдельно взятого нейрона, группы нейронов или же целого живого организма, а также вносят неоценимый вклад при разработке новых терапевтических методов.

Патофизиологические механизмы потенциал-зависимых каналов:

Мутации гена SCN1A ассоциированы с широким спектром различных синдромов, начиная от генерализованной эпилепсии с фебрильными судорогами плюс (GEFS+) и заканчивая тяжелой энцефалопатией у детей раннего возраста (синдром Драве). Для каждого из этих заболеваний можно проследить взаимосвязь особенностей генотипа с их фенотипическими проявлениями. Например, при синдроме Драве – тяжелой форме эпилептической энцефалопатии, для которой характерны фармакорезистентные приступы и наличие умственной отсталости – часто выявляются мутации de novo, которые заключаются в добавлении стоп-кодона в ген SCN1A, что приводит к синтезу укороченной полипептидной цепи будущего белка, в результате чего он лишается своей биологической функции. При помощи систем гетерологической экспрессии была обнаружена утрата белком биологической активности и в случае мутаций SCN1A без сдвига рамки считывания.

У пациентов с GEFS+ клиническая картина менее тяжела, а у истоков заболевания лежат точечные мутации, так или иначе влияющие на работу натриевых каналов (чаще всего утрата функции). К примеру, потеря функциональной активности каналов типа NaV1.1 ведет к снижению возбудимости мембраны у тормозных нейронов, вследствие чего отмечается перевозбуждение в определенной цепи нейронов, что может спровоцировать начало эпилептического припадка. С помощью трансгенных мышей «knock-in» был детально описан патофизиологический механизм первой найденной мутации гена SCN1A, ассоциированной с GEFS+ (мутация R1648H сенсора напряжения канала NaV1.1). Уменьшение тормозного влияния в коре, таламусе и гиппокампе, предположительно, является непосредственной причиной различных типов эпилептических припадков (фенотипические признаки самые разнообразные). Кроме того, серди причин GEFS+ можно отметить мутации и других генов, помимо SCN1A: например, SCN1В (кодирует ?1-субъединицу натриевых ионных каналов). Гетерозиготные мыши, несущие мутацию гена SCN1В, демонстрировали повышенную температуру тела и от того большую склонность к развитию припадков. Вероятно, причиной этому служит модулирующее действие ?1-субъединицы натриевых каналов на возбудимость инициального сегмента аксона.

Среди причин генетически обусловленной эпилепсии стоит также отметить мутации гена SCN2A (кодирует потенциал-зависимые каналы типа NaV1.2), ассоциированные с развитием доброкачественной неонатальной эпилепсии. За счет возрастания функциональной активности (вследствие постоянного тока ионов натрия через открытые поры каналов) возбудимость мембран в участке инициального сегмента аксона увеличивается. С помощью ИГХ было установлено, что на ранних стадиях развития белки каналов NaV1.2 экспрессируются в основном гиппокампальными и кортикальными пирамидальными клетками, тогда как на более поздних стадиях данные клетки синтезируют преимущественно родственный тип каналов - NaV1.6. Такая смена экспрессируемых канальных белков может объяснять возрастную зависимость проявления эпилептических припадков при доброкачественной неонатальной эпилепсии.

Мутации генов калиевых потенциал-зависимых каналов затрагивают чаще всего гены KCNQ2 и KCNQ3, кодирующие калиевые каналы типов KV7.2 и KV7.3 соответственно. Мутации KCNQ-генов описаны также для эпилепсии детского возраста. Нарушения структуры данных генов неизменно ведут к потере белком биологической функции вследствие изменений в передаче сигналов, нарушения внутриклеточного транспорта в плазматической мембране или сниженная стабильность канальных белков.

Помимо мутаций генов потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов, причинами развития эпилепсии могут быть и мутации в генах белков лиганд-управляемых ионных каналов. Это могут быть различные субъединицы nAChR (повреждаются формирующие канальные поры трансмембранные сегменты, вследствие чего увеличивается интенсивность действия ацетилхолина). Центральная холинергическая система контролирует циркадные ритмы и циклы сна и бодрствования, и функциональные изменения никотиновых ацетилхолиновых рецепторов могут вести к нарушениям различных стадий сна, что может провоцировать внезапную гиперактивность нейронов в ходе Non-REM-сна. Эпилептические припадки во время этой стадии характерны для аутосомно-доминантной ночной лобной эпилепсии (АДНЛЭ).

К сожалению, пост охватывает лишь небольшое количество генов, мутации которых могут вести к развитию эпилептических припадков. Однако уже на примере описанных мутаций можно увидеть, насколько разнородными могут быть причины возникновения эпилепсии и какую важную роль в ее патогенезе играют ионные каналы.

Источники:

Ulrike Hedrich, Snezana Maljevic Pathophysiologische Mechanismen genetischer Epilepsien, Zeitschrift f?r Epileptologie, 2, 2016

vk.cc/6Ruz8k - S.M. Zuberi et al.: Genotype–phenotype associations in SCN1A-related epilepsies, Neurology, 2011

Комментарии: