Exome sequencing has found an excess of de novo mutations in the ∼4,000 most intolerant genes in patients with two classical epileptic encephalopathies (infantile spasms and Lennox–Gastaut syndrome); among them are multiple de novo mutations in GABRB3 and ALG13. An extensive exome sequencing study of patients with two 'classical' epileptic encephalopathies — infantile spasms and Lennox-Gastaut syndrome — has found an excess of de novo mutations in the approximately 4,000 genes that are the most intolerant to functional genetic variation in the human population. Among them are de novo mutations in GABRB3 and ALG13, both showing statistical evidence of an association with epileptic encephalopathy. As in autism spectrum disorders, these de novo mutations are enriched in genes regulated by fragile X protein. Epileptic encephalopathies are a devastating group of severe childhood epilepsy disorders for which the cause is often unknown1. Here we report a screen for de novo mutations in patients with two classical epileptic encephalopathies: infantile spasms (n = 149) and Lennox–Gastaut syndrome (n = 115). We sequenced the exomes of 264 probands, and their parents, and confirmed 329 de novo mutations. A likelihood analysis showed a significant excess of de novo mutations in the ∼4,000 genes that are the most intolerant to functional genetic variation in the human population (P = 2.9 × 10−3). Among these are GABRB3, with de novo mutations in four patients, and ALG13, with the same de novo mutation in two patients; both genes show clear statistical evidence of association with epileptic encephalopathy. Given the relevant site-specific mutation rates, the probabilities of these outcomes occurring by chance are P = 4.1 × 10−10 and P = 7.8 × 10−12, respectively. Other genes with de novo mutations in this cohort include CACNA1A, CHD2, FLNA, GABRA1, GRIN1, GRIN2B, HNRNPU, IQSEC2, MTOR and NEDD4L. Finally, we show that the de novo mutations observed are enriched in specific gene sets including genes regulated by the fragile X protein (P < 10−8), as has been reported previously for autism spectrum disorders2.

Heather Mefford, Ingrid Scheffer and colleagues report targeted resequencing of 47 genes in 500 individuals with epileptic encephalopathies. They identify pathogenic mutations in 11% of their cohort and show that de novo mutations in CHD2 and SYNGAP1 cause epileptic encephalopathy. Epileptic encephalopathies are a devastating group of epilepsies with poor prognosis, of which the majority are of unknown etiology. We perform targeted massively parallel resequencing of 19 known and 46 candidate genes for epileptic encephalopathy in 500 affected individuals (cases) to identify new genes involved and to investigate the phenotypic spectrum associated with mutations in known genes. Overall, we identified pathogenic mutations in 10% of our cohort. Six of the 46 candidate genes had 1 or more pathogenic variants, collectively accounting for 3% of our cohort. We show that de novo CHD2 and SYNGAP1 mutations are new causes of epileptic encephalopathies, accounting for 1.2% and 1% of cases, respectively. We also expand the phenotypic spectra explained by SCN1A, SCN2A and SCN8A mutations. To our knowledge, this is the largest cohort of cases with epileptic encephalopathies to undergo targeted resequencing. Implementation of this rapid and efficient method will change diagnosis and understanding of the molecular etiologies of these disorders.

Objective To understand the etiological landscape and phenotypic differences between 2 developmental and epileptic encephalopathy (DEE) syndromes: DEE with spike–wave activation in sleep (DEE‐SWAS) and epileptic encephalopathy with spike–wave activation in sleep (EE‐SWAS). Methods All patients fulfilled International League Against Epilepsy (ILAE) DEE‐SWAS or EE‐SWAS criteria with a Core cohort (n = 91) drawn from our Epilepsy Genetics research program, together with 10 etiologically solved patients referred by collaborators in the Expanded cohort (n = 101). Detailed phenotyping and analysis of molecular genetic results were performed. We compared the phenotypic features of individuals with DEE‐SWAS and EE‐SWAS. Brain‐specific gene co‐expression analysis was performed for D/EE‐SWAS genes. Results We identified the etiology in 42/91 (46%) patients in our Core cohort, including 29/44 (66%) with DEE‐SWAS and 13/47 (28%) with EE‐SWAS. A genetic etiology was identified in 31/91 (34%). D/EE‐SWAS genes were highly co‐expressed in brain, highlighting the importance of channelopathies and transcriptional regulators. Structural etiologies were found in 12/91 (13%) individuals. We identified 10 novel D/EE‐SWAS genes with a range of functions: ATP1A2 , CACNA1A , FOXP1 , GRIN1 , KCNMA1 , KCNQ3 , PPFIA3 , PUF60 , SETD1B, and ZBTB18 , and 2 novel copy number variants, 17p11.2 duplication and 5q22 deletion. Although developmental regression patterns were similar in both syndromes, DEE‐SWAS was associated with a longer duration of epilepsy and poorer intellectual outcome than EE‐SWAS. Interpretation DEE‐SWAS and EE‐SWAS have highly heterogeneous genetic and structural etiologies. Phenotypic analysis highlights valuable clinical differences between DEE‐SWAS and EE‐SWAS which inform clinical care and prognostic counseling. Our etiological findings pave the way for the development of precision therapies. ANN NEUROL 2024

ABSTRACT Mutations in the SCN2A gene encoding the Na v 1.2 sodium channel can lead to neurodevelopmental disorders. We studied the N1662D variant associated with severe early-onset developmental and epileptic encephalopathy (DEE). The N1662D mutation almost completely prevented fast inactivation without affecting activation. The comparison of wild-type and N1662D channel structures suggested that the ambifunctional hydrogen bond formation between residues N1662 and Q1494 is essential for fast inactivation. Fast inactivation could also be prevented with engineered Q1494A or Q1494L Na v 1.2 channel variants, whereas Q1494E or Q1494K variants resulted in incomplete inactivation and persistent current. Molecular dynamics simulations revealed a reduced affinity of the hydrophobic IFM-motif to its receptor site with N1662D and Q1494L variants relative to wild-type. These results demonstrate that the interactions between N1662 and Q1494 underpin the stability and the orientation of the inactivation gate and are essential for the development of fast inactivation. Six DEE-associated Na v 1.2 variants, with mutations mapped to channel segments known to be implicated in fast inactivation were also evaluated. Remarkably, the L1657P variant also prevented fast inactivation and produced biophysical characteristics similar to N1662D, whereas the M1501V, M1501T, F1651C, P1658S, and A1659V variants resulted in biophysical properties that were consistent with gain-of-function and enhanced action potential firing of hybrid neurons in dynamic action potential clamp experiments. Paradoxically, low densities of N1662D or L1657P currents potentiated action potential firing, whereas increased densities resulted in sustained depolarization. The contribution of non-inactivating Na v 1.2 channels to neuronal excitability may constitute a novel cellular mechanism in the pathogenesis of SCN2A -related DEE. SIGNIFICANCE STATEMENT SCN2A gene-related early-onset developmental and epileptic encephalopathy (EO-DEE) is a rare and severe disorder that manifests in early infancy and childhood. SCN2A mutations affecting the fast inactivation gating mechanism can cause altered voltage dependence and incomplete inactivation of the encoded Na v 1.2 channel, leading to abnormal neuronal excitability. In this biophysical and clinical study of neuronal Na v 1.2 variants, we identified amino acid residues that are critical for the stability and orientation of the inactivation gate during fast inactivation. Mutations of these residues prevent fast inactivation and may lead to EO-DEE via a novel pathophysiological mechanism. The results provide novel structural insights into the molecular mechanism of Na v 1.2 channel fast inactivation and inform treatment strategies for SCN2A -related EO-DEE.

Objective: Mild malformation of cortical development with oligodendroglial hyperplasia in epilepsy (MOGHE) is an important cause of drug-resistant epilepsy. A significant subset of individuals diagnosed with MOGHE display somatic mosaicism for loss-of-function variants in SLC35A2, which encodes the UDP-galactose transporter. We developed a mouse model to investigate the mechanism by which disruption of this transporter leads to a malformation of cortical development. Methods: We used in utero electroporation and CRISPR/Cas9 to knockout Slc35a2 in a subset of layer 2/3 cortical neuronal progenitors in the developing brains of fetal mice to model mosaic expression. Results: Histology of brain tissue in the mosaic Slc35a2 knockout mice revealed the presence of upper layer-derived cortical neurons in the white matter. In contrast, oligodendrocyte patterning was unchanged. Reconstruction of single filled neurons identified altered dendritic arborisation with Slc35a2 knockout neurons having increased complexity. Whole-cell electrophysiological recordings revealed that Slc35a2 knockout neurons display reduced action potential firing and increased afterhyperpolarisation duration compared with control neurons. Mosaic Slc35a2 knockout mice also exhibited significantly increased epileptiform spiking and increased locomotion. Interpretation: We successfully generated a mouse model of mosaic Slc35a2 deficiency, which recapitulates features of the human phenotype, including impaired neuronal migration. We show that knockout in layer 2/3 cortical neuron progenitors is sufficient to disrupt neuronal excitability and increase epileptiform activity and hyperactivity in mosaic mice. Our mouse model provides a unique opportunity to investigate the disease mechanism(s) that underpin MOGHE and facilitate the development of precision therapies.

Introduction Infantile epileptic spasms syndrome (IESS) is a common developmental and epileptic encephalopathy with poor long-term outcomes. A substantial proportion of patients with IESS have a potentially surgically remediable etiology. Despite this, epilepsy surgery is underutilized in this patient group. Some surgically remediable etiologies, such as focal cortical dysplasia and malformation of cortical development with oligodendroglial hyperplasia in epilepsy (MOGHE), are under-diagnosed in infants and young children. Even when a surgically remediable etiology is recognised, for example, tuberous sclerosis or focal encephalomalacia, epilepsy surgery may be delayed or not considered due to diffuse EEG changes, unclear surgical boundaries, or concerns about operating in this age group.