Roles and regulations of ASIC1b ion channels in pain

Description

Acid-Sensing Ion Channels (ASIC) are trimeric excitatory ion channels activated by extracellular acidification, a phenomenom often encountered in painful pathological diseases. Several members of this family (ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b and ASIC3) can form functional ion channels expressed mainly in the nervous system. Among them, ASIC1b is characterized by its restrain expression in peripheral sensory neurons, responsible for the detection of noxious stimuli. But the implication of ASIC1b in pain has remained elusive for a long time because of the lack of tools needed to study its role. However, the recent identification of mambalgins, a set of peptides extracted from a snake venom and able to block ASIC1a and ASIC1b, has contributed to show for the first time the implication of ASIC1b in acute, inflammatory and neuropathic pain in mice. First, I studied the possible involvement of ASIC1b in migraine. I have shown that in an acute and chronic migraine model in rat, ASIC1a and ASIC1b blockade with mambalgin and amiloride, a non-specific blocker of ASIC channels, abolished the facial and extra-facial cutaneous allodynia, a very common and disabling migraine symptom. Those affects are as effective as the ones induced by the reference migraine treatments. Recurrent blockade of ASIC with mambalgin is able to limit the establishment of cutaneous allodynia related to chronic migraine. Those anti-allodynic effects are fully conserved in ASIC1a Knoc-out mouse in a model of chronic migraine, thus indirectly showing a critical role of ASIC1b. In a second part, I have looked into the possible cellular and molecular mechanisms targeting ASIC1b and explaining its potent implication in pathological pain. I have found that several intracellular signaling pathways are able to positively modulate ASIC1b. Among them, The C-Jun N-terminal Kinases (JNK) was the most promising. JNK potentiates ASIC1b, ASIC3 and heteromeric channels containing at least one of these subunits. ASIC currents obtained from primary culture of sensory neurons are also regulated. Interestingly, JNK regulates rat but not mouse ASIC3, thus making ASIC1b the potential sole target of this regulation in this specie. Thus, my thesis work extends the repertoire of painful pathological diseases where ASIC1b is involved. I have identified the intracellular signaling pathway JNK as a new mechanism of regulation of ASIC and especially ASIC1b. This work provides the first explaination at the molecular level on the mechanisms governing the critical implication of ASIC1b in pain.

Abstract (French)

Les canaux ASIC (Acid-Sensing Ion Channel) sont des canaux ioniques excitateurs activés par une acidification extracellulaire, un phénomène couramment rencontré lors de pathologies douloureuses. Différentes sous-unités, à savoir ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b et ASIC3 vont s'associer pour former des canaux trimériques fonctionnels. Le canal ASIC1b se distingue par son expression confinée au sein des neurones sensoriels périphériques, responsables de la détection des stimuli nocifs. Mais, le rôle de ce canal dans la douleur est longtemps resté méconnu du fait de l'absence d'outils permettant son étude. Néanmoins, l'identification récente d'agents pharmacologiques, les mambalgines, des peptides extraits d'un venin de serpent et capables de bloquer ces canaux ont permis de démontrer pour la première fois l'implication d'ASIC1b dans la douleur aigue, inflammatoire et neuropathique chez la souris. Dans une première partie, j'ai pu démontrer dans un modèle de migraine aigue et chronique chez le rat que le blocage des canaux ASIC1a et ASIC1b périphériques, via la mambalgine et un bloqueur des ASIC non-spécifique, l'amiloride, pouvait supprimer l'allodynie cutanée faciale et extra-faciale, un symptôme récurrent et invalidant rencontré par la plupart des patients migraineux. Ces effets se sont avérés aussi efficaces que les traitements de référence. Enfin, les effets anti-allodynique de la mambalgine sont conservés dans un modèle de migraine chronique chez des souris invalidées génétiquement pour ASIC1a, impliquant donc indirectement ASIC1b dans ces effets. Dans un second temps, je me suis penché sur les propriétés biophysiques et pharmacologiques d'ASIC1b, et sur ses possibles régulations en lien avec son implication pathophysiologique dans la douleur. J'ai démontré que plusieurs voies de signalisation cellulaire pouvaient moduler positivement l'activité des canaux ASIC1b, notamment la voie C-Jun N-terminal Kinases (JNK). JNK potentialise les canaux recombinants ASIC1b, ASIC3 et les hétéromères contenant au moins l'une de ces deux sous-unités. Les courants ASIC obtenus dans des neurones sensoriels en culture sont très majoritairement potentialisés par JNK. De façon intéressante, JNK régule ASIC3 chez le rat mais pas chez la souris, faisant potentiellement d'ASIC1b la cible principale chez cette espèce. Mon travail de thèse a ainsi permis d'étendre le panel de pathologies douloureuses où ASIC1b est impliqué. J'ai identifié une nouvelle régulation cellulaire via la voie JNK et ciblant les canaux ASIC, en particulier ASIC1b. Ces travaux fournissent une première explication au niveau moléculaire sur les mécanismes sous-tendant l'importante implication d'ASIC1b dans la douleur.

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