Molecular and functional characterization of PCDH19 mutations in epilepsy in females with mental retardation (EFMR)

Abstract

지적 장애를 동반한 여성 제한적 뇌전증 (Epilepsy in females with mental retardation, EFMR)은 X-염색체에 위치한 PCDH19 (Protocadherin-19)유전자 변이에 의해 발병한다. EFMR은 비정상적인 X-연관 유전을 따르는 질환으로 남성의 경우 증상이 나타나지 않고, 이형접합체 (heterozygous)여성에서만 특이적으로 나타난다. 이형접합체 여성에서는 무작위 X-염색체 불 활성화의 영향으로 정상세포와 PCDH19 돌연변이 세포들이 섞여 있는 모자이크 현상이 나타나는데, 세포 간섭 (cellular interference)에 의해 정상적인 뇌세포 상호작용을 변화시켜 해롭게 함으로 EFMR을 발병한다는 것이다. 현재까지 EFMR 환자에서 보고된 PCDH19 돌연변이들 중 절반이 미스센스 돌연변이, 나머지 절반은 넌센스 돌연변이로 알려져 있다. PCDH19의 미스센스 돌연변이가 생기면 PCDH19를 전혀 발현 하지 않는 넌센스 돌연변이처럼 기능을 상실할 것이라고 추측되고 있지만, 아직까지 미스센스 돌연변이의 분자생화학적 기능이상이나 EFMR 발병 기전의 연관성에 대해서는 명확하게 연구 된 바 없다. 그러므로 본 연구 1부에서는 세포막에 정상 PCDH19 발현이 초기 뇌 발달과정에 증가했다가 P7 이후로 감소하는 것을 확인함으로써 초기 발달에 중요한 역할을 한 다는 것을 밝혔고, 발달과정에서 세크래타제 (secretase)에 의해 잘린 다는 것을 확인하였다. 하지만 미스센스 돌연변이가 생기면 세크래타제에 저항성이 생겨 잘리지 않고 세포막에 남아 발현양이 증가하는 것을 보았고, 이런 현상이 이들의 접착 기능에 미치는 영향을 보기 위해 세포 응집 검사 (cell aggregation assay)를 진행하였다. 그 결과 두 가지 다른 세포를 섞어준 인공 모자이크 환경에서 몇몇 돌연변이가 비정상적 세포 응집을 촉진하는 것을 확인함으로써 미스센스 돌연변이가 오히려 기능획득변이라는 것을 밝혔다. 2부에서는 야생형 (wild-type) 암컷 마우스 및 Pcdh19가 양쪽 X-염색체에서 결여된 동형접합체 (homozygous KO) 암컷 마우스와 달리 한쪽에서만 결여된 이형접합체 암컷 마우스에서만 PCDH19을 발현하는 세포와 그렇지 않은 세포들이 분리되는‘패턴’을 보여주었다. 이런 패턴을 보이는 이형접합체 암컷 마우스에서만 필로카르핀 (pilocarpine) 으로 유발된 발작에 대하여 높은 감수성을 보였으며, 이를 통해 비정상적으로 세포가 분류되는 패턴이 정상 뇌 발달을 방해하여 발작을 유발하는 것과의 연관성을 증명하였다. 결론적으로 EFMR은 정상세포가 PCDH19을 발현하지 않는 넌센스 돌연변이나 높은 PCDH19 발현양을 보이는 미스센스 돌연변이와 함께 공존할 때, 어떠한 경우라도 불균형을 일으켜 비정상적인 세포 상호작용을 촉진하여 발병한다는 것을 시사한다. 이러한 특이적 유전병의 메커니즘을 이해하는 것은 아직 밝혀지지 않은 수많은 다른 희귀 질환을 이해하는데도 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

Epilepsy in females with mental retardation (EFMR) is an epileptic disease that has infantile seizure onset, often accompanying intellectual disabilities. EFMR is caused by mutations in the protocadherin19 (PCDH19) gene on X-chromosome. PCDH19 is a transmembrane adhesion molecule, dominantly expressed in the central nervous system (CNS). To date, more than 100 mutations of PCDH19 have been reported in EFMR patients and half of these mutations are missense mutations. Most of PCDH19 missense mutations are suggested to be a loss of function at the cellular levels, but neither biochemical mechanisms of pathogenic missense mutations nor its adhesive functions are still very ambiguous. EFMR is known to have extremely unusual X-linked inheritance patterns, whereby only heterozygous females are affected but not males. The pathogenesis of EFMR is supported by the theory of ‘cellular interference’, although it has not been experimentally established. The theory of cellular interference is that two different alleles interact to produce an abnormal phenotype. Therefore, co-existence of two distinct populations of normal and mutated PCDH19 expressing cells could alter the proper cell-cell interactions in the brain to produce harmful effects. Since, PCDH19 is subjected to random X-chromosome inactivation, affected heterozygous females would have tissue mosaicism. However, the cellular mechanism related to the pathogenesis of EFMR is still unclear. Here, in part 1 of my thesis, I not only show the developmental regulation of PCDH19 expression that are critical in early brain development, but also its adhesive features. I found some of missense mutations are shown to be a gain of function through in vitro aggregation assay; they promote the formation of aberrant cell aggregates in the artificial mosaic environment. In part 2, I demonstrated the segregated patterns of WT and null PCDH19 cells in heterozygous female mouse brains that are associated with their higher seizure susceptibility. Taken together, these results demonstrated that the transcellular imbalance of higher (missense mutations) or lower (nonsense mutations) PCDH19 expression at the cell surface in heterozygous mutant females aberrantly interact with PCDH19 WT cells to promote abnormal cell-cell interaction in causing EFMR.