00-Kanalopati-ig3
Transkript
00-Kanalopati-ig3
NÖROLOJİK KANALOPATİLERMEKANİZMALAR ÇÜ Tıp Fak Biyofizik AbD - 2016 Kanalopatiler Tanım: İyon kanal mutasyonlarının neden olduğu bir hastalıktır. Neden oldukları bilinen hastalık sayısı (>30 hastalık) gittikçe artmaktadır. Pek çok mutasyon yeri benzer kanalopatiye neden olabilmektedir, örneğin cystic fibrosis te CFTR nin >1000 farklı mutasyonu tanımlanmıştır. Kanalopatiler Kanalopati, iyon kanal bozukluğunun neden olduğu bir hastalıktır. Kanalopatiler potasyum, sodyum, klor ve kalsiyum iyon kanallarını kapsamaktadır. Asetilkolin reseptörü, glisin reseptörü ve diğer reseptörlerin de neden olduğu kanalopatiler vardır. Her kanalopati çok sayıda farklı hastalıkta rol oynar. Örneğin, kalsiyum nöropatileri familial hemiplejik migren, hipokalamik periyodik paralizi tip I, kongenital gece körlüğü ve daha çok sayıda hastalığa neden olmaktadır. Kardiyak ritimlerindeki anormalliklere de kanalopatiler neden olabilmektedir. Örnek Brugada sendromu . Kanalopatilerin neden olduğu hastalıklar konjenital (genellikle kotlama yapan genlerdeki mutasyonlardan veya mutasyondan meydana gelir) veya kazanılmış, sonradan olmuş (bir iyon kanalındaki otoimmün bir saldırıdan meydana gelmiş) olabilir. Kanal Özellikleri Sinir sisteminde, kanalların koordinasyonlu aktivasyonu aksiyon potansiyellerini, postsinaptik potansiyelleri, pacemaker potansiyellerini yaratır. Ayrıca, epitel transportuna aracılık eder, kimyasal sinyalleri dönüştürür ve hücre içi iyon konsantrasyonlarını düzenler. Kanallar elektrokimyasal gradiyentler yönünde iyon hareketine aracılık ederler. Kanal geçirgenliğinin X iyonuna aktivasyonu zar potansiyelini EX e doğru kaydırır. Kanal Fonksiyonu İyon kanalları sürekli açık kalmazlar fakat stokastik veya rastgele şekilde açılırlar ve kapanırlar. Açık kalma zamanını (o) azaltarak, kapalı kalma zamanını (c) uzatarak, tek kanal akım genliğini (i) düşürerek veya kanal sayısını (n) azaltarak iyon kanal fonksiyonu azaltılabilir. Akım Zaman Açık Kapalı Kanalopatiler Kanal bozukluğunun moleküler mekanizmaları IV. Kapılama III. İletim I. Üretim II. İşlem (proses) İnsan Kanalopatileri Ptacek, L. J. et al. Arch Neurol 2004;61:16651668. Kanalopatiler Yeni eklenenler: Epilepsi yok GABAA 2 altbirimi GABA kanalı Ateşli konvülsiyonlar Ağrılı nöropati Nav1.7 Na kanalı Ayrıca: Hayvanlarda insan hastalıklarını taklit eden pek çok hastalık görülür Örnek: sağırlık L-tipi VACC kanalı GPCT duyarsızlığının bir sonucu olarak bilinen hastalık durumları çoğunlukla iyon kanallarıyla ilgilidir. Örnek: otozomal dominant hipokalsemi CaR Kanalopatiler- Genel Karakteristikleri Mutasyon devam etse de hastalık, periyodik paraliziler gibi epizotlar (bölümler) halinde veya spinoserebral ataksi gibi ilerleyen şeklinde olabilir. Farklı hastalık durumlarında aynı kanal anormallikleri ile karşılaşılır. Farklı kanallardaki lezyonlar aynı örneğin periyodik paralizi. hastalığa yol açabilir, Hedefler: Voltaj-kapılı iyon kanalı alfa altbirim şeması Periyodik paralizi, Epilepsi, Uzun QT sendromu Periyodik paralizi, Epizotik Ataksi, Epilepsi, Uzun QT sendromu Periyodik paralizi, Epizotik Ataksi, Epilepsi, Familial Hemiplefik Migren Ptacek, L. J. et al. Arch Neurol 2004;61:1665-1668. 4 alan, 6 zarı-geçen (köprülü) kısım Periyodik Paralizi (Felç) ● ● ● ● AD kalıtsal PP (periyodik paralizi) bütün veya bazı kasları tutan paroxysmal zayıflık olarak belirir. Epizot esnasında kan [K] ile belirlenir. Hiperkalemik (Yüksek K), normokalemik veya hipokalemik (düşük K) Hiperkalemik Periyodik Paralizi (Felç) ● ● ● ● ● Çok yaygın periyodik paralizi (PP) Kısa zayıflık periyodu (1-2 saat), ilerleyen kalıcı zayıflık olmaz, genç başlama yaşı (>10 yıl) Tetikleyiciler- egzersiz sonrası dinlenme, soğuk, stres, K alınması (yeme), oruç tutma. Myotonia- sürekli istemsiz kas kasılması Büyük çoğunlukla Na kanal mutasyonlarının fonksiyon kazanması neden olur. HiperPP nin altında Na+ kanallarının çiftlenmemiş inaktivasyonu yatar. Normal NaCh ı inaktivasyon yüzünden hızlıca açılır ve kapanır. HiperPP de NaCh daha yavaş kapanır ve yeniden açılır. Mutant iskelet kası lifi (Met 1592 Val) Cannon,1991 HiperPP nin altında Na kanallarının çiftlenmemiş inaktivasyonu yatar. İnaktivasyondan dönüş (kurtulma), I 693 T kanallarında hızlanmıştır. WT ve mutant whole cell Na akımları (WT) Hayward, L. J. et al. Neurology 1999;52:1447 (mutant) Yavaş veya hızlı inaktivasyondan dönüş (kurtulma) hiperkalemik periyodik paraliziyle ilişkisi olan mutasyonlar ile hızlandırılmıştır. Hayward, L. J. et al. Neurology 1999;52:1447 Na kanallarının çiftlenmemiş inaktivasyonu HiperPP de görülen Myotonia ya neden olur Kontrol Anemon Zehiri Myotonik Distrofi nedir? Myotonik distrofi, kasların zayıflamasına ve erimesine neden olur. Bu hastalık genellikle yavaş gelişir. Myotonik distrofi (myotonic dystrophy), kalıtsal bir genetik (genetic) hastalıktır. Genetik hastalıklara değişim geçirmiş bir veya daha fazla gen (gene) neden olur. Cannon,1991 Bazal Na kanal aktivite düzeyi model kas hücresinde ateşleme desenini belirler Miyotonia konjenita kas iyon kanalı hastalıklarından, ilerleyici olmayan, miyotoni ve kas hipertrofisi ile karakterize bir hastalıktır. Cannon,1991 Hipokalemik Periyodik Paralizi (Felç) ● ● ● ● Daha uzun zayıflık periyodu, muhtemel ilerleyen kalıcı zayıflık, başlama yaşı (>20 yıl) Tetikleyiciler- karbonhidrat yemeği sonrası, veya Na-zengini besin Myotonia yok Büyük çoğunlukla Ca kanal fonksiyonunun kaybı veya daha az olarak Nav1.4 kanallarının değiştirilmiş voltaj sensörü neden olur. Cav 1.1 in iskelet kası fonksiyonları • L-tipi kanal veya dihidropiridin reseptörü. • İskelet kasında bulunur. • Triad larda bulunur ve SR ile T-tüplerini bağlar. • Uyarılma-kasılma çiftlenimi için zorunludur. İskelet kasının ince yapısı (enine ve boyuna). Oklar RyR-Cav1.1 komplekslerini göstermektedir. From Hille, 2001 • Cav1.1 ler kasılamazlar fakat kanallar tarafından korunurlar. Cav 1.1 in İskelet Kası Fonksiyonları [Ca]i de yükselmeyi ve kasılmayı başlatmak için RyR (SR deki Ca kanalları) de voltaj algılanmasına aracılık eder. Ca-girişi önemli değildir: •Ca-free Ringer içinde kas kasılırken ve •Akım aktivasyonu çok yavaş 1-2 s den uzun olduğu zaman. From Hille, 2001 Cav1.1 mutantları Hipokalemik Periyodik Paralizide azaltılmış VACC akımına sahiptir. Bu azaltılmış aktivitenin HipoPP ye nasıl neden olduğu bilinmemekte dir. Morrill and Cannon,1999 HipoPP nin bazı vakalarında Na+ akım inaktivasyonu sola-kaymış ve aktivasyon sağa-kaymıştır. WT vs R666G Fakat bu baskılayıcı etki, voltaj sensördeki (S4) pozitif yüklü arginine nin kaybolmasındaki dominant kalıtsal deseni açıklamaz. Sokolov et al, 2007 HipoPP Na+ kanalı kapılama delik (pore) akımı negatif potansiyellerde artar. WT vs R666G Sokolov et al, 2007 HipoPP de kas kasılmasını azaltmak için kapılama delik (pore) Na+ akımı zar potansiyelini depolarize eder ve [Na]İ yi yükseltir. R666G ve diğer HipoPP mutantlarda kapılama kanalı Ca2+ u dışarı atar fakat monovalentlere geçirgendir. Nav1.4 kanallarının voltaj sensör mutasyonu : Hipokalemik Periyodik Paralizinin daha az yaygın nedenidir. ● ● ● ● ● ● Sokolov et al, 2007 Nav1.4 kanallarında voltaj sensörleri (mavi) merkez deliği sarmışlardır. Pozitif yüklü arginine nin yok olması RMP de kapılama delik akımına yol açar. HipoPP ile kasılmanın devam ettirilememesini açıklar. Fonksiyon kazancı dominant kalıtımı açıklar. Artmış bazal enerji gereksinimi kronik miyopatiye neden olabilir mi? Diğer kanalopatiler voltaj sensör mutasyonlarına sahiplerdir. VACC-opatiler Sinir, kas ve endokrin hücrelerinde bulunurlar. Transmitter salınmasını, nöronlarda plastisite ve gen ekspresyonunu, kas kasılmasını, hormon salınmasını tetikler. Dihidropridinler, diltiazem, verapamil, yeni analjezikler (SNX-111) için hedeftir. VACC ler heterolog multimerlerdir - Her alfa1 altbirimi, her biri 6 transmembran kısmından oluşmuş (1,2,3,4,5,6) 4 tekrarlanan homolog alana (I, II, III, IV) sahiptir. - Alfa1 diğer altbirimler tarafından modüle edilmektedir. CAV2.1 in Kanalopatileri Çakışma yüzdesi P/Q Kanalının Ayrı Mutasyonlarından Üç Farklı Hastalık Familial Hemiplegic Migraine (FHM) Ateş basma (aura), deri duyarlığında artış (paraesthesia), hemipleji (hemiplegia), hemianopia veya dysphasia lı aralıklı baş ağrısı. Episodic Ataxia type 2 (EA2) Aralıklı serebellar bozukluklar, vertigo, diplopia and nystagmus dahil. Hafif ilerleyen serebellar atrofi. Bazen inme ile karıştırılır. Spinocerebellar Ataxia type dejenerasyon. 6 (SCA6) İlerleyen serebellar Alfa 1A Mutant Hastalıklarının Karşılaştırılması. FHM EA2 SCA6 Mutasyon missense Premature stop kodonu ve yapışık konum mutasyonu CAG tekrar Protein Nokta mutasyonu Güdük kalmış kanal Değişmiş C-dalı & Polyglutamine Kalıtım deseni Dominant Dominant Dominant Fonksiyona etkisi Değişmiş I Ca yoğunluğu. I-V sola kayar. Non-fonksiyonel kanal Azaltılmış P/Q yüzey ekspresyonu ve değiştirilmiş in/aktivasyon. Polyglutamine toksik mi? Hastalığın mekanizması belli değildir. Null mutant fare anlamayı kolaylaştırabilir. Bu Kanalopatilerin Bir Hayvan Modeli. A1A altbirim yokluğunda serebellum gelişir Cerebellar vermis WT a 1A-/- Kanal yokluğu fonksiyonu nasıl etkiler? PN . Alfa1A-/- faresinde bulunmayan nöbetler (seizure) Serbestçe dolaşan farenin korteksinden EEG kayıtları - Bulunmayan nöbetler, episodic ataxia type 2 li insanlarda görülür - T-tipi kanalların birlikte silinmesi EEG değişimlerinin ve nöbetlerin bulunmamasına yol açar. Song, I. et al. J. Neurosci. 2004;24:5249-5257 Copyright ©2004 Society for Neuroscience Koordinasyon kaybı Alfa1A-/- fare Purkinje Nöronlarında (PN) bulunmayan P/Q akımlarının bir sonucu mu? Nim, GVIA Aga IVB Nim GVIA 400 +/+ Aga IVB I Ba (pA) 800 0 100 200 400 pA Control 300 400 I GVIA -/- Aga IVB Nim Nim GVIA Ba (pA) 20 ms 0 0 100 200 300 Time (s) Aga IVB Control Purkinje Nöronlarında (PN) toplam akım yoğunluğu P-tipi akımların elimine edilmeleri yüzünden azalmıştır, fakat L- ve N-tipi akım yoğunlukları artmıştır. 100 50 IBa (pA/pF) I Ba (pA/pF) 100 +/+ +/-/- 50 * * 0 Total * * P * * * * 0 Total P L N Other Alfa1A-/- faresinin hipocampusunda sinaptik iletim tam fakat değişmiştir. Jun, Kisun et al. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 15245-15250 Sinir sisteminin pek çok yerinde VACC yoğunluğu ve tipi değiştiği halde hastalığın mekanizması hala belli değildir. Copyright ©1999 by the National Academy of Sciences EA2 ye benzer null mutant P/Q null FHM EA2 SCA6 Mutasyon Null mutant missense Premature stop CAG tekrar kodonu & yapışık konum mutasyonu Protein Bulunmaz Nokta mutasyonu Güdük kalmış kanal Değişmiş C-dalı & Polyglutamine Kalıtım deseni Recessive Dominant Dominant Dominant Fonksiyon a etkisi Bulunmayan P/Q akımları Değişmiş I Ca yoğunluğu. Shift I-V sola kayar Nonfonksiyonel kanal Azalmış P/Q yüzey ekspresyonu ve değişmiş in/aktivasyon. Polyglutamine toksik mi? Mekanizma Hala Belirsiz Alfa 1A mutasyonları hastalık durumuna nasıl yol açar? •Somada zayıf koordinasyon çiftlenmemiş sinaptik iletimin veya azalmış akım yoğunluğunun sonucu mu? •Sıçan, fare, tavşan ve insan mutasyonlarından kayıtlanan akımlar farklı etkilenmektedirler. Nöronal fonksiyonun daha iyi anlaşılması gerekir, örneğin Purkinje hücre ateşleme deseni (Walter and Khodakhah ya bakın). Alfa 1A mutasyonları hastalık durumuna nasıl yol açar? Giriş: •Purkinje nöron AP i cerebellar çıktı gösterir •Purkinje (P)-hücrelerinde sadece P/Q kanalları Ca-ile aktive olan K kanallarını aktive eder •Pacemaker hızı afterhiperpolarizasyon tarafından belirlenir Hipotez: Endojen pacemaker hızı Ca-ile aktive olan K kanalları tarafından ayarlanır. APler , P/Q kanallarını aktive ederler, Ca-ile aktive olan K kanallarını aktive eden Ca un girmesine izin verir. Bu yüzden ardışık hiperpolarizasyon ve hız normal P/Q kanal fonksiyonuna bağlıdır. Ca-ile aktive olan K kanallarının modülasyonunu tartışmak için çeşitli alfa 1A mutasyonlu ataksik fare kullanmak P hücrelerinde intrinsik pacemaker aktivitesini korumanın anahtarıdır. Çok sayıda ölçüm P/Q mutasyonlu ataksik farede Purkinje hücre ateşlemesinin düzensiz olduğunu doğrulamaktadır. Walter et al., 2006 SK nın EBIO ile aktivasyonu Purkinje hücre hassasiyetini geliştirir Walter et al., 2006 SK nın EBIO ile aktivasyonu Ducky faresinin motor performansını geliştirir Rotarod Denge çubuğu Walter et al., 2006 P/Q VAC Kanalopatileri KO faresi Episodic Ataxia T2 ye Diğer VACC tarafından benzer. kompanzasyonu yeterli değildir. Azalmış P/Q akımı ataksiye nasıl neden olur- afterhiperpolarizasyon kaybolduğu halde P hücre çıktısı düzensizdir. Özet Kanal mutasyonlarının neden olduğu hastalıklar gittikçe daha fazla tanınmaktadır. Çok sayıda kanalopati, sürekli anormal kanalların bulunmasına rağmen epizodiktir. Bazı hastalıkların tetikleyicileri tanınmıştır. Aynı kanaldaki anormalliklere farklı hastalık durumlarında karşılaşılır. Farklı kanallardaki lezyonlar aynı hastalıklara yol açabilirler, örnek periyodik paralizi. Mutasyonun belirlenmesine rağmen hastalık mekanizması çoğunlukla bilinmemektedir.