Keskusparin harjoittama liikkuvuuden säätely
Motiliteetin muutokset vastauksena ulkoisiin ärsykkeisiin voivat tapahtua kahdella tavalla. Ärsyke voi muuttaa satunnaisen uudelleensuuntautumisen taajuutta, kuten bakteereissa tapahtuu, niin että suotuisaan suuntaan suuntautuva motiliteetti palkitaan, tai ärsyke voi suoraan säädellä motiliteettia niin, että organismi kääntyy tiettyyn suuntaan suhteessa ärsykkeeseen (kohti ärsykettä positiivisen taksonin kohdalla, poispäin negatiivisen taksonin kohdalla). Tällainen taktinen kääntyminen edellyttää paikallisia reseptoreita, jotka voivat toimia antennina, ja motiliteettilaitetta, jota voidaan ohjata suunnan mukaan (Foster ja Smyth, 1980). Yksinkertainen stop-reorient-start -tyyppinen säätely ei vaadi kehittynyttä motiliteetin säätelyä. Lippuloissa suuntasäätö edellyttää koordinoituja muutoksia aaltomuodossa ja lyöntitaajuudessa ja siten kehittyneempää säätelylaitetta. Sentraalinen pari-radiaalipiikkijärjestelmä täyttää tämän tehtävän 9+2-eliöissä ja lippuloissa, kuten tyylikkäimmin on osoitettu Chlamydomonasissa (kuva 1D). Tämä yksisoluinen kaksisoluinen levä reagoi fototaktisiin ärsykkeisiin muuttamalla kahden lippulankansa suhteellista aaltomuotoa, iskunopeutta ja lyöntitiheyttä (Witman 1993). Käytettävissä olevat todisteet viittaavat siihen, että fototaksikseen liittyy signaalinsiirtoreitti keskuslaitteistosta säteittäisten piikkien kautta kaksoispilareihin liittyvään säätelykompleksiin, joka sitten muuttaa dyneiiniaktiivisuuden mallia ja siten mutkien muodostumista ja etenemistä dyneiiniin liittyvien proteiinikinaasien ja fosfataasien muutosten kautta (Porter ja Sale, 2000; Smith ja Yang, 2004).
Vaikka epäsymmetrisen keskuslaitteen muodostamiseen on saattanut olla useampi kuin yksi mahdollinen tapa, kahden mikrotubuluksen minimaalisen telineen varaan rakentuva laite on saattanut kehittyä ensimmäisenä, ja se edellyttäisi minimaalista muutosta protociliumiin, lähinnä uuden kokoonpanon aloituskohdan lisäämistä siirtymävyöhykkeelle yhdessä rakenteen (säteittäinen puomi) kanssa signaalien välittämiseksi keskuslaitteesta kaksoiskappaleisiin assosioituneille dyneiineille. Kuvittelemme, että säteittäispuikot ovat kehittyneet dyneiinien säätelystä dublettien arkeissa, joissa ne ovat vuorovaikutuksessa tyvestään dublettiin assosioituneen dyneiinien säätelykompleksin kanssa ja kärjestään mikrotubulukseen assosioituneiden proteiinien kanssa toisessa dublettirivissä tai kortikaalisen singulaarisen mikrotubuluksen sytoskeletissä. Kun otetaan huomioon todennäköisyys, että flagellaridyneiinit ovat kehittyneet sytoplasmisista dyneiineistä, vaikuttaa hämmästyttävältä, että näille kahdelle dyneiiniperheelle ei tunneta yhteisiä säätelymekanismeja. Tämä saattaa kuitenkin pikemminkin kuvastaa nykyistä tietämättömyyttämme kuin konservoitujen mekanismien puuttumista. Chlamydomonasin dyneiinin säätelykompleksin erään proteiinin äskettäinen molekyylianalyysi paljasti primaarirakenteen, jolla on yhtäläisyyksiä sytoplasmisiin proteiineihin, mutta suhdetta sytoplasmisiin dyneiineihin ei ole pystytty osoittamaan (Rupp ja Porter, 2003).
Keskeisen parin mikrotubulusten ja säteittäisten kehien ulkonemien erityisten vuorovaikutusmallien selvittäminen, jotka saavat aikaan erityisiä muutoksia dyneiinin aktiivisuudessa, on edelleen suuri pulma. Laboratoriomme viimeaikaiset tulokset, mukaan lukien normaalin keskusparin rakenteen analyysi, keskusparin kokoonpanovirheellisten mutanttien karakterisointi ja keskusparin orientaation määrittäminen mutkan etenemisen aikana, rajoittavat malleja siitä, miten CP säätelee dyneiniä. Tässä yritämme syntetisoida näiden tulosten kanssa sopusoinnussa olevan hypoteesin keskusparin säätelystä.
Aiemmat Chlamydomonas- ja Tetrahymena-aksoneemien ohutleikkauselektronimikroskopiat yhdessä Tetrahymena-siilien (Chasey, 1969) ja rotan siittiöiden lippuloiden (Olson ja Linck, 1977) keskusparikompleksien negatiivisten värjäyspreparaattien kanssa paljastivat keskusparikompleksien epäsymmetrisen rakenteen ja määrittelivät C1:ksi CP-mikrotubuluksen, jolla on pidemmät ulokkeet poikkileikkaukseltaan ja jonka toistojaksot ovat pitkiä ja toistuvat jaksoittain 32 nm:n pituisia, kun taas toisella (C2) on lyhyemmät ulokkeet ja toistuvat jaksot ovat vain 16 nm. Vertailemalla poikki- ja pitkittäissuuntaisia ohuita poikkileikkauksia villityypin keskusparikomplekseista ja kokoonpanomutaatioiden pf6 ja cpc1 keskusparikomplekseista määrittelin rakenteelliset suhteet ja toistojaksot useimmille C1- ja C2-assosioituneille projektioille Chlamydomonasissa. Pikajäädytettyjen, syväjyrsittyjen preparaattien stereokuvista saadut pintakuvat vahvistivat ja laajensivat näitä johtopäätöksiä ja johtivat melko täydelliseen kolmiulotteiseen rekonstruktioon keskusparista (Mitchell, 2003a). Nämä tutkimukset tarjoavat mallin keskiparin mahdollisista piikkien vuorovaikutuskohdista ja osoittavat erityisesti epäjatkuvuuskohtia CP:n muuten sylinterimäisessä pinnassa vierekkäisiä piikkien päitä kohti suuntautuvien mikrotubulusten pintoja pitkin. Lisäksi korostetaan CP-kompleksin yleistä epäsymmetriaa, mikä viittaa ainutlaatuisiin puikkovuorovaikutuksiin eri säteittäisissä paikoissa CP-sylinterin ympärillä. Pf6- (Rupp ym., 2001) ja cpc1-geenien (Mitchell ja Sale, 1999; Zhang ja Mitchell, 2004) kloonaaminen ja niiden geenituotteiden tunnistaminen eivät tunnistaneet ilmeisiä ehdokkaita proteiineiksi, jotka ovat vuorovaikutuksessa säteittäisten puikkojen kanssa, mutta kinesiinin kaltainen proteiini (Klp1) C2-mikrotubuluksessa (Bernstein ym., 1994) on houkutteleva ehdokas puikkoa sitovaksi proteiiniksi. Olemme hiljattain osoittaneet, että Klp1:n knockdown-solujen lippulangat lyövät dramaattisesti pienemmällä taajuudella (Mitchell ja Yokoyama, 2003).
EM-tutkimukset osoittavat, että joissakin organismeissa CP säilyttää kiinteän orientaation suhteessa solurunkoon ja ulompiin kaksoiskappaleisiin, kun taas toisissa organismeissa CP:llä on vaihteleva orientaatio. Fylogeneettisesti kiinteä orientaatio näyttää olevan johdettu yksinkertaistus organelleissa, joilla on kiinteä taivutustaso, kuten ctenoforien kampalevyjen värekarvoissa (Tamm ja Tamm, 1981) ja monissa metazoan siittiöissä (Sale, 1986). Äärimmäisissä esimerkeissä C1- ja C2-mikrotubulukset ovat kiinnittyneet kaksoiskappaleisiin 8 ja 3 pysyvillä lenkeillä (joko muunnetuilla puikoilla tai lisärakenteilla). Vastakkaisessa ääripäässä ovat yksisoluisten organismien värekarvat ja lippulat, jotka luottavat nopeisiin muutoksiin aaltomuodossa, lyöntitiheydessä ja tehokkaassa lyönnin suuntautumisessa vastatakseen ympäristön vihjeisiin. Näiden organellien CP:t ovat kiertyneitä, joten ne eivät ylläpidä kiinteää orientaatiota tyvestä kärkeen ympäröivän 9 kaksoiskappaleen sisällä. Lisäksi nämä kieroutuneet CP:t kiertyvät kaaren etenemisen aikana (Omoto et al., 1999). Olemme hiljattain osoittaneet, että Chlamydomonasin CP on suuntautunut mutkatason suuntaisesti jokaisen mutkan sisällä (kuva 1D) ja kiertyy 180° peräkkäisten pää- ja vastakkaisten mutkien välillä ja että C1-mikrotubuli on aina lähimpänä kunkin mutkan ulommalla puolella olevia dubletteja (Mitchell, 2003b). Tämä CP:n vakioitu suuntautuminen mutkaan nähden Chlamydomonasissa mahdollistaa sen, että yksi joukko CP-projektioita voi olla vuorovaikutuksessa aktiivisia dyneiinejä sisältäviin dubletteihin kiinnittyneiden säteittäisten puikkojen kanssa, kun taas toinen joukko CP-projektioita on vuorovaikutuksessa aktiivisia dyneiinejä sisältäviin dubletteihin kiinnittyneiden säteittäisten puikkojen kanssa.
Vaikka lyöntipäällyste on Chlamydomonasissa melkeinpä planaarinen, eikä päätaivutusten suunta muutu dramaattisesti vakiotasosta poispäin, tämä ei ole totta muissa organismeissa. Jos CP:n suuntautuminen seuraa myös näissä muissa organismeissa mutkien suuntautumista, kuten ehdotan, niin CP on aina sijoitettu tarjoamaan joustavaa liikkuvuuden hallintaa. Tuoreet tuloksemme osoittavat, että CP:n orientaatio mukautuu passiivisesti mutkiin, kun ne muodostuvat Chlamydomonas-lippulangan tyvessä, ja sitten tämä mutkasta riippuvainen orientaatio siirtyy, kun kukin mutka etenee tyvestä kärkeen. Konetekniikan analogia on matopyörä, jossa madon (keskiparin) pyöriminen on sidottu hammaspyörän hammastettujen hammasrattaiden (aksonemaalisten mutkien) toisiinsa liittyvien hammasrattaiden (aksonemaalisten mutkien) kohtisuoraan liikkumiseen (mutkien etenemiseen). Päätaivutuksen suuntaa ei siis voida määrittää keskiparin orientaatiolla, joka passiivisesti mukautuu taivutuksiin, vaan sitä on säädeltävä ulomman kaksoiskappaleen tasolla flagellin tyvessä olevien initiaatiomallien avulla. CP:ltä tulevat säätelysignaalit voivat sitten määrittää muodon ja lyöntitiheyden dyneiinin aktiivisuusmallien suoran moduloinnin kautta kehittyvissä ja etenevissä mutkissa. Tämä hypoteesi on yhdenmukainen niiden tulosten kanssa, jotka on saatu merisiilien aksoneemien lyöntitason värähtelevästä uudelleensuuntautumisesta (Shingyoji et al., 1991; Takahashi et al., 1991). Jos värähtelyn aiheuttama uusi taivutustaso pakottaa keskusparin uuteen orientaatioon, järjestelmän rentoutuminen sen jälkeen, kun näille soluille asetettu värähtely on poistettu, edellyttäisi keskusparin asteittaista kiertymistä takaisin lepoasentoonsa. Valitettavasti näissä kokeissa ei saatu tietoa CP:n todellisesta suuntautumisesta. Tämä hypoteesi on sopusoinnussa myös proteaasilla käsitellyissä Chlamydomonas-aksoneemeissa havaitun dublettien liukumismallin kanssa, jossa dublettien liukumismallit säilyttävät vakiosuhteen keskusparin orientaatioon (Wargo ja Smith, 2003; Wargo ym, 2004, ja tutkimuksiin dyneiinin aktiivisuudesta häiriintyneissä Chlamydomonasin (Smith, 2002) ja merisiilin (Yoshimura ja Shingyoji, 1999; Nakano ym., 2003) aksoneemeissa, joissa näkyy kalsium- ja keskuspari-riippuvaista aktiivisuuden modulaatiota.
Millainen ennakoiva arvo näillä spekulaatioilla on värekarvojen ja lippulaippojen evoluution suhteen? Ensinnäkin oletamme, että flagellaarisen pintaliikkuvuuden kehittyminen on alkeellista ja todennäköisesti tavataan laajalti, jopa sädekehän johdannaisissa, jotka eivät lyö. On selvää, että IFT on olennainen ja universaali liikkuvuus sekä liikkuvien että liikkumattomien organellien kokoonpanossa, joten tämän koneiston kytkeytyminen solunulkoiseen liikkeeseen voi olla yhtä yleistä. Toiseksi, reseptorien sitominen sädekehän kalvoille on myös alkeellista, ja se on todennäköisesti merkittävä valikoiva paine, joka mahdollistaa liikkumattomien primaaristen sädekehien sekä aistielinten voimakkaammin muunneltujen sädekehien jatkuvan olemassaolon. Koska sädekehän johdannaiset tarjoavat olennaisia toimintoja monien organismien aistineuroneissa, tarvitaan vain pieni harppaus mielikuvitusta, jotta voidaan olettaa, että myös protokilium muodosti kaikkien aistiprosessien esi-isien alustan ja että tämän organellin lisäominaisuudet voivat olla yhteisiä aistitransduktiokaskadeissa. Kolmanneksi sentrosomin suuntautuminen solun polariteetin ja liikkuvien solujen vaellussuunnan indikaattorina on myös hyvin alkeellista. Jos näin on, protociliumin merkitys solun poolisuuden ja suunnatun migraation varhaisena määrittäjänä viittaa siihen, että olisi etsittävä lisää yhteyksiä mekanismien, jotka määrittävät solun poolisuuden, ja mekanismien, jotka suuntaavat sentrosomeja/sentrioleja yhdessä sytoplasman mikrotubulusjoukon kanssa, välillä. Lopuksi on todettava, että myös sentroosiparin harjoittaman värekarvojen ja lippuloiden säätelyn on täytynyt kehittyä hyvin varhain eukaryoottisessa evoluutiossa, ennen kaikkien nykyisten eukaryoottisten heimojen säteilyä. Vaikka näiden organellien edellyttämässä yksityiskohtaisessa säätelyssä on epäilemättä eroja eri organismeissa ja solutyypeissä, meidän pitäisi odottaa löytävän monia yleismaailmallisia piirteitä tavasta, jolla keskusparin ja radiaalipuikkojen vuorovaikutukset säätelevät dyneiinin aktiivisuutta, ja saatamme vielä löytää yhteisiä teemoja aksonemaalisten ja sytoplasmisten dyneiinimoottoreiden säätelyssä.