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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-62025
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6202/


Charakterisierung und pharmakologische Behandlung der M-Strom-defizienten Maus (Mus musculus, Linnaeus 1758) KCNQ2Nmf134 als Modell neonataler Epilepsien

Milkereit, Daniel

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Epilepsie , KCNQ2 , M-Strom , Retigabin , Bumetanid
Freie Schlagwörter (Englisch): epilepsy , KCNQ2 , M current , retigabine , bumetanide
Basisklassifikation: 42.63 , 42.12
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Isbrandt, Dirk (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.04.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 11.06.2013
Kurzfassung auf Deutsch: Die Ionenkanaluntereinheiten KV7.2 und KV7.3 bilden heteromere, spannungsabhängige Kaliumkanäle, die im Gehirn den sogenannten M-Strom vermitteln. Wird dieser hyperpolarisierende, auch bei Ruhemembranpotentialen aktive Strom durch Mutationen der entsprechenden
Gene KCNQ2 und KCNQ3 beeinträchtigt, kann es im Menschen zur Ausbildung neonataler Epilepsien kommen.
In der vorliegenden Arbeit wurde das KCNQ2Nmf134-Mausmodell untersucht, in dem eine chemisch induzierte Punktmutation für den Aminosäureaustausch von Valin 182 durch Methionin verantworlich ist. Homozygote KCNQ2V182M/V182M-Mäuse zeigten spontane Krampfanfälle, die zu einer stark erhöhten Letalität führten. Des Weiteren wiesen sie ein reduziertes Körpergewicht bei ebenfalls reduzierter Körpergröße auf.
Die biophysikalische Charakterisierung des spannungsabhängigen Öffnungsverhaltens heteromerer KV7.2V182M/KV7.3-Kanäle mittels Zwei-Elektroden-Spannungsklemme in Xenopus laevis-Oocyten zeigte eine Verschiebung der Aktivierung in Richtung positiverer Membranpotentiale.
In Übereinstimmung mit diesen Befunden war die zelluläre Erregbarkeit hippocampaler CA1-Neurone von KCNQ2V182M/+- und KCNQ2V182M/V182M-Mäusen erhöht. Spannungsklemme-Experimente zeigten auch hier eine Verschiebung der Offenwahrscheinlichkeit hippocampaler M-Kanäle.
Die Übererregbarkeit auf zellulärer Ebene war auf Netzwerkebene mit einer erhöhten hippocampalen Aktivität in in vivo-Ableitungen neonataler KCNQ2V182M/V182M-Mäuse assoziiert. In Verhaltenstests zeigten adulte KCNQ2V182M/+- und KCNQ2V182M/V182M-Tiere eine erhöhte lokomotorische Aktivität und eine Beeinträchtigung des hippocampusabhängigen Arbeitsgedächtnisses.
Die postnatale Behandlung mit dem selektiven M-Kanal-Öffner Retigabin beeinflusste sowohl die Überlebensrate, als auch die Gewichtsentwicklung homozygoter KCNQ2V182M/V182M-Tiere positiv. Durch den NKCC1-Blocker Bumetanid ließ sich ebenfalls die Letalität reduzieren, das Auftreten beobachteter spontaner Krampfanfälle in der Neonatalperiode konnte im Trend reduziert werden. Die Gewichtsentwicklung blieb jedoch unbeeinflusst. Die durch die Mutation KCNQ2V182M erhöhte Bewegungsaktivität in adulten Mäusen konnte darüber hinaus durch die neonatale Behandlung mit Bumetanid verhindert werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern die erste umfassende Charakterisierung des KCNQ2Nmf134-Mausmodells auf zellulärer, Netzwerk- und Verhaltensebene. Darüber hinaus geben sie Hinweise auf die Rolle von M-Kanälen in der neonatalen Entwicklung des Gehirns und mögliche neue
Behandlungsstrategien neonataler Epilepsien.
Kurzfassung auf Englisch: The ionchannel subunits KV7.2 and KV7.3 form heteromeric voltage-gated potassium channels that mediate the so-called neuronal M current, which is a repolarizing current already active in the subthreshold membrane potential range. A disruption of normal M channel function due to mutations in the respective genes KCNQ2 and KCNQ3 is associated with neonatal epilepsies in humans.
In the present study the KCNQ2Nmf134 mouse model, in which a chemically induced missense mutation in KCNQ2 causes the replacement of valine 182 by methionine, was investigated. Homozygous KCNQ2V182M/V182M mice exhibited spontaneous seizures, resulting in a significant increase in lethality. Furthermore, the homozygous mutant mice displayed reduced body weight
and size.
The biophysical properties of heteromeric wildtype and mutant KV7.2/KV7.3 channels heterologously expressed in Xenopus laevis oocytes were characterized using two-electrode voltage clamp recordings. These measurements revealed a shift of voltage-dependent channel activation
towards more positive membrane potentials for channels containing KV7.2V182M subunits resulting in a decrease in relative current amplitudes.
In line with these results, voltage clamp experiments with hippocampal CA1 neurons from KCNQ2V182M/V182M mice revealed a comparable shift in the open probability of hippocampal M channels. As a consequence, cellular excitability in KV7.2V182M subunit-expressing mice was increased. The hyperexcitability at the cellular level was associated with increased
hippocampal activity at the network level, as shown by acute in vivo depth recordings from neonatal KCNQ2V182M/V182M mice. Behavioural testing of adult KCNQ2V182M/+- and KCNQ2V182M/V182M animals revealed increased levels of locomotor activity and an impairment of hippocampus-dependent working memory.
Postnatal treatment of homozygous KCNQ2V182M/V182M animals with the M channel opener retigabine positively influenced survival rates and body weight development. Treatment with the NKCC1 blocker bumetanide had a similar effect on the survival rate of animals. In addition, there was a trend towards a decrease in the number of observed spontaneous neonatal seizures. While body weight development was not improved in bumetanide-treated mutants, the development of locomotor hyperactivity observed in adult KCNQ2V182M/V182M animals was prevented.
The results of this study present the first comprehensive characterization of the KCNQ2Nmf134 mouse model at cellular, network and behavioural levels and provide further insights into the important role of KV7/M channels in neonatal brain development as well as information on possible new treatment strategies for neonatal epilepsies.

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