PNAS︱钙激活钾离子通道BK在失神癫痫和运动障碍中的神经机制
撰文︱董 平
责编︱王思珍
根据WHO的统计，癫痫（epilepsy）是一种非常常见的神经系统疾病，全世界大概有5000万人受到癫痫的影响。根据癫痫在大脑中发作的位点可以将其分为：全面性发作和局部性发作。然后根据其躯体和四肢反应可以分为全面强直-阵挛性癫痫（俗称“羊癫疯”）和失神癫痫（突然性的意识丧失但是并不会丧失身体肌肉张力）。离子通道功能异常（channelopathy）是癫痫发病的常见诱因[1]。
电压与钙激活的钾离子通道（简称BK）在神经系统中高度表达，因为其单通道电导非常大（100–300 pS），所以其名称BK因此得名（“Big K+”即“大钾”）。在神经元里，BK与电压依赖的钙离子通道（voltage-gated Ca2+ channels，VGCCs）通常位置很近，甚至形成复合体（图1）[2]。当细胞膜去极化时，VGCCs开放，钙离子内流，胞内钙增加与细胞膜去极化协同打开BK，然后钾离子外流，促进细胞复极化，进而关闭VGCCs，于是BK与VGCCs形成负反馈调节机制[3]。
图1 BK与VGCCs形成负反馈调节机制。
（图源：Dong P, et al., PNAS, 2022）
2005年研究者发现钙激活的钾离子通道（BK）中出现的一种功能获得性突变（BK-D434G）会导致病人同时出现失神癫痫和运动障碍（dyskinesia）的两种疾病，运动障碍在病人上一般是面部、手臂、腿或躯干的不自主的舞蹈样运动，但是失神癫痫和运动障碍其中的神经机制尚不清楚[4]。
2022年3月14日，来自美国杜克大学的杨黄河（Huanghe Yang）课题组在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了题为“Neuronal mechanism of a BK channelopathy in absence epilepsy and dyskinesia”的文章[5]，回答了上述问题。董平博士为论文第一作者，杨黄河教授为论文通讯作者。在此研究中，作者研究了携带了该BK-D434G点突变的小鼠模型，发现该小鼠模型同时具有失神癫痫和运动障碍，非常好地复现了出现在病人上的表型，并通过行为学、电生理和免疫荧光等手段确定了大脑皮层的锥体细胞和小脑的浦肯野细胞的过度活动分别是导致癫痫和运动障碍的重要成因。通过抑制BK离子通道的活动，能够缓解癫痫和运动障碍的症状，为治疗BK离子通道导致的神经系统疾病提供了一种有前景的治疗策略。
首先，通过记录小鼠的脑电（EEG）活动，作者发现携带有BK-D434G突变的小鼠具有典型失神癫痫EEG信号，即尖波放电（spike-and-wave discharges）（图2），当失神癫痫发作的时候，动物同时也伴随着自发行为活动上的暂停，该尖波放电活动频率在BK-D434G纯合小鼠中高达每小时200次。这些结果表明：携带BK-D434G突变的小鼠是一个非常好的失神癫痫的动物模型。
图2 BK-D434G突变的小鼠具有典型失神癫痫EEG信号
（图源：Dong P, et al., PNAS, 2022）
因为皮层丘脑环路在失神癫痫中起着非常重要的作用，作者通过膜片钳记录小鼠体感皮层第5-6层中的锥体神经元的放电活动并发现BK-D434G突变小鼠的锥体神经元放电频率显著增加，并伴随着明显的动作电位时长变短和后超极化（afterhyperpolarization，AHP）幅度增加（图3）。
图3 BK-D434G突变小鼠的皮层锥体神经元放电频率显著增加
（图源：Dong P, et al., PNAS, 2022）
然后通过旷场、平衡木行走、加速转轮和足迹分析等一系列运动相关的行为学测试，作者发现携带有BK-D434G突变的小鼠有着严重的运动障碍（图4）。值得注意的是，该小鼠在一些外在刺激（如酒精、毒蕈碱乙酰胆碱受体激动剂或者悬尾）的作用下，能够诱发出非自主向后蹬腿的运动，这一点与携带有该突变的病人显现的运动障碍非常相似。
图4 BK-D434G突变的小鼠具有严重的运动障碍
（图源：Dong P, et al., PNAS, 2022）
因为小脑浦肯野细胞中BK表达量很高，并且也参与运动的协调过程，作者通过免疫荧光染色的方法发现携带有BK-D434G突变的小脑浦肯野细胞（Calbindin阳性神经元）细胞的体积变大，并且其放电频率显著增加（图5）。
图5 BK-D434G突变小鼠的小脑浦肯野锥体神经元体积和放电频率显著增加
（图源：Dong P, et al., PNAS, 2022）
最后，作者发现通过加入BK通道特异的阻断剂蕈青霉素（paxilline）能够缓解BK-D434G功能获得所导致的失神癫痫和运动障碍（图6）。
图6 特异性阻断BK通道可以缓解失神癫痫和运动障碍
（图源：Dong P, et al., PNAS, 2022）
综上所述，该研究解释了突变的BK离子通道是如何通过增加大脑皮层锥体神经元和小脑的浦肯野细胞的放电频率，进而导致了携带该突变的病人会有失神癫痫和运动障碍两种症状。通过阻断BK通道的功能，能够缓解癫痫和运动障碍。此外，该研究构建了第一个来源于人的BK离子通道突变小鼠模型，该小鼠模型能够非常好的模拟病人上的失神癫痫和运动障碍的表型，为未来研究这些疾病的成因提供了一个非常好的模型，并提供了一种通过抑制BK通道来治疗缓解这些疾病的新的策略。
皮层-丘脑环路被认为是导致失神癫痫的重要环路，本研究中只研究了皮层中神经元的功能，该BK离子通道的突变对丘脑功能的影响尚不清楚，对于丘脑功能的探索将是未来研究的重点。虽然，临床上已经有几种针对失神癫痫的药物如丙戊酸盐，但是仍有很多病人对这些常见药物没有反应，所以急需新型的抗癫痫药物来治疗这些药物抵抗的病人。本研究中用到的BK通道阻断剂蕈青霉素虽然能够一定程度上缓解癫痫和运动障碍的症状，但是因为蕈青霉素的药物半衰期比较短，所以控制效果持续时间相对较短，有待开发新的药效更加持久的针对BK离子通道的阻断剂。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2200140119
杨黄河课题组成员：从左到右为Merrick Huang、董平（第一作者）、梁鹏飞、Takafumi Kawai、Gus Lowry、单可、张洋、杨黄河（通讯作者）。
（照片提供自：杜克大学杨黄河课题组）
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【4】J Neuroinflammation︱安静/栾国明团队合作揭示Rasmussen脑炎发病新机制
【5】JCI︱张亮/王占祥团队发现自分泌途径调控少突胶质细胞分化和促进髓鞘再生
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【7】Nat Biomed Eng︱利用透过大脑的红外光调控深脑神经活动
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【3】科研技能︱磁共振脑网络分析入门班（线上：2022.4.6~4.16）
参考文献（上下滑动阅读）
1.V. Crunelli, N. Leresche, Childhood absence epilepsy: genes, channels, neurons and networks. Nat Rev Neurosci 3, 371-382 (2002).
2.H. Berkefeld et al., BKCa-Cav channel complexes mediate rapid and localized Ca2+-activated K+ signaling. Science 314, 615-620 (2006).
3.B. Fakler, J. P. Adelman, Control of K(Ca) channels by calcium nano/microdomains. Neuron 59, 873-881 (2008).
4.W. Du et al., Calcium-sensitive potassium channelopathy in human epilepsy and paroxysmal movement disorder. Nat Genet 37, 733-738 (2005).
5.P. Dong et al., Neuronal mechanism of a BK channelopathy in absence epilepsy and dyskinesia. Proc Natl Acad Sci U S A 119, e2200140119 (2022).
制版︱王思珍
本文完