The complete inability to sense pain in an otherwise healthy individual is a very rare phenotype. In three consanguineous families from northern Pakistan, we mapped the condition as an autosomal-recessive trait to chromosome 2q24.3. This region contains the gene SCN9A, encoding the alpha-subunit of the voltage-gated sodium channel, Na(v)1.7, which is strongly expressed in nociceptive neurons. Sequence analysis of SCN9A in affected individuals revealed three distinct homozygous nonsense mutations (S459X, I767X and W897X). We show that these mutations cause loss of function of Na(v)1.7 by co-expression of wild-type or mutant human Na(v)1.7 with sodium channel beta(1) and beta(2) subunits in HEK293 cells. In cells expressing mutant Na(v)1.7, the currents were no greater than background. Our data suggest that SCN9A is an essential and non-redundant requirement for nociception in humans. These findings should stimulate the search for novel analgesics that selectively target this sodium channel subunit.

Mice lacking the mechanically activated ion channel Piezo2 in both sensory neurons and Merkel cells are almost totally incapable of light-touch sensation while other somatosensory functions, such as mechanical nociception, remain intact, implying that other mechanically activated ion channels must now be identified to account for painful touch sensation. Recent decades have seen the mechanisms of sensing photons (vision), chemicals (olfaction, taste) and temperature (thermosensation) elucidated in some detail. The sense of touch, implying the transduction of mechanical forces into electrical signals, is less well understood. Here Ardem Patapoutian and colleagues show that mice lacking the mechanically activated ion channel Piezo2 in both sensory neurons and in Merkel cells, a type of modified skin cell, are almost totally incapable of light-touch sensation. As the mice are intact in other somatosensory functions such as mechanical nociception, the work implies that other mechanically activated ion channels must now be identified to account for painful touch sensation. The sense of touch provides critical information about our physical environment by transforming mechanical energy into electrical signals1. It is postulated that mechanically activated cation channels initiate touch sensation, but the identity of these molecules in mammals has been elusive2. Piezo2 is a rapidly adapting, mechanically activated ion channel expressed in a subset of sensory neurons of the dorsal root ganglion and in cutaneous mechanoreceptors known as Merkel-cell–neurite complexes3,4. It has been demonstrated that Merkel cells have a role in vertebrate mechanosensation using Piezo2, particularly in shaping the type of current sent by the innervating sensory neuron4,5,6; however, major aspects of touch sensation remain intact without Merkel cell activity4,7. Here we show that mice lacking Piezo2 in both adult sensory neurons and Merkel cells exhibit a profound loss of touch sensation. We precisely localize Piezo2 to the peripheral endings of a broad range of low-threshold mechanoreceptors that innervate both hairy and glabrous skin. Most rapidly adapting, mechanically activated currents in dorsal root ganglion neuronal cultures are absent in Piezo2 conditional knockout mice, and ex vivo skin nerve preparation studies show that the mechanosensitivity of low-threshold mechanoreceptors strongly depends on Piezo2. This cellular phenotype correlates with an unprecedented behavioural phenotype: an almost complete deficit in light-touch sensation in multiple behavioural assays, without affecting other somatosensory functions. Our results highlight that a single ion channel that displays rapidly adapting, mechanically activated currents in vitro is responsible for the mechanosensitivity of most low-threshold mechanoreceptor subtypes involved in innocuous touch sensation. Notably, we find that touch and pain sensation are separable, suggesting that as-yet-unknown mechanically activated ion channel(s) must account for noxious (painful) mechanosensation.

Paroxysmal extreme pain disorder (PEPD), previously known as familial rectal pain (FRP, or OMIM 167400), is an inherited condition characterized by paroxysms of rectal, ocular, or submandibular pain with flushing. A genome-wide linkage search followed by mutational analysis of the candidate gene SCN9A, which encodes hNa(v)1.7, identified eight missense mutations in 11 families and 2 sporadic cases. Functional analysis in vitro of three of these mutant Na(v)1.7 channels revealed a reduction in fast inactivation, leading to persistent sodium current. Other mutations in SCN9A associated with more negative activation thresholds are known to cause primary erythermalgia (PE). Carbamazepine, a drug that is effective in PEPD, but not PE, showed selective block of persistent current associated with PEPD mutants, but did not affect the negative activation threshold of a PE mutant. PEPD and PE are allelic variants with distinct underlying biophysical mechanisms and represent a separate class of peripheral neuronal sodium channelopathy.

Nine voltage-gated sodium channels are expressed in complex patterns in mammalian nerve and muscle. Three channels, Na v 1.7, Na v 1.8, and Na v 1.9, are expressed selectively in peripheral damage-sensing neurons. Because there are no selective blockers of these channels, we used gene ablation in mice to examine the function of Na v 1.7 (PN1) in pain pathways. A global Na v 1.7-null mutant was found to die shortly after birth. We therefore used the Cre-loxP system to generate nociceptor-specific knockouts. Na v 1.8 is only expressed in peripheral, mainly nociceptive, sensory neurons. We knocked Cre recombinase into the Na v 1.8 locus to generate heterozygous mice expressing Cre recombinase in Na v 1.8-positive sensory neurons. Crossing these animals with mice where Na v 1.7 exons 14 and 15 were flanked by loxP sites produced nociceptor-specific knockout mice that were viable and apparently normal. These animals showed increased mechanical and thermal pain thresholds. Remarkably, all inflammatory pain responses evoked by a range of stimuli, such as formalin, carrageenan, complete Freund's adjuvant, or nerve growth factor, were reduced or abolished. A congenital pain syndrome in humans recently has been mapped to the Na v 1.7 gene, SCN9A . Dominant Na v 1.7 mutations lead to edema, redness, warmth, and bilateral pain in human erythermalgia patients, confirming an important role for Na v 1.7 in inflammatory pain. Nociceptor-specific gene ablation should prove useful in understanding the role of other broadly expressed genes in pain pathways.

Neuropathic pain arises as a debilitating consequence of nerve injury. The etiology of such pain is poorly understood, and existing treatment is largely ineffective. We demonstrate here that glial cell line–derived neurotrophic factor (GDNF) both prevented and reversed sensory abnormalities that developed in neuropathic pain models, without affecting pain-related behavior in normal animals. GDNF reduces ectopic discharges within sensory neurons after nerve injury. This may arise as a consequence of the reversal by GDNF of the injury-induced plasticity of several sodium channel subunits. Together these findings provide a rational basis for the use of GDNF as a therapeutic treatment for neuropathic pain states.

In mice, it is possible to induce a psoriasis-like condition by applying imiquimod; here, the production of interleukin-23 that is stimulated by such skin inflammation is shown to depend on the interaction of nociceptors expressing the Nav1.8 and TRPV1 channels with skin-resident dendritic cells. Repeated topical application of the antiviral immune modifier imiquimod (IMQ) to murine skin provokes interleukin-23-mediated inflammatory lesions that resemble human psoriasis. Ulrich von Andrian and colleagues show that the production of skin inflammation in this disease model depends on the interaction of a subset of sensory neurons expressing the ion channels TRPV1 and Nav1.8 with skin-resident dendritic cells. Taken together with other recent work, this finding suggests a scenario in which noxious pain fibres integrate environmental signals to modulate local immune responses to a variety of infectious and pro-inflammatory stimuli. The skin has a dual function as a barrier and a sensory interface between the body and the environment. To protect against invading pathogens, the skin harbours specialized immune cells, including dermal dendritic cells (DDCs) and interleukin (IL)-17-producing γδ T (γδT17) cells, the aberrant activation of which by IL-23 can provoke psoriasis-like inflammation1,2,3,4. The skin is also innervated by a meshwork of peripheral nerves consisting of relatively sparse autonomic and abundant sensory fibres. Interactions between the autonomic nervous system and immune cells in lymphoid organs are known to contribute to systemic immunity, but how peripheral nerves regulate cutaneous immune responses remains unclear5,6. We exposed the skin of mice to imiquimod, which induces IL-23-dependent psoriasis-like inflammation7,8. Here we show that a subset of sensory neurons expressing the ion channels TRPV1 and Nav1.8 is essential to drive this inflammatory response. Imaging of intact skin revealed that a large fraction of DDCs, the principal source of IL-23, is in close contact with these nociceptors. Upon selective pharmacological or genetic ablation of nociceptors9,10,11, DDCs failed to produce IL-23 in imiquimod-exposed skin. Consequently, the local production of IL-23-dependent inflammatory cytokines by dermal γδT17 cells and the subsequent recruitment of inflammatory cells to the skin were markedly reduced. Intradermal injection of IL-23 bypassed the requirement for nociceptor communication with DDCs and restored the inflammatory response12. These findings indicate that TRPV1+Nav1.8+ nociceptors, by interacting with DDCs, regulate the IL-23/IL-17 pathway and control cutaneous immune responses.