Abstract Background and Purpose Among genetic epilepsies, variants in sodium channel coding genes constitute a major subgroup. Variants in SCN8A , the coding gene for Na V 1.6 channels, are characterized by a variety of symptoms including intractable epileptic seizures, psychomotor delay, progressive cognitive decline, and others such as autistic features, ataxia or dystonia. Standard anticonvulsant treatment has only limited impact on the course of disease. Experimental Approach Personalized therapeutic regimens tailored to disease-causing pathophysiological mechanisms may offer the specificity required to overcome intractability. Toward this aim, we investigated in vitro in neuroblastoma cells the effects of S-Licarbazepine, a third-generation dibenzazepine and enhancer of slow inactivation of voltage gated sodium channels, on three gain-of-function Na V 1.6 variants linked to representative phenotypes of mild epilepsy (G1475R), developmental and epileptic encephalopathy (M1760I) and intellectual disability without epilepsy (A1622D). Key Results S-Licarbazepine strongly enhances the slow and - less pronounced – the fast inactivation of Na V 1.6 wildtype channels. It acts similarly on all tested variants and irrespective of their particular biophysical dysfunction mechanism. Beyond that S-Licarbazepine has variant-specific effects including a partial reversal of pathologically slowed fast inactivation dynamics (A1622D, M1760I) and a trend to reduce the enhanced persistent Na + current by A1622D variant channels. Conclusion and Implications These data bring out that S-Licarbazepine not only owns substance-specific effects, but also holds variant-specific effects, which can variably contribute to functional compensation of distinct channel-specific biophysical properties and thereby highlighting the role of personalized approaches, which likely will be key to improved and successful treatment not only of SCN8A -related disease. Bullet points What is already known? S-Lic strongly modulates slow and - to a less extend - fast inactivation of wild-type Na V 1.6 channels. What this study adds? Differential modulatory effects of S-Lic extend to Na V 1.6 A1622D, M1760I and G1475R variant channels irrespective of their leading biophysical mode of gain-of-function and variably contribute to variant-specific functional compensation of their altered biophysical properties. Clinical significance: These data suggest therapeutic potential of S-Lic for SCN8A neuropsychiatric disorders and highlight the role of personalized approaches aimed at increasingly precise correction of underlying pathophysiological mechanisms.

Abstract Clinically relevant mutations to voltage-gated ion channels, called channelopathies, alter ion channel function, properties of ionic current and neuronal firing. The effects of ion channel mutations are routinely assessed and characterized as loss of function (LOF) or gain of function (GOF) at the level of ionic currents. Emerging personalized medicine approaches based on LOF/GOF characterization have limited therapeutic success. Potential reasons are that the translation from this binary characterization to neuronal firing especially when considering different neuronal cell types is currently not well understood. Here we investigate the impact of neuronal cell type on the firing outcome of ion channel mutations with simulations of a diverse collection of neuron models. We systematically analyzed the effects of changes in ion current properties on firing in different neuronal types. Additionally, we simulated the effects of mutations in the KCNA1 gene encoding the K V 1.1 potassium channel subtype associated with episodic ataxia type 1 (EA1). These simulations revealed that the outcome of a given change in ion channel properties on neuronal excitability is cell-type dependent. As a result, cell-type specific effects are vital to a full understanding of the effects of channelopathies on neuronal excitability and present an opportunity to further the efficacy and precision of personalized medicine approaches. Significance Statement Although the genetic nature of ion channel mutations as well as their effects on the biophysical properties of an ion channel are routinely assessed experimentally, determination of their role in altering neuronal firing is more difficult. In particular, cell-type dependency of ion channel mutations on firing has been observed experimentally, and should be accounted for. In this context, computational modelling bridges this gap and demonstrates that the cell type in which a mutation occurs is an important determinant in the effects of neuronal firing. As a result, classification of ion channel mutations as loss or gain of function is useful to describe the ionic current but should not be blindly extend to classification at the level of neuronal firing.

Abstract Variants in genes encoding the voltage-gated ion channels are among the most common monogenic causes of epilepsy and neurodevelopmental disorders. Functional effects of a variant are increasingly important for diagnosis and therapeutic decisions. To incorporate knowledge regarding functional consequences in formal clinical variant interpretation, we developed an approach for evaluating multiple functional measurements within the Bayesian framework of the modified ACMG/AMP guidelines. We analyzed 216 functional assessments of 191 variants in SCN1A (n=74), SCN2A (n=66), SCN3A (n=18), and SCN8A (n=33). Of 20 commonly measured biophysical parameters, the most frequent drivers of overall functional consequence were persistent current (f=0.54), voltage dependence of activation (f=0.51), and voltage dependence of fast inactivation (f=0.40) for gain-of-function and peak current (f=0.87) for loss-of-function. By comparing measurements of 23 benign variants, we determined thresholds by which published data on these four parameters confer Strong evidence of variant pathogenicity (likelihood ratio > 18.7) under the ACMG/AMP rubric. Similarly, we delineated evidence weights for the most common epilepsy-related potassium channel gene, KCNQ2 , through reports of 80 pathogenic and 24 benign variants, accounting for heterozygous and homozygous experimental conditions. We collected the resulting categorization of functional data into FENICS, a biomedical ontology of 152 standardized terms for coherent annotation of electrophysiological results. Across 271 variants in SCN1A/2A/3A/8A and KCNQ2 , 1,731 annotations are available in ClinVar, facilitating use of this evidence in variant classification. In summary, we introduce and apply an ACMG/AMP-calibrated framework for electrophysiological studies in epilepsy-related channelopathies to delineate the impact of functional evidence on clinical variant interpretation.

Malfunctions of voltage-gated sodium and calcium channels (SCN and CACNA1 genes) have been associated with severe neurologic, psychiatric, cardiac and other diseases. Altered channel activity is frequently grouped into gain or loss of ion channel function (GOF or LOF, respectively) which is not only corresponding to clinical disease manifestations, but also to differences in drug response. Experimental studies of channel function are therefore important, but laborious and usually focus only on a few variants at a time. Based on known genedisease-mechanisms, we here infer LOF (518 variants) and GOF (309 variants) of likely pathogenic variants from disease phenotypes of variant carriers. We show regional clustering of inferred GOF and LOF variants, respectively, across the alignment of the entire gene family, suggesting shared pathomechanisms in the SCN/CACNA1 genes. By training a machine learning model on sequence- and structure-based features we predict LOF- or GOF-associated disease phenotypes (ROC = 0.85) of likely pathogenic missense variants. We then successfully validate the GOF versus LOF prediction on 87 functionally tested variants in SCN1/2/8A and CACNA1I (ROC = 0.73) and in exome-wide data from > 100.000 cases and controls. Ultimately, functional prediction of missense variants in clinically relevant genes will facilitate precision medicine in clinical practice.