Mechanosensation is a process by which nerves encode physical stimuli such as cotton swab or pinprick into electrical signals that can be understood by the nervous system. In this way, organisms can gain crucial information about the environment by means of touch sensation and avoid harmful influences thanks to nociceptive pain. But what is the molecular basis of mechanosensation, allowing this process to occur? And what happens if its functioning is disrupted? I tackle those questions in my doctoral thesis, investigating a role of newly described mechanosensitive channel and discussing tactile phenotypes in autism spectrum disorders (ASDs). This work is mostly an electrophysiological study of cutaneous mechanoreceptors, studied with the use of ex vivo mouse skin-nerve preparation. Focus is on c-fibers, small diameter unmyelinated sensory neurons, involved in relying nociceptive cues. In the first part of my doctoral project I investigate the role of Elkin1 (TMEM87a) channel in the nociceptor physiology. Results show that Elkin1-/- knockout mice exhibit lowered mechanical sensitivity when tested in behavioral assays using a hindpaw stimulation. Electron microscopy showed no structural changes in the somatosensory system of mutant animals, albeit there are changes in the physiology of sensory afferents. Extracellular recordings from single nerve fibers, made during simultaneous mechanical stimulation of receptors located in the skin, showed a changed pattern of activity in response to mechanical stimulation with faster adaptation in fibers from Elkin1-/- animals, but only when a specific protocol of stimulation was used. Furthermore, I explore the relationship of Elkin1 with Piezo2 mechanosensitive channel by studying double knockout animals. Effect of deleting both protein seem to have greater effect on dampening response to mechanical stimuli than removing any one of them separately. On the other hand, introducing human point mutation into mouse genome slightly strengthen the response. Overall, Elkin1 is a novel mechanosensory protein presumably required mostly for light touch, as changes in functioning of c-fibres point toward minor involvement in nociception. Sense of touch is also critically important for proper development. It constitutes the most primal form of communication between an infant and a parent, building foundation for more advanced social skills. Tactile-related impairments observed in toddlers pose a strong predictor of core autistic symptoms later in life and sensory processing disturbances belong to the most replicable symptoms emerging early in the diagnosis of ASDs. Modified touch perception phenotype observed in human subjects is replicated in animal models. Global knockout of 4E-BP1, the downstream effector of mTOR signalling pathway affected in some ASDs forms, was shown to be a source of mechanical hypersensitivity with enhanced nociception in mice. However, my results on the specific involvement of this phenomenon in the peripheral sensory neurons did not show any positive results. My findings, both of electrophysiological study and behavioral assessment, indicate that mechanical hypersensitivity observed in the model of 4E-BP1 deletion ca not be explained by differences in the physiology of cutaneous nociceptors.
Mechanosensation ist ein Prozess, bei dem Nerven physische Reize wie einen Wattestäbchen oder einen Nadelstich in elektrische Signale umwandeln, die vom Nervensystem verstanden werden können. Auf diese Weise können Organismen durch Tastsinn wichtige Informationen über ihre Umgebung gewinnen und dank nozizeptiver Schmerzen schädliche Einflüsse vermeiden. Aber was ist die molekulare Grundlage der Mechanosensation, die diesen Prozess ermöglicht? Und was passiert, wenn ihre Funktion gestört ist? Mit diesen Fragen beschäftige ich mich in meiner Doktorarbeit, in der ich die Rolle eines neu beschriebenen mechanosensitiven Kanals untersuche und taktile Phänotypen bei Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) diskutiere. Diese Arbeit ist hauptsächlich eine elektrophysiologische Untersuchung von Hautmechanorezeptoren, die unter Verwendung von ex vivo-Präparaten von Maushautnerven durchgeführt wird. Der Schwerpunkt liegt auf c-Fasern, sensorischen Neuronen mit kleinem Durchmesser und ohne Myelinscheide, die an der Weiterleitung nozizeptiver Signale beteiligt sind. Im ersten Teil meines Dissertationsprojekts untersuche ich die Rolle des Elkin1 (TMEM87a)-Kanals in der Physiologie der Nozizeptoren. Die Ergebnisse zeigen, dass Elkin1-/- Knockout-Mäuse eine verminderte mechanische Empfindlichkeit aufweisen, wenn sie in Verhaltenstests mit einer Hinterpfotenstimulation getestet werden. Die Elektronenmikroskopie zeigte keine strukturellen Veränderungen im somatosensorischen System der mutierten Tiere, obwohl es Veränderungen in der Physiologie der sensorischen Afferenzen gibt. Extrazelluläre Aufzeichnungen von einzelnen Nervenfasern, die während der gleichzeitigen mechanischen Stimulation von Rezeptoren in der Haut gemacht wurden, zeigten ein verändertes Aktivitätsmuster als Reaktion auf mechanische Stimulation mit schnellerer Anpassung in Fasern von Elkin1-/- Tieren, jedoch nur, wenn ein bestimmtes Stimulationsprotokoll verwendet wurde. Darüber hinaus untersuche ich die Beziehung von Elkin1 zum mechanosensitiven Kanal Piezo2, indem ich Doppel-Knockout-Tiere untersuche. Die Deletion beider Proteine scheint einen größeren Einfluss auf die Dämpfung der Reaktion auf mechanische Reize zu haben als die separate Entfernung eines der beiden Proteine. Andererseits verstärkt die Einführung einer menschlichen Punktmutation in das Mausgenom die Reaktion leicht. Insgesamt ist Elkin1 ein neuartiges mechanosensorisches Protein, das vermutlich hauptsächlich für leichte Berührungen benötigt wird, da Veränderungen in der Funktion der C-Fasern auf eine geringfügige Beteiligung an der Nozizeption hindeuten. Der Tastsinn ist auch für eine gesunde Entwicklung von entscheidender Bedeutung. Er stellt die ursprünglichste Form der Kommunikation zwischen einem Säugling und seinen Eltern dar und bildet die Grundlage für weiterentwickelte soziale Fähigkeiten. Bei Kleinkindern beobachtete taktile Beeinträchtigungen sind ein starker Prädiktor für spätere Kernsymptome von Autismus, und sensorische Verarbeitungsstörungen gehören zu den am häufigsten auftretenden Symptomen, die frühzeitig bei der Diagnose von ASDs auftreten. Der bei Menschen beobachtete veränderte Phänotyp der Tastwahrnehmung lässt sich in Tiermodellen reproduzieren. Es wurde gezeigt, dass ein globaler Knockout von 4E-BP1, dem nachgeschalteten Effektor des mTOR-Signalwegs, der bei einigen Formen von ASDs betroffen ist, eine Quelle für mechanische Überempfindlichkeit mit verstärkter Nozizeption bei Mäusen ist. Meine Ergebnisse zur spezifischen Beteiligung dieses Phänomens in den peripheren sensorischen Neuronen zeigten jedoch keine positiven Ergebnisse. Meine Ergebnisse, sowohl aus der elektrophysiologischen Untersuchung als auch aus der Verhaltensbewertung, deuten darauf hin, dass die im Modell der 4E-BP1-Deletion beobachtete mechanische Überempfindlichkeit nicht durch Unterschiede in der Physiologie der kutanen Nozizeptoren erklärt werden kann.
