トランケートされた神経細胞Kv7チャネルのヘテロメリックアセンブリー：神経疾患および薬物療法への示唆

Heteromeric assembly of truncated neuronal Kv7 channels: implications for neurological disease and pharmacotherapy.

• Jingru Li
• Jasmine Maghera
• Shawn M Lamothe
• Elysa J Marco
• Harley T Kurata

抄録

神経細胞の電位依存性カリウムチャネル（Kv）は、中枢神経系の電気活動の重要な調節因子である。KCNQ（Kv7）イオンチャネルファミリーの変異は、てんかん、発作、神経発達障害と関連している。これらのイオンチャネルは神経細胞の「M-カレント」の根底にあり、活動電位の発火を制御するために軸索の初期セグメントに集積している。KCNQチャネルの集合とクラスタリングはC末端、特に遠位のC末端らせんによって制御されており、チャネルの集合とサブユニットの特異性に影響を与えることが報告されている。我々は、自閉症、不注意、多動、運動失調などの神経発達障害を有する小児患者を対象に、KCNQ3のフレームシフト変異（KCNQ3-FS534）を有する小児患者のC末端の約300アミノ酸の切断を調べた。我々は、ハプロ欠損や、切り捨てられたKCNQ3サブユニットと機能的なKCNQ2サブユニットの集合によるドミナント・ネガティブ効果など、チャネル機能不全の分子機構を検討した。また、KCNQ2特異的活性化剤ICA-069673の最近認識された特性を用いて、ヘテロメリックチャネルの集合体を同定した。ICA-069673は、KCNQ2/3チャネルのサブユニット組成に依存した機能的なシグネチャを示し、これにより、切断されたKCNQ3サブユニットがKCNQ2と集合できるかどうかを決定することができた。その結果、KCNQ3-FS534変異体はそれ自身では機能的なチャネルを生成しないが、KCNQ3の大きなC末端切断（KCNQ3-FS534変異を含む）はKCNQ2と効率的に集合するが、KCNQ2/KCNQ3ヘテロメリックチャネルの発現を促進/安定化することができないことが明らかになった。したがって、KCNQ3の切断に関連した病態がハプロイン不全に起因するという頻繁な仮定は、いくつかのケースでは再考されるべきである。ICA-069673のようなサブタイプ特異的チャネル活性化剤の使用は、KCNQ3トランケーション変異体の異性集合体を同定するための信頼性の高いツールを提供する。シグニフィカンス・ステートメント（SIGNIFICANCE STATEMENT）。神経細胞の Kv7/KCNQ チャネルの変異は、様々な神経疾患の原因となっている。本研究では、サブタイプ特異的なKv7チャネル活性化剤を用いて、KCNQ2を有するKCNQ3切断変異体を合成し、疾患との関連性を調べた。この研究は、大きなC末端切断がKCNQ2/KCNQ3ヘテロメリックチャネルの発現に影響を与えるが、アセンブリには影響を与えないことを示している。

Neuronal voltage-gated potassium channels (Kv) are critical regulators of electrical activity in the central nervous system. Mutations in the KCNQ (Kv7) ion channel family are linked to epilepsy, seizures, and neurodevelopmental disorders. These channels underlie the neuronal 'M-current', and cluster in the axon initial segment to regulate the firing of action potentials. There is general consensus that KCNQ channel assembly and clustering is controlled by the C-terminus, specifically in the distal C-terminal helices, which are reported to influence channel assembly and subunit specificity. We investigated a pediatric patient with neurodevelopmental disability including autism traits, inattention and hyperactivity, and ataxia, who carries a de novo frameshift mutation in KCNQ3 (KCNQ3-FS534), leading to truncation of ~300 amino acids in the C-terminus. We investigated possible molecular mechanisms of channel dysfunction, including haplo-insufficiency, or a dominant-negative effect caused by the assembly of truncated KCNQ3 and functional KCNQ2 subunits. We also used a recently recognized property of the KCNQ2-specific activator ICA-069673 to identify assembly of heteromeric channels. ICA-069673 exhibits a functional signature that depends on the subunit composition of KCNQ2/3 channels, allowing us to determine whether truncated KCNQ3 subunits can assemble with KCNQ2. Our findings demonstrate that although the KCNQ3-FS534 mutant does not generate functional channels on its own, large C-terminal truncations of KCNQ3 (including the KCNQ3-FS534 mutation) assemble efficiently with KCNQ2, but fail to promote/stabilize KCNQ2/KCNQ3 heteromeric channel expression. Therefore, the frequent assumption that pathologies linked to KCNQ3 truncations arise from haploinsufficiency should be reconsidered in some cases. The use of subtype specific channel activators like ICA-069673 provides a reliable tool to identify heteromeric assembly of KCNQ3 truncation mutants. SIGNIFICANCE STATEMENT: Mutated of neuronal Kv7/KCNQ channels underlie a spectrum of neurological diseases. This study uses a subtype-specific Kv7 channel activator to investigate the assembly of disease-linked and synthetic KCNQ3 truncation mutants with KCNQ2. This study demonstrates that large C-terminal truncations influence expression, but not assembly, of KCNQ2/KCNQ3 heteromeric channels.

The American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics.