Aspek Molekuler Penyakit Epilepsi Benign Familial Neonatal

ASPEK MOLEKT]LER PEI\TYAKIT EPILEPSI BEI\-IGN
FAMILIAL I\IEONATAL COFIVT]LSION
Oleh : Dn Daniel Joko Wahyono, M.Biomed.
Pendahuluan
Epilepsi meliputi sejumlah variasi penyakit dengan kekejangan. Epilepsi idiopatik
didefinisikan sebagai kelompok heterogen penyakit kekejangan yang menunjukkan yang
tidak diketahui penyebabnya. Kelainan kanal ion bertegangan merupakan struktur membran
sel neuron yang terbentuk dari protein dengan lubang pada bagian tengah kanal ion untuk
perlintasan ion. Kanal ion mengatur perlintasan ion keluar dan masuk sel, sehinggga sel
mengalami depolarisasi dan hiperpolarisasi. Neurotoksin secara selekstif melakukan
inaktivasi pada lokasi yang berbeda dari kanal ion, sehingga dapat dilakukan identifikasi
komponen kanal ion dan mengetahui fungsi kanal ion (Catterall, 1996; Abuhamed et al.,
2008).
Kanal ion bertegangan diklasifikasikan menjadi 4 tipe yaitu kanal ion Natriumo kanal
ion Kalium, kanal ion Kalsium dan kanal ion Klorida. Kanal ion bertegangan merupakan
komplek protein dalam membran lipid yang tersusun atas subunit-subunit. Setiap subunit
kanal ion mempunyai fungsi spesifik dan diekspresikan oleh lebih dari satu gen (Abuhamed
et a1.,2008). Pada saat ini, basis genetika dari kedua epilepsi idiopatik telah diketatrui yaitu
protein kanal ion spesifik untuk dua gen kanal ion Kalium yang berbeda KCNQ2 dan
KCNQ3 @ngel, 2001; Pereira et a1.,2004; Abuhamed et a1.,2008) atau subunit kanal ion
Natrium. Penelitian genetika epilepsi idiopatik terkini menunjukkan bahwa pengaruh
genetika penting pada pengaturan kanal
ion
bertegangan. Gen-gen yang berbeda
kemungkinan mengendalikan fungsi kanal ion tersebut. Kelainan kanal ion bertanggung
jawab se{ara langsung terhadap rangsangan berlebihan dan kekejangan (Abuharned et al.,
2oo8).
bio.unsoed.ac.id
Epidemiologi dan Etiologi Penyakit Epilepsi BNT'C
familial neonatal corwulsion @fNC) merupakan penyakit yang jarang terjadi
di dunia dengan insidensi I per 100.000 populasi. BFNC menyebabkan kejang tonus-klonus
Benign
yang bersifat multifokus (sebagian) atau menyeluruh. Gejala yang klinis penyakit ini
dimulai pada tiga hari setelah lahir dan akan hilang setelah beberepa minggu atau bulan.
Namun, 16 % individu yang membawa alel BNFC akan mengalami gejala klinik kembali
setelah usia dewasa. Oleh karena
itu, gen yang bertanggung jawab terhadap BFNC
merupakan gen yang rentan terhadap epilepsi, karena variasi genetik pada gen ini menjadi
predisposisi terhadap epilepsi. Gejala klinis munculnya kembali BFNC diduga bersifat
ringan yang bisa dipicu oleh cedera otak maupun keberadaan gen yang rentan terhadap
epilepsi menjadi penyebab epilepsi kronis pada satu dari enam individu yang membawa
mutasi gen
BFNC (Rogawski,2000).
Pada saat ini telah ditemukan 30 mutasi pada gen KNCQ2 dan 3 mutasi pada gen
KCNQ3 dari kerabat keluarga dengan BFNC yang menyebabkan reduksi kecil (< 25 %)
kemampuan perlintasan ion pada kanal
ion KNCQ2
dan KCNQ3, terkecuali 2 mutasi pada
gen KCNQZ yang akan menyebabkan reduksi besar kemampuan perlintasan ion. Fenomena
ini konsisten dengan efek dominant negatif dari mutasi pada kedua gen tersebut (Singh er
a1.,2003; Abuhamed et a1.,2008). Sebagian besar BFNC akibat mutasi disebabkan oleh
insersi maupun delesi, sehingga menyebabkan perubahan pada urutan panjang ujung COOH
dalam intrasel yang dikenal sebagai urutan daerah interaksi (sid). Urutan spesifk ini
berfungsi untuk perakitan subunit KNCQ, modulasi akitivitas kanal ion, dan lokasi interaksi
dengan sinyal protein seperti calmodulin, protein kinase dan protein kinase jangkar (Yus-
Najera et a1.,2002, Schwake et al.,2003,Hoshi et a1.,2003; Abuhamed et al.o200S).
Patogenesis Molekuler Penyakit Epilepsi BFNC
BFNC adalah penyakit yang diwariskan secara autosom dominan dengan penetrasi
tinggi. BFNC (OMIM#121200 dan OMIM#l2l2Ol) mempunyai dua lokus kromosom yaitu
bio.unsoed.ac.id
lokus EBN1 pada kromosom 20q13.3 yang mengekspresikan protein subunit KCNQ2 dan
EBN2 pada kromosom 8q24 yang mengekspresikan protein subunit KCNQ3 (Lepert et al.,
1989; Singh et al., 1998; Lewis et a1.,1993; Charlie,r et al., 1998; de Haan et a1.,2006).
Kedua subunit protein ini membentuk struktur kanal ion heteromerik yang memediasi aliran
M (kanal ion tipe M) (Cooper&Jan, 2003; de Haan et a1.,2006). Kanal ion
berperan mengendalikan rangsangan neuron tetap di bawah batas ambang
kanal ion tipe
tipe
M
(subthreshold) (Wang et al.o 1998; de Haan et a1.,2006). Pada umumnya keluarga penderita
BNFC berasosiasi dengan mutasi pada gen KCNQ2, ftlmun BFNC yang berasosiasi dengan
mutasi pada gen KCNQ3 ditemukan hanya pada beberapa kasus saja. Mutasi pada gen
KNCQ2 dan KCNQ3 terutama terletak pada daerah lubang kanal ion atau ujung COOH.
Beberapa mutasi gen KCNQ2 dfln KCNQ3 akan menyebabkan manifestasi klinis berat,
BFNC pada kromosom 20 sering
onset) dan retardasi
kali
berkaitan dengan epilepsi pada masa dewasa (late-
mental dibandingkan dengan BFNC pada kromosom 8 (Jentsch, 2000;
Dedek et a1.,2001; de Haan et a1.,2006).
Identifikasi gen KCNQ2/KCNQ3 sebagai penyebab BFNC adalah sangat penting
dalam studi epilepsi. BFNC dikenal sebagai sindroma epilepsi idiopatik, karena tidak
berkaitan dengan kelainan perkembangan otak dan fungsi otak Pada umurnnya penderita
BFNC tidak menunjukkan manifestasi kelainan neurologis dan perkembangan intelektual.
Gen KCNQZ dan KCNQ3 mengekspresikan protein yang homolog dan merupakan anggota
gen superfamili kanal ion
Gambm
1.
K* dengan 6 daeratr transmembran (Gambar l.) (Rogawski,2000).
f. fCNQ (Rogawski, 2000). Topologi daerah transmembran
subunit kanal ion KCNQ2 dan KCNQ3 (bentuk silinder mencerminkan
Struktur kanal ion
daerah membran o-heliks).
bio.unsoed.ac.id
Kanal ion Kalium bertegangan merupakan salah satu kanal ion yang sangat penting
untuk penggandaan dan peningkatan potensial aksi. Sejak ditemukan gen spesifik yang
mengkode kanal ion Kalium bertegangan terekspresi pada sistem saraf pusato maka mutasi
ini
diduga menjadi penyebab ketidakseimbangan antara rangsangan dan
(K)
peghambatan rangsangan yang menyebabkan epilepsi. Kanal ion Kalium bertegangan
pada sel neuron mengatur perangsangan dengan mengendalikan waktu potensial aksi,
pada gen
mempertahankan di bawatr batas ambang, responsif terhadap rangsangan sinapstik. Kanal
ion K* merupakan protein multi subunit dengan inti kanal ion yang tersusun atas subunit
tetramer yang mengelilingi lubang K+ selektif secara selektif. Daerah ujung NH2 (5')
berperan penting untuk perakitan kanal iono sedangkan urutan ujung COOH (3') diperluakn
untuk perakitan ether-a'-go,go (eag) dan kanal ion KCNQ (Jenke et a1.,2003; Schwake er
al., 2006, Abuhamed et al.o 2003). Mutasi kanal ion K* berasosiasi dengan epilepsi,
terutama penetrasi fenotipe epilepsi partial pada manusia dengan perubahan perangsangan
pada beragam daerah otak. Silsilah keluarga penderita epilepsi yang menunjukkan beragam
fenotip kekejangan berasosiasi dengan mutasi basa tunggal pada gen kanal ion K* EBN1
yang terletak pada kromosom 20q13.2 yang mengekspresikan subunit KCNQ2 dan gen
kanal ion K* EBN2 yang berlokasi pada kromosom 8q24 yang mengekspresikan subunit
KCNQ3 (Leppert et al.l989; Abuhamed et a1.,2008). Kedua subunit protein ini diyakini
berinteraksi sebagai heterodimer yang terekspresi merata di otak dan peristen pada usia
dewas4 meskipun gejala kekejangan yang berasosiasi dengan BFNC akan hilang setelah
usia 6 bulan (Abuhamed et a1.,2008). Subunit KCNQ2 dan KCNQ3 membentuk sffuktur
teframer yang menghasilkan aliran besar K* pada kanal ion bertegangan. Setiap subunit
KCNIQ terdiri dari daerah ujung NH2 pada intrasel dan daerah ujung COOH, dan 6 segmen
heliks transmembran (Sl
-
56). Segmen 54 adalah bermuatan positip dan perubahan muatan
terjadi sebagai respon terhadap potensial membran, sehingga mengakibatkan kanal ion
terbuka pada kondisi depolarisasi. Mutasi basa tunggal bisa terdapat pada lubang kanal ion
atau segmen 54, sehingga mengakibatkan pemendekan polipeptida pada daerah ujung
bio.unsoed.ac.id
COOH (Gambar 2.) (Cooper et al2A03).
4
Gambar
2.
Strukfur kanal ion K*tip. M dan lokasi mutasi KCNQ (Cooper et a1.,2003). A
: Pola transmembran subunit KCNQ2 dan KCNQ3 dan lokasi mutasi gen
BNFC yang menyebabkan perubahan asam amino (huruf dalam lingkaran)
maupun pemendekan polipeptida (kotak merah). Angka menunjukkan posisi
mutasi penyebab BNFC pada urutan asam amino subunit KCNQ2 dan
KCNQ3 (A = alanino W: triptofan, R = arginin,
tirosir, C: sistein, G =
glisin, V valin). B : Penampang kanal ion tetramer dengan satu subunit
dihilangkan untuk menunjukkan jalur K* melalui kanal ion membran sel
neufon.
Y:
:
Kanal ion tipe M adalah tipe kanal ion yang sangat lambat dalam pembukaan dan
penutupan kanal ion
K* bertegangan, sehingga kanal ion ini dapat mengendalikan sejumlah
lonjakan potensial aksi pada neuron yang menerima rangsangan yang kuat. Neuron meqiaga
keseimbangan ion yang melalui membran sel melalui sistem pompa ion dan kotransporter
yang akan memasukan K* serta mengeluarkan Na* dan Ca2*. Oleh karena ketika
permeabilitas bersifat selektif terhadap Na* dan
C**
pada kanal ion membran, maka ion
positif masuk ke dalam sel dan terjadi depolarisasi membran potensial sel. Sebalikny4
ketika pembukaan kanal ion bersifat selektif terhadap K*, maka K* akan keluar dari intrasel
bio.unsoed.ac.id
melalui kanal ion menyebabkan muatan sel lebih negatip dan terjadi hiperpolarisai sel.
Kanal ion tipe M aktif secara parsial pada rentang membran potensial istirahat (resting) dan
selanjutnya kanal
I
ion ini akan diaktivasi oleh kondisi depolarisasi. Pembukaan dan
penutupan kanal ion tipe M pada laju 100 kali lebih lambat dari pada batas potensial aksi
cepat. Oleh karena itu, pada kanal ion
ini memungkinkan terjadinya lonjakan potensial aksi
tunggal, tetapi tidak mengakibatkan depolarisasi dan pengulangan lonjakan potensial aksi.
Kanal ion tipe
M
dihambat oleh agonis respetor muscarin asetilkolin, sehingga terjadi
peningkatan perangsangan dapal sel (Cooper et
al.,z}Ar.
Oleh karena, perlintasan ion tipe
M berperan oposisi terhadap aktivitas epilepsi, maka kelainan pada kanal ion K* tipe M pada
BFNC akan mengakibatkan peningkatan kerentanan terhadap kekejangan @ogawski, 2000).
Karakteristik subunit protein KCNQ2 dan KCNQ3 kanal ion K* mempunyai daerah
sangat lestari dengan kandungan banyak asam amino Arginin yang bermuatan positip pada
daerah transmembran ke-4 (heliks S4). Daerah heliks 54 merupakan daerah lubang kanal ion
(P-loop') yang mengandung urutan konsensus Thr-x-x-Thr-x-Gly dan berperan sebagai
sensor tegangan kanal ion (Gambar
3.). Subunit protein KCNQ2
struktur heteromer yang membentuk kanal ion
f..
dan KCNQ3 merupakan
KCNQZ dan KCNQ3 diekspresikan
diotak terdistribusi secara berlapis dengan ekspresi yaog tinggi pada daerah otak yang
penting untuk timbulnya kejang-kejang (seizure), seperti hipokampuso neokorteks dan
thalamus. Asosiasi BFNC dengan mutasi gen KNCQ2 dan KCNQ3 mempunyai kesamaan
fenotipik, sehingga kedua subunit protein ini berkombinasi dalam aktivitasnya. Mutasi
BFNC pada kedua gen ini mengakibatkan penurunan 20-30 persen amplitudo perlintasan ion
pada kanal ion heteromer
Gambar
3.
K* (Rogawski, 2000).
Karakteristik struktur motif subunit KCNQ kanal ion K* 1 Rogawski, 2000).
Penjajaran urutan asam amino lima anggota subfamily kanal ion f* fCNq
dan kanal ion KCNAI (Kvl.l). Kelestarian yang tinggi dari asam amino
bermuatan positip pada daerah heliks S-4 ditunjukkan dengan huruf tebal dan
motif lubang kanal ion K* ditunjuktan dengan huruftebal dan bergaris.
bio.unsoed.ac.id
Mutasi fntron Daerah Splicing Gen KCNe2 pada BFNC
Mutasi titik basa tunggal gen KCNQ2 telah teridentifikasi pada daerah lestari
ujung 3,
situs akseptor splicing intron 14 dan bersifat heterosigot pada anggota keluarga penderita
kejang pada masa neonatal dari kerabat keluarga yang membawa BFNC. Mutasi
berupa
perubahan basa Adenin menjadi Sitosin (A
C) yang terjadi pada 6 nukelotida daerah
*
hulu titik awal mula ekson 15 disebut mutasi daerah intron IVS 14-6 C>A. Mutasi ini
mengakibatkan perubahan lokasi situs akseptor splicing dan insersi 4 basa nuklotida yang
mengakibatkan terbentuk kodon stop prematur (TAG) pada lokasi setelah sitgs
splicing
ekson 15 (Gambar 4.). Mutasi ini menyebabkan akseptor situs splicingyang lebih
kuat dari
pada tipe normalnya. Deteksi cepat mutasi ini dapat dilakukan dengan
analisis RFLp pada
situs restriksi enzim
l,Ispl yangberasal dari sampel
daratr tepi penderita BNFC dan individu
normal. Alel wild-4pe (normal) ditunjukkan dengan terjadi pemotongan pada
situs resriksi
enzim Mspr, sehingga terbentuk pita DNA berukuran 65 pb, g6 pb dan 157 pb.
Alel
termutasi (mutant) tidak terjadi pemotongan pada situs restriksi erg1im Mspl yang
ditunjukkan dengan terbentuknya pita DNA berukuran l5l pb dan 157 pb. pada
keluarga
yang membawa BNFC ditemukan segregasi alel termutasi, namun
tidak ada pada keluarga
yang normal (de Haan et al.,20Aq.
E.
${,il63f
;{
1/'JTTWT
6r:f t;fr $;l $.48?}E}f
wTJ
tv$'t+6 +>A
S Errr
#xtent
bio.unsoed.ac.id
Mutasi splicing gen
Exsn
Gambar 4.
J4
Cron t5
KC-1.{Q2 pada daerah
intron 14 (de Haan et a1.,2006).
A&B : urutan nukleotida dan asam amino dari untai DNA nor.al (wr/wr)
i31 termutasi (wr/ IVS 14-6 c>A. c : skema perubagan splicing mRNA
KCNQ2 yang mengakibatkan terbentuknya kodon stop prlmature.
Pengembangan Terapi Epilepsi BNT'C
Pembukaan kanal
pembukaan kanal
K.
dapat disebabkan oleh aktivitas antikonwlsan,
K* akan mengurangi
rangsangan
neuron. Regitabine (D-23129)
maka
yarrrg
formulanya ditemukan pada tahun 1980 adalah analog analgesik flupirtine dengan aktivitas
antikonwlsan berspektrum luas (Rogaswki, 2000). Regitabine berpotensi untuk terapi
epilepsi, karena Regitabine dapat mencegah kekejangan secara efektif yang diinduksi oleh
syok muatan listrik neuron maupun beberapa konwlsan kimia, seperti pentypenetertrazol,
N-methyl-D-Aspartat, 4-aminopyridin,
picrotoxin. Regitabine dapat
menyebabkan
pembukaan kanal ion pada membran potensial yang hiperpolasrisasi, peningkatan laju
pembukaan kanal
ion dan perlambatan laju penutupan kanal ion. Dengan
demikian,
disfungsi pada kanal ion akibat terjadinya mutasi menjadi target obat yang penting dalam
pengembangan terapi epilepsi dan kelainan neurologi lain, seperti
BNFC (Cooper et ol.,
2003).
Kesimpulan
Epilepsi merupakan kelainan neurologi episodik yang paling umum ditemukan. Pada
saat
ini beberapa epilepsi idiopatik terbukti sebagai akibat kelainan pada fungsi kanal ion.
Penemuan mutasi kanal ion pada epilepsi telah meningkatkan peluang terjadinya perubahan
secara genetika pada struktur kanal
ion maupun ekpresi/regulasi, sehingga mutasi ini
berperan penting dalam kerentanan terhadap
epilepsi. Oleh karena, pengaruh genetika
penting pada pengaturan kanal ion bertegangan, maka disfungsi kanal
ion
berpengaruh
secara langsung terhadap rangsangan berlebihan dan kekejangan pada epilepsi.
BNFC merupakan epilepsi idopatik yang disebabkan oleh mutasi pada kanal ion K+,
terutama mutasi daerah intron splicing
ryS
14-6 gen KCNQ2. Mutasi pada gen KNCQ2 dan
gen KCNQ3 menyebabkan reduksi kecil kemampuan perlintasan ion pada kanal ion. Mutasi
ini
menyebabkan insersi
4
basa nukleotida ujung awal daerah splicing ekson 15 gen
KCNQ2, sehingga terjadi pemendekan polinukleotida yang berukuran 588 asam amino saja.
bio.unsoed.ac.id
ini mengakibatkan kehilangan daerah "sio'dan'?" pada ujung
Pemendekan polinukleotida
COOH yang berperan sangat penting dalam perakitan kanal ion K*, terutama interaksi
KCNe2 dengan KCNQ3. Oleh karena itu, studi tentang mutasi ini berperan penting sebagai
dasar pengembangan terapi epilepsi dan kelainan neurologi yang berbasis genotip.
Daftar Pustaka
Abuhamed IW Bo X, Xia K, Fang Y, Long L, Voltage-Gated Channels as Causative Agents
for Epilepsies. Am J Immunol2008; 4 (a): 43-50.
Catterall WA. Molecular properties of sodium and calcium channels. J Biaenerg Biomembr
1996;28:219-230.
Charlier C, Singh NA, Ryan S, Lewis T, Reus B, Leach R, Leppert I\4. A pgre lutation in a
novel fQ1.-me potassium channel gene in an idiopathic epilepsy family. Nat Genet
1998;18:53-55.
Cooper EC and Jan LY. M-Channels : neurological diseases, neuromodulation, and durg
development . Arch Neurol 2003; 60: 496-500.
Dedek
Jentsch TJ, Steinlein OK. Myokymia and
neonatal epilepsy caused by a mutation in the voltage sensor of the KCNQ2 K+
channel. Proc Natl Acad Sci U S A2001;98:12272-12277 -
K, Kunath B, Kananura C, Reiner U,
D, Carton D, Bader A, Witte J, Peters E, van Erp G, Vandereyken W,
Boezeman E, Wapenaar MC, Boon P, Halley D, Koeleman BPC, Lindhout D. A
Novel Splicing Mutation n KCN}2 in a Multigenerational Family with BFNC
Followed for 25 Years. Epilepsia 2006; 47(5):85 l-859.
de Haan G-J, Pinto
Engel J. A proposed diagnostic scheme for people with epileptic seizures unq"tth epilepsy:
Report of the ILAE Task Force on classification and terminology. Epilepsia 2001;
42:796-803.
-
Hoshi N, Zhang JS, Omaki M, Takeuchi T, Yokoyama S, Wanaverbecq N, Langeberg LK,
YonedJ Y, Scott JD, Brown DA, Higashida H. AKAP150 signaling complex
promotes suppression of the M-current by muscarinic agonists. Nat Neurosci 2003;
6:564-571.
Jenke
M, Sfnchez A, Monje F, Stiihmer W, Weseloh RM, Pardo LA. C-terminal domains
implicated in the functional surface expression of potassium channels. EMBO J
2003;22:395-403.
bio.unsoed.ac.id
Jentsch TJ. Neuronal KCNQ potassium channels: physiology and role
Neurosci 2000; I :2 1-30.
in
disease.
Nat
Rev
Leppert M, Anderson VE, Quattlebaum T, Stauffer D, OlConnell P, Nakamura Y, Lalouel
JM, White R. Benign familial neonatal convulsions linked to genetic markers on
chromosome 20. Nature 1989; 337 : 647 -648.
Lewis TB, Leach RI, Ward K, Ward K, O'Connell P, Ryan SG. Genetic heterogeneity in
benign familial neonatal conwlsions: identification of a new locus on chromosome
8q.Am J Hum Genet 1993;53:67M75.
M,
Kuba R" Cau P, Rektor I,
Genton P, Brazdil
Szepetowski P. Complete loss of the cytoplasmic carboxyl terminus of the KCNQ2
potnssium channel: A novel mutation in a large Czech pedigree with benign neonatal
convulsions or other epileptic phenotypes. Epilepsia 20041'45: 384-390.
Pereira
S, Roll P, Krizova J,
Rogawski MA. KCNQ2/KCNQ3 K* channels and the molecular pathogenesis of epilepsy
implication for therapy . Trends Neros ci 200A; 23 : 392-398.
:
Schwake M, Jentsch TJ, Friedrich TI. A carboxyterminal domain determines the subunit
specificity of KCNQ K+channel assembly. EMBO 2003; 4:76-81.
Schwake M, Athanasiadu D, Beimgraben C, Blanz J, Beck C, Jentsch TJ, Saftig P, Friedrich
Mtype KCNQ (Kv7) K+ channel assembly.
Structural determinants
of
T.
Neuroscience 2006; 26:
37 57 -37
66.
Singh NA, Charlier C, Stauffer D, DuPont B, Leach E, Melis Ro Ronene G, Bjerre I,
Quattlebaum T, Murphy J. A novel potassium channel gene, KCNQ2, is mutated in
an inherited epilepsy ofnewborns. Nal Genet 1998;18: 25-29.
Singh NA, Westenskow P, Charlier C, Pappas C, Leslie J, Dillon J, Anderson VE,.
Sanguinetti MC, Leppert MF. KCNQ2 and KCNQ3 potassium channel genes in
benign familial neonatal convulsions: Expansion of the functional and mutation
spectrum. Brain 2003; 126: 2726-2737 .
Wang HS, Pan Z, Shi W, Brown B, Wymore R, Cohen Io Dixon J, McKinon D. KCNQ2 and
KCNQ3 potassium channel subunits: molecular correlates of the M-channel. Science
1998;282: 1890-1893.
Yus-Najera E, Santana-Castro I, Villarroel A. The identification and characterization of a
noncontinuous calmodulinbinding site in noninactivating voltage-dependent KCNQ
potassium channels. J Biol Chem 2002; 21 7 : 28545-28553.
bio.unsoed.ac.id
l0