Regulación de la motilidad por el par central
Los cambios de motilidad en respuesta a estímulos externos pueden adoptar una de dos formas. El estímulo puede alterar la frecuencia de la reorientación aleatoria, como ocurre en las bacterias, de modo que se recompensa la motilidad en una dirección favorable, o bien el estímulo puede regular directamente la motilidad de modo que el organismo gire en una dirección definida en relación con el estímulo (hacia el estímulo para las taxis positivas, lejos para las taxis negativas). Tal giro táctico requiere receptores localizados que puedan funcionar como una antena, y un aparato de motilidad que pueda ser controlado direccionalmente (Foster y Smyth, 1980). Un tipo de regulación simple de parada-reorientación-inicio no requiere una regulación sofisticada de la motilidad. En los flagelos, el control direccional requiere cambios coordinados en la forma de onda y la frecuencia de batido y, por tanto, un aparato regulador más sofisticado. El sistema de radios centrales del par cumple esa función en los cilios y flagelos 9+2, como se ha demostrado de forma más elegante en Chlamydomonas (Fig. 1D). Esta alga biflagelada unicelular responde a los estímulos fototácticos alterando la forma de onda relativa, la velocidad de carrera y la frecuencia de batido de sus dos flagelos (Witman, 1993). Las pruebas disponibles indican que la fototaxis implica una vía de transducción de señales desde el aparato central, a través de los radios radiales, hasta un complejo regulador asociado al doblete, que luego modifica el patrón de actividad de la dineína y, por tanto, de la formación y propagación de la curva a través de cambios en las proteínas quinasas y fosfatasas asociadas a la dineína (Porter y Sale, 2000; Smith y Yang, 2004).
Aunque podría haber más de una forma posible de formar un aparato central asimétrico, uno construido sobre un andamiaje mínimo de dos microtúbulos podría haber sido el primero en evolucionar y requeriría un cambio mínimo en el protocilio, principalmente la adición de un nuevo sitio de iniciación de ensamblaje en la zona de transición junto con una estructura (radio radial) para transmitir señales desde el aparato central a las dineínas asociadas al doblete. Imaginamos que los radios radiales evolucionaron a partir de la regulación de dineínas en láminas de dobletes, donde interactuaban en sus bases con un complejo regulador de dineínas asociado a dobletes y en sus puntas con proteínas asociadas a microtúbulos en otra fila de dobletes o en un citoesqueleto cortical de microtúbulos singulares. Parece sorprendente, dada la probabilidad de que las dineínas flagelares hayan evolucionado a partir de las dineínas citoplásmicas, que no se conozcan mecanismos reguladores comunes para estas dos familias de dineínas. Sin embargo, esto puede reflejar nuestra actual falta de conocimiento más que una ausencia de mecanismos conservados. Un reciente análisis molecular de una proteína del complejo regulador de dineína de Chlamydomonas reveló una estructura primaria que sí tiene similitudes con las proteínas citoplásmicas, pero no se ha establecido una relación con la dineína citoplásmica (Rupp y Porter, 2003).
Descubrir los patrones específicos de interacción entre las proyecciones de los microtúbulos del par central y los radios radiales que provocan cambios específicos en la actividad de la dineína sigue siendo un gran rompecabezas. Los resultados recientes de nuestro laboratorio, incluyendo el análisis de la estructura normal del par central, la caracterización de mutantes defectuosos en el ensamblaje del par central y la determinación de la orientación del par central durante la propagación de la curva, restringen los modelos de cómo el CP regula la dineína. Aquí intentamos sintetizar una hipótesis de regulación del par central consistente con estos resultados.
Anteriores microscopías electrónicas de sección delgada de axonemas de Chlamydomonas y Tetrahymena, junto con preparaciones de tinción negativa de complejos de pares centrales de cilios de Tetrahymena (Chasey, 1969) y flagelos de esperma de rata (Olson y Linck, 1977) revelaron la estructura asimétrica de los complejos de pares centrales y definieron el microtúbulo CP con proyecciones más largas en sección transversal y periodicidades de repetición de 32 nm como C1, mientras que el otro (C2) tiene proyecciones más cortas con sólo 16 nm de repetición. Comparando secciones delgadas transversales y longitudinales de complejos de pares centrales de tipo salvaje con complejos de pares centrales de los mutantes de ensamblaje pf6 y cpc1, determiné las relaciones estructurales y los periodos de repetición de la mayoría de las proyecciones asociadas a C1 y C2 en Chlamydomonas. Las vistas superficiales proporcionadas por las imágenes estereoscópicas de las preparaciones congeladas rápidamente y grabadas en profundidad confirmaron y ampliaron esas conclusiones y dieron lugar a una reconstrucción tridimensional bastante completa del par central (Mitchell, 2003a). Estos estudios proporcionan un modelo de los posibles sitios de interacción de los radios en el par central y, en particular, muestran discontinuidades en la superficie, por lo demás cilíndrica, del CP a lo largo de las superficies de los microtúbulos que miran hacia las cabezas de los radios adyacentes. También se destaca la asimetría general del complejo CP, que sugiere interacciones únicas de los radios en diferentes posiciones radiales alrededor del cilindro CP. La clonación de los genes pf6 (Rupp et al., 2001) y cpc1 (Mitchell y Sale, 1999; Zhang y Mitchell, 2004) y la identificación de sus productos génicos no identificaron candidatos obvios para las proteínas que interactúan con los radios radiales, pero una proteína similar a la kinesina (Klp1) en el microtúbulo C2 (Bernstein et al., 1994) es un candidato atractivo para una proteína de unión a radios. Recientemente hemos demostrado que los flagelos en las células eliminadas de Klp1 laten con frecuencias dramáticamente reducidas (Mitchell y Yokoyama, 2003).
Los estudios de MEB muestran que el CP mantiene una orientación fija con respecto al cuerpo celular y a los dobletes exteriores en algunos organismos, mientras que en otros el CP tiene una orientación variable. Filogenéticamente, la orientación fija parece ser una simplificación derivada en los orgánulos que tienen un plano de flexión fijo, como los cilios de las placas de peine de los ctenóforos (Tamm y Tamm, 1981) y muchos espermatozoides de los metazoos (Sale, 1986). En los ejemplos extremos, los microtúbulos C1 y C2 están unidos a los dobletes 8 y 3, respectivamente, por enlaces permanentes (ya sean radios modificados o estructuras accesorias). En el extremo opuesto se encuentran los cilios y los flagelos de los organismos unicelulares que dependen de cambios rápidos en la forma de onda, la frecuencia de los latidos y la orientación efectiva de la carrera para responder a las señales del entorno. Los CP de estos orgánulos están retorcidos, por lo que no mantienen una orientación fija de la base a la punta dentro de los 9 dobletes circundantes. Además, estas CP retorcidas giran durante la propagación de la curva (Omoto et al., 1999). Recientemente hemos demostrado que el CP de Chlamydomonas se orienta paralelamente al plano de curvatura dentro de cada curva (Fig. 1D), y se retuerce 180° entre las sucesivas curvas principales e inversas, y que el microtúbulo C1 siempre está más cerca de los dobletes en el lado exterior de cada curva (Mitchell, 2003b). Esta orientación constante del CP en relación con un doblez en Chlamydomonas permite que un conjunto de proyecciones del CP interactúe con radios radiales unidos a dobletes con dineínas activas, mientras que otro conjunto de proyecciones del CP interactúa con radios radiales en dobletes con dineínas inactivas.
Aunque la envoltura del batido es casi plana en Chlamydomonas, y la dirección de los dobleces principales no cambia drásticamente alejándose de un plano constante, esto no es cierto en otros organismos. Si la orientación del CP también sigue la orientación de los pliegues en estos otros organismos, como propongo, entonces el CP está siempre posicionado para proporcionar un control flexible de la motilidad. Nuestros resultados recientes indican que la orientación del CP se ajusta pasivamente a las curvas a medida que se forman en la base de un flagelo de Chlamydomonas, y luego esta orientación dependiente de las curvas se transloca a medida que cada curva se propaga desde la base hasta la punta. Una analogía de la ingeniería es un engranaje de tornillo sin fin, en el que la rotación del tornillo sin fin (par central) está vinculada al movimiento perpendicular (propagación del pliegue) de los engranajes interdigitados (pliegues axonémicos). Por lo tanto, la dirección de un pliegue principal no puede ser determinada por la orientación del par central, que se ajusta pasivamente a los pliegues, sino que debe ser regulada a nivel del doblete exterior, a través de patrones de iniciación en la base flagelar. Las señales reguladoras del CP pueden entonces determinar la forma y la frecuencia de batido a través de la modulación directa de los patrones de actividad de la dineína dentro de los acodos en desarrollo y en propagación. Esta hipótesis es consistente con los resultados de la reorientación vibracional del plano de batido de los axonemas del erizo de mar (Shingyoji et al., 1991; Takahashi et al., 1991). Si el nuevo plano de batido inducido por la vibración fuerza una nueva orientación del par central, entonces la relajación del sistema tras la eliminación de la vibración impuesta a estas células requeriría una rotación gradual del par central de vuelta a su posición de reposo. Lamentablemente, en esos experimentos no se obtuvo información sobre la orientación real del CP. Esta hipótesis también es coherente con el patrón de deslizamiento de los dobletes observado en los axonemas de Chlamydomonas tratados con proteasas, en los que los patrones de deslizamiento de los dobletes mantienen una relación constante con la orientación del par central (Wargo y Smith, 2003; Wargo et al., 2004), y con estudios de la actividad de la dineína en axonemas de Chlamydomonas (Smith, 2002) y erizos de mar (Yoshimura y Shingyoji, 1999; Nakano et al., 2003) interrumpidos, que muestran una modulación de la actividad dependiente del calcio y del par central.
¿Qué valor predictivo tienen estas especulaciones sobre la evolución de los cilios y los flagelos? En primer lugar, planteamos la hipótesis de que el desarrollo de la motilidad de la superficie flagelar es primitivo y es probable que se encuentre ampliamente, incluso en los derivados ciliares que no baten. Está claro que el IFT es una motilidad esencial y universal para el ensamblaje de orgánulos móviles y no móviles, por lo que la vinculación de esta maquinaria al movimiento extracelular puede estar igualmente extendida. En segundo lugar, el secuestro de los receptores en las membranas ciliares es también primitivo, y es probable que sea una presión selectiva importante para la existencia continuada de los cilios primarios no móviles, así como de los cilios más modificados de los órganos sensoriales. Como los derivados ciliares proporcionan funciones esenciales en las neuronas sensoriales de muchos organismos, sólo se necesita un pequeño salto de la imaginación para sugerir que el protocilio también formó la plataforma ancestral de todos los procesos sensoriales, y que las características adicionales de este orgánulo pueden ser comunes en las cascadas de transducción sensorial. En tercer lugar, la orientación del centrosoma como indicador de la polaridad celular y de la dirección de migración de las células móviles es también muy primitiva. De ser así, la importancia del protocilio como determinante temprano de la polaridad celular y de la migración dirigida sugiere que deberían buscarse más vínculos entre los mecanismos que determinan la polaridad celular y los mecanismos que orientan los centrosomas/centríolos junto con el conjunto de microtúbulos citoplasmáticos. Por último, la regulación de los cilios y los flagelos por parte del par central también debe haberse desarrollado muy pronto en la evolución eucariota, antes de la radiación de todos los filos eucariotas existentes. Aunque sin duda existen diferencias en la regulación detallada requerida por estos orgánulos en diferentes organismos y tipos celulares, deberíamos esperar encontrar muchos rasgos universales en la forma en que las interacciones par central-radio regulan la actividad de la dineína, y aún podríamos encontrar temas comunes en la regulación de los motores de dineína axonemales y citoplasmáticos.