Abstract Scn2a encodes voltage-gated sodium channel Na V 1.2, which mediates neuronal firing. The current paradigm suggests that Na V 1.2 gain-of-function variants enhance neuronal excitability resulting in epilepsy, whereas Na V 1.2 deficiency impairs neuronal excitability contributing to autism. In this paradigm, however, why about a third of patients with Na V 1.2 deficiency still develop seizures remains a mystery. Here we challenge the conventional wisdom, reporting that neuronal excitability is increased with severe Na V 1.2 deficiency. Using a unique gene-trap knockout mouse model of Scn2a , we found enhanced intrinsic excitabilities of principal neurons in the cortico-striatal circuit, known to be involved in Scn2a -related seizures. This increased excitability is autonomous, and is reversible by genetic restoration of Scn2a expression in adult mice. Mechanistic investigation reveals a compensatory downregulation of potassium channels including K V 1.1, which could be targeted to alleviate neuronal hyperexcitability. Our unexpected findings may explain Na V 1.2 deficiency-related epileptic seizures in humans and provide molecular targets for potential interventions. TEASER Severe Na V 1.2 deficiency results in neuronal hyperexcitability via the compensatory downregulation of potassium channels. HIGHLIGHTS Severe Na V 1.2 deficiency results in enhanced excitability of medium spiny neurons (MSNs) and pyramidal neurons in adult mice; Increased neuronal excitability in MSNs is accompanied by elevated voltage threshold; Na V 1.2 deficiency-related hyperexcitability is reversible with the restoration of Scn2a expression, and is autonomous; The expression of the K V 1.1 channel has a compensatory reduction in neurons with Na V 1.2 deficiency, and KV channels openers normalize the neuronal excitability; The enhanced excitability in brain slices translates to elevated in vivo firing commonly associated with seizures.

Neuronal hyperexcitability is a hallmark of seizures. It has been recently shown in rodent models of seizures that microglia, the brain9s resident immune cells, can respond to and modulate neuronal excitability. However, how human microglia interacts with human neurons to regulate hyperexcitability mediated by epilepsy-causing genetic mutation found in human patients remains unknown. The SCN2A genetic locus is responsible for encoding the voltage-gated sodium channel Nav1.2, recognized as one of the leading contributors to monogenic epilepsies. Previously, we demonstrated that the recurring Nav1.2-L1342P mutation identified in patients with epilepsy leads to hyperexcitability in a hiPSC-derived cortical neuron model from a male donor. While microglia play an important role in the brain, these cells originate from a different lineage (yolk sac) and thus are not naturally present in hiPSCs-derived neuronal culture. To study how microglia respond to diseased neurons and influence neuronal excitability, we established a co-culture model comprising hiPSC-derived neurons and microglia. We found that microglia display altered morphology with increased branch length and enhanced calcium signal when co-cultured with neurons carrying the Nav1.2-L1342P mutation. Moreover, the presence of microglia significantly lowers the action potential firing of neurons carrying the mutation. Interestingly, we further demonstrated that the current density of sodium channels in neurons carrying the epilepsy-associated mutation was reduced in the presence of microglia. Taken together, our work reveals a critical role of human iPSCs-derived microglia in sensing and dampening hyperexcitability mediated by an epilepsy-causing mutation present in human neurons, highlighting the importance of neuron-microglia interactions in human pathophysiology.

A pillared-layered metal-organic framework (MOF) {[Zn