ENU

Cilia in Vertebrate Cell-Cell Signaling

En 2003, un écran de mutagenèse ENU a impliqué de manière inattendue les cils primaires et l’IFT dans la signalisation Shh : Les mutations de l’IFT chez les souris ont entraîné des phénotypes de structuration du tube neural et des bourgeons des membres similaires à ceux qui résultent de la perturbation de la voie Shh (Huangfu et al., 2003). Les cils primaires sont des organites non mobiles, à base de microtubules, qui dépassent de la plupart des cellules des vertébrés. Ils s’étendent à partir de corps basaux et sont constitués de membranes spécialisées (structurellement séparées de la membrane plasmique) autour d’un axoneme central le long duquel le mécanisme IFT facilite le transport rétrograde et antérograde entre la base et l’extrémité du cil. La perturbation de la ciliogenèse ou de l’IFT entraîne un large éventail de syndromes de ciliopathie humaine. Les anomalies primaires des troubles ciliaires comprennent la polydactylie, les malformations craniofaciales et cérébrales, le situs inversus, la polykystose rénale, l’obésité, le diabète et des anomalies subtiles du foie, de la rate et du cœur (Nigg et Raff, 2009 ; Goetz et Anderson, 2010 ; Hildebrandt et coll, 2011).

La ciliogenèse et le désassemblage des cils primaires sont étroitement couplés à la machinerie du cycle cellulaire : les cils primaires sont présents sur les cellules quiescentes mais leur désassemblage est nécessaire pour la transition vers le cycle cellulaire. La signalisation Fgf et Wnt est requise en amont de la ciliogenèse dans plusieurs contextes vertébrés, y compris le nœud/la vésicule de Kupffer (KV), les vésicules otiques et les canaux pronephriques (Basu et Brueckner, 2009 ; Liu et al., 2011 ; Caron et al., 2012 ; Qian et al., 2013). Les cibles transcriptionnelles de ces voies de signalisation qui médient la formation, la structuration ou la fonction des cils comprennent Ift88, Enc1-like et les TF ciliogènes Foxj1 et Rfx2 (Neugebauer et al., 2009 ; Caron et al., 2012 ; Qian et al., 2013). Des expériences d’épistasie étudiant le KV ont suggéré que la signalisation Wnt fonctionne en aval de Fgfs dans la ciliogenèse (Caron et al., 2012).

Chez les vertébrés, la voie Shh utilise les cils comme un organite de signalisation spécialisé dans lequel l’IFT médiatise les changements de localisation des protéines essentiels au traitement de Gli et aux réponses transcriptionnelles qui en découlent (Figure 1.1B). Le récepteur Hh Patched (Ptc) se trouve à la base du cilium primaire en l’absence de Hh. En présence de Hh, Ptc sort du cilium et Smo y entre, et il y a une augmentation de Gli localisé à la pointe. Les complexes Gli-Sufu sont enrichis dans les extrémités des cils primaires d’une manière Smo-dépendante et doivent être dissociés pour l’activation de la voie Shh (Humke et al., 2010 ; Tukachinsky et al., 2010). Kif7, dont l’orthologue favorise la transformation de Ci/Gli et antagonise Sufu chez la drosophile, subit un transport antérograde induit par Hh de la base du cilium à la pointe. La PKA, qui phosphoryle Gli comme condition préalable à la protéolyse de GliR, se localise à la base des cils primaires et régule les niveaux de Gli localisés à la pointe (Pan et al., 2006 ; 2009 ; Tuson et al., 2011).

Les études de Shh et des cils/IFT ont indiqué que certains traits de ciliopathie humaine sont probablement dus à une signalisation Shh perturbée. En outre, les défauts ciliaires peuvent renforcer ou supprimer l’oncogenèse en raison de mutations de la voie Shh (Han et al., 2009). Les mutants Cilia/IFT ressemblent souvent aux mutants LOF ou GOF de Shh en raison des exigences spécifiques au contexte pour la transformation de Gli en GliA ou GliR, respectivement, médiée par les cils. Les phénotypes caractéristiques comprennent la ventralisation du tube neural (qui utilise GliR) et la polydactylie (les bourgeons des membres utilisent GliA ; voir Goetz et Anderson, 2010). Les mutations des gènes de l’IFT et de la ciliopathie ont permis d’identifier de nouveaux contextes dans lesquels les cils sont nécessaires à la signalisation cellulaire du développement. Dans certains cas, ces expériences ont permis d’élucider l’étiologie de traits de ciliopathie humaine mal compris. Par exemple, des études sur Rpgrip11 (un gène de ciliopathie humaine) et sur des souris mutantes Ttc21b ont démontré l’importance des cils primaires dans la médiation des signaux Shh dans le cerveau antérieur ventral. Les mutants Ttc21b ont des cils primaires anormaux avec un transport rétrograde partiellement défectueux mais un transport antérograde fonctionnel. Il en résulte un phénotype GOF, comme en témoigne l’accumulation des mécanismes de signalisation Shh dans les extrémités des cils et l’expansion de l’expression/activité Shh dans le télencéphale ventral et la zona limitans intrathalamica (Tran et al., 2008 ; Stottmann et al., 2009). Les mutants Rpgrip1l ont des cellules neuroépithéliales du cerveau antérieur dépourvues de cils primaires et sont déficients dans la production de Gli transformé, comme prévu pour Shh LOF (Besse et al., 2011). Ces mutations entraînent toutes deux l’expansion du subpallium aux dépens du pallium, comme chez les mutants Gli3, car la sortie prédominante de la signalisation Shh dans le cerveau antérieur ventral est la transformation de Gli3 en sa forme répressive (Stottmann et al., 2009 ; Besse et al., 2011). Si la protéine Gli3R active est introduite génétiquement, les cils sont inutiles dans ce contexte (Besse et al., 2011). Les défauts dans la structuration du cerveau antérieur ventral peuvent sous-tendre les déficiences cognitives dans certaines ciliopathies.

Les défauts liés à la Shh ne rendent pas compte de tous les phénotypes des ciliopathies humaines. Il est devenu évident que les IFT/cilia sont utilisés dans certains contextes pour faciliter la signalisation par d’autres voies. Au cours du développement de la peau des mammifères, les cils primaires sont essentiels à la différenciation terminale des cellules suprabasales, un processus initié par la signalisation Notch/Delta (figure 1F ; Blanpain et al., 2006). Dans ∼60-70% des cellules suprabasales, Notch est concentré dans les membranes ciliaires primaires, et la préséniline, une protéine du complexe γ-secrétase qui clive Notch, est localisée au niveau des corps basaux (Ezratty et al., 2011). Le knock down des gènes IFT ou l’élimination des cils in vivo entraîne une diminution de l’activité du rapporteur Notch et une altération de la différenciation des cellules suprabasales. De plus, NICD, la forme active clivée de Notch, a été observée dans les noyaux des cellules ciliées mais pas des cellules non ciliées dans les chimères génétiques (Ezratty et al., 2011).

Les cils ont également été impliqués dans la signalisation du PDGF. Dans les fibroblastes en culture, PDGFRα a été observé dans les membranes des cils primaires, et les protéines de transduction du signal activées par RTK MEK1/2 et Akt sont localisées le long du cilium et à la base ciliaire, respectivement (Schneider et al., 2005). Des études sur des fibroblastes de type sauvage et des fibroblastes mutants Ift88 (sans cils primaires) ont indiqué que les cils primaires des cellules de tête s’orientent vers les sites de plaie et sont nécessaires pour la chimiotaxie induite par le PDGF-AA et les réponses phospho-Akt in vitro (Schneider et al., 2010). Notamment, les souris mutantes Ift88 présentent des défauts dans la réparation des plaies (Schneider et al., 2010). La signalisation PDGF via PDGFRα a également été impliquée dans le désassemblage des cils et la transition de phase G1-S (discuté dans Christensen et al., 2012), bien que la signification in vivo de cette observation ne soit pas encore connue.

Le rôle des cils dans la signalisation Wnt canonique a été controversé (revu dans Wallingford et Mitchell, 2011). Des études sur des souris et des poissons zèbres mutants Ift88 et Ift72 ont suggéré que les cils ne sont pas essentiels à la signalisation Wnt pendant l’embryogenèse, et des études sur la signalisation Wnt chez des souris mutantes Kif3a ont donné des résultats contradictoires (Huang et Schier, 2009 ; Ocbina et al., 2009 ; Lancaster et al., 2011b). Chez les mutants IFT rétrogrades, un groupe n’a signalé aucun changement dans la signalisation Wnt, tandis qu’un autre groupe a démontré une diminution de l’activité Wnt dans les contextes qui maintiennent les cils, mais une augmentation de la signalisation Wnt dans les contextes qui perdent les cils (Ocbina et al., 2009 ; Lancaster et al., 2011b). Des études sur les protéines de la ciliaire/ciliopathie Inversin, Chibby et Jouberin confirment le rôle des cils dans la signalisation Wnt canonique dans des contextes développementaux spécifiques. L’Inversine, qui est mutée chez les patients humains atteints de néphronophthisie de type II, est exprimée dans les monocils des vertébrés, interagit physiquement avec Disheveled (Dsh) et perturbe la signalisation Wnt canonique en aval de Dsh in vitro (Watanabe et al., 2003 ; Simons et al., 2005). Les souris mutantes à l’Inversine présentent des phénotypes de structuration rénale et capillaire rappelant les phénotypes Wnt/Frz, ainsi que des phénotypes de structuration gauche-droite probablement dus à des défauts dans la fonction des monocils nodaux (Watanabe et al., 2003 ; Simons et al., 2005). Chibby, une protéine du corps basal requise pour la ciliogenèse et l’amarrage du corps basal, interagit physiquement avec la β-caténine et régule négativement la signalisation Wnt canonique dans les embryons de drosophile, les épithéliums pulmonaires de mammifères et les cellules de mammifères en culture (Takemaru et al., 2003 ; Voronina et al., 2009 ; Love et al., 2010). Enfin, la protéine Jouberin de la ciliopathie humaine est nécessaire chez la souris pour une signalisation Wnt et une prolifération normales au niveau de la ligne médiane du cervelet. Cela contribue probablement au défaut de fusion des hémisphères cérébelleux observé chez les patients humains atteints du syndrome de Joubert et chez les souris déficientes en Jouberine (Lancaster et al., 2011a). Dans les cellules ciliées exposées à Wnt, la Jouberine est séquestrée avec la β-caténine au niveau des corps basaux d’une manière IFT-dépendante. La Jouberine facilite la translocation nucléaire de la β-caténine ; sa séquestration au niveau des corps basaux entrave la translocation nucléaire de la β-caténine et atténue les réponses de signalisation canonique de Wnt (Lancaster et al., 2011b). Ensemble, ces résultats suggèrent que les cils ne sont pas globalement requis pour la signalisation Wnt pendant l’embryogenèse, mais qu’ils ont un impact sur les résultats de la signalisation Wnt dans des contextes choisis.

On a émis l’hypothèse que les cils fournissent une structure sensorielle spécialisée au sein de laquelle de multiples types de signaux sont coordonnés. Un modèle alternatif est que les cils présentent une spécificité de voie (comme les cytonèmes, discutés ci-dessous) et limitent ainsi la réactivité cellulaire et/ou séparent spatialement les réponses de signalisation. La spécificité de la signalisation ciliaire pourrait être médiée par un ciblage différentiel des protéines de signalisation vers les cils, et/ou l’utilisation de sous-ensembles distincts de protéines IFT ou d’adaptateurs spécifiques à la cargaison pour le transport des axonèmes (Boehlke et al., 2010 ; Mukhopadhyay et al., 2010 ; Christopher et al., 2012).