We report that diazepam binding inhibitor (DBI) is a glial messenger mediating satellite glia-sensory neuron crosstalk in the dorsal root ganglion (DRG). DBI is highly expressed in satellite glia cells (SGCs) of mice, rat and human, but not in sensory neurons or most other DRG-resident cells. Knockdown of DBI results in a robust mechanical hypersensitivity without major effects on other sensory modalities. In vivo overexpression of DBI in SGCs reduces sensitivity to mechanical stimulation and alleviates mechanical allodynia in neuropathic and inflammatory pain models. We further show that DBI acts as an unconventional agonist and positive allosteric modulator at the neuronal GABAA receptors, particularly strongly effecting those with a high-affinity benzodiazepine binding site. Such receptors are selectively expressed by a subpopulation of mechanosensitive DRG neurons and these are also more enwrapped with DBI-expressing glia, as compared to other DRG neurons, suggesting a mechanism for specific effect of DBI on mechanosensation. These findings identified a new, peripheral neuron-glia communication mechanism modulating pain signalling, which can be targeted therapeutically.

Abstract We report that diazepam binding inhibitor (DBI) is a glial messenger mediating satellite glia-sensory neuron crosstalk in the dorsal root ganglion (DRG). DBI is highly and specifically expressed in satellite glia cells (SGCs) of mice, rat and human, but not in sensory neurons or other DRG-resident cells. Knockdown of DBI results in a robust mechanical hypersensitivity without significant effects on other sensory modalities. In vivo overexpression of DBI in SGCs reduces sensitivity to mechanical stimulation and alleviates mechanical allodynia in neuropathic and inflammatory pain models. We further show that DBI acts as a partial agonist and positive allosteric modulator at the neuronal GABA A receptors, particularly strongly effecting those with a high-affinity benzodiazepine binding site. Such receptors are selectively expressed by a subpopulation of mechanosensitive DRG neurons and these are also more enwrapped with DBI-expressing glia, as compared to other DRG neurons, suggesting a mechanism for specific effect of DBI on mechanosensation. These findings identified a new, peripheral neuron-glia communication mechanism modulating pain signalling, which can be targeted therapeutically.

Junctions of endoplasmic reticulum and plasma membrane (ER-PM junctions) serve as signaling hubs in prokaryotic cells. ER-PM junctions are present in peripheral sensory neurons and are necessary for pro-inflammatory G protein coupled receptor signalling and for inflammatory pain generation. Yet, the principles of ER-PM junctions assembly and maintenance, as well as their role in inflammatory signaling in sensory neurons are only beginning to emerge. Here we discovered that a member of the junctophilin family of proteins, JPH4, is abundantly expressed in rat dorsal root ganglion (DRG) neurons and is necessary for the formation of store operated Ca2+ entry (SOCE) complex at the ER-PM junctions in response to the G-protein induced ER Ca2+ store depletion. Furthermore, we demonstrate a key role of the JPH4 and ER Ca2+ stores in the maintenance of inflammatory pain. Indeed, knockdown of JPH4 expression in DRG in vivo significantly reduced the duration of pain produced by inflammatory mediator bradykinin. Since the ER supplies Ca2+ for the excitatory action of multiple inflammatory mediators, we suggest that junctional Ca2+ signalling maintained by JPH4 is an important contributor to the inflammatory pain mechanisms.

ABSTRACT Neuronal K V 7 channels, important regulators of cell excitability, are among the most sensitive proteins to reactive oxygen species. The S2S3 linker of the voltage sensor was reported as a site mediating redox modulation of the channels. Recent structural insights reveal potential interactions between this linker and the Ca 2+ -binding loop of the third EF-hand of calmodulin (CaM), which embraces an antiparallel fork formed by the C-terminal helices A and B. We found that precluding Ca 2+ binding to the EF3 hand, but not to EF1, EF2 or EF4 hands, abolishes oxidation-induced enhancement of K v 7.4 currents. Monitoring FRET between helices A and B tagged with fluorescent proteins, we observed that S2S3 peptides cause a reversal of the signal in the presence of Ca 2+ , but have no effect in the absence of this cation or if the peptide is oxidized. The capacity of loading EF3 with Ca 2+ is essential for this reversal of the FRET signal, whereas the consequences of obliterating Ca 2+ binding to EF1, EF2 or EF4 are negligible. Furthermore, we show that EF3 is necessary and sufficient to translate Ca 2+ signals to reorient the AB fork. Our data is consistent with the proposal that oxidation of cysteine residues in the S2S3 loop relieves K v 7 channels from a constitutive inhibition imposed by interactions between the EF3 hand of CaM which is necessary and sufficient for this signaling. Significance Oxidation-dependent enhancement of the K V 7/M-channels plays a cytoprotective role in neurons. Here, we show that calmodulin (CaM), the main protein that conveys information from transient intracellular Ca 2+ oscillations, plays a critical role in oxidative signal transduction. The prevailing view is that the main role of the EF-hands is to respond to Ca 2+ and that the two EF-hands of CaM in each lobe act in coordination during signaling. We find that EF3 by itself is sufficient and necessary for the oxidative response of K v 7 channel complex and for gating the Calcium Responsive Domain of K v 7 channels. In addition, the direction of EF3-dependent signaling can be reversed by protein-protein interactions with solvent exposed regions outside the target binding groove between EF-hands.

Abstract Accumulating observations suggest that peripheral somatosensory ganglia may regulate nociceptive transmission, yet direct evidence is sparse. Here we show that the peripheral afferent nociceptive information undergoes dynamic filtering within the dorsal root ganglion (DRG) and suggest that this filtering occurs at the axonal bifurcations (t-junctions). Using synchronous in vivo electrophysiological recordings from the peripheral and central processes of sensory neurons (in the spinal nerve and dorsal root), ganglionic transplantation of GABAergic progenitor cells, and optogenetics we demonstrate existence of tonic and dynamic filtering of action potentials traveling through the DRG. Filtering induced by focal application of GABA or optogenetic GABA release from the DRG-transplanted GABAergic progenitor cells was specific to nociceptive fibers. Light-sheet imaging and computer modeling demonstrated that, compared to other somatosensory fiber types, nociceptors have shorter stem axons, making somatic control over t-junctional filtering more efficient. Optogenetically-induced GABA release within DRG from the transplanted GABAergic cells enhanced filtering and alleviated hypersensitivity to noxious stimulation produced by chronic inflammation and neuropathic injury in vivo . These findings support ‘gating’ of pain information by DRGs and suggest new therapeutic approaches for pain relief.