ENU

Cilia in Vertebrate Cell-Cell Signaling

W 2003 roku, badanie mutagenezy ENU nieoczekiwanie wykazało udział pierwotnych rzęsek i IFT w sygnalizacji Shh: Mutacje IFT u myszy spowodowały fenotypy patterningu cewy nerwowej i pączków kończyn podobne do tych, które wynikają z zakłócenia szlaku Shh (Huangfu i in., 2003). Pierwotne rzęski są niemobilnymi, opartymi na mikrotubulach organellami, które wystają z większości komórek kręgowców. Rozwijają się z ciałek podstawowych i składają się z wyspecjalizowanych błon (strukturalnie oddzielonych od błony plazmatycznej) wokół centralnego aksonu, wzdłuż którego mechanizmy IFT ułatwiają transport wsteczny i anterogonalny pomiędzy podstawą i końcem rzęsek. Zaburzenia ciliogenezy lub IFT skutkuj± szerokim spektrum ludzkich zespołów ciliopatii. Do wad pierwotnych zaburzeń rzęsek należą: polidaktylia, wady rozwojowe twarzoczaszki i mózgu, situs inversus, wielotorbielowatość nerek, otyłość, cukrzyca oraz subtelne wady wątroby, śledziony i serca (Nigg i Raff, 2009; Goetz i Anderson, 2010; Hildebrandt i in, 2011).

Ciliogeneza i demontaż pierwotnych rzęsek są ściśle powiązane z mechanizmem cyklu komórkowego: pierwotne rzęski są obecne w komórkach spokojnych, ale ich demontaż jest wymagany do przejścia w cykl komórkowy. Sygnalizacja Fgf i Wnt jest wymagana przed rozpoczęciem rzęsistkowicy w kilku kontekstach kręgowców, w tym w węźle/pęcherzyku Kupffera (KV), pęcherzykach wydalniczych i przewodach pronephric (Basu i Brueckner, 2009; Liu i in., 2011; Caron i in., 2012; Qian i in., 2013). Celami transkrypcyjnymi tych szlaków sygnałowych, które pośredniczą w tworzeniu, kształtowaniu i funkcjonowaniu rzęsek, są Ift88, Enc1-podobne i ciliogenne TF Foxj1 i Rfx2 (Neugebauer i in., 2009; Caron i in., 2012; Qian i in., 2013). Eksperymenty epistazowe badające KV sugerują, że sygnalizacja Wnt funkcjonuje poniżej Fgfs w ciliogenezie (Caron i in., 2012).

W kręgowcach szlak Shh wykorzystuje rzęski jako wyspecjalizowane organelle sygnalizacyjne, w których IFT pośredniczy w zmianach lokalizacji białek istotnych dla przetwarzania Gli i w konsekwencji odpowiedzi transkrypcyjnej (rysunek 1.1B). Receptor Hh Patched (Ptc) znajduje się u podstawy pierwotnego rzęski w nieobecności Hh. W obecności Hh, Ptc opuszcza cilium, a Smo wchodzi do niego, i następuje wzrost Gli zlokalizowanych na czubku. Kompleksy Gli-Sufu są wzbogacone w końcówki rzęsek pierwotnych w sposób zależny od Smo i muszą zostać zdysocjowane w celu aktywacji szlaku Shh (Humke i in., 2010; Tukachinsky i in., 2010). Kif7, którego ortolog promuje przetwarzanie Ci/Gli i antagonizuje Sufu w Drosophila, ulega indukowanemu przez Hh transportowi anterograde z podstawy rzęsek do wierzchołka. PKA, która fosforyluje Gli jako warunek wstępny proteolizy do GliR, lokalizuje się do podstawy pierwotnych rzęsek i reguluje poziomy Gli zlokalizowanego na czubku (Pan i in., 2006; 2009; Tuson i in., 2011).

Badania Shh i rzęsek/IFT wskazały, że niektóre cechy ludzkich rzęsek są prawdopodobnie spowodowane zaburzoną sygnalizacją Shh. Ponadto, defekty rzęsek mogą wzmacniać lub hamować onkogenezę w wyniku mutacji szlaku Shh (Han i in., 2009). Mutanty rzęsek/IFT często przypominają mutanty LOF lub GOF Shh ze względu na specyficzne dla kontekstu wymagania dotyczące przetwarzania Gli przez rzęski odpowiednio do GliA lub GliR. Charakterystyczne fenotypy obejmują ventralizację cewy nerwowej (która wykorzystuje GliR) i polidaktylię (pąki kończyn wykorzystują GliA; omówione w Goetz i Anderson, 2010). Mutacje w genach IFT i ciliopatii pomogły zidentyfikować nowe konteksty, w których rzęski są wymagane do sygnalizacji komórek rozwojowych. W niektórych przypadkach eksperymenty te rzuciły światło na etiologię słabo poznanych ludzkich cech rzęsistkowatości. Na przykład, badania Rpgrip11 (ludzkiego genu ciliopatii) i myszy zmutowanych Ttc21b wykazały znaczenie pierwotnych rzęsek w przekazywaniu sygnałów Shh w brzusznym przodomózgowiu. Mutanty Ttc21b mają nieprawidłowe rzęski pierwotne z częściowo uszkodzonym transportem wstecznym, ale funkcjonalnym transportem wstecznym. Skutkuje to fenotypem GOF, czego dowodem jest nagromadzenie mechanizmów sygnalizacyjnych Shh w końcówkach rzęsek i wzrost ekspresji/aktywności Shh w telencephalonie brzusznym i zona limitans intrathalamica (Tran i in., 2008; Stottmann i in., 2009). Mutanty Rpgrip1l mają komórki neuroepitelialne przodomózgowia, które nie mają pierwotnych rzęsek i nie wytwarzają przetworzonych Gli, jak można się spodziewać w przypadku Shh LOF (Besse i in., 2011). Obydwie mutacje powodują ekspansję subpallium kosztem pallium, podobnie jak mutacje Gli3, ponieważ dominującym wyjściem sygnalizacji Shh w brzusznej części przodomózgowia jest przetwarzanie Gli3 do formy represorowej (Stottmann i in., 2009; Besse i in., 2011). Jeśli aktywne białko Gli3R zostanie genetycznie wprowadzone, to rzęski są w tym kontekście zbędne (Besse i in., 2011). Defekty w patterningu brzusznego przodomózgowia mogą leżeć u podstaw zaburzeń poznawczych w niektórych ciliopatiach.

Defekty związane z Shh nie odpowiadają za wszystkie fenotypy w ludzkich ciliopatiach. Stało się oczywiste, że IFT/rzęski są wykorzystywane w niektórych kontekstach do ułatwienia sygnalizacji przez inne szlaki. Podczas rozwoju skóry ssaków, pierwotne rzęski są niezbędne do terminalnego różnicowania komórek suprabazalnych, procesu inicjowanego przez sygnalizację Notch/Delta (Rycina 1F; Blanpain i in., 2006). W ∼60-70% komórek suprabazalnych, Notch jest skoncentrowany w błonach rzęsek pierwotnych, a presenilina, białko w kompleksie γ-sekretazy, która rozszczepia Notch, jest zlokalizowana w ciałkach podstawnych (Ezratty i in., 2011). Knock down genów IFT lub eliminacja rzęsek in vivo skutkuje zmniejszoną aktywnością reportera Notch i upośledzeniem różnicowania komórek suprabazalnych. Ponadto, NICD, aktywna rozszczepiona forma Notch, została zaobserwowana w jądrach komórek glejowych, ale nie glejowych w chimerach genetycznych (Ezratty i in., 2011).

Łąkotki zostały również włączone w sygnalizację PDGF. W hodowlanych fibroblastach, PDGFRα został zaobserwowany w pierwotnych błonach rzęsek, a aktywowane przez RTK białka transdukcji sygnału MEK1/2 i Akt są zlokalizowane odpowiednio wzdłuż rzęski i u jej podstawy (Schneider i in., 2005). Badania fibroblastów typu dzikiego i zmutowanych Ift88 (brak rzęsek pierwotnych) wykazały, że rzęski pierwotne komórek wiodących orientują się w kierunku miejsc zranienia i są wymagane do indukowanej przez PDGF-AA chemotaksji i odpowiedzi fosfo-Akt w warunkach in vitro (Schneider i in., 2010). Co więcej, myszy zmutowane na Ift88 wykazują defekty w naprawie ran (Schneider i in., 2010). Sygnalizacja PDGF poprzez PDGFRα również została włączona w demontaż rzęsek i przejście fazowe G1-S (omówione w Christensen i in., 2012), chociaż znaczenie in vivo tej obserwacji nie jest jeszcze znane.

Rola rzęsek w kanonicznej sygnalizacji Wnt jest kontrowersyjna (omówiona w Wallingford i Mitchell, 2011). Badania zmutowanych myszy Ift88 i Ift72 oraz zebrafish sugerowały, że rzęski nie są niezbędne dla sygnalizacji Wnt podczas embriogenezy, a badania sygnalizacji Wnt u zmutowanych myszy Kif3a przyniosły sprzeczne wyniki (Huang i Schier, 2009; Ocbina i in., 2009; Lancaster i in., 2011b). U mutantów wstecznego IFT, jedna grupa nie wykazała żadnych zmian w sygnalizacji Wnt, podczas gdy inna grupa wykazała spadek aktywności Wnt w kontekstach, które utrzymują rzęski, ale wzrost sygnalizacji Wnt w kontekstach, które utraciły rzęski (Ocbina i in., 2009; Lancaster i in., 2011b). Badania białek rzęsek/chiliopatii: Inversin, Chibby i Jouberin potwierdzają rolę rzęsek w kanonicznej sygnalizacji Wnt w specyficznych kontekstach rozwojowych. Inwersyna, która jest zmutowana u pacjentów z nefronoftyzmem typu II, ulega ekspresji w monokiliach kręgowców, fizycznie oddziałuje z Disheveled (Dsh) i zaburza kanoniczną sygnalizację Wnt poniżej Dsh in vitro (Watanabe i in., 2003; Simons i in., 2005). Myszy zmutowane na inwersynę wykazują fenotypy ukształtowania nerek i włosów przypominające fenotypy Wnt/Frz, jak również fenotypy ukształtowania lewo-prawego, prawdopodobnie spowodowane defektami w funkcji monokili węzła (Watanabe i in., 2003; Simons i in., 2005). Chibby, białko ciałka podstawnego wymagane w procesie ciliogenezy i dokowania ciałka podstawnego, fizycznie oddziałuje z β-kateniną i negatywnie reguluje kanoniczną sygnalizację Wnt w embrionach Drosophila, nabłonku płuc ssaków i hodowlanych komórkach ssaków (Takemaru i in., 2003; Voronina i in., 2009; Love i in., 2010). Wreszcie, ludzkie białko ciliopatii Jouberin jest wymagane u myszy dla prawidłowej sygnalizacji Wnt i proliferacji na linii środkowej móżdżku. To prawdopodobnie przyczynia się do defektu fuzji półkul móżdżku obserwowanego u pacjentów z ludzkim zespołem Jouberta i myszy z niedoborem Jouberyny (Lancaster i in., 2011a). W komórkach rzęskowych wystawionych na działanie Wnt, Jouberina jest sekwestrowana wraz z β-kateniną w ciałach podstawnych w sposób zależny od IFT. Jouberyna ułatwia jądrową translokację β-kateniny; jej sekwestracja w ciałach podstawnych utrudnia jądrową translokację β-kateniny i tłumi kanoniczne odpowiedzi sygnalizacyjne Wnt (Lancaster i in., 2011b). Łącznie, wyniki te sugerują, że rzęski nie są globalnie wymagane do sygnalizacji Wnt podczas embriogenezy, ale wpływają na wyniki sygnalizacji Wnt w wybranych kontekstach.

Powstała hipoteza, że rzęski zapewniają wyspecjalizowaną strukturę sensoryczną, w obrębie której koordynowane są różne rodzaje sygnałów. Alternatywny model zakłada, że rzęski wykazują swoistość szlaków (podobnie jak cytony, omówione poniżej) i w ten sposób ograniczają reaktywność komórek i/lub przestrzennie segregują odpowiedzi sygnalizacyjne. Specyficzność szlaków sygnalizacji rzęskowej może być pośredniczona przez zróżnicowane kierowanie białek sygnalizacyjnych do rzęsek i/lub wykorzystanie odrębnych podzbiorów białek IFT lub specyficznych dla ładunku adaptorów do transportu aksonów (Boehlke i in., 2010; Mukhopadhyay i in., 2010; Christopher i in., 2012).