The vanilloid receptor VR1 is a nonselective cation channel that is most abundant in peripheral sensory fibers but also is found in several brain nuclei. VR1 is gated by protons, heat, and the pungent ingredient of "hot" chili peppers, capsaicin. To date, no endogenous compound with potency at this receptor comparable to that of capsaicin has been identified. Here we examined the hypothesis, based on previous structure-activity relationship studies and the availability of biosynthetic precursors, that N-arachidonoyl-dopamine (NADA) is an endogenous "capsaicin-like" substance in mammalian nervous tissues. We found that NADA occurs in nervous tissues, with the highest concentrations being found in the striatum, hippocampus, and cerebellum and the lowest concentrations in the dorsal root ganglion. We also gained evidence for the existence of two possible routes for NADA biosynthesis and mechanisms for its inactivation in rat brain. NADA activates both human and rat VR1 overexpressed in human embryonic kidney (HEK)293 cells, with potency (EC(50) approximately 50 nM) and efficacy similar to those of capsaicin. Furthermore, NADA potently activates native vanilloid receptors in neurons from rat dorsal root ganglion and hippocampus, thereby inducing the release of substance P and calcitonin gene-related peptide (CGRP) from dorsal spinal cord slices and enhancing hippocampal paired-pulse depression, respectively. Intradermal NADA also induces VR1-mediated thermal hyperalgesia (EC(50) = 1.5 +/- 0.3 microg). Our data demonstrate the existence of a brain substance similar to capsaicin not only with respect to its chemical structure but also to its potency at VR1 receptors.

Stress activates the neural systems that inhibit the sensation of pain, inducing natural analgesia. Some of these pathways involve natural opiates but now an endocannabinoid-based equivalent has been found. The enzymes that break up these natural marijuana-like compounds may be important therapeutic targets for stress-related disorders. Acute stress suppresses pain by activating brain pathways that engage opioid or non-opioid mechanisms. Here we show that an opioid-independent form of this phenomenon, termed stress-induced analgesia1, is mediated by the release of endogenous marijuana-like (cannabinoid) compounds in the brain. Blockade of cannabinoid CB1 receptors in the periaqueductal grey matter of the midbrain prevents non-opioid stress-induced analgesia. In this region, stress elicits the rapid formation of two endogenous cannabinoids, the lipids 2-arachidonoylglycerol2 (2-AG) and anandamide3. A newly developed inhibitor of the 2-AG-deactivating enzyme, monoacylglycerol lipase4,5, selectively increases 2-AG concentrations and, when injected into the periaqueductal grey matter, enhances stress-induced analgesia in a CB1-dependent manner. Inhibitors of the anandamide-deactivating enzyme fatty-acid amide hydrolase6, which selectively elevate anandamide concentrations, exert similar effects. Our results indicate that the coordinated release of 2-AG and anandamide in the periaqueductal grey matter might mediate opioid-independent stress-induced analgesia. These studies also identify monoacylglycerol lipase as a previously unrecognized therapeutic target.

Abstract Assembly of the hair bundle, the sensory organelle of the inner ear, depends on differential growth of actin-based stereocilia. Separate rows of stereocilia, labeled 1 through 3 from tallest to shortest, lengthen or shorten during discrete time intervals during development. We used lattice structured illumination microscopy and surface rendering of mouse apical inner hair cells to measure stereocilia dimensions during early postnatal development; these measurements revealed a sharp transition at postnatal day 8 between stage III (row 1 and 2 widening; row 2 shortening) and stage IV (final row 1 lengthening and widening). Tip proteins that determine row 1 lengthening did not accumulate simultaneously during stages III and IV; while the actin-bundling protein EPS8 peaked at the end of stage III, GNAI3 peaked several days later—in early stage IV—and GPSM2 peaked near the end of stage IV. To establish the contributions of key macromolecular assemblies to bundle structure, we examined mouse mutants that eliminated tip links ( Cdh23 v2J or Pcdh15 av3J ), transduction channels ( Tmie KO ), or the row 1 tip complex ( Myo15a sh2 ). Cdh23 v2J/v2J and Pcdh15 av3J/av3J bundles had adjacent stereocilia in the same row that were not matched in length, revealing that a major role of these cadherins is to synchronize lengths of side-by-side stereocilia. Use of the tip-link mutants also allowed us to distinguish the role of transduction from effects of transduction proteins themselves. While levels of GNAI3 and GPSM2, which stimulate stereocilia elongation, were greatly attenuated at the tips of Tmie KO/KO row 1 stereocilia, they accumulated normally in Cdh23 v2J/v2J and Pcdh15 av3J/av3J stereocilia. These results reinforced the suggestion that the transduction proteins themselves facilitate localization of proteins in the row 1 complex. By contrast, EPS8 concentrates at tips of all Tmie KO/KO , Cdh23 v2J/v2J and Pcdh15 av3J/av3J stereocilia, correlating with the less polarized distribution of stereocilia lengths in these bundles. These latter results indicated that in wild-type hair cells, the transduction complex prevents accumulation of EPS8 at the tips of shorter stereocilia, causing them to shrink (row 2 and 3) or disappear (row 4 and microvilli). Reduced rhodamine-actin labeling at row 2 stereocilia tips of tip-link and transduction mutants suggests that transduction’s role is to destabilize actin filaments there. These results suggest that regulation of stereocilia length occurs through EPS8, and that CDH23 and PCDH15 regulate stereocilia lengthening beyond their role in gating mechanotransduction channels.

GIPC3 has been implicated in auditory function. Initially localized to the cytoplasm of inner and outer hair cells of the cochlea, GIPC3 increasingly concentrated in cuticular plates and at cell junctions during postnatal development. Early postnatal Gipc3 KO/KO mice had mostly normal mechanotransduction currents, but had no auditory brainstem response at one month of age. Cuticular plates of Gipc3 KO/KO hair cells did not flatten during development as did those of controls; moreover, hair bundles were squeezed along the cochlear axis in mutant hair cells. Junctions between inner hair cells and adjacent inner phalangeal cells were also severely disrupted in Gipc3 KO/KO cochleas. GIPC3 bound directly to MYO6, and the loss of MYO6 led to altered distribution of GIPC3. Immunoaffinity purification of GIPC3 from chicken inner ear extracts identified co-precipitating proteins associated with adherens junctions, intermediate filament networks, and the cuticular plate. Several of immunoprecipitated proteins contained GIPC-family consensus PDZ binding motifs (PBMs), including MYO18A, which binds directly to the PDZ domain of GIPC3. We propose that GIPC3 and MYO6 couple to PBMs of cytoskeletal and cell-junction proteins to shape the cuticular plate.The PDZ-domain protein GIPC3 couples the molecular motors MYO6 and MYO18A to actin cytoskeleton structures in hair cells. GIPC3 is necessary for shaping the hair cell’s cuticular plate and hence the arrangement of the stereocilia in the hair bundle.

Electron cryo-tomography allows for high-resolution imaging of stereocilia in their native state. Because their actin filaments have a higher degree of order, we imaged stereocilia from mice lacking the actin crosslinker plastin 1 (PLS1). We found that while stereocilia actin filaments run 13 nm apart in parallel for long distances, there were gaps of significant size that were stochastically distributed throughout the actin core. Actin crosslinkers were distributed through the stereocilium, but did not occupy all possible binding sites. At stereocilia tips, protein density extended beyond actin filaments, especially on the side of the tip where a tip link should anchor. Along the shaft, repeating density was observed that corresponds to actin-to-membrane connectors. In the taper region, most actin filaments terminated near the plasma membrane. The remaining filaments twisted together to make a tighter bundle than was present in the shaft region; the spacing between them decreased from 13 nm to 9 nm. Our models illustrate detailed features of distinct structural domains that are present within the stereocilium.

Actin-rich structures like stereocilia and microvilli are assembled with precise control of length, diameter, and relative spacing. We found that developmental widening of the second-tallest stereocilia rank (row 2) of mouse inner hair cells correlated with the appearance of mechanotransduction. Correspondingly, Tmc1^KO/KO;Tmc2^KO/KO or Tmie^KO/KO hair cells, which lack transduction, have significantly altered stereocilia lengths and diameters. EPS8 and the short splice isoform of MYO15A, identity markers for row 1 (tallest), lost their row exclusivity in transduction mutants, a result that was mimicked by block of transduction channels. Likewise, the heterodimeric capping protein subunit CAPZB and its partner TWF2 lost their row 2 tip localization in mutants, and GNAI3 failed to accumulate at row 1 tips. Redistribution of marker proteins was accompanied by increased variability in stereocilia height. Transduction channels thus specify and maintain row identity and control addition of new actin filaments to increase stereocilia diameter.

High-resolution imaging of hair-cell stereocilia of the inner ear has contributed substantially to our understanding of auditory and vestibular function. To provide three-dimensional views of the structure of stereocilia cytoskeleton and membranes, we developed a method for rapidly freezing unfixed stereocilia on electron microscopy grids, which allowed subsequent 3D imaging by electron cryo-tomography. Structures of stereocilia tips, shafts, and tapers were revealed, demonstrating that the actin paracrystal was not perfectly ordered. This sample-preparation and imaging procedure will allow for examination of structural features of stereocilia in a near-native state.

Sensory hair cells require control of physical properties of their apical plasma membranes for normal development and function. Members of the ARF small GTPase family regulate membrane trafficking and cytoskeletal assembly in many cells. We identified ELMOD1, a guanine nucleoside triphosphatase activating protein (GAP) for ARF6, as the most highly enriched ARF regulator in hair cells. To characterize ELMOD1 control of trafficking, we used a mouse strain lacking functional ELMOD1 (roundabout; rda). In rda/rda mice, cuticular plates of utricle hair cells initially formed normally, then degenerated after postnatal day 5 (P5); large numbers of vesicles invaded the compromised cuticular plate. Hair bundles initially developed normally, but the cell's apical membrane lifted away from the cuticular plate, and stereocilia elongated and fused. Membrane trafficking in type I hair cells, measured by FM1-43 dye labeling, was altered in rda/rda mice. Consistent with the proposed GAP role for ELMOD1, the ARF6 GTP/GDP ratio was significantly elevated in rda/rda utricles as compared to controls, and the level of ARF6-GTP was correlated with the severity of the rda/rda phenotype. These results suggest that conversion of ARF6 to its GDP-bound form is necessary for final stabilization of the hair bundle.

Abstract Strategies to reveal the discovery of the relationships between novel phenotypic behaviors and specific genetic alterations can be achieved via either target-specific, directed mutagenesis or phenotypic selection following random chemical mutagenesis. As an alternative approach, one can exploit deficiencies in DNA repair pathways that are responsible for the maintenance of genetic integrity in response to spontaneously-induced damage. In the genetic background of mice deficient in the DNA glycosylase NEIL1, elevated numbers of spontaneous mutations arise from translesion DNA synthesis past unrepaired, oxidatively-induced base damage. Several litters of Neil1 knockout mice included animals that were distinguished by their backwards-walking behavior in open-field environments, while maintaining frantic forward movements in their home cage environment. Other phenotypic manifestations included swim test failures, head tilting, and circling. Mapping of the mutation that conferred these behaviors revealed the introduction of a stop codon at amino acid 4 of the Ush1g gene; the allele was Ush1g bw , reflecting the backwards-walking phenotype. Ush1g bw/bw null mice displayed auditory and vestibular defects that are commonly seen with mutations affecting inner-ear hair-cell function, including a complete lack of auditory brainstem responses and vestibular-evoked potentials. As in other Usher syndrome type I mutant mouse lines, hair-cell phenotypes included disorganized and split hair bundles, as well as altered distribution of proteins for stereocilia that localize to the tips of row 1 or row 2. Disruption to the bundle and kinocilium displacement suggested that USH1G is essential for forming the hair cell’s kinocilial links. Due to the vestibular dysfunction, however, visual behavior as measured with optokinetic tracking could not be assessed in Ush1g bw/bw mice. Consistent with other Usher type 1 models, however, Ush1g bw/bw mice had no substantial retinal degeneration compared to Ush1g bw /+ controls out to six months. In contrast to previously-described Ush1g alleles, this new allele provides the first knockout model for this gene.