Molecular physiology of sensory P2X3 ATP receptor channels

• Main Author: Mo, Gary
• Other Authors: Philippe Seguela (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2012
• Subjects: Biology - Neuroscience
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=107793

Purinergic transmission mediated by extracellular release of ATP has been shown to be involved in numerous physiological processes, ranging from bladder function to taste and hearing. The diverse roles of ATP mediated signaling is largely due to widespread distribution of P2 ATP receptors. Since their initial cloning, various P2 receptors have been found to mediate a wide range of cellular processes in different tissues. One P2 receptor in particular, the P2X3 receptor, is almost exclusively expressed on nociceptive dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons. Due to its specific distribution, the P2X3 receptor has been a prominent target in pain research, especially in studies of chronic pain conditions. Numerous studies have indicated involvement of P2X3 receptor in mediating increased pain behavior associated with chronic inflammation or neuropathic injury. However, the exact contribution of the P2X3 in chronic pain conditions is still unclear, especially in the case of neuropathic pain. There is inconsistency in reports of changes in P2X3 expression or activity during neuropathic pain. The underlying element of enhanced pain behavior after nerve injury is increased excitability of sensory neurons. The first study of described in this thesis investigates the contribution of the P2X3 receptor to changes in excitability of injured neurons. Activation of protein kinase C (PKC) has been shown to facilitate chronic pain behavior by modulating the activity of various ion channels. Thus, the contribution of PKC to hyperexcitability in injured neurons was also investigated in the first study.Nerve injury induces very dynamic changes in cellular physiology including activation of various intracellular signaling pathways. The activity of the P2X3 receptor may be affected by such cellular processes. Understanding the molecular physiology of the P2X3 receptor may provide additional insight into the specific contribution of the P2X3 receptor in pain physiology. A common component of many cellular signaling pathways is the cleavage of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) by phospholipase C (PLC), and changes in PIP2 levels modulate the activity of various ion channels, including the P2X2 receptor. The second study in this thesis investigates the modulation of P2X3 by changes in intracellular levels of PIP2. Recent studies have demonstrated possible co-expression of metabotropic P2Y receptors on P2X3 positive sensory neurons. ATP release on sensory neurons that express both P2Y and P2X3 receptors will likely trigger activation of both types of purinergic receptors. The third study in this thesis investigated the modulation of P2X3 receptor activity by metabotropic P2Y receptors. Our understanding of the P2X3 receptor predominantly comes from rodent studies. Because interspecies differences in the functional characteristics of certain P2X receptor subtypes have been reported, there is a pressing need to verify if our understanding of the rodent P2X3 receptor is translatable to species closer to man. To this end, the last study of this thesis compares the pharmacological properties of native P2X3 receptor on rat sensory neurons to native P2X3 receptors on monkey sensory neurons. === Il a été montré que la transmission purinergique médiée par la libération extracellulaire d'ATP est impliquée dans de nombreux processus physiologiques, allant du fonctionnement de la vessie aux sens du goût et de l'audition. Les rôles variés de la signalisation par l'ATP sont expliqués principalement par la distribution étendue des récepteurs P2 de l'ATP dans l'organisme. Depuis leur clonage initial dans les années '90, une variété de récepteurs P2 régissant divers mécanismes cellulaires a été découverte dans plusieurs tissus. Un récepteur canal P2 en particulier, P2X3, se trouve exprimé quasi-exclusivement dans les neurones nocicepteurs des ganglions spinaux (DRG). De par cette distribution spécifique, le récepteur P2X3 est une cible importante dans la recherche sur la douleur, principalement dans les études sur la douleur chronique. De nombreuses études indiquent le rôle du récepteur P2X3 dans l'augmentation des réponses à la douleur associée à une inflammation chronique ou une lésion neuropathique. Cependant, la contribution exacte de P2X3 dans la douleur chronique reste incertaine, surtout dans les cas de douleur neuropathqiue. Il existe des contradictions dans les articles sur les changements d'expression ou d'activité de P2X3 en conditions de douleur neuropathique. Un élément clé dans l'exacerbation des comportements douloureux après lésion neuropathique est l'augmentation d'excitabilité des neurones sensoriels. La première étude décrite dans cette thèse explore la contribution de P2X3 dans les changements d'excitabilité des neurones de DRG endommagé. Il a été rapporté que l'activation de la protéine kinase C (PKC) facilite les comportements douloureux en modulant l'activité de certains canaux ioniques. Ainsi, la contribution de PKC à l'hyperexcitabilité des neurones de DRG neuropathique a aussi été étudiée dans ce premier chapitre. Une insulte à un nerf périphérique induit des changements très dynamiques dans sa physiologie cellulaire, incluant l'activation de voies de signalisation intracellulaires. La fonction de P2X3 peut se trouver affectée par ces mécanismes neuronaux. Comprendre la physiologie moléculaire du récepteur P2X3 peut nous éclairer sur sa contribution spécifique dans la douleur. Une étape commune à de nombreuses voies de signalisation cellulaire est le clivage du phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) par la phospholipase C (PLC). Les variations de niveaux de PIP2 modulent l'activité de plusieurs canaux ioniques, y compris le récepteur P2X2. Le deuxième chapitre dans cette thèse se concentre sur la modulation de P2X3 par les niveaux intracellulaires de PIP2. Des études récentes ont démontré la co-expression potentielle de récepteurs métabotropiques P2Y et ionotropiques P2X3 sur les neurones sensoriels. L'ATP pouvant activer les deux types de récepteurs, le troisième chapitre se penche sur la modulation de la fonction de P2X3 par les récepteurs P2Y couplés à la phospholipase C.Notre compréhension du récepteur P2X3 provient principalement des données obtenues dans des modèles précliniques de rongeurs. Sachant que des différences interspécifiques marquées dans les propriétés fonctionnelles de certains sous-types de récepteurs P2X ont été documentées, il est urgent et important de vérifier que nos connaissances sur le récepteur P2X3 de rongeur sont transférables aux primates ou à l'homme. À cette fin, dans la dernière étude de cette thèse, nous comparons les propriétés pharmacologiques du récepteur P2X3 natif à la surface des neurones sensoriels de rat avec celles du récepteur P2X3 exprimé dans les neurones sensoriels de singe.