Hearing and touch are two of our senses that rely on mechanotransduction to convert mechanical stimulus into electrochemical activity. Several studies have demonstrated that touch and hearing share common genetic determinants; mutations in genes causing deafness are also associated with reduced tactile sensitivity. Furthermore, transcriptome analysis from several studies has revealed that the same genes are expressed in both systems. However, the role of these genes has yet to be determined. In this work, I demonstrated that the calcium and integrin binding protein 2 (CIB2), a key component of mechanotransduction in the auditory system, is also implicated in somatosensory mechanosensation. CIB2 is an auxiliary subunit of the mechanotransduction channel in the auditory system that modulates channel function and determines correct channel positioning. Mutations in Cib2 cause hearing loss in humans and mice, as well as the cessation of mechanotransduction in the auditory system. By applying immunohistochemistry, I demonstrated the expression of CIB2 in a subset of DRG neurons, mainly nociceptors and, to a lesser extent, mechanoreceptors. CIB2 was also present in the terminal endings of sensory neurons that innervate skin end organs. In particular, CIB2 was found in terminal afferents innervating Meissner’s corpuscles and hair follicles, both associated with rapidly adapting mechanoreceptors. The impact of CIB2 on the physiological properties of different types of mechanoreceptors and nociceptors was investigated using an ex-vivo skin nerve preparation from the saphenous and tibial nerve. I showed that genetic ablation of Cib2 had a profound impact on rapidly adapting mechanoreceptors (RAMs). In a velocity and vibration experiment, RAMs lacking Cib2 exhibited dramatically higher frequency sensitivity. Thus, CIB2 influences RAM adaption rate and functions as a brake on their velocity sensitivity. CIB2 exhibits structural similarities with KChIP proteins, which are like CIB2, calcium sensors. Additionally, KChIP proteins have been shown to modulate Kv4 channel surface expression, assembly, and kinetics, leading us to the hypothesis that CIB2 influences RAM adaptation by interacting with and regulating a potassium channel. KCNQ4 inhibition or genetic deletion in RAMs had previously been shown to enhance velocity and vibration responses, similarly to observations in Cib2 knockout mice. I found that inhibiting KCNQ4 did not affect RAM responses in Wnt1-Cre; Cib2fl/ fl mice, showing that in mice lacking Cib2, KCNQ4 does not function effectively in RAMs. We were able to study the influence of CIB2 on KCNQ4 kinetics by employing a whole-cell patch clamp and transiently overexpressing CIB2 and KCNQ4 in the CHO cell line. We discovered that the deactivation time for KCNQ4 was slower after CIB2 overexpression. Furthermore, KCNQ4 mRNA was found in 60% of Cib2-positive neurons. Thus, we conclude that CIB2 interacts with and modulates KCNQ4. The absence of CIB2 in C-fibers, clearly altered their physiological properties. C-fires lacking Cib2 showed signs of sensitization as they displayed a prominent increase in after-charge responses. However, genetic deletion of Cib2 did not affect another type of nociceptor, the Aδ nociceptors. Finally, we assessed the behavioral impact of peripheral Cib2 ablation on light touch and mechanical pain. By using multiple behavioral assays, I found that mice lacking Cib2 exhibit a profound loss of touch sensation. Therefore, I performed an electrical search experiment using an ex-vivo skin nerve preparation to search for mechanically insensitive fibers and found that half of the Aβ-fibers were mechanically silent. These findings suggest that CIB2 is interacting with a mechanosensitive channel, the nature of which is yet to be investigated. This study allowed us to conclude that CIB2 interacts with and modulates ion channels (potassium and mechanosensitive channels) in the somatosensory system and therefore regulates sensory mechanotransduction. We hypothesize that CIB2, as in the auditory system, is an auxiliary subunit of channels in the somatosensory system.
Hören und Tasten sind zwei unserer Sinne, die auf Mechanotransduktion beruhen, um mechanische Reize in elektrochemische Aktivität umzuwandeln. Mehrere Studien haben gezeigt, dass Tastsinn und Gehör gemeinsame genetische Determinanten haben; Mutationen in Genen, die Taubheit verursachen, werden auch mit einer verringerten Tastsensibilität in Verbindung gebracht. Darüber hinaus haben Transkriptomanalysen in mehreren Studien ergeben, dass in beiden Systemen die gleichen Gene exprimiert werden. Die Rolle dieser Gene ist jedoch noch nicht geklärt. In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass das Calcium- und Integrin-bindende Protein 2 (CIB2), eine Schlüsselkomponente der Mechanotransduktion im auditorischen System, auch an der somatosensorischen Mechanosensation beteiligt ist. CIB2 ist eine Hilfsuntereinheit des Mechanotransduktionskanals im auditorischen System, die die Kanalfunktion moduliert und die korrekte Kanalpositionierung bestimmt. Mutationen in Cib2 führen bei Menschen und Mäusen zu Hörverlust und zur Unterbrechung der Mechanotransduktion im auditorischen System. Mit Hilfe der Immunhistochemie konnte ich die Expression von CIB2 in einer Untergruppe von DRG-Neuronen nachweisen, hauptsächlich in Nozizeptoren und in geringerem Maße in Mechanorezeptoren. CIB2 war auch in den Endigungen der sensorischen Neuronen vorhanden, die die Endorgane der Haut innervieren. Insbesondere wurde CIB2 in terminalen Afferenzen gefunden, die Meissner-Körperchen und Haarfollikel innervieren, die beide mit schnell adaptierenden Mechanorezeptoren assoziiert sind. Die Auswirkungen von CIB2 auf die physiologischen Eigenschaften verschiedener Arten von Mechanorezeptoren und Nozizeptoren wurden anhand eines Ex-vivo-Hautnervenpräparats aus dem Nervus saphenus und dem Nervus tibialis untersucht. Ich konnte zeigen, dass die genetische Ablation von Cib2 eine tiefgreifende Auswirkung auf die sich schnell anpassenden Mechanorezeptoren (RAMs) hat. In einem Geschwindigkeits- und Vibrationsexperiment zeigten RAMs, denen Cib2 fehlte, eine dramatisch höhere Frequenzempfindlichkeit. Somit beeinflusst CIB2 die Anpassungsgeschwindigkeit der RAMs und wirkt als Bremse für ihre Geschwindigkeitsempfindlichkeit. CIB2 weist strukturelle Ähnlichkeiten mit KChIP-Proteinen auf, die wie CIB2 Calcium-Sensoren sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass KChIP-Proteine die Oberflächenexpression, den Zusammenbau und die Kinetik von Kv4-Kanälen modulieren, was uns zu der Hypothese führt, dass CIB2 die RAM-Anpassung durch Interaktion mit einem Kaliumkanal und dessen Regulierung beeinflusst. Die Hemmung oder genetische Deletion von KCNQ4 in RAMs hatte zuvor gezeigt, dass sich die Reaktionen auf Geschwindigkeit und Vibration verstärken, ähnlich wie bei Cib2-Knockout-Mäusen beobachtet wurde. Ich fand heraus, dass die Hemmung von KCNQ4 die RAM-Reaktionen in Wnt1-Cre; Cib2fl/ fl-Mäusen nicht beeinflusste, was zeigt, dass KCNQ4 in Mäusen, denen Cib2 fehlt, nicht effektiv in RAMs funktioniert. Wir konnten den Einfluss von CIB2 auf die Kinetik von KCNQ4 untersuchen, indem wir eine Ganzzell-Patch-Clamp-Anlage einsetzten und CIB2 und KCNQ4 in CHO-Zellen vorübergehend überexprimierten. Wir entdeckten, dass die Deaktivierungszeit für KCNQ4 bei CIB2-Überexpression langsamer war. Außerdem wurde KCNQ4 mRNA in 60% der Cib2-positiven Neuronen gefunden. Daraus schließen wir, dass CIB2 mit KCNQ4 interagiert und es moduliert. Das Fehlen von CIB2 in C-Fasern veränderte eindeutig deren physiologische Eigenschaften. C-Fasern, denen Cib2 fehlte, zeigten Anzeichen einer Sensibilisierung, da sie eine deutliche Zunahme der Nachladungsreaktionen zeigten. Die genetische Deletion von Cib2 hatte jedoch keine Auswirkungen auf einen anderen Nozizeptortyp, die Aδ-Nozizeptoren. Schließlich untersuchten wir die verhaltensbezogenen Auswirkungen der peripheren Cib2-Ablation auf leichte Berührungen und mechanische Schmerzen. Mit Hilfe mehrerer Verhaltenstests stellte ich fest, dass Mäuse, denen Cib2 fehlt, einen tiefgreifenden Verlust des Tastsinns aufweisen. Daher führte ich ein elektrisches Suchexperiment mit einem ex-vivo Hautnervenpräparat durch, um nach mechanisch unempfindlichen Fasern zu suchen, und stellte fest, dass die Hälfte der Aβ-Fasern mechanisch stumm waren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass CIB2 mit einem mechanosensitiven Kanal interagiert, dessen Natur noch untersucht werden muss. Diese Studie erlaubt uns die Schlussfolgerung, dass CIB2 mit Ionenkanälen (Kalium- und mechanosensitiven Kanälen) im somatosensorischen System interagiert und diese moduliert und somit die sensorische Mechanotransduktion reguliert. Wir stellen die Hypothese auf, dass CIB2, wie im auditorischen System, eine Hilfsuntereinheit von Kanälen im somatosensorischen System ist.
