Mutationer i neuronale Na+/K+-pumper leder til neurologiske lidelser

Nanna MacAulay | Jan 2019 | |

Nanna MacAulay
lektor,
Institut for Neurovidenskab,
det Sundhedsvidenskabelige Fakultet,
Københavns Universitet

Adskillige hjernepatologier associerer med forhøjet ekstracellulær K+-koncentration i hjernevævet. Idet K+-koncentrationen dikterer nervecellernes membranpotential og derfor deres excitabilitet, er det af stor betydning for hjernefunktionen effektivt at kunne fjerne K+ fra det ekstracellulære rum. 

Svigtende kontrol af K+ leder til den forhøjede K+-koncentration, som netop er et kendetegn ved sygdomstilstande såsom blodprop i hjernen, hjernetraume, epilepsi og migræne. Denne K+-medierede membran-depolarisering og associerede frigivelse af neurotransmitteren glutamat er nøglekomponenter i excitotoxicitet og nervecelledød. Dette til trods skorter det på målrettet farmakologisk modulering af de mekanismer, der kontrollerer K+ i centralnervesystemet – simpelthen fordi de molekylære komponenter længe har været uafklarede.

Na+/K+-pumpen varetager K+-optaget fra det ekstracellulære rum efter neuronal aktivitet
Neuronal aktivitet leder til frigivelse af K+, som initialt optages af de stjerneformede naboceller, de såkaldte astrocytter. Ved afslutning af nerveaktiviteten frigives K+ tilbage til ekstracellulær-rummet, hvorfra det re-absorberes af nervecellen. Denne proces udgør en K+-shuttle, hvori astrocytterne udgør midlertidige K+-lagre.1 Disse to cellulære strukturer udfører således distinkte temporale og kvantitative roller i kontrollen af ekstracellulær K+. 

De molekylære mekanismer, hvormed astrocytterne fjerner K+ fra det ekstracellulære rum, har været et kontroversielt emne i et halvt århundrede, men blev nyligt afklaret med identificering af Na+/K+-pumpen som en nøglekomponent i K+-kontrollen.2-4 Na+/K+-pumpen blev opdaget i 1957 af danskeren Jens Christian Skou, for hvilket han fik tildelt Nobelprisen i kemi i 1997. Na+/K+-pumpen er en αβ-heteromer, med tre forskellige isoformer af hver subunit udtrykt i mammalt hjernevæv (α1-3 og β1-3). Hver isoformkombination udviser specifik lokalisering og kinetiske karakteristika og bidrager derfor på distinkte måder til kontrol af K+ i centralnervesystemet.2-4 

Den astrocytiske Na+/K+-pumpeaktivitet udgøres hovedsageligt af α2β2-kombinationen – en Na+/K+-pumpe, som er specifikt kinetisk udformet til at respondere på K+-stigning og den medfølgende membran-depolarisering – med et mindre bidrag fra α2β1, som responderer på den astrocytiske Na+-stigning, der følger med det Na+-drevne glutamatoptag.5 Den neuronale α3β1-kombination har udpræget lav Na+-affinitet og dens aktivitet styres af den intracellulære Na+-stigning, der følger med neuronal aktivitet.4 Til trods for, at både den astrocytiske α2 og den neuronale α3 Na+/K+-pumpe medvirker til kontrol af K+ i centralnervesystemet, er deres individuelle temporale og kvantitative bidrag til denne vigtige proces, samt relateret patologi, forblevet ukendt. 

Mutationer i Na+/K+-pumpen leder til isoform-specifikke neurologiske lidelser
Begge Na+/K+-pumpe isoformer (α2 og α3) er uundværlige for hjernens normale fysiologi, idet mus med deletering af de gener, der koder for Na+/K+-pumpe α2 eller α3 (ATP1A2 og ATP1A3) dør umiddelbart efter fødslen.6,7 Humane mutationer i de astrocytiske og neuronale Na+/K+-pumpe isoformer medfører distinkte neurologiske lidelser, hvilket illustrerer deres individuelle regulatoriske rolle i kontrol af K+-homeostasen i centralnervesystemet: Mutationer i det gen, der koder for den astrocytiske Na+/K+-pumpe α2-subunit (ATP1A2) leder til familiær hemiplegisk migræne, type 2 (FHM2), som er en alvorlig form for migræne med associeret hemiplegia, ataxia og epilepsi.8 Mutationer i det gen, der koder for den neuronale Na+/K+-pumpe α3 subunit (ATP1A3), leder derimod til hurtigt-onset-dystonia-parkinsonism (RDP), alternerende hemiplegia i barndommen (AHC), eller cerebellær ataxia, areflexia, pes cavus, optic atrofi og sensorineuralt høretab (CAPOS-syndrom).9,10 

Henved 60 forskellige humane α2-mutationer er påvist hos patienter med FHM2.11 Den funktionelle effekt af adskillige af disse mutationer er undersøgt in vitro og bibringer en pallette af kinetiske defekter til pumpefunktionen, såsom tab af funktionalitet, nedsat katalytisk aktivitet, eller ændret affinitet for Na+ og K+.4,12-14 Det varierende funktionelle udkomme af disse mutationer, som alle giver ophav til samme sygdom, understreger kompleksiteten af α2’s rolle i kontrol af Na+-og K+-homeostasen i centralnervesystemet. 

En af disse mutationer er blevet indført i en heterozygot musemodel af FHM2 (α2+/G301R), der delvist mimikerer den humane sygdomstilstand.15 Den muterede α2 Na+/K+-pumpe blev ikke korrekt udtrykt i cellemembranen, men til trods for den lavere pumpeaktivitet, var det ved basal neuronal aktivitet stadig muligt at kontrollere den ekstracellulære K+-koncentration i elektrofysiologiske undersøgelser af hjerneskiver fra α2+/G301R-mus.5 Disse fund understreger netop, at basal aktivitet kan opretholdes med kun én funktionel allel af α2, men at stressfaktorer periodisk kan udløse et hemiplegisk migræneanfald i de patienter med kun én enkelt funktionel allel af Na+/K+-pumpe α2. 

Ligeledes er en række mutationer i den neuronale Na+/K+-pumpe α3 identificeret hos patienter med neurologiske lidelser (RDP, AHC, og CAPOS). Disse mutationer associerer i vid udstrækning til én af disse sygdomstilstande (nær-fuldkommen genotype-fænotype korrelation),16 til trods for, at in vitro undersøgelser af de muterede pumpers funktion udviser lignende dysfunktioner, såsom tab af pumpefunktion, reduceret pumpeaktivitet eller modificeret Na+– og K+-binding.14,17,18

Konklusion

Kontrol af K+-homeostasen i centralnervesystemet varetages af både de astrocytiske α2 og de neuronale α3 Na+/K+-pumper. Deres individuelle temporale og kvantitative rolle er forblevet uafklaret, og dermed også hvorledes mutationer i hver af disse isoformer giver ophav til specifikke neurologiske lidelser.

Interessekonflikter: Ingen

Referencer

1. Ballanyi K, Grafe P, Ten Bruggencate G. Ion activities and potassium uptake mechanisms of glial cells in guinea-pig olfactory cortex slices. Journal of Physiology 1987;382:159-174. 2. Larsen BR, Assentoft M, Cotrina ML, Hua SZ, Nedergaard M, Kaila K, Voipio J, MacAulay N. Contributions of the Na+/K+-ATPase, NKCC1, and Kir4.1 to hippocampal K+ clearance and volume responses. Glia 2014;62:608-622. 3. Larsen BR, Holm R, Vilsen B, MacAulay N. Glutamate transporter activity promotes enhanced Na+/K+ -ATPase-mediated extracellular K+ management during neuronal activity. Journal of Physiology 2016;594:6627-6641. 4. Larsen BR, Stoica A, MacAulay N. Managing brain extracellular K+ during neuronal activity: The physiological role of the Na+/K+-ATPase subunit isoforms. Frontiers in Physiology 2016;7:141. 5. Stoica A, Larsen BR, Assentoft M, Holm R, Holt LM, Vilhardt F, Vilsen B, Lykke-Hartmann K, Olsen ML, MacAulay N. The α2β2 isoform combination dominates the astrocytic Na+/K+ -ATPase activity and is rendered nonfunctional by the α2.G301R familial hemiplegic migraine type 2-associated mutation. Glia 2017;65:1777-1793. 6. Ikeda K, Onimaru H, Yamada J, Inoue K, Ueno S, Onaka T, Toyoda H, Arata A, Ishikawa TO, Taketo MM, Fukuda A, Kawakami K. Malfunction of respiratory-related neuronal activity in Na+, K+-ATPase α2 subunit-deficient mice is attributable to abnormal Cl- homeostasis in brainstem neurons. Journal of Neuroscience 2004;24:10693-10701. 7. Ikeda K, Satake S, Onaka T, Sugimoto H, Takeda N, Imoto K, Kawakami K. Enhanced inhibitory neurotransmission in the cerebellar cortex of Atp1a3-deficient heterozygous mice. Journal of Physiology 2013;591:3433-3449. 8. Isaksen TJ, Lykke-Hartmann K. Insights into the pathology of the α2-Na+/K+-ATPase in neurological disorders; lessons from animal models. Frontiers in Physiology 2016;7:161. 9. Demos MK, van Karnebeek CD, Ross CJ, Adam S, Shen Y, Zhan SH, Shyr C, Horvath G, Suri M, Fryer A, Jones SJ, Friedman JM. A novel recurrent mutation in ATP1A3 causes CAPOS syndrome. Orphanet Journal of Rare Diseases 2014;9:15. 10. Holm TH, Lykke-Hartmann K. Insights into the Pathology of the α3 Na+/K+-ATPase Ion Pump in Neurological Disorders; Lessons from Animal Models. Frontiers in Physiology 2016;7:209. 11. Friedrich T, Tavraz NN, Junghans C. ATP1A2 mutations in migraine: Seeing through the facets of an ion pump onto the neurobiology of disease. Frontiers in Physiology 2016;7:239. 12. DeFusco M, Marconi R, Silvestri L, Atorino L, Rampoldi L, Morgante L, Ballabio A, Aridon P, Casari G. Haploinsufficiency of ATP1A2 encoding the Na+/K+ pump α2 subunit associated with familial hemiplegic migraine type 2 . Nature Genetics 2003;33:192-196. 13. Segall L, Scanzano R, Kaunisto MA, Wessman M, Palotie A, Gargus JJ, Blostein R. Kinetic alterations due to a missense mutation in the Na,K-ATPase α2 subunit cause familial hemiplegic migraine type 2 . Journal of Biological Chemistry 2004;279:43692-43696. 14. Toustrup-Jensen MS, Einholm AP, Schack VR, Nielsen HN, Holm R, Sobrido MJ, Andersen JP, Clausen T, Vilsen B. Relationship between intracellular Na+ concentration and reduced Na+ affinity in Na+,K+-ATPase mutants causing neurological disease. Journal of Biological Chemistry 2014;289:3186-3197. 15. Bottger P, Glerup S, Gesslein B, Illarionova NB, Isaksen TJ, Heuck A, Clausen BH, Fuchtbauer EM, Gramsbergen JB, Gunnarson E, Aperia A, Lauritzen M, Lambertsen KL, Nissen P, Lykke-Hartmann K. Glutamate-system defects behind psychiatric manifestations in a familial hemiplegic migraine type 2 disease-mutation mouse model. Scientific Report 2016;6:22047. 16. Heinzen EL, Arzimanoglou A, Brashear A, Clapcote SJ, Gurrieri F, Goldstein DB, Johannesson SH, Mikati MA, Neville B, Nicole S, Ozelius LJ, Poulsen H, Schyns T, Sweadner KJ, van den Maagdenberg A, Vilsen B. Distinct neurological disorders with ATP1A3 mutations. Lancet Neurology 2014;13:503-514. 17. Einholm AP, Toustrup-Jensen MS, Holm R, Andersen JP, Vilsen B. The rapid-onset dystonia parkinsonism mutation D923N of the Na+, K+-ATPase α3 isoform disrupts Na+ interaction at the third Na+ site. Journal of Biological Chemistry 2010;285:26245-26254. 18. Holm R, Toustrup-Jensen MS, Einholm AP, Schack VR, Andersen JP, Vilsen B. Neurological disease mutations of α3 Na+,K+-ATPase: Structural and functional perspectives and rescue of compromised function. Biochimia and Biophysica Acta 2016;1857:1807-1828.