The mechanosensitive PIEZO2 ion channel is involved in touch and pain sensation. Interestingly, in humans, point mutations in the PIEZO2 gene cause Gordon Syndrome (GS), Distal Arthrogryposis Type 5 (DA5) and Marden-Walker Syndrome (MWS). Patients with these diseases share some clinical features, including congenital contractures of the feet and hands, short stature and scoliosis. However, the biophysical impact of some PIEZO2 mutations, and how they contribute to the observed phenotype, have not been characterized in detail. Using patch-clamp recordings in combination with elastomeric pillar arrays, we show that pathogenic mutations that cause GS, DA5 and/or MWS change the biophysical properties of Piezo2. Recently, we demonstrated that PIEZO channels are also modulated by voltage and have apparent open probabilities of ~10% at physiological membrane potentials. To test if the pathological mutations alter the voltage sensitivity of Piezo2 channels, we generated a stretch-sensitive chimeric channel combining the N-terminal domain of Piezo1 and the pore forming part of Piezo2 and performed tail current protocols with high-speed pressure-clamp (HSPC). We show that these mutations dramatically change the voltage sensitivity of the chimeric channels and thereby increase the apparent open probability. Additionally, two knock-in mice carrying the mutations Piezo2R2756H and Piezo2R2756K were generated to study the native mechanically activated (MA) currents from dorsal root ganglia neurons. We observed that in sensory neurons, the mutations R2756H and R2756K cause a sensitization of MA channels, making the neurons more sensitive to respond to lower pillar deflections and change the biophysical properties of the endogenous MA currents. Finally, we carried out von-Frey in-vivo experiments and found that pathogenic mutations in Piezo2 make mice more sensitive to stimulus-evoked pain-like behaviour. Our data demonstrates that pathological PIEZO2 mutations are gain-of-function mutations and sensitize the response to nocifensive stimuli.
Der mechanosensitive Ionenkanal PIEZO2 ist am Tast- und Schmerzempfinden beteiligt. Interessanterweise verursachen Punktmutationen im PIEZO2-Gen im Menschen das Gordon-Syndrom (GS), distale Arthrogryposis Typ 5 (DA5) und das Marden-Walker-Syndrom (MWS). Von diesen Krankheiten betroffene Menschen zeigen gemeinsame klinische Merkmale, wie zum Beispiel angeborene Kontrakturen der Hände und Füße, kleinen Wuchs und Skoliose. Nichtsdestotrotz wurden die biophysikalischen Auswirkungen einiger PIEZO2-Mutationen und wie sie zum beobachteten Phänotyp beitragen bisher nicht im Detail untersucht. Mittels Patch-Clamp-Ableitungen in Verbindung mit der elastomerischen Pillar-Array-Technik zeigen wir, dass pathogene Mutationen, welche GS, DA5 und/oder MWS hervorrufen, die biophysikalischen Eigenschaften von Piezo2 verändern. Vor Kurzem haben wir nachgewiesen, dass PIEZO-Kanäle auch durch Spannung gesteuert werden und eine Kanalverfügbarkeit von ~10 % unter physiologischen Membranpotentialen aufweisen. Um zu testen, ob die pathologischen Mutationen die Spannungssensitivität der Piezo2-Kanäle verändern, haben wir einen berührungsempfindlichen, chimärischen Kanal aus der N-terminalen Domäne von Piezo1 und dem porenbildenden Teil von Piezo2 erstellt und diesen mit Tail-Current-Protokollen und der High-Speed-Pressure-Clamp-Technik (HSPC) untersucht. Wir zeigen hier, dass diese Mutationen die Spannungsempfindlichkeit des chimärischen Kanals drastisch verändern und damit die Kanalverfügbarkeit erhöhen. Außerdem haben wir zwei knock-in-Mauslinien, die die Mutationen Piezo2R2756H und Piezo2R2756K tragen, erzeugt, um die nativen, mechanisch aktivierten (MA) Ströme in Neuronen aus Spinalganglien zu untersuchen. Wir haben beobachtet, dass die Mutationen R2756H und R2756K in sensorischen Neuronen zu einer Sensibilisierung der MA-Kanäle führen, somit die Neuronen empfindlicher auf feine, mechanische Stimulationen reagieren und die biophysikalischen Eigenschaften der endogenen MA-Ströme verändert werden. Abschließend haben wir von-Frey-Experimente in vivo durchgeführt und herausgefunden, dass pathogene Mutationen in Piezo2 Mäuse empfindlicher für mechanischen Schmerz machen. Unsere Daten zeigen, dass pathologische PIEZO2-Mutationen gain-of-function-Mutationen sind und die Antwort auf schmerzauslösende Reize verstärken.
