Determining the effects of human KCC2 mutations on neuronal excitability

确定人类 KCC2 突变对神经元兴奋性的影响

基本信息

  • 批准号:
    9894063
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 24.75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-15 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary The level of activity in the nervous system is tightly controlled by the interplay between excitatory glutamatergic neurons and inhibitory GABA (γ–aminobutyric acid) neurons. When inhibition is compromised, the resultant hyperexcitability is linked to epilepsy, neurodevelopmental disease and psychiatric disorders. The efficacy of GABAergic inhibition is maintained by continuous extrusion of Cl– by the potassium cotransporter KCC2, which permits GABAA receptors to inwardly conduct those ions, resulting in neuron hyperpolarization. KCC2 also exhibits a structural role independent of its transporter function: it affects the maturation of dendritic spine morphology and glutamatergic signaling. KCC2 is upregulated during the first two postnatal weeks in mice, which is roughly equivalent to the final stages of preterm human development. In keeping with this, rare de novo mutations have recently been identified in the kcc2 gene that cause EIMFS, a form of epilepsy in infancy. In surviving patients, the epileptic phenotype persists into adulthood. We have evidence that the point mutations L288H, W318S, and ∆S748 impair the activity of KCC2. Mechanistically, each mutation decreased total protein expression; however, each differently affected the amount of the protein on the cell surface. While these and other experiments demonstrate that the mutations each confer a different pattern of changes to KCC2 that may account for their decreased function, they are limited in that they rely on overexpression of the gene in immortalized cell lines, which are fundamentally different from the neurons in which KCC2 normally functions. By developing a platform where novel mutations in the kcc2 gene can be rapidly characterized, we can guide the development of mouse lines which recapitulate the human disease state and screen for tailored therapeutics to each clinical population. We propose to generate neuron cultures where the normal KCC2 protein is removed and replaced by one of three above mutations found in patients with epilepsy. In addition to a characterization of these mutations in a neuronal context, our approach provides an opportunity to translate how altered KCC2 function as a result of these mutations may predispose to hyperexcitability and epilepsy. In the first aim we will determine how mutations affect the distribution and biochemistry of the protein, and if they disturb the neurons' anatomical maturation. We will also show that each mutation diminishes the capability of KCC2 to maintain hyperpolarizing inhibition. Importantly, KCC2 function and membrane trafficking is affected by phosphorylation at KCC2-T1007. This site is phosphorylated by SPAK kinase, which is phosphorylated and activated by WNK kinase. We have a recently developed WNK kinase inhibitor and our preliminary data indicate that it potentiates KCC2 activity by reducing KCC2-T1007 phosphorylation. In the second aim, we will show how mutations in KCC2 affect seizure activity and if WNK inhibitors will be beneficial. This platform can in the long term be a critical tool to gauge the appropriateness of current treatments and guide the development of future antiepileptic therapeutics for defined clinical populations.
项目概要 神经系统的活动水平受到兴奋性谷氨酸能之间的相互作用的严格控制。 神经元和抑制​​性 GABA(γ-氨基丁酸)神经元。 过度兴奋与癫痫、神经发育疾病和精神疾病有关。 GABA 能抑制是通过钾协同转运蛋白 KCC2 持续排出 Cl- 来维持的, 允许 GABAA 受体向内传导这些离子,从而导致 KCC2 超极化。 表现出与其转运功能无关的结构作用:它影响树突棘的成熟 在小鼠出生后的前两周内,KCC2 的形态和谷氨酸信号传导上调。 这大致相当于早产人类发育的最后阶段。 最近在 kcc2 基因中发现了新突变,该突变会导致 EIMFS(婴儿期癫痫的一种形式)。 在幸存的患者中,癫痫表型持续到成年期。我们有证据表明这一点。 从机制上讲,L288H、W318S 和 ΔS748 突变会削弱 KCC2 的活性。 总蛋白表达;然而,每种蛋白对细胞表面的蛋白量都有不同的影响。 这些和其他实验表明,每个突变都会赋予不同的变化模式 KCC2 可能是其功能下降的原因,但它们的局限性在于依赖于 KCC2 的过度表达 永生化细胞系中的基因与通常含有 KCC2 的神经元有根本不同 通过一个可以快速表征 kcc2 基因新突变的平台,我们 可以指导重现人类疾病状态的小鼠品系的开发,并筛选定制的 我们建议在正常 KCC2 的情况下生成神经培养物。 蛋白质被去除并被癫痫患者中发现的上述三种突变之一所取代。 在神经环境中表征这些突变,我们的方法提供了一个翻译的机会 这些突变导致 KCC2 功能的改变如何导致过度兴奋和癫痫。 我们的第一个目标是确定突变如何影响蛋白质的分布和生物化学,以及它们是否会影响蛋白质的分布和生物化学。 我们还将证明,每种突变都会削弱神经元的能力。 KCC2 维持超极化抑制 重要的是,KCC2 功能和膜运输受到影响。 通过 KCC2-T1007 处的磷酸化 该位点被 SPAK 激酶磷酸化,SPAK 激酶被磷酸化并被磷酸化。 我们有最近开发的 WNK 激酶抑制剂和我们的初步数据。 表明它通过减少 KCC2-T1007 磷酸化来增强 KCC2 活性。在第二个目标中,我们将。 显示 KCC2 突变如何影响癫痫发作活动以及 WNK 抑制剂是否有益。 从长远来看,成为衡量当前治疗方法是否适当并指导发展的关键工具 针对特定临床人群的未来抗癫痫疗法。

项目成果

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