Mammals have evolved neurophysiologic reflexes, such as coughing and scratching, to expel invading pathogens and noxious environmental stimuli. It is well established that these responses are also associated with chronic inflammatory diseases, including asthma and atopic dermatitis. However, the mechanisms by which inflammatory pathways promote sensations such as itch remain poorly understood. Here, we show that type 2 cytokines directly activate sensory neurons in both mice and humans. Further, we demonstrate that chronic itch is dependent on neuronal IL-4Rα and JAK1 signaling. We also observe that patients with recalcitrant chronic itch that failed other immunosuppressive therapies markedly improve when treated with JAK inhibitors. Thus, signaling mechanisms previously ascribed to the immune system may represent novel therapeutic targets within the nervous system. Collectively, this study reveals an evolutionarily conserved paradigm in which the sensory nervous system employs classical immune signaling pathways to influence mammalian behavior.

Summary

 The cellular and molecular mechanisms mediating histamine-independent itch in primary sensory neurons are largely unknown. Itch induced by chloroquine (CQ) is a common side effect of this widely used antimalarial drug. Here, we show that Mrgprs, a family of G protein-coupled receptors expressed exclusively in peripheral sensory neurons, function as itch receptors. Mice lacking a cluster of Mrgpr genes display significant deficits in itch induced by CQ but not histamine. CQ directly excites sensory neurons in an Mrgpr-dependent manner. CQ specifically activates mouse MrgprA3 and human MrgprX1. Loss- and gain-of-function studies demonstrate that MrgprA3 is required for CQ responsiveness in mice. Furthermore, MrgprA3-expressing neurons respond to histamine and coexpress gastrin-releasing peptide, a peptide involved in itch sensation, and MrgprC11. Activation of these neurons with the MrgprC11-specific agonist BAM8-22 induces itch in wild-type but not mutant mice. Therefore, Mrgprs may provide molecular access to itch-selective neurons and constitute novel targets for itch therapeutics.

Itch, the unpleasant sensation that evokes a desire to scratch, accompanies numerous skin and nervous system disorders. In many cases, pathological itch is insensitive to antihistamine treatment. Recent studies have identified members of the Mas-related G protein-coupled receptor (Mrgpr) family that are activated by mast cell mediators and promote histamine-independent itch. MrgprA3 and MrgprC11 act as receptors for the pruritogens chloroquine and BAM8-22, respectively. However, the signaling pathways and transduction channels activated downstream of these pruritogens are largely unknown. We found that TRPA1 is the downstream target of both MrgprA3 and MrgprC11 in cultured sensory neurons and heterologous cells. TRPA1 is required for Mrgpr-mediated signaling, as sensory neurons from TRPA1-deficient mice exhibited markedly diminished responses to chloroquine and BAM8-22. Similarly, TRPA1-deficient mice displayed little to no scratching in response to these pruritogens. Our findings indicate that TRPA1 is an essential component of the signaling pathways that promote histamine-independent itch.

Dorsal root ganglion neurons respond to both painful and itchy stimuli, but whether itch-specific neurons exist was, up until now, unknown. Here the authors describe a group of MrgprA3-expressing neurons that innervate the superficial layers of the skin and selectively sense itch. Itch-specific neurons have been sought for decades. The existence of such neurons has been doubted recently as a result of the observation that itch-mediating neurons also respond to painful stimuli. We genetically labeled and manipulated MrgprA3+ neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and found that they exclusively innervated the epidermis of the skin and responded to multiple pruritogens. Ablation of MrgprA3+ neurons led to substantial reductions in scratching evoked by multiple pruritogens and occurring spontaneously under chronic itch conditions, whereas pain sensitivity remained intact. Notably, mice in which TRPV1 was exclusively expressed in MrgprA3+ neurons exhibited itch, but not pain, behavior in response to capsaicin. Although MrgprA3+ neurons were sensitive to noxious heat, activation of TRPV1 in these neurons by noxious heat did not alter pain behavior. These data suggest that MrgprA3 defines a specific subpopulation of DRG neurons mediating itch. Our study opens new avenues for studying itch and developing anti-pruritic therapies.

β-alanine, a popular supplement for muscle building, induces itch and tingling after consumption, but the underlying molecular and neural mechanisms are obscure. Here we show that, in mice, β-alanine elicited itch-associated behavior that requires MrgprD, a G-protein-coupled receptor expressed by a subpopulation of primary sensory neurons. These neurons exclusively innervate the skin, respond to β-alanine, heat, and mechanical noxious stimuli but do not respond to histamine. In humans, intradermally injected β-alanine induced itch but neither wheal nor flare, suggesting that the itch was not mediated by histamine. Thus, the primary sensory neurons responsive to β-alanine are likely part of a histamine-independent itch neural circuit and a target for treating clinical itch that is unrelieved by anti-histamines.

Although dominant-negative mutations of TRESK background K+ channel have been reported in migraine patients, whether TRESK activity controls the generation of trigeminal pain, especially headache, is not established. We found that loss of TRESK in all trigeminal ganglia (TG) neurons preferentially increased the intrinsic excitability of small-diameter TG nociceptors that express neuropeptide CGRP or TRPM8 channels. Surprisingly, loss of TRESK increased the number of TG neurons expressing TRPV1 channels. In dorsal root ganglia neurons, neither the persistent outward current nor the intrinsic excitability was affected by the loss of TRESK. Compared with wild-type controls, TRESK knockout mice exhibited more robust trigeminal pain, especially headache-like behaviors; but displayed normal body and visceral pain responses. Our findings indicate that endogenous TRESK activity is required for trigeminal pain regulation. A substantial reduction of TRESK activity may selectively affect the functions of TG nociceptors, thereby increasing the susceptibility to migraine headache in humans.