Explorando los canales de potasio KCNQ : una perspectiva en trastornos del neurodesarrollo y cardíacos

Abstract

Los canales KCNQ son canales de potasio activados por voltaje, cuya función principal es regular la excitabilidad de neuronas y fibras musculares cardíacas. En neuronas, generan la corriente M (IM), que eleva el umbral para la generación de potenciales de acción, limitando su sobreactividad. Variantes en los genes Kncq2/3 fueron vinculadas con epilepsias neonatales, y trastornos del espectro autista (TEA). Dentro del SNC, la expresión de KCNQ4 está restringida a ciertas áreas cerebrales, como algunos núcleos del Sistema Activador Reticular (RAS), cuya función es desconocida. Alteraciones en KCNQ1, presente en cardiomiocitos, causan canalopatías cardiacas como el Síndrome de QT Largo (SQTL). El capítulo 1 de esta tesis se centró en la generación de un modelo murino de autismo, inducido por la exposición prenatal al ácido valproico, a fin de evaluar alteraciones epigenéticas y conductuales detrás de este trastorno. Si bien no se logró inducir el fenotipo autista en los ratones, su caracterización permitió estandarizar experimentos que se realizaron en capítulos posteriores. Intervenciones ambientales tempranas durante el neurodesarrollo, como la dieta cetogénica (KD), pueden mejorar la condición de individuos con TEA. Con el objetivo de caracterizar los efectos epigenéticos y conductuales de los cuerpos cetónicos, en el capítulo 2 se administró una KD a ratones, y se evaluó su impacto sobre conductas animales y la expresión de genes involucrados en la regulación de la excitabilidad neuronal (Kcnq2-5), del estrés oxidativo (Sod1 y Sod2) y la memoria (Chrna7, Chrna4 y Chrnb2). En ratones KD, se encontró un aumento de la sociabilidad, y un cambio en la memoria de reconocimiento a corto plazo. En animales adultos, la expresión de Sod1 y Sod2 aumentó, resaltando el potencial de la KD en la modulación de vías de estrés oxidativo, que podría explicar sus efectos neuroprotectores. La expresión de Chrna7, Chrna4 y Chrnb2 disminuyó, lo cual podría relacionarse con el deterioro en la memoria de reconocimiento. También aumentó la expresión de Kcnq2 y Kcnq5, que podrían modular la excitabilidad neuronal, siendo parte responsable del potencial terapéutico de la KD en TEA y epilepsia. El núcleo pedúnculopontino (PPN), integrante del RAS, presenta IM en neuronas colinérgicas. De allí que, el capítulo 3 se enfocó en el análisis de la expresión de las subunidades KCNQ, y en la determinación del rol funcional de KCNQ4 en el PPN. Se demostró la presencia de KCNQ2-5 en el PPN, y que la ausencia de KCNQ4 modifica el patrón de expresión de otras subunidades, lo cual influye en la adaptación de la frecuencia de gatillado neuronal. Además, KCNQ4 contribuiría en la adaptación de los ciclos de sueño-vigilia a los cambios ambientales de luz. Finalmente, el capítulo 4 se centró en la pesquisa de variantes alélicas en pacientes con diagnóstico clínico de SQTL, enfocada en los genes KCNQ1, KCNH2 y SCN5A. El análisis permitió la detección de variantes genéticas tanto benignas como patogénicas en los distintos genes para un mismo individuo, y también proporcionó información valiosa para un asesoramiento terapéutico más adecuado. Conjuntamente, esta tesis aporta información valiosa sobre varios puntos clave respecto a los canales KCNQ y sus implicaciones en trastornos neurológicos y cardíacos, así como el papel de la dieta cetogénica en el tratamiento de ciertas condiciones patológicas.

KCNQ channels are voltage-gated potassium channels whose primary function is to regulate the excitability of neurons and cardiac muscle fibers. They generate the M current (IM) in neurons, which raises the threshold for action potentials, limiting neuronal overactivity. Variants in the Kncq2/3 genes have been linked to neonatal epilepsies and autism spectrum disorders (ASD). On the other hand, within the CNS, the expression of KCNQ4 is restricted to certain brain areas, such as some nuclei of the Reticular Activating System (RAS), with an unknown function. Alterations in KCNQ1, which is located in cardiomyocytes, cause cardiac channelopathies like Long QT Syndrome (LQTS). The first chapter of this thesis is focused on generating a murine model of autism induced by prenatal exposure to valproic acid, to evaluate epigenetic and behavioral alterations underlying this disorder. However, the autistic phenotype was not induced in mice. Early environmental interventions during neurodevelopment can improve the condition of individuals with ASD. Particularly, the ketogenic diet (KD) has been beneficial in such patients. To characterize the epigenetic and behavioral effects of ketone bodies, in chapter 2, a KD was administered to mice, and assessed its impact on animal behavior and the expression of genes involved in regulating neuronal excitability (Kcna2-5), oxidative stress control (Sod1 and Sod2) and memory processing (Chrna7, Chrna4, and Chrnb2). KD mice showed an increase in sociability, and changes in short-term recognition memory. In adult mice, the expression of Sod1 and Sod2 increased, highlighting KD´s potential role in modulating oxidative stress pathways, which could explain its neuroprotective effects. The expression of Chrna7, Chrna4, and Chrnb2 decreased, explaining the impairment observed in recognition memory. The expression of Kcnq2 and Kcnq5 also increased, which could modulate neuronal excitability, contributing to KD´s therapeutic potential in ASD and epilepsy. The pedunculopontine nucleus (PPN) is a member of the RAS, where the presence of IM in cholinergic neurons was reported. Hence, chapter 3 of this thesis focused on analyzing the expression of KCNQ subunits in the PPN, and determining the functional role of KCNQ4 in this nucleus, using a murine model that lacks the expression of KCNQ4. Here the expression of all neuronal KCNQ subunits was demonstrated in the PPN. In turn, the absence of KCNQ4 causes altered the expression pattern of the other subunits, which is reflected in the neurons´ spike frequency adaptation. Additionally, KCNQ4 would contribute to the adaptation of sleep-wakefulness cycles to environmental light changes. Lastly, chapter 4 focused on the screening for allelic variants in patients with a clinical diagnosis of LQTS. The study centered on the genes that encode the potassium channels KCNQ1 and hERG, and the sodium channel NaV1.5. The analysis allowed the detection of both benign and pathogenic genetic variants of different genes in the same individual, tha could be associated with prolonged QT intervals. Likewise, the genetic diagnosis of LQTS provided valuable information for more appropriate therapeutic advice. This thesis summarizes key points about KCNQ channels and their implications in neurological and cardiac disorders, as well as the role of the ketogenic diet in the treatment of certain conditions.