ENU

Cilia in Vertebrate Cell-Cell Signaling

2003-ban egy ENU mutagenezis szűrés váratlanul kimutatta, hogy az elsődleges csillók és az IFT részt vesznek a Shh jelátvitelben: Az IFT mutációi egerekben az idegcső és a végtagbimbó mintázódásának fenotípusait eredményezték, hasonlóan a Shh útvonal megszakításából eredő fenotípusokhoz (Huangfu és mtsai., 2003). Az elsődleges csillók nem mozgékony, mikrotubulus alapú organellumok, amelyek a legtöbb gerinces sejtből kiemelkednek. A bazális testekből nyúlnak ki, és specializált membránokból állnak (szerkezetileg elkülönülve a plazmamembrántól) egy központi axonéma körül, amely mentén az IFT gépezet megkönnyíti a retrográd és anterográd transzportot a csillóalap és a csúcs között. A ciliogenezis vagy az IFT zavara a humán ciliopátiás szindrómák széles spektrumát eredményezi. Az elsődleges cilia rendellenességek közé tartozik a polydactylia, a koponya- és agyi rendellenességek, a situs inversus, a policisztás vesebetegség, az elhízás, a cukorbetegség, valamint a máj, a lép és a szív finom hibái (Nigg és Raff, 2009; Goetz és Anderson, 2010; Hildebrandt et al, 2011).

A ciliogenezis és az elsődleges csillók szétszerelése szorosan kapcsolódik a sejtciklus gépezetéhez: az elsődleges csillók jelen vannak a nyugalmi sejteken, de szétszerelésük szükséges a sejtciklusba való átmenethez. Az Fgf és Wnt jelátvitelre a ciliogenezis előtt számos gerinces kontextusban szükség van, többek között a csomó/Kupffer-vezikulában (KV), az otikus vezikulákban és a pronephrikus csatornákban (Basu és Brueckner, 2009; Liu és mtsai., 2011; Caron és mtsai., 2012; Qian és mtsai., 2013). Ezen jelátviteli útvonalak transzkripciós célpontjai, amelyek a csillók kialakulását, mintázódását vagy működését közvetítik, többek között az Ift88, az Enc1-like és a ciliogén TF-ek Foxj1 és Rfx2 (Neugebauer et al., 2009; Caron et al., 2012; Qian et al., 2013). A KV-t tanulmányozó episztáziskísérletek azt sugallták, hogy a Wnt jelátvitel a ciliogenezisben az Fgfs után működik (Caron et al., 2012).

A gerincesekben a Shh útvonal a ciliákat mint speciális jelátviteli organellumot használja, amelyben az IFT közvetíti a Gli feldolgozásához és az ebből következő transzkripciós válaszokhoz elengedhetetlen fehérje-lokalizációs változásokat (1.1B ábra). A Hh receptor Patched (Ptc) a Hh hiányában a primer ciliumok alján található. Hh jelenlétében a Ptc kilép a ciliumból, a Smo pedig belép, és megnő a csúcsban lokalizált Gli. A Gli-Sufu komplexek Smo-függő módon dúsulnak a primer cilia csúcsaiban, és a Shh útvonal aktiválásához disszociációra van szükség (Humke és mtsai., 2010; Tukachinsky és mtsai., 2010). A Kif7, amelynek ortológja elősegíti a Ci/Gli feldolgozást és antagonizálja a Sufu-t Drosophilában, Hh által indukált anterográd transzporton megy keresztül a cilium bázisából a csúcsba. A PKA, amely foszforilálja a Gli-t a GliR-re történő proteolízis előfeltételeként, a primer csillók bázisára lokalizálódik, és szabályozza a csúcsra lokalizált Gli szintjét (Pan és mtsai., 2006; 2009; Tuson és mtsai., 2011).

A Shh és a csillók/IFT vizsgálatai azt jelezték, hogy néhány humán ciliopátiás jellegzetesség valószínűleg a Shh jelátvitel zavarának köszönhető. Emellett a ciliák hibái fokozhatják vagy elnyomhatják a Shh-útvonal mutációi miatti onkogenezist (Han és mtsai., 2009). A Cilia/IFT mutánsok gyakran hasonlítanak a LOF vagy GOF Shh mutánsokhoz a Gli GliA-ra, illetve GliR-re történő, cilia által közvetített feldolgozásának kontextus-specifikus követelményei miatt. A jellemző fenotípusok közé tartozik a neurális cső ventralizációja (amely a GliR-t használja) és a polydaktíliásság (a végtagbimbók a GliA-t használják; lásd Goetz és Anderson, 2010). Az IFT és a ciliopathia gének mutációi segítettek azonosítani új kontextusokat, amelyekben a csillókra szükség van a fejlődési sejtek jelátviteléhez. Néhány esetben ezek a kísérletek fényt derítettek a kevéssé ismert humán ciliopátiás jellegzetességek etiológiájára. Például az Rpgrip11 (egy humán ciliopátiagén) és a Ttc21b mutáns egereken végzett vizsgálatok kimutatták az elsődleges csillók fontosságát a Shh jelek közvetítésében a ventrális előagyban. A Ttc21b mutánsok abnormális primer csillókkal rendelkeznek, részben hibás retrográd transzporttal, de funkcionális anterográd transzporttal. Ez GOF fenotípust eredményez, amit a Shh jelátviteli gépezet felhalmozódása a csillók hegyeiben és a Shh expresszió/aktivitás kiterjedése a ventrális telencephalonban és a zona limitans intrathalamica-ban mutat (Tran és mtsai., 2008; Stottmann és mtsai., 2009). Az Rpgrip1l mutánsok előagyi neuroepithelialis sejtjei nem rendelkeznek primer csillókkal és hiányos a feldolgozott Gli termelésében, ahogy az a Shh LOF esetében várható (Besse és mtsai., 2011). Ezek a mutációk mindkettő a subpallium terjeszkedését eredményezik a pallium rovására, hasonlóan a Gli3 mutánsokhoz, mivel a Shh jelátvitel domináns kimenete a ventrális előagyban a Gli3 represszor formává történő feldolgozása (Stottmann et al., 2009; Besse et al., 2011). Ha genetikailag aktív Gli3R fehérjét viszünk be, akkor a csillók ebben a kontextusban nélkülözhetőek (Besse és mtsai., 2011). A ventrális előagyi mintázódás hibái állhatnak a kognitív károsodások hátterében egyes ciliopátiákban.

A Shh-hez kapcsolódó hibák nem felelősek a humán ciliopátiák összes fenotípusáért. Nyilvánvalóvá vált, hogy az IFT/ciliák bizonyos kontextusokban más útvonalak jelátvitelének elősegítésére szolgálnak. Az emlősök bőrfejlődése során az elsődleges csillók nélkülözhetetlenek a szuprabazális sejtek terminális differenciálódásához, amely folyamatot a Notch/Delta jelátvitel indít el (1F ábra; Blanpain és mtsai., 2006). A szuprabazális sejtek ∼60-70%-ában a Notch a primer csillók membránjaiban koncentrálódik, a Notch-ot hasító γ-szekretáz komplexhez tartozó presenilin fehérje pedig a bazális testekben lokalizálódik (Ezratty és mtsai., 2011). Az IFT gének koppintása vagy a csillók in vivo eliminálása csökkent Notch riporter aktivitást és károsodott szuprabazális sejtdifferenciálódást eredményez. Továbbá a NICD-t, a Notch aktív hasított formáját genetikai kimérákban a ciliás, de nem unciliás sejtek sejtmagjában figyelték meg (Ezratty és mtsai., 2011).

A ciliákat a PDGF jelátvitelbe is bevonták. Kulturált fibroblasztokban a PDGFRα-t megfigyelték a primer csillók membránjában, és az RTK-aktivált MEK1/2 és Akt jelátviteli fehérjék a ciliium mentén, illetve a csillóalapon lokalizálódnak (Schneider és mtsai., 2005). Vad típusú és Ift88 mutáns (primer csillók nélküli) fibroblasztokon végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy a vezető sejtek primer csillói a sebhely felé orientálódnak, és szükségesek a PDGF-AA-indukált kemotaxishoz és a foszfo-Akt válaszokhoz in vitro (Schneider és mtsai., 2010). Figyelemre méltó, hogy az Ift88 mutáns egerek hibákat mutatnak a sebjavításban (Schneider és mtsai., 2010). A PDGFRα-n keresztül történő PDGF jelátvitelt a csillók szétszerelésében és a G1-S fázisátmenetben is szerepet játszanak (tárgyalja Christensen és mtsai., 2012), bár ennek a megfigyelésnek az in vivo jelentősége még nem ismert.

A csillók szerepe a kanonikus Wnt jelátvitelben ellentmondásos (áttekintve: Wallingford és Mitchell, 2011). Az Ift88 és Ift72 mutáns egereken és zebrahalakon végzett vizsgálatok azt sugallták, hogy a csillók nem nélkülözhetetlenek a Wnt jelátvitelhez az embriogenezis során, a Kif3a mutáns egereken végzett Wnt jelátviteli vizsgálatok pedig ellentmondásos eredményeket hoztak (Huang és Schier, 2009; Ocbina és mtsai., 2009; Lancaster és mtsai., 2011b). Retrográd IFT mutánsokban az egyik csoport nem jelentett változást a Wnt-szignalizációban, míg egy másik csoport a Wnt-aktivitás csökkenését mutatta ki a csillók fenntartásával járó kontextusokban, de a Wnt-szignalizáció növekedését a csillók elvesztésével járó kontextusokban (Ocbina és mtsai., 2009; Lancaster és mtsai., 2011b). A ciliaris/ciliopathiás fehérjékkel, az Inversinnel, a Chibbyvel és a Jouberinnel végzett vizsgálatok alátámasztják a ciliák szerepét a kanonikus Wnt-szignalizációban specifikus fejlődési kontextusokban. Az Inversin, amely a II. típusú nefronophthisisben szenvedő humán betegekben mutálódik, a gerincesek monociliáiban expresszálódik, fizikailag kölcsönhatásba lép a Disheveleddel (Dsh), és in vitro megszakítja a Dsh után következő kanonikus Wnt jelátvitelt (Watanabe és mtsai., 2003; Simons és mtsai., 2005). Az inversin mutáns egerek a Wnt/Frz fenotípusra emlékeztető vese- és szőrszálképzési fenotípusokat, valamint bal-jobb mintázódási fenotípusokat mutatnak, amelyek valószínűleg a csomóponti monocilia funkció hibáinak köszönhetőek (Watanabe és mtsai., 2003; Simons és mtsai., 2005). A Chibby, a ciliogenezishez és a bazális test dokkolásához szükséges bazális test fehérje, fizikailag kölcsönhatásba lép a β-kateninnel és negatívan szabályozza a kanonikus Wnt jelátvitelt Drosophila embriókban, emlősök tüdőhámjában és tenyésztett emlős sejtekben (Takemaru et al., 2003; Voronina et al., 2009; Love et al., 2010). Végül, a humán ciliopátiás fehérje, a Jouberin egerekben szükséges a normális Wnt jelátvitelhez és proliferációhoz a kisagy középvonalában. Ez valószínűleg hozzájárul a humán Joubert-szindrómás betegeknél és a Jouberin-hiányos egereknél megfigyelt kisagyfélteke-fúziós hibához (Lancaster és mtsai., 2011a). A Wnt-nek kitett csillósejtekben a Jouberin a β-kateninnel együtt szekvenálódik a bazális testekben IFT-függő módon. A Jouberin elősegíti a β-katenin nukleáris transzlokációját; a bazális test szekesztrációja akadályozza a β-katenin nukleáris transzlokációját és tompítja a kanonikus Wnt szignálválaszokat (Lancaster és mtsai., 2011b). Ezek az eredmények együttesen arra utalnak, hogy a csillók nem szükségesek globálisan a Wnt jelátvitelhez az embriogenezis során, de bizonyos kontextusokban befolyásolják a Wnt jelátvitel eredményeit.

A feltevések szerint a csillók olyan specializált érzékszervi struktúrát biztosítanak, amelyen belül többféle jel koordinálódik. Egy alternatív modell szerint a csillók útvonal-specifikusak (mint a citonémák, amelyekről alább lesz szó), és ezáltal korlátozzák a sejtek válaszkészségét és/vagy térben elkülönítik a jelátviteli válaszokat. A ciliaris jelátvitel útvonalspecifikusságát a jelátviteli fehérjék ciliákra való differenciált célzása és/vagy az IFT fehérjék különböző alcsoportjainak vagy az axonémák transzportjához szükséges cargo-specifikus adaptoroknak a használata közvetítheti (Boehlke és mtsai., 2010; Mukhopadhyay és mtsai., 2010; Christopher és mtsai., 2012).