Voltage-gated sodium (Na(V)1) channels play a critical role in modulating the excitability of sensory neurons, and human genetic evidence points to Na(V)1.7 as an essential contributor to pain signaling. Human loss-of-function mutations in SCN9A, the gene encoding Na(V)1.7, cause channelopathy-associated indifference to pain (CIP), whereas gain-of-function mutations are associated with two inherited painful neuropathies. Although the human genetic data make Na(V)1.7 an attractive target for the development of analgesics, pharmacological proof-of-concept in experimental pain models requires Na(V)1.7-selective channel blockers. Here, we show that the tarantula venom peptide ProTx-II selectively interacts with Na(V)1.7 channels, inhibiting Na(V)1.7 with an IC(50) value of 0.3 nM, compared with IC(50) values of 30 to 150 nM for other heterologously expressed Na(V)1 subtypes. This subtype selectivity was abolished by a point mutation in DIIS3. It is interesting that application of ProTx-II to desheathed cutaneous nerves completely blocked the C-fiber compound action potential at concentrations that had little effect on Abeta-fiber conduction. ProTx-II application had little effect on action potential propagation of the intact nerve, which may explain why ProTx-II was not efficacious in rodent models of acute and inflammatory pain. Mono-iodo-ProTx-II ((125)I-ProTx-II) binds with high affinity (K(d) = 0.3 nM) to recombinant hNa(V)1.7 channels. Binding of (125)I-ProTx-II is insensitive to the presence of other well characterized Na(V)1 channel modulators, suggesting that ProTx-II binds to a novel site, which may be more conducive to conferring subtype selectivity than the site occupied by traditional local anesthetics and anticonvulsants. Thus, the (125)I-ProTx-II binding assay, described here, offers a new tool in the search for novel Na(V)1.7-selective blockers.

Pathogenic loss-of-function SCN1A variants cause a spectrum of seizure disorders. We previously identified variants in individuals with SCN1A -related epilepsy that fall in or near a poison exon (PE) in SCN1A intron 20 (20N). We hypothesized these variants lead to increased PE inclusion, which introduces a premature stop codon, and, therefore, reduced abundance of the full-length SCN1A transcript and Na v 1.1 protein. We used a splicing reporter assay to interrogate PE inclusion in HEK293T cells. In addition, we used patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) differentiated into neurons to quantify 20N inclusion by long and short-read sequencing and Na v 1.1 abundance by western blot. We performed RNA-antisense purification with mass spectrometry to identify RNA-binding proteins (RBPs) that could account for the aberrant PE splicing. We demonstrate that variants in/near 20N lead to increased 20N inclusion by long-read sequencing or splicing reporter assay and decreased Na v 1.1 abundance. We also identified 28 RBPs that differentially interact with variant constructs compared to wild-type, including SRSF1 and HNRNPL. We propose a model whereby 20N variants disrupt RBP binding to splicing enhancers (SRSF1) and suppressors (HNRNPL), to favor PE inclusion. Overall, we demonstrate that SCN1A 20N variants cause haploinsufficiency and SCN1A -related epilepsies. This work provides insights into the complex control of RBP-mediated PE alternative splicing, with broader implications for PE discovery and identification of pathogenic PE variants in other genetic conditions.

Pathogenic variants in KCNB1 , encoding the voltage-gated potassium channel KV2.1, are associated with developmental and epileptic encephalopathies (DEE). Previous functional studies on a limited number of KCNB1 variants indicated a range of molecular mechanisms by which variants affect channel function, including loss of voltage sensitivity, loss of ion selectivity, and reduced cell-surface expression. We evaluated a series of 17 KCNB1 variants associated with DEE or neurodevelopmental disorder (NDD) to rapidly ascertain channel dysfunction using high-throughput functional assays. Specifically, we investigated the biophysical properties and cell-surface expression of variant KV2.1 channels expressed in heterologous cells using high-throughput automated electrophysiology and immunocytochemistry-flow cytometry. Pathogenic variants exhibited diverse functional defects, including altered current density and shifts in the voltage-dependence of activation and/or inactivation, as homotetramers or when co-expressed with wild-type KV2.1. Quantification of protein expression also identified variants with reduced total KV2.1 expression or deficient cell-surface expression. Our study establishes a platform for rapid screening of functional defects of KCNB1 variants associated with DEE and other NDDs, which will aid in establishing KCNB1 variant pathogenicity and may enable discovery of targeted strategies for therapeutic intervention based on molecular phenotype.

Abstract Efforts to resolve the functional impact of variants of uncertain significance (VUS) have lagged behind the identification of new VUS; as such, there is a critical need for scalable VUS resolution technologies. Computational variant effect predictors (VEPs), once trained, can predict pathogenicity for all missense variants in a gene, set of genes, or the exome. Existing tools have employed information on known pathogenic and benign variants throughout the genome to predict pathogenicity of VUS. We hypothesize that taking a gene-specific approach will improve pathogenicity prediction over globally-trained VEPs. We tested this hypothesis using the gene TSC2 , whose loss of function results in tuberous sclerosis, a multisystem mTORopathy affecting about 1 in 6,000 individuals born in the United States. TSC2 has been identified as a high-priority target for VUS resolution, with (1) well-characterized molecular and patient phenotypes associated with loss-of-function variants, and (2) more than 2,700 VUS already documented in ClinVar. We developed T uberous sclerosis classifier to R esolve variants of U ncertain S ignificance in T SC2 (TRUST), a machine learning model to predict pathogenicity of TSC2 missense VUS. To test whether these predictions are accurate, we further introduce curated loci prime editing (cliPE) as an accessible strategy for performing scalable multiplexed assays of variant effect (MAVEs). Using cliPE, we tested the effects of more than 200 TSC2 variants, including 106 VUS. It is highly likely this functional data alone would be sufficient to reclassify 92 VUS with most being reclassified as likely benign. We found that TRUST’s classifications were correlated with the functional data, providing additional validation for the in silico predictions. We provide our pathogenicity predictions and MAVE data to aid with VUS resolution. In the near future, we plan to host these data on a public website and deposit into relevant databases such as MAVEdb as a community resource. Ultimately, this study provides a framework to complete variant effect maps of TSC1 and TSC2 and adapt this approach to other mTORopathy genes.

Abstract Biallelic pathogenic variants in SZT2 result in a neurodevelopmental disorder with shared features, including early-onset epilepsy, developmental delay, macrocephaly, and corpus callosum abnormalities. SZT2 is as a critical scaffolding protein in the amino acid sensing arm of the mTOR signaling pathway. Due to its large size (3432 amino acids), lack of crystal structure, and absence of functional domains, it is difficult to determine the pathogenicity of SZT2 missense and in-frame deletions. We report a cohort of twelve individuals with biallelic SZT2 variants and phenotypes consistent with SZT2 -related neurodevelopmental disorder. The majority of this cohort contained one or more SZT2 variants of uncertain significance (VUS). We developed a novel individualized platform to functionally characterize SZT2 VUSs. We identified a recurrent in-frame deletion (SZT2 p.Val1984del) which was determined to be a loss-of-function variant and therefore likely pathogenic. Haplotype analysis determined this single in-frame deletion is a founder variant in those of Ashkenazi Jewish ancestry. Overall, we present a FACS-based rapid assay to distinguish pathogenic variants from VUSs in SZT2 , using an approach that is widely applicable to other mTORopathies including the most common causes of the focal genetic epilepsies, DEPDC5, TSC1/2, MTOR and NPRL2 /3.