The tether model and the role of skin-derived laminin-332 (laminin-5) in sensory mechanotransduction

Abstract

The skin is our largest sensory organ and required for the perception of the outside world using our sense of touch and pain. The underlying mechanism for sensory mechanotransduction at the molecular level is poorly understood. In sensory hair cells of the inner ear, extracellular protein filaments called tip links tethering mechanosensitive ion channels between stereocilia are required for mechanotransduction. In this study, we showed that a protein link, which is sensitive to the endopeptidases subtilisin and blisterase is necessary for the gating of mechanosensitive rapidly adapting (RA) currents in dorsal root ganglia (DRG) neurons. Using transmission electron microscopy (TEM), we demonstrated that a protein filament with a length of ~100 nm is synthesized by sensory neurons and may link mechanosensitive ion channels in sensory neurons to the extracellular matrix. This was the first evidence to show that an extracellular mechanotransducer link exists and that it maybe essential for normal mechanotransduction. In this study we also investigated the role of the extracellular matrix (ECM) in sensory mechanotransduction. It was found that keratinocyte-derived ECM can profoundly inhibit the expression of RA current and delay gating of the mechanosensitive slowly adapting (SA) currents. We then identified a skin-derived protein laminin-332 as responsible for the inhibition of RA current expression but not for delaying SA current gating on keratinocytes-derived matrix. It was shown that laminin-332 is a potent inhibitory factor selectively for inhibition of RA current expression and TEM results showed that this can be attributable to a lack of tether binding to the substrate, which is required for RA current gating. Microcontact printing and biochemical experiments revealed that laminin-332 is a local inhibitory factor not only for mechanosensitivity but also for neurite outgrowth in a manner independent of integrin. Our data suggests that laminin-332 inhibition of mechanosensitivity and of neurite outgrowth are likely two independent scenarios.

Die Haut ist das grösste sensorische Organ des Menschen. Sie ist notwending für die Wahrnehmung unserer Umgebung durch Tasten und Schmerzempfinden. Über die zugrundeliegende sensorische Mechano- transduktion ist auf molekularer Ebene noch relativ wenig bekannt. In sensorischen Haarzellen des Innenohrs sind extrazelluläre Proteinfilamente, auch genannt „tip links“, zur Funktion der Mechanotransduktion notwendig. Diese Filamente verbinden mechanosensitive Kanäle zwischen den Stereocilia wie ein Spannseil. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass ein Protein-link, der sensitiv gegenüber den Endopeptidasen Subtilisin und Blisterase ist, für mechanosensitive Ströme des RA Typs (RA=rapidly adapting) in DRG Neuronen notwendig ist. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurde beobachtet, dass sensorische Neuronen ein Protein-Filament mit einer Länge von ~100nm synthetisieren, welches mechanosensitive Inonenkanäle mit der extrazellulären Matrix verlinken könnte. Dies ist der erste Nachweis der Existenz eines extrazellulären Mechanotransduktions-Links, der essentiell für eine normale Mechanotransduktion sein könnte. In diesem Projekt wurde weiterhin die Rolle der extrazellulären Matrix (ECM) in sensorischer Mechanotransduktion untersucht. Vorherige Untersuchungen ergaben, dass von Keratinozyten abstammende ECM die mechanosensitiven RA-Ströme inhibiert und SA (slowly adapting)-Ströme verzögert. Wir konnten das Protein Laminin-332 identifizieren, das für die Inhibition der RA-Ströme, nicht aber für die Verzögerung der SA-Ströme auf Keratinozyten-ECM verantwortlich ist. Laminin-332 ist ein wirksamer selektiver Inhibitor des RA-Stroms und unsere TEM Ergebnisse zeigten, dass diese Inhibition durch eine fehlende Verbindung zum für die Erzeugung von RA-Strömen notwendigen Substrat verursacht werden könnte. Durch Microcontact Printing und biochemische Experimente konnte gezeigt werden, dass Laminin-332 ein lokaler Inhibitor nicht nur für Mechanosensivität ist, sondern Laminin-332 inhibiert ebenfalls das Axonwachstum unabhängig von Integrinen. Unsere Ergebnise sprechen dafür, dass die Inhibition der Mechanosensitivität durch Laminin-332 und die Inhibition des Axonwachstums zwei unterschiedliche Szenarien sind.