The function of KCNQ ion channels in pain and somatosensation

Der durch KCNQ (Kv7) Kanäle vermittelte M-Strom spielt eine wichtige Rolle für elektrische Eigenschaften von Zellen. Als intrinsische Spannungsklemme stabilisieren KCNQ Kanäle demnach das Ruhemembranpotential und verhindern Übererregbarkeit, wie Epilepsie-verursachende Mutationen in den humanen Genen für KCNQ2 und KCNQ3 verdeutlichen. Neben der Expression im Gehirn konnten die neuronalen KCNQ Ionenkanäle 2 – 5 auch im somatosensorischen System nachgewiesen werden. Hier wurden in vorangegangenen Arbeiten KCNQ2, -3 und -5 bereits mit Schmerzempfindung assoziiert, während KCNQ4 Expression in einer bestimmten Unterpopulation von Spinalganglien Neuronen identifiziert werden konnte. In diesen sogenannten schnell-adaptierenden niedrig-schwelligen Aβ- Fasern ist KCNQ4 an der Perzeption taktiler Vibrationsstimuli beteiligt. Darüber hinaus wurde durch pharmakologische Versuche die Expression von KCNQ Kanälen in Aδ niedrig-schwelligen D-Haar Fasern gezeigt. Nichtsdestotrotz konnte die in diesen Fasern exprimierte KCNQ Untereinheit bisher noch nicht identifiziert werden. Die Identifikation der exprimierten KCNQ Untereinheit(en) in D-Haar Fasern erfolgte hier mit Hilfe der elektrophysiologischen Haut-Nerv Präparation, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit in unserem Labor etabliert wurde. Die Generierung eines konstitutiven KCNQ5 knock-out Mausmodells diente zusammen mit weiteren KCNQ Mausmodellen der eingehenden Erforschung der KCNQ Expression im somatosensorischen System. Ich konnte die Lokalisation sowohl von KCNQ2 als auch -3 in D-Haar Aδ-Fasern von Spinalganglien zeigen. Ferner konnte ich die Expression von KCNQ3 in der Haut in peripheren lanzettförmigen Nervenendigungen kutaner D-Haar Rezeptorfasern um Haar- follikel beschreiben, wo KCNQ3 an der Modulierung der Mechanotransduktion beteiligt sein könnte. In der Tat wiesen D-Haar Fasern von Kcnq3-/- Mäusen in der Haut-Nerv Präparation eine erhöhte Feuerfrequenz als Reaktion auf mechanische Stimulation des rezeptiven Feldes auf. Dieser Effekt trat insbesondere bei langsamen Stimulationsgeschwindigkeiten hervor. Die zusätzliche Verminderung der KCNQ2 Protein Menge in Kcnq2+/-/Kcnq3-/- Mäusen führte zu einer weiteren Verstärkung des D-Haar Feuerns. Zusammengefasst lassen diese Ergebnisse ein Bild entstehen, in dem KCNQ3 und KCNQ2 die Mechanosensitivität von D-Haar Fasern direkt an ihren jeweiligen peripheren Nervenendigungen zu modulieren vermag.M-current mediating KCNQ (Kv7) potassium channels play an important role for electrical properties of neuronal cells. They serve as an intrinsic voltage clamp mechanism by stabilizing the neuron's membrane resting potential and preventing overexcitability, as highlighted by human mutations in genes for KCNQ2 and KCNQ3 that underlie certain forms of epilepsy. Besides their expression in the brain, neuronal KCNQ subunits 2 – 5 are also found in the somatosensory system. Here, KCNQ2, -3 and -5 have previously been associated with nociception, while KCNQ4 expression was identified in a subset of dorsal root ganglia (DRG) neurons that correspond to rapidly-adapting low-threshold Aβ-fibers. Thus, KCNQ4 was shown to be required for tuning the coding of vibrotactile stimuli. In addition, expression of KCNQ channels has been pharmacologically described in Aδ low-threshold D-hair fibers; however the KCNQ subunit has not been identified so far. In order to find out about the KCNQ subunit(s) in D-hair fibers, the electrophysiological skin-nerve preparation method was established in our lab. A constitutive KCNQ5 knock-out mouse model was generated and investigated together with several other KCNQ mouse models for a detailed analysis of KCNQ subunit expression in the somatosensory system. I detected and localized both KCNQ2 and -3 in DRG cells positive for D-hair marker, and demonstrated KCNQ3 expression in peripheral lanceolate nerve endings of cutaneous D-hair fibers around hair follicles, where it may modulate mechanotransduction. Indeed, skin-nerve recordings from single D-hair afferents from Kcnq3-/- mice revealed increased firing frequencies in response to mechanical ramp-and-hold stimuli of the receptive field, particularly pronounced at slow indentation velocities. Additional reduction of KCNQ2 protein in Kcnq2+/-/Kcnq3-/- mice further enhanced D-hair firing. Thus, we conclude that mechanosensitivity of D-hair fibers is directly modulated at their peripheral nerve endings by both KCNQ3 and KCNQ2