Investigating the neurodevelopmental pathogenesis of MTOR mutation from epilepsy patient

Abstract

mTOR 세포 내 신호 전달 경로 결함으로 인한 대뇌 피질 발달 결함은 소아 난치성 뇌전증의 주된 원인 중 하나다. 서울대 희귀 질병 센터를 통해 유전자 패널검사를 시행하여 난치성 뇌전증 환자에서 새로운 돌연변이 MTOR c.7570 C>T, p.Gln 2524*를 찾았다. 단백질 번역 및 자가 포식 등을 조절하는 mTOR 세포 내 신호 전달 경로는 포유류 물질 대사를 조절하는 핵심 경로 중 하나다. 특히 신경발달과정에서 세포의 증식, 분화, 및 신경 세포의 이동을 조절하는 등 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 mTOR 세포 내 신호 전달 경로를 과 활성화하는 돌연변이는 국소 피질 이형성증 (FCD), 편측거대뇌증 (HME), 그리고 다미소회열 (PMG) 등 대뇌 피질 발달 결함을 유도할 수 있다. 특히 지난 몇 년간 MTOR 기능획득(Gain-of-function) 돌연변이가 spine의 밀도 변화, 또는 신경 세포의 섬모 발생 결함을 유도하는 것이 보고 되었다. 이러한 발달 과정의 문제는 태어난 이후 heterotopia를 포함하는 구조적 문제와 난치성 뇌전증을 포함하는 기능적 문제와 연관되어 있다. MTOR Q2524*를 가진 난치성 뇌전증 환자 뇌 MRI 결과, nonspecific white matter hyperintensity가 발견되었고, 신경 발달 결함이 발작과 연관되어 있을 것으로 추측했다. 따라서 이 환자에서 발견된 MTOR Q2524*의 신경발달과정에서 역할을 규명하기 위해 발달 중인 생쥐 뇌에 MTOR Q2524*를 도입하였다. 그 결과, MTOR Q2524*는 발달 중인 생쥐 뇌에서 신경 세포 이동의 결함을 유도했다. 기존에 보고된 신경 세포 이동 결함을 유도하는 MTOR 돌연변이는 대부분 해당 신호 전달 경로 활성을 증가시킨다. 하지만 MTOR Q2524*가 도입된 생쥐 뇌에서는 인산화된 S6의 증가를 확일 할 수 없었다. 이 결과는 MTOR Q2524*가, 기존에 보고된 mTOR 기능획득 돌연변이들과는 달리, mTOR 인산화 효소 활성으로 병리학적 표현형을 유도하는 것이 아닐 가능성도 있음을 제시한다. 하지만 예상과는 다르게 MTOR Q2524*에 의한 신경발달 결함은 인산화 효소 활성을 필요로 함을 확인하였다. 발달 중인 생쥐 뇌로의 인산화 효소 활성이 없는 MTOR Q2524* 도입은 mTOR Q2524*와 다르게 신경 세포의 이동의 결함을 유도하지 않았다. 결론적으로 MTOR Q2524*는 발달 중인 생쥐 뇌에서 신경 세포 이동 결함을 유도하고 이 결함은 mTOR 인산화 효소 활성에 의존적임을 보였다. 또한 MTOR Q2524*는 mTOR-S6 경로와 다른 경로를 거쳐 신경세포 이동의 결함을 유도할 수 있다는 가능성을 제시할 수 있다. 종합적으로 뇌전증 환자로부터 mTOR 돌연변이를 찾고 변이체의 기능을 연구하는 것은 난치성 뇌전증에 대한 개인 맞춤 치료 방법 개발에 기여할 것이라고 기대한다.

Defects in cortical development due to defects in mTOR signaling pathways are one of the main causes of intractable pediatric epilepsy. Rare Disease center from SNU Hospital conducted Epilepsy Gene Panel test to find a genetic cause of the clinical phenotypes from the patient. They found that de novo mutation, MTOR c.7570C>T, pGln2524*. mTOR signaling pathways that regulate protein translation and autophagy are one of the key pathways regulating mammalian metabolism. Especially, it is known that it plays an important role, such as regulating the proliferation, differentiation, and neuronal cell migration during neurodevelopment. Thus, mTOR variants that hyper-activated the signaling pathways can lead to cortical developmental defects, including focal cortical dysplasia (FCD), hemimegalencephaly (HME), and polymicrogyria (PMG). In particular, it has been reported that MTOR gain-of-function mutations induce changes in spine density, and defects in the neurodevelopmental problems are related to structural problems, including heterotopia, and functional problems, including intractable epilepsy after birth. As a result of brain MRI of the patient with intractable epilepsy with MTOR c.7570C>T, pGln2524, nonspecific white matter hyperintensity was found. This suggests that neurodevelopmental defects may be associated with seizures. Therefore, to investigate the neurodevelopmental role of MTOR Q2524* found in the patient, we introduced MTOR Q2524* into the developing mouse brain. As a result, MTOR Q2524* induced a defect in neuronal cell migration in the developing mouse brain. Previously reported MTOR mutations that induce neuronal migration defects increase the activity of mTOR pathway. However, we could not find the increase in phosphorylated S6 in the mouse brain introduced with MTOR Q2524*. This result suggests that mTOR kinase activity of MTOR Q2524* is not related to inducing the defective neuronal migration, unlike previously reported mTOR gain-of-function mutations. However, by introducing MTOR Q2524* without kinase activity into the developing mouse brain, we confirmed that neuronal migration defect caused by MTOR Q2524* caused neuronal migration defect with kinase activity-dependent manner. MTOR Q2524* that lost its catalytic function (MTOR Q2524* KD) did not induce a defect in neuronal migration, unlike MTOR Q2524*. In conclusion, we found that MTOR Q2524* induces a neuronal migration defect in the developing mouse brain and this defect was dependent on mTOR kinase activity. And our result also suggests the possibility that MTOR Q2524* may induce defects in neuronal migration via a pathway different from the mTOR-S6 pathway. Altogether, the finding of mTOR variants from epilepsy patients and studying the functions of the variants support the investigating personalized therapeutic method for intractable epilepsy.