La existencia hipotética de canales fue descrita por primera vez por Alan Hodgkin y Andrew Huxley en 1952 para apoyar su hipótesis sobre la generación del potencial de acción. Estos canales fueron finalmente confirmados por Erwin Neher y Bert Sachmann en los 1970s usando la técnica del 'patch clamp', y ya en 2003 Roderick MacKinon usó cristalografía de rayos-X para revelar su estructura.
Los canales iónicos son proteinas integrales en la membrana celular de todas las células y tienen un poro central formado por unidades llamadas alfa, mientras las otras unidades, principalmente de apoyo, son llamadas beta, gama, delta y epsilon. Algunos canales tienen una configuración estructural que permite que alguna región de la proteina actúe como una 'compuerta' que puede ser abierta o cerrada por diferentes estímulos, como ligandos químicos, señales eléctricas, temperatura o deformación mecánica. Sin embargo, algunos canales no tienen compuertas y como están permanentemente abiertos, se denominan de fuga.
Las canalopatías son enfermedades producidas por alteraciones en la función de los canales iónicos, que al cruzan completamente la membrana permiten el intercambio de iones extra- e intracelulares, un movimiento del que dependen las señales eléctricas que el Sistema Nervioso utiliza como mensajes. El problema que origina la canalopatía puede encontrarse en la proteina que forma el canal o en alguna de las proteinas que lo regulan.
La mayor parte de las canalopatías son de tipo congénito, pero también hay algunas adquiridas. Los problemas congénitos son de naturaleza genética y pueden ser heredados o resultado de mutaciones espontáneas. En cambio, las condiciones adquiridas se asocian mas comúnmente con enfermedades autoinmunes, que ocurren cuando el cuerpo ataca sus propios canales identificándolos en forma incorrecta como proteinas extrañas.
El primer problema al que se enfrenta el médico en este tipo de enfermedades es la identificación de la canalopatía, por lo que el proceso de descubirla se inicia con la correlación entre un problema específico y un locus, y posteriormente por la identificación de un defecto genético individual. Actualmente se cree que probablemente las canalopatías nerviosas son parte de otros procesos y las mutaciones que se han descubierto generalmente están asociadas con fenotipos característicos, especialmente cuando son trasmitidas en una forma autosómica dominante con una gran penetración. Aquí consideraremos sólo aquellas enfermedades en las que se han identificado mutaciones genéticas de los canales iónicos y que resultan en problemas del Sistema Nervioso. Sobre la base de que estas mutaciones no ocurren en una gran cantidad de cromosomas, se ha arguído que son patogénicas y no polimórficas y que se co-segregan con enfermedades en las familias afectadas. Por lo tanto, la prueba mas directa de que son la base de una enfermedad es demostrar que la mutación altera la función del canal.
El producto del gene KCNA1 en el cromosoma 12 es KVα1.1, una subnidad α de un canal para el ion potasio que es dependiente del voltaje transmembrana. Kv1.1 es el nombre genérico que describe el canal formado por la unión de cuatro subunidades Kvα1.1, que en mamíferos es el ortólogo del canal para el potasio clonado en la mosca Drosophila. Kv1.1 es un canal rectificador retardado (se abre con la depolarización) que se abre después de la apertura del canal para el sodio y tiene una inactivación lenta cuando se expresa como un canal homotetramérico.
Las primeras mutaciones 'missense' se identificaron en asociación con la ataxia episódica tipo 1 (EA1), una enfermedad autosómica dominante (Browne et al., 1994). Los pacientes que tienen este problema sufrían ataques de falta de coordinación cerebelar de corta duración (segundos a minutos) y un examen cuidadoso mostró una variabilidad inesperada en el fenotipo, incluyendo epilepsia e incluso neuromiotonía aislada (Eunson et al., 2000). En muchos pacientes con EA1 la severidad de los ataques se reduce durante el tratamiento con acetazolamida o carbamazepina (Lubbers et al., 1995), aunque la respuesta es variable.
Con base en estudios inmunohistoquímicos hechos en roedores, se encontró que Kvα1.1 está enriquecido en la región yuxtaparanodal de los axones de neuronas motoras (Zhou et al., 1998). KVα1.1 también está muy distribuído en el cerebro y es especialmente prominente en los segmentos iniciales de muchos axones, incluyendo los de las neuronas piramidales del hipocampo y en las células de Purkinje en el cerebelo (Veh et al., 1995), por lo que parece estar localizado estratégicamente para regular la frecuencia de disparo de estas neuronas.
KCNQ2 y KCNQ3 son dos canales para el ión potasio que están muy relacionados y fueron descubiertos durante una búsqueda por mutaciones que subyacen un síndrome epiléptico raro, pero que también llevó a un entendimiento inesperado de los mecanismos de señalización.
Las convulsiones neonatales familiares benignas (BFNC) son un problema autosomal dominante, caracterizado por convulsiones generalizadas breves que empiezan durante la primera semana de la vida y generalmente terminan alrededor de las 6 semanas. Los ataques son frecuentes, tanto parciales como generalizados, e incluyen posturas tónicas, fijación de la vista, parpadeo y convulsiones automáticas y clónicas. Inicialmente el EEG está disminuído en amplitud y es seguido por ondas lentas, espigas y patrones en los que se suprimen las descargas; sin embargo, generalmente el EEG interictal es normal. Posteriormente en la vida hay un riesgo elevado de epilepsia, pero el desarrollo y comportamiento del paciente no parece estar afectado en el periodo entre las crisis.
Las BFNC tienen una gran penetración y se han ligado a dos loci en los cromosomas 8 y 20. El canal para el potasio XCNQ2 se descubrió por clonación posicional en el cromosoma 20 y una búsqueda posterior por homología reveló que hay un canal muy relacionado, el KCNQ3, que se encuentra en el locus del cromosoma 8. Las mutaciones de ambos canales están asociadas con BFNC.
El gene CACNA1A está en el cromosoma 19 y codifica para la subunidad α1A del canal tipo P/Q para el calcio, también conocido como canal para el calcio tipo CaV2.1, que se activa rápidamente con depolarizaciones fuertes y se inactiva relativamente lento. La confusa nomenclatura refleja las sutiles diferencias en los perfiles farmacológicos y la cinética de las corrientes originalmente registradas en células de Purkinje del cerebelo (corrientes tipo P) y células granulosas (corrientes tipo P y Q), las que expresan α1A. Las diferencias resultan de 'splicing' variable de la misma subunidad del canal. α1A que es expresado profusamente, no sólo en neuronas del cerebelo, sino también en el soma y dendritas de neuronas hipocampales y otras. Estos canales tipo P/Q también se expresan en terminales presinápticas tanto del cerebro como de la periferia, donde son responsables de una gran parte de la entrada del calcio que inicia la liberación de los neurotrasmisores. La subunidad α1A forma el sensor de voltaje y el poro del canal, y está asociada con las subunidades β y α2d y posiblemente accesorias γ, que lo anclan a la membrana y modulan su cinética dependiente de voltaje; tienen un papel en la modulación mediada por proteinas-G.
Tres enfermedades alélicas autosomales dominantes están asociadas con mutaciones de este canal. La migraña hemipléjica familiar es una variante severa con aura y se inicia en la primera o segunda década de la vida, con episodios de migraña severa generalmente unilateral, asociada con paraestesia, hemiplejia, hemianópsia y/o disfasia. Algunos ataques de hemiplejia pueden durar mas de 24 horas y en algunos casos también se ha visto un coma reversible.
La ataxia episódica tipo 2 (EA2) tiende a presentarse en la segunda década de la vida y está asociada con ataques de alteraciones cerebelosas de la línea media, con vértigo, diplopia y nistagmus prominentes. Los paroxismas son iniciados por estímulos similares (estrés emocional o físico) que en EA1, pero duran varias horas. También se ha visto miokimia, aunque no es una característica de EA2. Los pacientes tienden a mostrar signos cerebelosos interictales progresivos, en particular nistagmus, pero es frecuente que la ataxia progresiva lleve al paciente a caminar sin ayuda. Con la RMI puede detectarse atrofia cerebelosa. Los efectos benéficos de la acetazolamida son mas claros que en la EA1.
La ataxia espinocerebelosa tipo 6 (SCA6) es una degeneración cerebelosa progresiva relativamente pura, sin los prominentes signos progresivos y otros problemas que frecuentemente se ven en otras ataxias cerebelosas dominantes heredadas.
Aunque en forma convencional estas enfermedades se describen como diferentes, realmente se sobreponen. Así, se reconoce la combinación de migraña familiar hemipléjica y ataxia progresiva, y también en forma inversa, en ~50% de los casos los ataques en EA2 tienen caracterísiticas migrañosas. Mas aún, en algunas familias con EA2 se han visto problemas adicionales, como retardo mental y convulsiones, implicando que los límites de este problema pueden llegar mas allá de la migraña hemipléjica y ataxia progresiva.
El primer canal para el ión sodio ligado a la epilepsia humana que se conoció fue la subunidad accesoria β1, que codifica para SCN1B en el cromosoma 19. La identificación de una mutación 'missense' se debió a una combinación de convulsiones febriles en niños de una familia afectada, que en la edad adulta continuaron como convulsiones generalizadas febriles y afebriles. Un gran avance ocurrió después, cuando se identificó el síndrome de epilepsia familiar pleomórfica, que fue llamado epilepsia generalizada con convulsiones febriles (GEFS+). Aunque la mutación es trasmitida en una forma dominante, su elucidación fue complicada por una penetración incompleta. En forma inversa, las convulsiones febriles ocurren en miembros de varias familias que no tienen la mutación, lo que probablemente refleja la alta frecuencia de esta condición.
Una característica notable de esta familia de GEFS+ y otras identificadas posteriormente, es la variabilidad en los tipos de convulsiones que afectan a diferentes miembros de la familia. Estos incluyen no sólo convulsiones febriles y afebriles tónico-clónicas generalizadas, sino también mioclónicas y atónicas. Algunos miembros también están afectados por epilepsia mioclónica-astática, un problema relativamente severo asociado a una disminución intelectual y resistencia a los medicamentos. No es claro si la variabilidad en el fenotipo refleja la actividad de factores ambientales o de genes modificadores.
Después del descubrimiento de la mutación en la subunidad β1 y en vista de las similitudes con las canalopatías del canal para el ión sodio en el músculo, las subunidades α de los canales para el ión sodio se hicieron candidatos para otros casos de GEFS+ no ligados a la subunidad β1. Esta predicción fue justificada con el descubrimiento de mutaciones 'missense' heterozigóticas de SCN1A en el cromosoma 2, que codifica para la subunidad NaV1.1 entre varias familias de GEFS+. El fenotipo es indistinguible del ligado a la subunidad β1, proporcionando un extraordinario ejemplo de la heterogeneidad genética que subyace un sólo fenotipo.
En los segmentos transmembranales (S4) de los dominios segundo y cuarto hay al menos tres mutaciones NaV1.1 asociadas con GEFS+, pero sus consecuencias funcionales no han sido estudiadas. Sin embargo, es muy probable que resulten en un bloqueo de la inactivación, porque mutaciones similares en canales para el sodio tienen este efecto.
Otra subunidad α relacionada con el canal para el sodio NaV1.2, que también es codificada en el cromosoma 2, se ha ligado en forma tentativa a la epilepsia generalizada. En un paciente con epilepsia febril y afebril se encontró una mutación 'missense' heterozigótica que afecta un aminoácido muy conservado en el asa intracelular y que también produjo un enlentecimiento de la inactivación durante su expresión in vitro. Es interesante que aunque NaV1.1 y NaV1.2 tienen propiedades biofísicas muy similares, sus distribuciones muestran patrones de expresión muy diferentes, al menos en el cerebro de roedores. Estas diferencias son aparentes no sólo en áreas diferentes del cerebro, sino también en los somas y los axones, pero como también hay diferencias en la expresión que dependen de la edad, parece sorprendente que mutaciones en los dos canales convergan en fenotipos similares. Sin embargo, la epilepsia sólo afecta uno de los portadores, de manera que el estado de esta subunidad en la epilepsia generalizada primaria permanece incierto.
El reciente descubrimiento de mutaciones heterozigoticas missense de la subunidad γ2 de los receptores GABAA en dos familias afectadas con convulsiones generalizadas febriles y afebriles, ha cambiado las ideas sobre los mecanismos que subyacen la GEFS+. De nuevo, el fenotipo de ambas familias varía en forma extraordinaria entre los portadores de las mutaciones, con evidencias de una penetración incompleta.
Los receptores GABAA median la gran mayoría de las señales inhibitoras rápidas en el cerebro y se cree que la mayor parte de los receptores en las sinapsis inhibitorias contienen la subunidad γ2, codificada por el gene GABRG2 en el cromosoma 5. Esta subunidad no sólo contribuye a la sensibilidad del receptor al GABA, sino que también lo ayuda a dirigirse a la sinapsis y afecta la sensibilidad del receptor a los moduladores alostéricos, como el zinc y las benzodiazepinas. Aunque ambas mutaciones afectan residuos muy conservados y se predijo que estaban en partes extracelulares de la subunidad, se encontró que tienen actividades diferentes en la función receptora. Una mutación reduce la corriente máxima evocada por la aplicación de GABAA a los ovocitos de Xenopus que coexpresan las subunidades α y β. La otra mutación ocurre en una parte de la subunidad previamente implicada en unir las benzodiazepinas y no tiene efecto sobre la respuesta al GABA, pero elimina la sensibilidad del receptor al diazepam.
Otro receptor implicado en algunas canalopatías epilépticas es el receptor nicotínico a la acetilcolina, homólogo del receptor nicotínico de la placa neuromuscular y con propiedades biofísicas similares. Sin embargo, la composición de la subunidad de los receptores nicotínicos en el cerebro es diferente, ya que existen varios tipos de receptor: homopentámeros compuestos por combinaciones α7, α8 o α9 y heteropentámeros, compuestos por varias combinaciones de α2-6 y β2-4. Los receptores α4 y β2 se coensamblan para formar el subtipo de receptor mas común en el tálamo y la corteza, y tienen una gran afinidad por la acetilcolina y la nicotina, desenzibilizándose lentamente, por lo que parecen adecuados para detectar la acetillcolina liberada de sitios relativamente remotos (neurotrasmisión por riego). Los agonistas nicotínicos exógenos mejoran la liberación del neurotrasmisor evocada eléctricamente y este efecto facilitador presináptico puede ser la función principal de los receptores α4 y β2.
En una familia con epilepsia autosomal nocturna dominante del lóbulo frontal, se encontró una mutación 'missense' en el gene CHRNA4 del cromosoma 20 y con esto se pudo demostrar un papel para la subunidad α4 en la epilepsia. Este parece ser un problema raro, caracterizado por grupos de convulsiones que ocurren durante el sueño, especialmente al empezar a dormir y a despertar. Hay movimientos prominentes de las extremidades que a veces son violentos y frecuentemente no se pierde la conciencia, características que han hecho que el problema sea diagnosticado en forma errónea como discinesia paroxística, parasomnia o desórden funcional.
La enfermedad se presenta generalmente en la niñez, aunque hay variaciones considerables dentro de las familias, tanto respecto a la edad de inicio como a la severidad de las crisis. Se calcula que la penetración es de 75% y el problema tiende a ser controlado con carbamazepina.
La hiperekplexia familiar es una enfermedad caracterizada por una reacción excesiva a la sorpresa, que generalmente es heredada en una forma dominante autosomal, aunque se han identificado varias mutaciones recesivas. La descripción convencional del síndrome proviene de estudiar una mezcla de casos familiares y esporádicos, y no en todos se han mostrado mutaciones en la subunidad α1 del receptor a la glicina.
Cuando la enfermedad se presenta en la infancia, generalmente es caracterizada por rigidez que desaparece durante el sueño y excesivos receptores a la glicina, así como reacciones sorpresivas excesivas a estímulos sensoriales o auditivos evocados que no producen habituación. La respuesta excesiva consiste en una secuencia estereotípica de 'muesca', flexión del cuello y abducción y flexión del brazo, que se cree se originan en la formación reticular del tallo cerebral. En casos severos hay mioclono y espasmos prolongados que llevan a apnea e ictus y a veces a la muerte. Los casos que se presentan tardíamente en la vida tienden a ser menos severos y generalmente los pacientes sólo están afectados por la sopresa, aunque a veces pueden caer durante la reacción. Las respuestas de rigidez y de sorpresa tienden a disminuir con la edad y frecuentemente los síntomas se atenúan con clomazepam, otras benzodiazepinas y valproato de sodio. Algunas veces la hiperekplexia se diagnostica erróneamente como epilesia o un problema funcional.
Las canalopatías del SN están siendo investigadas muy activamente y no hay duda de que pronto se encontrarán otras no mencionadas aquí; sin embargo, generalmente las consecuencias de las mutaciones sobre la función nerviosa sólo pueden ser inferidas por extrapolación. Por ejemplo, es posible predecir que una disminución en la salida de potasio alterará la polarización de la membrana y hará mas excitables las neuronas; sin embargo, este enfoque puede resultar poco útil si las mutaciones tienen efectos sutiles sobre las corriente iónicas o si los canales interactúan con proteinas, produciendo funciones difíciles de estudiar in vitro.
Hay enfoques promisorios que derivan de expresar en ratones mutaciones asociadas a enfermedades en humanos y ya se han generado numerosas variedades de ratón que tienen mutaciones dirigidas a canales iónicos. Aunque generalmente estos son animales 'knockout', algunos de ellos pueden ser modelos para enfermedades producidas por canalopatías humanas que resultan en pérdida de la función. La Tabla siguiente muestra varios de los genes involucrados en canalopatías del Sistema Nervioso.
| Gene | Localización cromosómica | Proteina | Función | Fenotipo principal | |
|---|---|---|---|---|---|
| Canales dependientes de voltaje | |||||
| Canales para el K+ | KCNA1 | 12p13 | Subunidad α de KV1.1 | Repolarización en axones | EA1 |
| KCNQ2 | 20q13.3 | Subunidad α de KCNQ3 | Corriente M (de bajo umbral modulada por receptores muscarínicos). Coopera con KCNQ2 | BFNC | |
| KCNQ3 | 8q24 | Subunidad α de KCNQ3 | Corriente M. Coopera con KCNQ2 | BFNC | |
| Canales para el Ca2+ | CACNA1A | 19q13 | Subunidad α1A de CaV2.1 | Corriente tipo P/Q en células de Purkinje, granulosas y terminales presinápticas | FHM; EA2; SCA6 |
| Canales para el Na+ | SCN1A | 2q24 | Subunidad α de NaV1.1 | Entrada de sodio somato-dendrítico (integración dendrítica) | GEFS+; SMEI |
| SCN2A | 2q23-q24.3 | Subunidad α de NaV1.2 | Entrada rápida de sodio axonal (iniciación y propagación del potencial de acción) | Convulsiones febriles y a febriles | |
| SCN1B | 18q13.1 | Subunidad β1 de canales para el sodio en cerebro | Función moduladora de las subnidades α | GEFS+ | |
| Canales dependientes de ligandos | |||||
| Receptores GABAA | GABRG2 | 5q31.1-q33.1 | Subunidad γ2 de receptores GABAA | Inhibición GABAérgica rápida. Receptores anclados a sinapsis | GEFS+ |
| Receptores nicotínicos colinérgicos | CHRNA4 | 20q13.2-q13.3 | Subunidad α4 de receptores nicotínicos neuronales | Modulación presináptica de la liberación del trasmisor. Coopera con la subunidad β2 | ADNFLE |
| CHRNB2 | 1p21 | Subunidad β2 de receptores nicotínicos neuronales | Modulación presináptica de la liberación del trasmisor. Coopera con la subunidad α4 | ADNFLE | |
| receptores a la glicina | GLRA1 | 5q32 | Subunidad α1 de receptores a la glicina sensibles a la estricnina | Inhibición rápida en la médula espinal y el tallo cerebral | FH |
Tabla I. Canales iónicos neuronales asociados con enfermedades neurológicas humanas. EA1 = ataxia episódica y neuromiotonía; BFNC = convulsiones neonatales familiares benignas; FHM = migraña hemipléjica familiar; EA2 = ataxia episódica tipo-2; SCA6 = ataxia espinocerebelar tipo-6; GEFS+ = epilesia generalizada con convulsiones febriles; SME1 = epilepsia mioclónica severa de la infancia; ADNFLE = epilepsia del lóbulo frontal autosómica nocturna dominante; FH = hiperkplexia familiar (Kullmann, 2002).
Abraham, M.R., A. Jahangir, A.E. Alekssev, and A. Terzic. Channelopathies of inwardly rectifying potassium channels. FASEB J. 13: 1901-1910, 1999.
Catterall, W.A., Dib-Hajj, S., M.H. Meisler, and D. Pietrobon. J. Neurosci. 28(46): 11768-11777, 2008.
Kullmann, D.M. The neuronal chanelopathies. Brain 125: 1177-1195, 2002.
Kullmann, D.M. Neurological channelopathies. Annu. Rev. Neurosci. 33: 151-172, 2010.