ABSTRACT Mechanically activated Piezo2 channels are key mediators of light touch and proprioception in mice and humans. Relatively little is known about what other proteins regulate Piezo2 activity in a cellular context. TACAN (TMEM120A) was proposed to act as a high threshold mechanically activated ion channel in nociceptive dorsal root ganglion (DRG) neurons. Here we find that TACAN co-expression robustly reduced mechanically activated Piezo2 currents, but did not inhibit mechanically activated Piezo1 and TREK1 currents. TACAN co-expression did not affect cell surface expression of either Piezo1 or Piezo2 and did not have major effects on the cortical actin or tubulin cytoskeleton. TACAN expression alone did not result in the appearance of mechanically activated currents above background. In addition, TACAN and Piezo2 expression in DRG neurons overlapped, and siRNA mediated knockdown of TACAN did not decrease the proportion of slowly adapting mechanically activated currents, but resulted in an increased proportion of rapidly adapting currents. Our data do not support TACAN being a mechanically activated ion channel, and identify it as a negative modulator of Piezo2 channel activity.

ABSTRACT TRPV1 promotes cationic currents across cellular membranes in response to multiple stimuli such as increased temperature, binding of chemicals, low pH and voltage. The molecular underpinnings of TRPV1 gating, in particular the mechanism of temperature sensitivity, are still largely unknown. Here, we used molecular simulations and electrophysiology to shed light on the closed to open transition. Specifically, we found that gating of TRPV1 relies on the motion of an evolutionarily conserved amino acid (N676) in the middle of the S6 helix. On rotation, the side chain of this asparagine faces either the central pore or the S4-S5 linker. Only in the former case is the central pore hydrated and thus conductive. Interestingly, when N676 rotates toward the linker, we observe hydration of four so far unreported small nonpolar cavities. Based on these findings, we propose a model for TRPV1 gating involving the dynamic hydration of these four cavities. Free energy calculations indicate that this gating mechanisms is markedly temperature dependent favoring the open state at high temperature. On the basis of this model, which is able to rationalize a wealth of seemingly conflicting and/or unrelated experimental observations, we predicted the behavior of two single residue mutants, M572A and F580Y, the consequences of which we confirmed experimentally.

Mechanosensitive PIEZO2 ion channels play roles in touch, proprioception, and inflammatory pain. Currently, there are no small molecule inhibitors that selectively inhibit PIEZO2 over PIEZO1. The TMEM120A protein was shown to inhibit PIEZO2 while leaving PIEZO1 unaffected. Here we find that TMEM120A expression elevates cellular levels of phosphatidic acid and lysophosphatidic acid (LPA), aligning with its structural resemblance to lipid-modifying enzymes. Intracellular application of phosphatidic acid or LPA inhibited PIEZO2, but not PIEZO1 activity. Extended extracellular exposure to the non-hydrolyzable phosphatidic acid and LPA analogue carbocyclic phosphatidic acid (ccPA) also inhibited PIEZO2. Optogenetic activation of phospholipase D (PLD), a signaling enzyme that generates phosphatidic acid, inhibited PIEZO2, but not PIEZO1. Conversely, inhibiting PLD led to increased PIEZO2 activity and increased mechanical sensitivity in mice in behavioral experiments. These findings unveil lipid regulators that selectively target PIEZO2 over PIEZO1, and identify the PLD pathway as a regulator of PIEZO2 activity.

Mechanosensitive PIEZO2 ion channels play roles in touch, proprioception, and inflammatory pain. Currently, there are no small molecule inhibitors that selectively inhibit PIEZO2 over PIEZO1. The TMEM120A protein was shown to inhibit PIEZO2 while leaving PIEZO1 unaffected. Here we find that TMEM120A expression elevates cellular levels of phosphatidic acid and lysophosphatidic acid (LPA), aligning with its structural resemblance to lipid-modifying enzymes. Intracellular application of phosphatidic acid or LPA inhibits PIEZO2 but not PIEZO1 activity. Extended extracellular exposure to the non-hydrolyzable phosphatidic acid and LPA analog carbocyclic phosphatidic acid (ccPA) also inhibits PIEZO2. Optogenetic activation of phospholipase D (PLD), a signaling enzyme that generates phosphatidic acid, inhibits PIEZO2 but not PIEZO1. Conversely, inhibiting PLD leads to increased PIEZO2 activity and increased mechanical sensitivity in mice in behavioral experiments. These findings unveil lipid regulators that selectively target PIEZO2 over PIEZO1, and identify the PLD pathway as a regulator of PIEZO2 activity.

Dysregulation of mechanosensitive Piezo2 channels is a hallmark of mechanical allodynia, yet the cellular mechanisms that sensitize mechanoreceptors are still poorly understood. Activation of Gq-coupled receptors sensitizes Piezo2 currents, but whether Gi-coupled receptors regulate the activity of Piezo2 channels is not known. Here, we found that activation of Gi-coupled receptors potentiates Piezo2 currents in dorsal root ganglion (DRG) neurons and in heterologous systems, but inhibits Piezo1 currents in heterologous systems. The potentiation, or inhibition of Piezo currents is abolished when blocking Gβγ with the c-terminal domain of the beta-adrenergic kinase (βARKct). Pharmacological inhibition of kinases downstream of Gβγ, phosphoinositide 3-kinase (PI3K) and mitogen-activated protein kinase (MAPK), also abolished the potentiation of Piezo2 currents. Hence, our studies illustrate an indirect mechanism of action of Gβγ to sensitize Piezo2 currents after activation of Gi-coupled receptors.

ABSTRACT Transient Receptor Potential Melastatin 3 (TRPM3) is a Ca 2+ permeable non-selective cation channel activated by heat and chemical agonists such as pregnenolone sulfate and CIM0216. TRPM3 mutations in humans were recently reported to be associated with intellectual disability and epilepsy; the functional effects of those mutations however were not reported. Here we show that both disease-associated mutations of TRPM3 render the channel overactive, but likely via different mechanisms. The Val to Met substitution in the S4-S5 loop induced a larger increase in basal activity and agonist sensitivity at room temperature than the Pro to Gln substitution in the extracellular segment of S6. In contrast, heat activation was increased more by the S6 mutant than by the S4-S5 segment mutant. Both mutants were inhibited by the TRPM3 antagonist primidone, suggesting a potential therapeutic intervention to treat this disease.

Activation of G-protein coupled receptors (GPCRs) was proposed to inhibit the cold and menthol sensitive Transient Receptor Potential Melastatin 8 (TRPM8) channels via direct binding of G αq to the channel. It is well documented that TRPM8 requires the plasma membrane phospholipid phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate [PI(4,5)P2 or PIP2] for activity. It was claimed however that a decrease in cellular levels of this lipid does not contribute to channel inhibition upon receptor activation. Here we show that supplementing the whole cell patch pipette with PI(4,5)P2 reduced inhibition of TRPM8 by activation of Gq-coupled receptors in mouse dorsal root ganglion (DRG) neurons. Activation of the same receptors induced Phospholipase C (PLC) activation and decreased plasma membrane PI(4,5)P2 levels in these neurons. PI(4,5)P2 also reduced inhibition of TRPM8 by activation of heterologously expressed Gq-coupled muscarinic M1 receptors. Co-expression of a constitutively active G αq protein that does not couple to PLC inhibited TRPM8 activity, and in cells expressing this protein decreasing PI(4,5)P2 levels using a voltage sensitive 5-phosphatase induced a stronger inhibition of TRPM8 activity than in control cells. Our data indicate that PI(4,5)P2 depletion plays an important role in TRPM8 inhibition upon GPCR activation, and Gαq inhibits the channel by reducing its apparent affinity for PI(4,5)P2 and thus sensitizes the channel to inhibition by decreasing PI(4,5)P2 levels.

Although experimental structures of both the TRPV1 closed and open states are available, the conformational changes occurring in the pore domain and resulting in ionic conduction remain elusive. Here, we use bioinformatics analyses, molecular dynamics simulations and site-directed mutagenesis to shed light on this issue and suggest a possible molecular mechanism for TRPV1 activation. In light of our hypothesis, we re-examine the results of the previously published water accessibility and mutagenesis experiments, and analyze the newly available structures of TRP and other evolutionary related ion channels. Overall, we show that several independent lines of evidence corroborate our hypothesis, which highlights the rotation of a conserved asparagine toward the pore and the dehydration of hydrophobic cavities as key components of TRPV1 activation. Importantly, this molecular mechanism provides also a rationale for the coupling between the TRPV1 upper and lower gates.

Transient receptor potential vanilloid 2 (TRPV2) plays a critical role in neuronal development, cardiac function, immunity, and cancer. Cannabidiol (CBD), the non-psychotropic therapeutically active ingredient of Cannabis sativa , is a potent activator of TRPV2 and also modulates other transient receptor potential (TRP) channels. Here, we determined structures of the full-length TRPV2 channel in a CBD-bound state in detergent and in PI(4,5)P2 enriched nanodiscs by cryo-electron microscopy. CBD interacts with TRPV2 through a hydrophobic pocket located between S5 and S6 helices of adjacent subunits, which differs from known ligand and lipid binding sites in other TRP channels. Comparison between apo- and two CBD-bound TRPV2 structures reveals that the S4-S5 linker plays a critical role in channel gating upon CBD binding. The TRPV2 “vanilloid” pocket, which is critical for ligand-dependent gating in other TRPV channels, stays unoccupied by annular lipids, PI(4,5)P2, or CBD. Together these results provide a foundation to further understand TRPV channel gating properties and their divergent physiological functions and to accelerate structure-based drug design.

Opioids exert many of their acute effects through modulating ion channels via Gβγ subunits. Some of their side effects are attributed to β-arrestin recruitment, and several biased agonists that do not activate this pathway have been developed recently. Here we tested the effects of TRV130, PZM21 and herkinorin, three G-protein biased agonists of μ-opioid receptors (μOR), on ion channel targets. Compared to the full μOR agonist DAMGO, all three biased agonists induced smaller activation of G protein-coupled inwardly rectifying potassium channels (GIRK2), and smaller inhibition of Transient Receptor Potential Melastatin (TRPM3) channels. Furthermore, co-application of TRV130 or PZM21, but not herkinorin reduced the effects of DAMGO on both ion channels. CaV2.2 was also inhibited less by PZM21 and TRV130 than by DAMGO. TRV130, PZM21 and herkinorin were also less effective than DAMGO in inducing dissociation of the Gαi /Gβγ complex. We conclude that TRV130, PZM21 are partial agonists of μOR.