Modulation of TRPV1 function by phosphorylation and site-directed mutagenesis: from structure to biophysics

Der TRPV1 Rezeptor ist ein polymodal aktivierbarer Kationenkanal, der eine besondere Rolle in der Nozizeption einnimmt. Es ist bekannt, dass die positive Modulation der TRPV1 Funktion durch Proteinkinase-vermittelte Phosphorylierungsprozesse zur Ausbildung von Hyperalgesie und/oder Allodynie beiträgt. Die vorliegende Studie hat das Ziel, die funktionellen Auswirkungen der Cdk5-vermittelten Phosphorylierung des TRPV1 Rezeptors an Position Threonin-406 aufzuklären. Mit Hilfe von elektrophysiologischen Messungen konnten wir zeigen, dass die Koexpression von TRPV1 und Cdk5 in CHO Zellen eine Ca2+-abhängige Desensitisierung des TRPV1 Ionenkanals verhindert. Um den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion der TRPV1 Phosphorylierung durch die Cdk5 zu untersuchen, haben wir verschiedene TRPV1T406 Mutanten erstellt, welche durch Einfügen negativ geladener Aminosäurereste die Cdk5-abhängige Phosphorylierung am Threonin-406 imitieren, oder diese durch Ersetzen des Threoninrests mit Alanin inhibieren. Mit Hilfe elektrophysiologischer Ganz-Zell und Einzelkanal Messungen, sowie mit Ca2+-imaging und TIRF Mikroskopie, haben wir die Funktion dieser TRPV1T406 Mutanten durch ihre Reaktion auf verschiedene Stimuli, wie Capsaicin, Hitze oder Protonen umfassend charakterisiert. Die Funktionsanalyse ergab, dass die Modifikation an Position T406 weitreichende Folgen für die Funktion des TRPV1 Ionenkanals haben kann. Das einbringen einer negativ geladenen Aminosäure, wie z.B. Asparaginsäure, veränderte die Ligandensensitivität, die Aktivierungs- und Desensitisierungskinetik sowie die Spannungsabhängigkeit des TRPV1 Ionenkanals. Die Einzelkanal Eigenschaften von TRPV1T406D Ionenkanälen zeigten ebenfalls deutliche Veränderungen, die auf einen veränderten Gating-Mechanismus des Rezeptors hindeuten. Unter Berücksichtigung der publizierten hochaufgelösten 3D Struktur des TRPV1 haben wir einen möglichen (mechanistischen) Übertragungsweg unter Beteiligung der Position 406 identifiziert und diesen Weg durch gezieltes Einbringen von Alanin-Resten und elektrophysiologischer Charakterisierung der TRPV1 Mutationen überprüft. Eine Störung des Übertragungsweges führte ebenfalls zu einer veränderten Funktion des TRPV1 Ionenkanals. Die Ergebnisse zeigen, dass die Position T406 des TRPV1 eine funktionelle Schlüsselrolle einnimmt und durch Phosphorylierung an der Modulation der Kanalfunktion beteiligt ist

TRPV1 function is modulated by Cdk5-mediated phosphorylation: insights into the molecular mechanism of nociception

TRPV1 is a polymodally activated cation channel acting as key receptor in nociceptive neurons. Its function is strongly affected by kinase-mediated phosphorylation leading to hyperalgesia and allodynia. We present behavioral and molecular data indicating that TRPV1 is strongly modulated by Cdk5-mediated phosphorylation at position threonine-407(mouse)/T406(rat). Increasing or decreasing Cdk5 activity in genetically engineered mice has severe consequences on TRPV1-mediated pain perception leading to altered capsaicin consumption and sensitivity to heat. To understand the molecular and structural/functional consequences of TRPV1 phosphorylation, we generated various rTRPV1(T406) receptor variants to mimic phosphorylated or dephosphorylated receptor protein. We performed detailed functional characterization by means of electrophysiological whole-cell and single-channel recordings as well as Ca2+-imaging and challenged recombinant rTRPV1 receptors with capsaicin, low pH, or heat. We found that position T406 is critical for the function of TRPV1 by modulating ligand-sensitivity, activation, and desensitization kinetics as well as voltage-dependence. Based on high resolution structures of TRPV1, we discuss T406 being involved in the molecular transition pathway, its phosphorylation leading to a conformational change and influencing the gating of the receptor. Cdk5-mediated phosphorylation of T406 can be regarded as an important molecular switch modulating TRPV1-related behavior and pain sensitivity