Regulation der Motilität durch das zentrale Paar
Motilitätsänderungen als Reaktion auf äußere Reize können eine von zwei Formen annehmen. Der Reiz kann die Häufigkeit der zufälligen Neuorientierung verändern, wie es bei Bakterien der Fall ist, so dass Motilität in eine günstige Richtung belohnt wird, oder der Reiz kann die Motilität direkt regulieren, so dass sich der Organismus in eine bestimmte Richtung relativ zum Reiz dreht (in Richtung des Reizes für positive Taxis, weg für negative Taxis). Eine solche taktische Drehung erfordert lokalisierte Rezeptoren, die als Antenne fungieren können, und einen Bewegungsapparat, der richtungsgesteuert werden kann (Foster und Smyth, 1980). Eine einfache Stop-Reorient-Start-Regelung erfordert keine ausgeklügelte Steuerung der Motilität. Bei den Geißeln erfordert die Richtungssteuerung koordinierte Änderungen der Wellenform und der Schlagfrequenz und damit einen ausgefeilteren Regulationsapparat. Das zentrale Paar-Radialspeichen-System erfüllt diese Aufgabe in 9+2 Zilien und Flagellen, wie am elegantesten in Chlamydomonas demonstriert (Abb. 1D). Diese einzellige biflagellate Alge reagiert auf phototaktische Reize, indem sie die relative Wellenform, Schlaggeschwindigkeit und Schlagfrequenz ihrer beiden Flagellen verändert (Witman, 1993). Verfügbare Hinweise deuten darauf hin, dass die Phototaxis einen Signalübertragungsweg vom zentralen Apparat über radiale Speichen zu einem mit den beiden Geißeln assoziierten regulatorischen Komplex beinhaltet, der dann das Muster der Dynein-Aktivität und damit die Bildung und Ausbreitung der Kurve durch Veränderungen der Dynein-assoziierten Proteinkinasen und Phosphatasen modifiziert (Porter und Sale, 2000; Smith und Yang, 2004).
Während es mehr als einen möglichen Weg zur Bildung eines asymmetrischen Zentralapparats gegeben haben könnte, könnte ein solcher, der auf einem minimalen Gerüst aus zwei Mikrotubuli aufbaut, der erste gewesen sein, der sich entwickelt hat, und er würde eine minimale Veränderung des Protociliums erfordern, in erster Linie die Hinzufügung einer neuen Initiationsstelle für die Assemblierung in der Übergangszone zusammen mit einer Struktur (radiale Speiche) für die Übertragung von Signalen vom Zentralapparat zu den mit dem Doublet assoziierten Dyneinen. Wir stellen uns vor, dass sich die radialen Speichen aus der Dyneinregulation in Doppelbahnen entwickelt haben, wo sie an ihren Basen mit einem doppelassoziierten Dyneinregulationskomplex und an ihren Spitzen mit Mikrotubuli assoziierten Proteinen auf einer anderen Doppelbahn oder auf einem kortikalen Mikrotubuli-Zytoskelett interagierten. Angesichts der Wahrscheinlichkeit, dass sich Flagellardyneine aus zytoplasmatischen Dyneinen entwickelt haben, erscheint es bemerkenswert, dass für diese beiden Dynein-Familien keine gemeinsamen Regulationsmechanismen bekannt sind. Dies könnte jedoch eher auf unseren derzeitigen Wissensmangel als auf das Fehlen konservierter Mechanismen zurückzuführen sein. Kürzlich durchgeführte molekulare Analysen eines Proteins im Chlamydomonas-Dynein-Regulationskomplex ergaben eine Primärstruktur, die Ähnlichkeiten mit zytoplasmatischen Proteinen aufweist, aber eine Beziehung zum zytoplasmatischen Dynein konnte nicht nachgewiesen werden (Rupp und Porter, 2003).
Das Herausfinden spezifischer Interaktionsmuster zwischen den Projektionen des zentralen Mikrotubuli-Paares und den radialen Speichen, die spezifische Veränderungen der Dynein-Aktivität bewirken, bleibt ein großes Rätsel. Jüngste Ergebnisse aus unserem Labor, darunter die Analyse der normalen Struktur des zentralen Paares, die Charakterisierung von Mutanten mit defekter zentraler Paarbildung und die Bestimmung der Orientierung des zentralen Paares während der Ausbreitung der Biegung, schränken die Modelle zur Regulierung von Dynein durch das CP ein. Hier versuchen wir, eine Hypothese der zentralen Paarregulierung zu entwickeln, die mit diesen Ergebnissen übereinstimmt.
Vorherige Dünnschliffelektronenmikroskopie von Chlamydomonas- und Tetrahymena-Axonemen sowie Negativfärbepräparate von zentralen Paarkomplexen aus Tetrahymena-Zilien (Chasey, 1969) und Rattenspermiengeißeln (Olson und Linck, 1977) zeigten die asymmetrische Struktur zentraler Paarkomplexe und definierten das CP-Mikrotubulum mit längeren Projektionen im Querschnitt und 32 nm Wiederholungsperiodizitäten als C1, während das andere (C2) kürzere Projektionen mit nur 16 nm Wiederholungen aufweist. Durch den Vergleich von Quer- und Längsdünnschnitten der zentralen Paarkomplexe des Wildtyps mit den zentralen Paarkomplexen der Assembler-Mutanten pf6 und cpc1 habe ich die strukturellen Beziehungen und Wiederholungsperioden für die meisten der C1- und C2-assoziierten Projektionen in Chlamydomonas bestimmt. Oberflächenansichten, die durch Stereobilder von tiefgefrorenen, tiefgeätzten Präparaten gewonnen wurden, bestätigten und erweiterten diese Schlussfolgerungen und führten zu einer ziemlich vollständigen 3-D-Rekonstruktion des zentralen Paares (Mitchell, 2003a). Diese Studien liefern ein Modell potenzieller Speicheninteraktionsstellen auf dem zentralen Paar und zeigen insbesondere Diskontinuitäten in der ansonsten zylindrischen Oberfläche des CP entlang der Mikrotubulusoberflächen, die benachbarten Speichenköpfen zugewandt sind. Hervorgehoben wird auch die allgemeine Asymmetrie des CP-Komplexes, die auf einzigartige Speicheninteraktionen an verschiedenen radialen Positionen um den CP-Zylinder hindeutet. Die Klonierung der Gene pf6 (Rupp et al., 2001) und cpc1 (Mitchell und Sale, 1999; Zhang und Mitchell, 2004) und die Identifizierung ihrer Genprodukte ergaben keine offensichtlichen Kandidaten für Proteine, die mit radialen Speichen interagieren, aber ein kinesinähnliches Protein (Klp1) auf dem C2-Mikrotubulus (Bernstein et al., 1994) ist ein attraktiver Kandidat für ein speichenbindendes Protein. Wir haben kürzlich gezeigt, dass die Geißeln in Zellen, in denen Klp1 ausgeschaltet wurde, mit dramatisch verringerter Frequenz schlagen (Mitchell und Yokoyama, 2003).
EM-Studien zeigen, dass die CP in einigen Organismen eine feste Ausrichtung in Bezug auf den Zellkörper und die äußeren Doppelstöcke beibehält, während die CP in anderen Organismen eine variable Ausrichtung hat. Phylogenetisch gesehen scheint eine feste Ausrichtung eine abgeleitete Vereinfachung bei Organellen zu sein, die eine feste Biegeebene haben, wie z. B. die Kammplattenzilien von Ctenophoren (Tamm und Tamm, 1981) und viele Spermatozoen von Metazoen (Sale, 1986). In extremen Beispielen sind die Mikrotubuli C1 und C2 durch permanente Verbindungen (entweder modifizierte Speichen oder akzessorische Strukturen) an den Doubletten 8 bzw. 3 befestigt. Das entgegengesetzte Extrem sind die Zilien und Geißeln einzelliger Organismen, die auf schnelle Änderungen der Wellenform, der Schlagfrequenz und der effektiven Schlagausrichtung angewiesen sind, um auf Umweltreize zu reagieren. Die CP in diesen Organellen sind verdreht, so dass sie keine feste Ausrichtung von der Basis bis zur Spitze innerhalb der sie umgebenden 9 Dubletten beibehalten. Darüber hinaus rotieren diese verdrehten CP während der Ausbreitung der Biegung (Omoto et al., 1999). Wir haben kürzlich gezeigt, dass die CP von Chlamydomonas in jeder Biegung parallel zur Biegeebene ausgerichtet sind (Abb. 1D) und sich zwischen aufeinanderfolgenden Haupt- und Gegenbiegungen um 180° drehen, und dass das C1-Mikrotubulum immer am nächsten zu den Dubletten auf der Außenseite jeder Biegung liegt (Mitchell, 2003b). Diese konstante Orientierung der CP relativ zu einer Biegung in Chlamydomonas ermöglicht es einer Gruppe von CP-Projektionen, mit radialen Speichen zu interagieren, die an Doubletten mit aktiven Dyneinen befestigt sind, während eine andere Gruppe von CP-Projektionen mit radialen Speichen auf Doubletten mit inaktiven Dyneinen interagiert.
Obwohl die Beat-Hülle in Chlamydomonas nahezu planar ist und die Richtung der Hauptbiegungen sich nicht dramatisch von einer konstanten Ebene weg verändert, ist dies in anderen Organismen nicht der Fall. Wenn die Orientierung der CP auch in diesen anderen Organismen der Orientierung der Biegung folgt, wie ich vorschlage, dann ist die CP immer so positioniert, dass sie eine flexible Motilitätskontrolle ermöglicht. Unsere jüngsten Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die CP-Ausrichtung passiv an die Biegungen anpasst, wenn sie sich an der Basis einer Chlamydomonas-Geißel bilden, und dass sich diese biegeabhängige Ausrichtung dann verlagert, wenn sich jede Biegung von der Basis zur Spitze ausbreitet. Eine Analogie aus der Technik ist ein Schneckengetriebe, bei dem die Rotation der Schnecke (zentrales Paar) auf die senkrechte Bewegung (Ausbreitung der Biegung) der ineinander greifenden Zahnräder eines Zahnrads (axonemale Biegungen) abgestimmt ist. Die Richtung einer Hauptkrümmung kann daher nicht durch die Ausrichtung des zentralen Paares bestimmt werden, das sich passiv an die Krümmungen anpasst, sondern muss auf der Ebene des äußeren Dubletts durch Initiationsmuster an der Geißelbasis reguliert werden. Regulatorische Signale vom CP könnten dann die Form und Schlagfrequenz durch direkte Modulation der Dynein-Aktivitätsmuster innerhalb der sich entwickelnden und fortschreitenden Krümmungen bestimmen. Diese Hypothese steht im Einklang mit den Ergebnissen der Neuorientierung der Schlagebene von Seeigelaxonemen durch Vibrationen (Shingyoji et al., 1991; Takahashi et al., 1991). Wenn die durch die Vibration induzierte neue Biegeebene eine neue Ausrichtung des zentralen Paares erzwingt, dann würde die Entspannung des Systems nach Beseitigung der aufgezwungenen Vibration von diesen Zellen eine allmähliche Drehung des zentralen Paares zurück in seine Ruheposition erfordern. Leider wurden bei diesen Experimenten keine Informationen über die tatsächliche Ausrichtung der CP gewonnen. Diese Hypothese stimmt auch mit dem Muster des Dublettengleitens überein, das in proteasebehandelten Chlamydomonas-Axonemen beobachtet wurde, in denen das Dublettengleitmuster eine konstante Beziehung zur Orientierung des zentralen Paares aufweist (Wargo und Smith, 2003; Wargo et al., 2004), und mit Untersuchungen der Dynein-Aktivität in gestörten Axonemen von Chlamydomonas (Smith, 2002) und Seeigel (Yoshimura und Shingyoji, 1999; Nakano et al., 2003), die eine von Kalzium und Zentralpaar abhängige Modulation der Aktivität zeigen.
Welchen Vorhersagewert haben diese Spekulationen über die Evolution von Zilien und Flagellen? Erstens stellen wir die Hypothese auf, dass die Entwicklung der Oberflächenmotilität der Geißeln primitiv ist und wahrscheinlich auf breiter Ebene anzutreffen ist, sogar bei Zilienderivaten, die nicht schlagen. Die IFT ist eindeutig eine wesentliche und universelle Motilität für den Zusammenbau sowohl beweglicher als auch unbeweglicher Organellen, so dass die Verknüpfung dieser Maschinerie mit der extrazellulären Bewegung ebenso weit verbreitet sein dürfte. Zweitens ist die Sequestrierung von Rezeptoren auf Zilienmembranen ebenfalls primitiv und stellt wahrscheinlich einen wichtigen Selektionsdruck für das Fortbestehen nicht-motiler primärer Zilien sowie höher modifizierter Zilien von Sinnesorganen dar. Da die Zilienderivate wesentliche Funktionen in den sensorischen Neuronen vieler Organismen erfüllen, ist nur ein kleiner Sprung in der Vorstellungskraft erforderlich, um zu vermuten, dass das Protocilium auch die ursprüngliche Plattform für alle sensorischen Prozesse bildete und dass zusätzliche Merkmale dieser Organelle in sensorischen Transduktionskaskaden üblich sein könnten. Drittens ist die Orientierung des Zentrosoms als Indikator für die Zellpolarität und die Migrationsrichtung von beweglichen Zellen ebenfalls sehr primitiv. Die Bedeutung des Protociliums als frühe Determinante der Zellpolarität und der gerichteten Migration deutet darauf hin, dass weitere Verbindungen zwischen den Mechanismen, die die Zellpolarität bestimmen, und den Mechanismen, die die Zentrosomen/Zentriolen zusammen mit der zytoplasmatischen Mikrotubuli-Anordnung ausrichten, gesucht werden sollten. Schließlich muss sich die Regulierung von Zilien und Geißeln durch das zentrale Paar ebenfalls sehr früh in der eukaryotischen Evolution entwickelt haben, nämlich vor der Entstehung aller heute existierenden eukaryotischen Phyla. Obwohl es zweifellos Unterschiede in der detaillierten Regulierung gibt, die diese Organellen in verschiedenen Organismen und Zelltypen benötigen, sollten wir erwarten, dass wir viele universelle Merkmale in der Art und Weise finden, wie die Interaktionen zwischen zentralem Paar und radialen Speichen die Dynein-Aktivität regulieren, und wir könnten noch gemeinsame Themen in der Regulierung der axonemalen und zytoplasmatischen Dynein-Motoren finden.