ABSTRACT KEY POINTS kcnb1 is expressed in distinct cell subtypes and various regions of the central nervous system in zebrafish Brain anatomy and neuronal circuits are not disrupted in the kcnb1 loss-of-function zebrafish model Loss of kcnb1 leads to altered behavior phenotype, light and sound-induced locomotor impairments kcnb1 knock-out zebrafish exhibit increased locomotor sensitivity to PTZ and elevated expression of epileptogenesis-related genes kcnb1 -/- larvae show spontaneous and provoked epileptiform-like electrographic activity associated with disrupted GABA regulation Objective KCNB1 encodes an α-subunit of the delayed-rectifier voltage-dependent potassium channel K v 2.1. De novo pathogenic variants of KCNB1 have been linked to developmental and epileptic encephalopathies (DEE), diagnosed in early childhood and sharing limited treatment options. Loss-of-function (LOF) of KCNB1 with dominant negative effects has been proposed as the pathogenic mechanism in these disorders. Here, we aim to characterize a knock-out (KO) zebrafish line targeting kcnb1 (kcnb1 +/- and kcnb1 -/- ) for investigating DEEs. Methods This study presents the phenotypic analysis of a kcnb1 knock-out zebrafish model, obtained by CRISPR/Cas9 mutagenesis. Through a combination of immunohistochemistry, behavioral assays, electrophysiological recordings, and neurotransmitter quantifications, we have characterized the expression, function, and impact of this kcnb1 LOF model at early stages of development. Results In wild-type larval zebrafish, kcnb1 was found in various regions of the central nervous system and in diverse cell subtypes including neurons, oligodendrocytes and microglial cells. Both kcnb1 +/- and kcnb1 -/- zebrafish displayed impaired swimming behavior and “epilepsy-like” features that persisted through embryonic and larval development, with variable severity. When exposed to the chemoconvulsant pentylenetetrazol (PTZ), both mutant models showed elevated locomotor activity. In addition, PTZ-exposed kcnb1 -/- larvae exhibited higher bdnf mRNA expression and activated c-Fos positive neurons in the telencephalon. This same model presents spontaneous and provoked epileptiform-like electrographic activity associated with disrupted GABA regulation. In this KO model, neuronal circuit organization remained unaffected. Significance We conclude that kcnb1 knock-out in zebrafish leads to early-onset phenotypic features reminiscent of DEEs, affecting neuronal functions and primarily inhibitory pathways in developing embryonic and larval brains. This study highlights the relevance of this model for investigating developmental neuronal signaling pathways in KCNB1 -related DEEs.

Abstract Objective People with early-onset Alzheimer’s disease (AD) are at elevated seizure risk. Further, chronic seizures in pre-symptomatic stages may disrupt serotonin pathway-related protein expression, precipitating the onset of AD-related pathology and burden of neuropsychiatric comorbidities. Methods 2-3-month-old APP/PS1, PSEN2-N141I, and transgenic control mice were sham or corneal kindled for 2 weeks to model chronic seizures. Seizure-induced changes in glia, serotonin pathway proteins, and amyloid β levels in hippocampus and prefrontal cortex were quantified. Results APP/PS1 mice experienced worsened mortality versus kindled Tg-controls. APP/PS1 females were also more susceptible to chronic kindled seizures. These changes correlated with a marked downregulation of hippocampal tryptophan hydroxylase 2 and monoamine oxidase A protein expression compared to controls; these changes were not detected in PSEN2-N141I mice. Kindled APP/PS1 mice exhibited amyloid β overexpression and glial overactivity without plaque deposition. PSEN2 protein expression was AD model-dependent. Significance Seizures evoked in pre-symptomatic APP/PS1 mice promotes premature mortality in the absence of pathological Aβ deposition. Disruptions in serotonin pathway metabolism are associated with increased glial reactivity and PSEN2 downregulation without amyloid β deposition. This study provides the first direct evidence that seizures occurring prior to amyloid β plaque accumulation worsen disease burden in an AD genotype-specific manner. Highlights: Seizures are a comorbidity in Alzheimer’s disease that may worsen disease burden. Pathological overlap between both neurological disorders is understudied. Young APP/PS1, but not PSEN2-N141I mice, have increased seizure-induced mortality. Seizures reduce hippocampal serotonin pathway proteins only in young APP/PS1 mice. Kindled young APP/PS1 mice have glial hyperactivity before amyloid β accumulation.