The effects of Acid-sensing ion channel ASIC3 and stomatin-like proteins on mechanosensation and nociception

Abstract

Transformation of mechanical energy into electrical signals in mechanosensory neurons is essential for mechanosensation and nociception. This transformation occurs via sensory transduction channels that are activated by external force. Recent genetic and electrophysiological studies in Caenorhabditis elegans have directly shown that the degenerin/epithelial sodium channel (DEG/ENaC) ion channel subunits, MEC-4 and MEC-10, and the accessory ion channel subunits MEC-2 and MEC-6 form a sensory transduction ion channel within a mechanotransduction complex that also includes intra- and extracellular proteins. In mammals DEG/ENaC ion channel subunits are also proposed to function as mechanotransducers. Consistent with a function in mechanosensation, the mammalian acid-sensing ion channel subunit ASIC3 belongs to the DEG/ENaC family of ion channels; it is highly expressed in mechanosensory neurons including their peripheral structures; and it has been shown to be required for normal mechanosensation in mice. MEC-2 protein, which contains a stomatin-like domain in its central region, interacts and modulates MEC-4 ion channel activity. Mammalian stomatin-like proteins, like stomatin and stomatin-like protein (SLP3), might have similar roles. Here we show that ASIC3 coimmunoprecipitates with stomatin and SLP3 in a heterologous system. We asked whether the physical interaction between ASIC3 and stomatin proteins has any effects on mechanotransduction in mechanosensory neurons innervating skin. To look for a functional interaction between ASIC3 and stomatin in mechanosensory neurons single fiber analysis of mechanosensitivity in ASIC3/stomatin double mutant mice in the in vitro skin nerve preparation were used. The loss of ASIC3 function specifically increases mechanosensitivity in rapidly adapting mechanoreceptors (RAM) and reduces the sensitivity of nociceptors, including A-mechanonociceptors (AM) and C-fibers. In comparison, the additional loss of stomatin does not alter the increased mechanosensitivity in RAM; however, it slightly decreases the speed of response (mechanical latency). In addition, AM and C-fibers in ASIC3/stomatin double mutants show reduced mechanosensitivity that is not significantly different from the alterations due to loss of ASIC3 alone. However, polymodal nociceptors (C-MH) in ASIC3/stomatin double mutants show significant decrease in mechanosensitivity to suprathreshold stimuli compared to C-MH in ASIC3 single mutants. Therefore, the loss of stomatin produced additional alteration in mechanoreceptor function already altered by loss of ASIC3. The data suggest that ASIC3 is required for normal mechanoreceptor function and that a weak functional interaction exists between ASIC3 and stomatin.

Die Transformation eines mechanischen Stimulus in einen Nervenimpuls in sensorischen Neuronen geschieht durch das Aktivieren von Transduktionsionkanälen in der Zellmembran von Nervenendungen in der Haut. Dieser Prozess wird Mechanotransduktion genannt. Er spielt eine wichtige Rolle für den Tastsinn und bei der Entstehung von Schmerz. In den letzten Jahren wurde durch genetische und electrophysiologische Untersuchungen am Caenorhabditis elegans (C.elegans) Wurm festgestellt dass die Ionenkanaluntereinheiten (MEC-4 und MEC-10) der Degenerinen/Epithelialen Natriumkanäle (DEG/ENaC) und die akzessorischen Ionenkanaluntereinheiten (MEC-2 und MEC-6) einen sensorischen Transduktionkanal bzw. einen mechanosensitiven Ionenkanal formen. Dieser mechanosensitive Ionenkanal ist mit Proteinen aus der extrazellularen Matrix und dem intrazellularen Cytoskelett verbunden. In Säugetieren sind diese molekularem Grundlagen der Mechanotransduktion bisher nicht bekannt. Diese Dissertation untersucht, ob orthologe Moleküle in Säugetieren eine ähnliche Rolle bei der Mechanotranduktion spielen, wie die Mechanotransduktionsproteine in C. elegans. Ein orthologes Molekül ist die Ionenkanaluntereinheit acid-sensing ion channel (ASIC3) der DEG/ENaC Ionenkanäle in Säugern, denn sie ist mit den Ionenkanal MEC-4 der C. elegans verwandt. Deshalb ist anzunehmen, dass ASIC3 eine ähnliche Funktion bei der Mechanotransduktion hat, wie MEC-4. Hinzu kommt, dass ähnlich MEC-4 auch ASIC3 in Nervenzellen sowie deren peripheren Nervenendungen hochexpremiert ist und für eine normale Mechanotransduktion in Mäusen erforderlich ist. MEC-2 Proteine, die eine Stomatindomäne beinhalten, interagieren und modulieren die Aktivität des MEC-4 Ionenkanals. Aufgrund der Homologie von MEC-2 und stomatinähnlichen Proteinen könnten diese ebenfalls eine solche Rolle spielen. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle von ASIC3 und stomatinähnlichen Proteinen (SLP) bei der Mechanotransduktion in Mäusen untersucht. Es wird gezeigt, dass eine physikalische Interaktion zwischen ASIC3 und Stomatin sowie ASIC3 und dem stomatinähnlichen Protein 3 (SLP3) in einem heterologen System vorliegt. Um zu testen, ob diese Interaktion für die Mechanotransduktion in sensorischen Neuronen wichtig ist, wurde die in vitro Haut-Nerv Preparation, in der die Einzelfasermechanosensitivität analysiert wird, angewendet. Die Mechanosensitivität der verschiedenen Haut- mechanorezeptoren von normalen Wildtypmäusen wird mit Mäusen verglichen, denen ASIC3 sowie ASIC3 und Stomatin fehlt. Der Verlust von ASIC3 in Mäusen führt zu einer Zunahme der Mechanosensitivität von schnelladaptierenden Mechanorezeptoren (RAM) und zu eine Abnahme der Mechanosensitivität von A-Mechanonociceptoren (AM) und C-Fasern. Im Vergleich dazu hat der zusätzliche Verlust von Stomatin keinen Effekt an der Zunahme der Mechanosensitivität in RAM allerdings wird deren Antwort auf mechanische Reize etwas verlangsamt. Weiterhin ist die Mechanosensitivität von den AM und C-Fasern in ASIC3 /Stomatin-Mutanten Mäuse vermindert. Diese Verminderung ist jedoch nicht Signifikant im Vergleich zu ASIC3-Mutaten Mäuse. Andererseits zeigen polymodale Nociceptoren (C-MH) in ASIC3/Stomatin-Mutanten Mäuse unter starkem mechanischem Stimulus eine signifikante Verminderung der Mechanosensitivität im Vergleich zu C-MH in ASIC3-Mutanten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ASIC3 für eine normale Mechanorezeptorenfunktion in Mäusen notwendig ist. Die Analyse von Mechanorezeptoren in ASIC3/Stomatin-Mutanten zeigte eine schwache funktionelle Interaktion zwischen ASIC3 und Stomatin.