Abstract Molecular neurobiological insight into human nervous tissues is needed to generate next-generation therapeutics for neurological disorders such as chronic pain. We obtained human dorsal root ganglia (hDRG) samples from organ donors and performed RNA-sequencing (RNA-seq) to study the hDRG transcriptional landscape, systematically comparing it with publicly available data from a variety of human and orthologous mouse tissues, including mouse DRG (mDRG). We characterized the hDRG transcriptional profile in terms of tissue-restricted gene coexpression patterns and putative transcriptional regulators, and formulated an information-theoretic framework to quantify DRG enrichment. Relevant gene families and pathways were also analyzed, including transcription factors, G-protein-coupled receptors, and ion channels. Our analyses reveal an hDRG-enriched protein-coding gene set (∼140), some of which have not been described in the context of DRG or pain signaling. Most of these show conserved enrichment in mDRG and were mined for known drug–gene product interactions. Conserved enrichment of the vast majority of transcription factors suggests that the mDRG is a faithful model system for studying hDRG, because of evolutionarily conserved regulatory programs. Comparison of hDRG and tibial nerve transcriptomes suggests trafficking of neuronal mRNA to axons in adult hDRG, and are consistent with studies of axonal transport in rodent sensory neurons. We present our work as an online, searchable repository (https://www.utdallas.edu/bbs/painneurosciencelab/sensoryomics/drgtxome), creating a valuable resource for the community. Our analyses provide insight into DRG biology for guiding development of novel therapeutics and a blueprint for cross-species transcriptomic analyses.

Nociceptors are specialized sensory neurons that detect damaging or potentially damaging stimuli and are found in the dorsal root ganglia (DRG) and trigeminal ganglia. These neurons are critical for the generation of neuronal signals that ultimately create the perception of pain. Nociceptors are also primary targets for treating acute and chronic pain. Single-cell transcriptomics on mouse nociceptors has transformed our understanding of pain mechanisms. We sought to generate equivalent information for human nociceptors with the goal of identifying transcriptomic signatures of nociceptors, identifying species differences and potential drug targets. We used spatial transcriptomics to molecularly characterize transcriptomes of single DRG neurons from eight organ donors. We identified 12 clusters of human sensory neurons, 5 of which are C nociceptors, as well as 1 C low-threshold mechanoreceptors (LTMRs), 1 Aβ nociceptor, 2 Aδ, 2 Aβ, and 1 proprioceptor subtypes. By focusing on expression profiles for ion channels, G protein–coupled receptors (GPCRs), and other pharmacological targets, we provided a rich map of potential drug targets in the human DRG with direct comparison to mouse sensory neuron transcriptomes. We also compared human DRG neuronal subtypes to nonhuman primates showing conserved patterns of gene expression among many cell types but divergence among specific nociceptor subsets. Last, we identified sex differences in human DRG subpopulation transcriptomes, including a marked increase in calcitonin-related polypeptide alpha ( CALCA ) expression in female pruritogen receptor–enriched nociceptors. This comprehensive spatial characterization of human nociceptors might open the door to development of better treatments for acute and chronic pain disorders.

Neuropathic pain encompasses a diverse array of clinical entities affecting 7-10% of the population, which is challenging to adequately treat. Several promising therapeutics derived from molecular discoveries in animal models of neuropathic pain have failed to translate following unsuccessful clinical trials suggesting the possibility of important cellular-level and molecular differences between animals and humans. Establishing the extent of potential differences between laboratory animals and humans, through direct study of human tissues and/or cells, is likely important in facilitating translation of preclinical discoveries to meaningful treatments. Patch-clamp electrophysiology and RNA-sequencing was performed on dorsal root ganglia taken from patients with variable presence of radicular/neuropathic pain. Findings establish that spontaneous action potential generation in dorsal root ganglion neurons is associated with radicular/neuropathic pain and radiographic nerve root compression. Transcriptome analysis suggests presence of sex-specific differences and reveals gene modules and signalling pathways in immune response and neuronal plasticity related to radicular/neuropathic pain that may suggest therapeutic avenues and that has the potential to predict neuropathic pain in future cohorts.

Abstract Nociceptors are specialized sensory neurons that detect damaging or potentially damaging stimuli and are found in the dorsal root (DRG) and trigeminal ganglia. These neurons are critical for the generation of neuronal signals that ultimately create the perception of pain. These neurons are also primary targets for acute and chronic pain therapeutics. Single-cell transcriptomics on mouse nociceptors has transformed our understanding of pain mechanisms. We sought to generate equivalent information for human nociceptors with the goal of identifying transcriptomic signatures of nociceptors, identifying species differences and elucidating new drug targets. We used spatial transcriptomics to molecularly characterize transcriptomes of single dorsal root ganglion (DRG) neurons from 8 organ donors. We identified 12 clusters of human sensory neurons, 5 of which are C nociceptors; as well as 1 Aβ nociceptor, 2 Aδ, 2 Aβ and 1 proprioceptor subtypes. By focusing on expression profiles for ion channels, G-protein coupled receptors (GPCRs) and other pharmacological targets, we provide a rich map of drug targets in the human DRG with direct comparison to mouse sensory neuron transcriptomes. We also compare human DRG neuronal subtypes to non-human primates showing conserved patterns of gene expression among many cell types, but divergence among specific nociceptor subsets. Finally, we identify sex differences in human DRG subpopulation transcriptomes, including a marked increase in CALCA expression in female pruritogen receptor enriched nociceptors. Our data open the door to development of drug discovery programs for new pain targets and unparalleled molecular characterization of clinical sensory disorders. One Sentence Summary We used spatial transcriptomics to molecularly characterize human sensory neurons, comparing them to mouse and non-human primate finding similarities but also divergence, in particular among drug targets.

Itch is an unpleasant sensation that evokes a desire to scratch. The skin barrier is constantly exposed to microbes and their products. However, the role of microbes in itch generation is unknown. Here, we show that Staphylococcus aureus, a bacterial pathogen associated with itchy skin diseases, directly activates pruriceptor sensory neurons to drive itch. Epicutaneous S. aureus exposure causes robust itch and scratch-induced damage. By testing multiple isogenic bacterial mutants for virulence factors, we identify the S. aureus serine protease V8 as a critical mediator in evoking spontaneous itch and alloknesis. V8 cleaves proteinase-activated receptor 1 (PAR1) on mouse and human sensory neurons. Targeting PAR1 through genetic deficiency, small interfering RNA (siRNA) knockdown, or pharmacological blockade decreases itch and skin damage caused by V8 and S. aureus exposure. Thus, we identify a mechanism of action for a pruritogenic bacterial factor and demonstrate the potential of inhibiting V8-PAR1 signaling to treat itch.

Abstract SARS-CoV-2 has created a global crisis. COVID-19, the disease caused by the virus, is characterized by pneumonia, respiratory distress and hypercoagulation and is often fatal 1 . An early sign of infection is loss of smell, taste and chemesthesis - loss of chemical sensation 2 . Other neurological effects of the disease have been described, but not explained 3,4 . We show that human dorsal root ganglion (DRG) neurons express the SARS-CoV-2 receptor 5,6 , ACE2. ACE2 mRNA is expressed by a subset of nociceptors that express MRGPRD mRNA suggesting that SARS-CoV-2 may gain access to the nervous system through entry into neurons that form free-nerve endings at the outer-most layers of skin and luminal organs. Therefore, sensory neurons are a potential target for SARS-CoV-2 invasion of the nervous system.

ABSTRACT Background There are clinically relevant sex differences in acute and chronic pain mechanisms, but we are only beginning to understand their mechanistic basis. Transcriptome analyses of rodent whole dorsal root ganglion (DRG) have revealed sex differences, mostly in immune cells. We examined the transcriptome and translatome of the mouse DRG with the goal of identifying sex differences. Methods We used Translating Ribosome Affinity Purification (TRAP) sequencing and behavioral pharmacology to test the hypothesis that nociceptor (Nav1.8 expressing neurons) translatomes would differ by sex. Results We found 66 genes whose mRNA were sex-differentially bound to nociceptor ribosomes. Many of these genes have known neuronal functions but have not been explored in sex differences in pain. We focused on Ptgds , which was increased in female mice. The mRNA encodes the prostaglandin D 2 (PGD 2 ) synthesizing enzyme. We observed increased Ptgds protein and PGD 2 in female mouse DRG. The Ptgds inhibitor AT-56 caused intense pain behaviors in male mice but was only effective at high doses in females. Conversely, female mice responded more robustly to another major prostaglandin, PGE 2 , than did male mice. Ptgds protein expression was also higher in female cortical neurons, suggesting DRG findings may be generalizable to other nervous system structures. Conclusions Nociceptor TRAP sequencing (TRAP-seq) reveals unexpected sex differences in one of the oldest known nociceptive signaling molecule families, the prostaglandins. Our results demonstrate that translatome analysis reveals physiologically relevant sex differences important for fundamental protective behaviors driven by nociceptors.

Sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli to the central nervous system. Single-cell RNA sequencing has provided insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, nonhuman primates, and humans, but it remains difficult to compare cell types across studies and species. We thus constructed harmonized atlases of the DRG and TG that describe and facilitate comparison of 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across six species and 31 datasets. We then performed single-cell/nucleus RNA sequencing of DRG from both human and the highly regenerative axolotl and found that the harmonized atlas also improves cell type annotation, particularly of sparse neuronal subtypes. We observed that the transcriptomes of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The resources presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell-type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future analgesic development.

Abstract Peripheral sensory neurons are characterized by their size, molecular profiles, and physiological responses to specific stimuli. In mouse, the peptidergic and non-peptidergic subsets of nociceptors are distinct and innervate different lamina of the spinal dorsal horn. The unique molecular signature and neuroanatomical organization of these neurons supports a labeled line theory for certain types of nociceptive stimuli. However, long standing evidence supports the polymodal nature of nociceptors in many species. We have recently shown that the peptidergic marker, CGRP, and the non-peptidergic marker, P2X3R, show largely overlapping expression at the mRNA level in human dorsal root ganglion (DRG). Herein, our aim was to assess the protein distribution of nociceptor markers, including their central projections, in the human DRG and spinal cord. Using DRGs obtained from organ donors, we observed that CGRP and P2X3R were co-expressed by approximately 33% of human DRG neurons and TrpV1 was expressed in ~60% of human DRG neurons. In the dorsal spinal cord, CGRP, P2X3R, TrpV1 and Nav1.7 protein stained the entirety of lamina II, with only P2XR3 showing a gradient of expression. This was confirmed by measuring the size of the substantia gelatinosa using Hematoxylin and Eosin staining of adjacent sections. Our findings are consistent with the known polymodal nature of most primate nociceptors and indicate that the central projection patterns of nociceptors are different between mice and humans. Elucidating how human nociceptors connect to subsets of dorsal horn neurons will be important for understanding the physiological consequences of these species differences.

Summary Key mechanisms underlying chronic pain occur within the neural circuitry of the dorsal horn. Recent genome-wide association studies (GWAS) have identified genetic variants associated with the predisposition to chronic pain. However, most of these variants lie in regulatory non-coding regions that have so far not been linked to spinal cord function. Here, we take a multi-species approach to determine whether chronic pain variants impact regulatory elements of dorsal horn neurons. We first built a more comprehensive single cell atlas; filling gaps by generating a high-quality Rhesus macaque atlas and integrating it with human and mouse. With cellular-resolution spatial transcriptomics, we mapped the laminar distributions of the resulting species-conserved neuron subtypes, uncovering an unexpected organization. Lastly, we generated a mouse single-nucleus open chromatin atlas to partition the heritability of chronic pain traits. From this, we identified strong, selective associations between specific, conserved neuron subtypes and major forms of chronic pain.