Trigeminal neuropathic pain (TNP) is a condition that occurs when one or more branches of the trigeminal nerve are insulted. Trigeminal neuropathic pain has been shown to be refractory to treatment. Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels regulate neuronal excitability in both the peripheral and central nerve systems. Emerging evidence indicates that HCN channels are involved in the development and maintenance of chronic pain, however, the impact of thalamic HCN channel activity on TNP has yet to be elucidated. In this report, we used a chronic constriction of the distal infraorbital nerve (dIoN-CCI) to induce TNP in rats. By infusing HCN channel blockers into the ventral posteromedial (VPM) nucleus of the thalamus in dIoN-CCI rats, we demonstrated that inhibition of HCN channel activity ameliorated TNP. We found that the HCN blocker ZD7288 and the clinical drug ivabradine dose-dependently attenuated both evoked and none-evoked nociceptive behaviors in dIoN-CCI rats. Electrophysiological measurements showed the expression of HCN current (Ih) in the thalamocortical neurons in the VPM was sensitive to the HCN channel modulator cyclic adenosine monophosphate (cAMP), suggesting a contribution of the HCN2 subunit in thalamic HCN current. In the thalamus, surface expression of the HCN2 subunit was increased in dIoN-CCI rats. Taken together, we propose that an increase in HCN channel activity in the thalamus in the ascending nociceptive pathway contributed to trigeminal neuropathic pain.

Les canaux nucléotidiques cycliques activés par hyperpolarization (HCN) sont un type de canaux ioniques voltage-dépendants qui contrôlent l'activité rythmique et la plasticité synaptique dans le cœur et le cerveau. Ces canaux permettent aux ions K+ et Na+ de passer, créant ainsi un courant entrant lors de l'hyperpolarization de la membrane. En raison de ses propriétés biophysiques inhabituelles, ce courant est appelé courant «If» ou courant d'hyperpolarization «Ih». Des anomalies du courant Ih sont associées à des arythmies et des troubles neurologiques, y compris l'épilepsie. On constate que différentes molécules modulent ce courant. Des résultats expérimentaux ont montré que les lipides jouent un rôle dans le déplacement de la dépendance en tension des canaux HCN vers des tensions plus positives ou dépolarisées. Le phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate de phospholipide endogène et exogène, ou PI (4,5) P2, régule les canaux HCN en déplaçant l'ouverture du canal vers une tension plus dépolarisée. Cette modulation est supposée être par interaction directe de PI (4,5) P2 avec le canal HCN. Ici, nous utilisons la dynamique moléculaire et l'amarrage pour explorer et identifier le site de liaison grâce à l'analyse des contacts et de la stabilité des liaisons hydrogène impliquées dans les molécules de phsiphoinositide et l'interaction des canaux HCN. Nous proposons LYS et ARG du domaine HCN et S3 pour être des résidus clés dans le site de liaison à travers lequel les molécules de phosphoinositide peuvent potentiellement activer le canal. / Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels are a type of voltage gated ion channels that control rhythmic activity and synaptic plasticity in the heart and brain. These channels allow K+ and Na+ ions to pass, thereby creating an inward current upon hyperpolarization of the membrane. Due to its unusual biophysical properties, this current is called funny « If» or hyperpolarization « Ih » current. Abnormalities in Ih current are associated with arrythmia and neurological disorders including epilepsy. Different molecules are found to modulate this current. Experimental results have shown that lipids play a role in shifting the voltage dependence of HCN channels to more positive, or depolarized voltages. Both endogenous and exogenous phospholipid phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, or PI(4,5)P2, regulates HCN channels by shifting the opening of the channel to a more depolarized voltage. This modulation is postulated to be through direct interaction of PI(4,5)P2 with the HCN channel. Here, we use molecular dynamics and docking to explore and identify the binding site through analysis of the contacts and stability of the hydrogen bonds involved in phosphoinositide molecules and HCN channel interaction. We propose LYS and ARG residues of the HCN domain and S3 to be key residues in the binding site through which phosphoinositide molecules can potentially activate the channel.

Les canaux HCN (cycliques nucléotidiques) activés par hyperpolarisation appartiennent à la superfamille des canaux cationiques voltage-dépendants et sont responsables de la génération de courant drôle (If) dans les cellules cardiaques et neuronales. Malgré la similitude structurelle globale avec le potassium voltage-dépendant (Kv) et les canaux ioniques cycliques nucléotidiques (CNG), ils montrent un modèle de sélectivité distinctif pour les ions K+ et Na+. Plus précisément, leur perméabilité accrue aux ions Na+ est essentielle à son rôle dans la dépolarisation des membranes cellulaires. Ils sont également l'une des seules protéines connues à sélectionner entre les ions Na+ et Li+, faisant des HCN des canaux semi-sélectifs. Ici, nous étudions les propriétés de sélectivité uniques des canaux HCN à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Nos simulations suggèrent que le pore HCN1 est très flexible et dilaté par rapport aux canaux Kv et qu'il n'y a qu'un seul site de liaison ionique stable dans le filtre de sélectivité qui les distingue des canaux Kv et CNG. Nous observons également que la coordination et l'hydratation des ions diffèrent dans le filtre de sélectivité de HCN1 par rapport aux canaux Kv et CNG. De plus, la coordination des ions K+ par les groupes carbonyle du filtre de sélectivité est plus stable par rapport aux ions Na+ et Li+, ce qui peut expliquer les propriétés de sélectivité distinctes du canal. / Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels belong to the voltage-gated cation channel superfamily and are responsible for the generation of funny current (If) in cardiac and neuronal cells. Despite the overall structural similarity to voltage-gated potassium (Kv) and cyclic nucleotide-gated (CNG) ion channels, they show distinctive selectivity pattern for K+ and Na+ ions. Specifically, their increased permeability to Na+ ions is critical to its role in depolarizing cellular membranes. They are also one of the only known proteins to select between Na+ and Li+ ions, making HCNs semi-selective channels. Here we investigate the unique selectivity properties of HCN channels using molecular dynamics simulations. Our simulations suggest that the HCN1 pore is very flexible and dilatated compared to Kv channels and that there is only one stable ion binding site within the selectivity filter which discriminates them from both Kv and CNG channels. We also observe that ion co-ordination and hydration differ within the selectivity filter of HCN1 compared to Kv and CNG channels. Additionally, the co-ordination of K+ ions by the carbonyl groups of the selectivity filter is more stable compared to Na+ and Li+ ions, which may explain the channel's distinct selectivity properties.

Les cannabinoïdes sont une large classe de molécules qui agissent principalement sur les neurones, affectant la sensation de douleur, l'appétit, l'humeur, l'apprentissage et la mémoire. Des récepteurs cannabinoïdes spécifiques (CBR) ont été identifiés dans les neurones et d'autres types de cellules. Cependant, l'activation des CBR ne peut pas modifier directement l'excitabilité électrique des neurones, car les CBR ne génèrent pas de signaux électriques par eux-mêmes. Au lieu de cela, le potentiel membranaire et la signalisation électrique dans toutes les cellules excitables, y compris les neurones, sont générés par des canaux ioniques intégrés dans la membrane cellulaire. Récemment, il a été démontré que le cannabinoïde synthétique WIN55,212-2 affecte la mémoire en activant les récepteurs CB1, entraînant des changements de signalisation qui affectent le courant Ih généré par les canaux cycliques (HCN) activés par l'hyperpolarisation. Cependant, il a également été démontré que les cannabinoïdes régulent directement la fonction de plusieurs canaux ioniques, indépendamment de l'activation du CBR. Nous examinons ici si les cannabinoïdes, le 9-tétrahydrocannabidiol (THC) et le cannabidiol (CBD), que l'on trouve dans le cannabis sativa, peuvent réguler directement les canaux HCN1. En utilisant une pince de tension à deux électrodes (TEVC), sur des ovocytes de Xenopus, qui n'expriment pas de CBR, nous surveillons les changements dans la relation courant-tension, la cinétique de déclenchement et la dépendance à la tension des courants HCN1 dans des concentrations croissantes de cannabinoïdes. Nos données suggèrent que le CBD et le THC modulent directement le courant de HCN1. Étant donné que les cannabinoïdes sont des molécules thérapeutiques prometteuses pour le traitement de plusieurs troubles neurologiques, comprendre quelles cibles ils affectent, le mécanisme de leur régulation et comment ils se lient à des cibles potentielles sont des étapes essentielles de leur utilisation en tant que thérapies efficaces et du développement de cibles plus puissantes et plus efficaces médicaments spécifiques. / Cannabinoids are a broad class of molecules that act primarily on neurons, affecting pain sensation, appetite, mood, learning and memory. Specific cannabinoid receptors (CBRs) have been identified in neurons, and other cell types. However, activating CBRs cannot directly alter electrical excitability in neurons, since CBRs do not generate electrical signals on their own. Instead, membrane potential and electrical signaling in all excitable cells, including neurons, are generated by ion channels embedded in the cell membrane. Recently, it has been shown that the synthetic cannabinoid WIN55,212-2 effects memory by activating CB1 receptors, leading to signaling changes that affect the Ih current generated by hyperpolarization-activated cyclic-nucleotide gated (HCN) channels. However, cannabinoids have also been shown to directly regulate the function of several ion channels, independently of CBR activation. Here we examine whether cannabinoids, 9-tetrahydrocannabidiol (THC) and cannabidiol (CBD), which are found in cannabis sativa, can directly regulate HCN1 channels. Using two-electrode voltage clamp (TEVC), on Xenopus oocytes, which do not express CBRs, we monitor changes in the current-voltage relationship, gating kinetics, and voltage-dependence of HCN1 currents in increasing concentrations of cannabinoids. Our data suggests CBD and THC directly modulate HCN1 current. Since cannabinoids are promising therapeutic molecules for the treatment of several neurological disorders, understanding what targets they affect, the mechanism of their regulation, and how they bind to potential targets are critical steps in their use as effective therapies and the development of more potent and target specific drugs.