ENU

Los cilios en la señalización célula-célula de los vertebrados

En 2003, una pantalla de mutagénesis ENU implicó inesperadamente a los cilios primarios y al IFT en la señalización Shh: Las mutaciones del IFT en ratones dieron lugar a fenotipos del tubo neural y del patrón de las yemas de las extremidades similares a los que resultan de la interrupción de la vía Shh (Huangfu et al., 2003). Los cilios primarios son orgánulos no móviles, basados en microtúbulos, que sobresalen de la mayoría de las células de los vertebrados. Se extienden desde los cuerpos basales, y consisten en membranas especializadas (estructuralmente segregadas de la membrana plasmática) alrededor de un axonema central a lo largo del cual la maquinaria IFT facilita el transporte retrógrado y anterógrado entre la base y la punta ciliar. La alteración de la ciliogénesis o del IFT da lugar a un amplio espectro de síndromes de ciliopatías humanas. Los defectos primarios del trastorno ciliar incluyen polidactilia, malformaciones craneofaciales y cerebrales, situs inversus, enfermedad renal poliquística, obesidad, diabetes y defectos sutiles en el hígado, el bazo y el corazón (Nigg y Raff, 2009; Goetz y Anderson, 2010; Hildebrandt et al, 2011).

La ciliogénesis y el desmontaje de los cilios primarios están estrechamente acoplados a la maquinaria del ciclo celular: los cilios primarios están presentes en las células quiescentes pero su desmontaje es necesario para la transición al ciclo celular. La señalización de Fgf y Wnt es necesaria antes de la ciliogénesis en varios contextos de vertebrados, incluyendo el nodo/vesícula de Kupffer (KV), las vesículas óticas y los conductos pronéfricos (Basu y Brueckner, 2009; Liu et al., 2011; Caron et al., 2012; Qian et al., 2013). Las dianas transcripcionales de estas vías de señalización que median en la formación, el patrón o la función de los cilios incluyen Ift88, Enc1-like y los TFs ciliogénicos Foxj1 y Rfx2 (Neugebauer et al., 2009; Caron et al., 2012; Qian et al., 2013). Los experimentos de epistasis que estudian KV han sugerido que la señalización Wnt funciona aguas abajo de Fgfs en la ciliogénesis (Caron et al., 2012).

En los vertebrados, la vía Shh utiliza los cilios como un orgánulo de señalización especializado en el que el IFT media los cambios en la localización de proteínas esenciales para el procesamiento de Gli y las consiguientes respuestas transcripcionales (Figura 1.1B). El receptor Hh Patched (Ptc) se encuentra en la base del cilio primario en ausencia de Hh. En presencia de Hh, Ptc sale del cilio y entra Smo, y hay un aumento de Gli localizado en la punta. Los complejos Gli-Sufu se enriquecen en las puntas de los cilios primarios de manera dependiente de Smo y necesitan ser disociados para la activación de la vía Shh (Humke et al., 2010; Tukachinsky et al., 2010). Kif7, cuyo ortólogo promueve el procesamiento de Ci/Gli y antagoniza a Sufu en Drosophila, sufre un transporte anterógrado inducido por Hh desde la base del cilio hasta la punta. La PKA, que fosforila a Gli como requisito previo para la proteólisis de GliR, se localiza en la base de los cilios primarios y regula los niveles de Gli localizados en la punta (Pan et al., 2006; 2009; Tuson et al., 2011).

Los estudios sobre Shh y los cilios/IFT han indicado que algunos rasgos de ciliopatía humana probablemente se deban a la alteración de la señalización de Shh. Además, los defectos ciliares pueden potenciar o suprimir la oncogénesis debido a mutaciones de la vía Shh (Han et al., 2009). Los mutantes Cilia/IFT suelen parecerse a los mutantes Shh LOF o GOF debido a los requisitos específicos del contexto para el procesamiento de Gli mediado por los cilios a GliA o GliR, respectivamente. Los fenotipos distintivos incluyen la ventralización del tubo neural (que utiliza GliR) y la polidactilia (las yemas de las extremidades utilizan GliA; discutido en Goetz y Anderson, 2010). Las mutaciones en los genes del IFT y de las ciliopatías han ayudado a identificar nuevos contextos en los que los cilios son necesarios para la señalización celular del desarrollo. En algunos casos, estos experimentos han arrojado luz sobre las etiologías de rasgos de ciliopatía humana poco conocidos. Por ejemplo, los estudios de Rpgrip11 (un gen de ciliopatía humana) y los ratones mutantes de Ttc21b demostraron la importancia de los cilios primarios en la mediación de las señales Shh en el cerebro anterior ventral. Los mutantes Ttc21b tienen cilios primarios anormales con un transporte retrógrado parcialmente defectuoso pero un transporte anterógrado funcional. Esto da lugar a un fenotipo GOF, como lo demuestra la acumulación de la maquinaria de señalización de Shh en las puntas de los cilios y la expansión de la expresión/actividad de Shh en el telencéfalo ventral y la zona limitante intratálmica (Tran et al., 2008; Stottmann et al., 2009). Los mutantes Rpgrip1l tienen células neuroepiteliales del cerebro anterior que carecen de cilios primarios y son deficientes en la producción de Gli procesados, como se espera para Shh LOF (Besse et al., 2011). Estas mutaciones dan lugar a la expansión del subpalio a expensas del palio, de forma similar a los mutantes de Gli3, porque la salida predominante de la señalización de Shh en el cerebro anterior ventral es el procesamiento de Gli3 a su forma represora (Stottmann et al., 2009; Besse et al., 2011). Si se introduce genéticamente la proteína Gli3R activa, los cilios son prescindibles en este contexto (Besse et al., 2011). Los defectos en el patrón ventral del cerebro anterior pueden subyacer a las deficiencias cognitivas en algunas ciliopatías.

Los defectos relacionados con el SHH no explican todos los fenotipos de las ciliopatías humanas. Se ha hecho evidente que los IFT/cilios se utilizan en algunos contextos para facilitar la señalización por otras vías. Durante el desarrollo de la piel de los mamíferos, los cilios primarios son esenciales para la diferenciación terminal de las células suprabasales, un proceso iniciado por la señalización Notch/Delta (Figura 1F; Blanpain et al., 2006). En ∼60-70% de las células suprabasales, Notch se concentra en las membranas ciliares primarias, y la presenilina, una proteína del complejo γ-secretasa que escinde Notch, se localiza en los cuerpos basales (Ezratty et al., 2011). La anulación de los genes IFT o la eliminación de los cilios in vivo da lugar a una disminución de la actividad del reportero Notch y a un deterioro de la diferenciación de las células suprabasales. Además, se observó NICD, la forma activa escindida de Notch, en los núcleos de las células ciliadas pero no de las no ciliadas en quimeras genéticas (Ezratty et al., 2011).

Los cilios también se han implicado en la señalización del PDGF. En fibroblastos cultivados, se ha observado el PDGFRα en las membranas de los cilios primarios, y las proteínas de transducción de señales activadas por RTK MEK1/2 y Akt se localizan a lo largo del cilio y en la base ciliar, respectivamente (Schneider et al., 2005). Los estudios de fibroblastos de tipo salvaje y mutantes de Ift88 (sin cilios primarios) indicaron que los cilios primarios de las células líderes se orientan hacia los sitios de la herida y son necesarios para la quimiotaxis inducida por el PDGF-AA y las respuestas de fosfo-Akt in vitro (Schneider et al., 2010). En particular, los ratones mutantes en Ift88 presentan defectos en la reparación de heridas (Schneider et al., 2010). La señalización del PDGF a través del PDGFRα también se ha implicado en el desensamblaje de los cilios y en la transición de la fase G1-S (discutido en Christensen et al., 2012), aunque todavía no se conoce la importancia in vivo de esta observación.

El papel de los cilios en la señalización Wnt canónica ha sido controvertido (revisado en Wallingford y Mitchell, 2011). Los estudios de ratones mutantes Ift88 e Ift72 y del pez cebra sugirieron que los cilios no son esenciales para la señalización Wnt durante la embriogénesis, y los estudios de la señalización Wnt en ratones mutantes Kif3a arrojaron resultados contradictorios (Huang y Schier, 2009; Ocbina et al., 2009; Lancaster et al., 2011b). En los mutantes retrógrados de IFT, un grupo no informó de ningún cambio en la señalización Wnt, mientras que otro grupo demostró una disminución de la actividad Wnt en los contextos que mantienen los cilios, pero un aumento de la señalización Wnt en los contextos que perdieron los cilios (Ocbina et al., 2009; Lancaster et al., 2011b). Los estudios de las proteínas ciliares/ciliopatías Inversin, Chibby y Jouberin apoyan el papel de los cilios en la señalización Wnt canónica en contextos de desarrollo específicos. La inversina, que está mutada en pacientes humanos con nefronoptisis de tipo II, se expresa en los monocilios de los vertebrados, interactúa físicamente con Disheveled (Dsh) e interrumpe la señalización Wnt canónica aguas abajo de Dsh in vitro (Watanabe et al., 2003; Simons et al., 2005). Los ratones mutantes de inversina presentan fenotipos de patrón renal y capilar que recuerdan a los fenotipos Wnt/Frz, así como fenotipos de patrón izquierda-derecha probablemente debidos a defectos en la función de los monocilios del nodo (Watanabe et al., 2003; Simons et al., 2005). Chibby, una proteína del cuerpo basal necesaria para la ciliogénesis y el acoplamiento del cuerpo basal, interactúa físicamente con la β-catenina y regula negativamente la señalización Wnt canónica en embriones de Drosophila, epitelios pulmonares de mamíferos y células de mamíferos cultivadas (Takemaru et al., 2003; Voronina et al., 2009; Love et al., 2010). Por último, la proteína humana de la ciliopatía Jouberin es necesaria en ratones para la señalización Wnt normal y la proliferación en la línea media del cerebelo. Es probable que esto contribuya al defecto de fusión del hemisferio cerebeloso observado en pacientes con el síndrome de Joubert y en ratones deficientes en Jouberina (Lancaster et al., 2011a). En las células ciliadas expuestas a Wnt, la Jouberina es secuestrada con la β-catenina en los cuerpos basales de forma dependiente del IFT. Jouberin facilita la translocación nuclear de β-catenina; su secuestro en los cuerpos basales dificulta la translocación nuclear de β-catenina y amortigua las respuestas de señalización canónica de Wnt (Lancaster et al., 2011b). En conjunto, estos hallazgos sugieren que los cilios no son globalmente requeridos para la señalización Wnt durante la embriogénesis, pero sí impactan en los resultados de la señalización Wnt en contextos selectos.

Se ha planteado la hipótesis de que los cilios proporcionan una estructura sensorial especializada dentro de la cual se coordinan múltiples tipos de señales. Un modelo alternativo es que los cilios muestran una especificidad de vía (al igual que los citonemas, que se discuten más adelante) y por lo tanto restringen la capacidad de respuesta celular y/o segregan espacialmente las respuestas de señalización. La especificidad de vía de la señalización ciliar podría estar mediada por la orientación diferencial de las proteínas de señalización a los cilios, y/o la utilización de subconjuntos distintos de proteínas IFT o adaptadores específicos de carga para el transporte de axonemas (Boehlke et al., 2010; Mukhopadhyay et al., 2010; Christopher et al., 2012).