Reglarea motilității de către perechea centrală
Schimbările de motilitate ca răspuns la stimuli externi pot lua una din două forme. Stimulul poate modifica frecvența reorientării aleatorii, așa cum se întâmplă la bacterii, astfel încât motilitatea într-o direcție favorabilă este recompensată, sau stimulul poate regla direct motilitatea, astfel încât organismul să se întoarcă într-o direcție definită în raport cu stimulul (spre stimul pentru taxiul pozitiv, în afara acestuia pentru taxiul negativ). O astfel de întoarcere tactică necesită receptori localizați care pot funcționa ca o antenă și un aparat de motilitate care poate fi controlat direcțional (Foster și Smyth, 1980). Un simplu tip de reglare de tip stop-reorientare-pornire nu necesită o reglare sofisticată a motilității. În cazul flagelului, controlul direcțional necesită modificări coordonate ale formei de undă și ale frecvenței bătăilor și, prin urmare, un aparat de reglare mai sofisticat. Sistemul pereche centrală – raze radiale îndeplinește acest rol la cili și flageli 9+2, așa cum s-a demonstrat cel mai elegant la Chlamydomonas (Fig. 1D). Această algă biflagelată unicelulară răspunde la stimulii fototactici prin modificarea formei relative a undelor, a vitezei de bătaie și a frecvenței de bătaie a celor doi flageli ai săi (Witman, 1993). Dovezile disponibile indică faptul că fototaxia implică o cale de transducție a semnalului de la aparatul central, prin razele radiale, la un complex de reglare asociat dubletului, care modifică apoi modelul de activitate a dyneinei și, prin urmare, al formării și propagării curbelor prin modificări ale protein-kinazelor și fosfatazelor asociate cu dyneina (Porter și Sale, 2000; Smith și Yang, 2004).
În timp ce ar fi putut exista mai multe moduri posibile de a forma un aparat central asimetric, unul construit pe o schelă minimă de doi microtubuli ar fi putut fi primul care a evoluat și ar fi necesitat o modificare minimă a protociliului, în primul rând adăugarea unui nou site de inițiere a asamblării în zona de tranziție, împreună cu o structură (radial spoke) pentru transmiterea semnalelor de la aparatul central la dinineinele asociate cu dubletul. Ne imaginăm că spițele radiale au evoluat de la reglarea dininelor în foițe de dublete, unde acestea interacționau la bazele lor cu un complex de reglare a dininelor asociat dubletelor și la vârfurile lor cu proteinele asociate microtubulilor de pe un alt rând de dublete sau de pe un citoschelet cortical de microtubule singlet. Pare remarcabil, având în vedere probabilitatea ca dinineinele flagelare să fi evoluat din dinineinele citoplasmatice, faptul că nu se cunosc mecanisme de reglare comune pentru aceste două familii de dinineine. Cu toate acestea, acest lucru poate reflecta mai degrabă lipsa noastră actuală de cunoștințe decât absența unor mecanisme conservate. O analiză moleculară recentă a unei proteine din complexul de reglare a dyneinei din Chlamydomonas a dezvăluit o structură primară care are asemănări cu proteinele citoplasmatice, dar nu a fost stabilită o relație cu dyneina citoplasmatică (Rupp și Porter, 2003).
Deslușirea modelelor specifice de interacțiune între proiecțiile din microtubulii din perechea centrală și razele radiale care determină modificări specifice în activitatea dyneinei rămâne o mare enigmă. Rezultatele recente din laboratorul nostru, inclusiv analiza structurii normale a perechii centrale, caracterizarea mutanților defectuoși de asamblare a perechii centrale și determinarea orientării perechii centrale în timpul propagării curbelor, constrâng modelele privind modul în care CP reglează dynein. Aici încercăm să sintetizăm o ipoteză a reglării perechii centrale în concordanță cu aceste rezultate.
Microscopia electronică anterioară în secțiune subțire a axonemelor de Chlamydomonas și Tetrahymena, împreună cu preparatele de colorare negativă a complexelor perechii centrale din cilia Tetrahymena (Chasey, 1969) și din flagelul spermatozoizilor de șobolan (Olson și Linck, 1977) au dezvăluit structura asimetrică a complexelor perechii centrale și au definit microtubulul CP cu proiecții mai lungi în secțiune transversală și periodicități de repetiție de 32 nm ca fiind C1, în timp ce celălalt (C2) are proiecții mai scurte cu repetiții de numai 16 nm. Prin compararea secțiunilor subțiri transversale și longitudinale ale complexelor de perechi centrale de tip sălbatic cu complexele de perechi centrale de la mutanții de asamblare pf6 și cpc1, am determinat relațiile structurale și perioadele de repetiție pentru majoritatea proiecțiilor asociate C1 și C2 din Chlamydomonas. Vizualizările de suprafață furnizate de imaginile stereo ale preparatelor congelate rapid și gravate în adâncime au confirmat și extins aceste concluzii și au dus la o reconstrucție tridimensională destul de completă a perechii centrale (Mitchell, 2003a). Aceste studii oferă un model al locurilor potențiale de interacțiune a razei pe perechea centrală și, în special, arată discontinuități în suprafața de altfel cilindrică a CP de-a lungul suprafețelor microtubulilor care sunt orientate spre capetele razei adiacente. De asemenea, se evidențiază asimetria generală a complexului CP, care sugerează interacțiuni unice ale razei în diferite poziții radiale în jurul cilindrului CP. Clonarea genelor pf6 (Rupp et al., 2001) și cpc1 (Mitchell și Sale, 1999; Zhang și Mitchell, 2004) și identificarea produselor genice ale acestora nu au identificat candidați evidenți pentru proteinele care interacționează cu spițele radiale, dar o proteină asemănătoare kinesinei (Klp1) de pe microtubulul C2 (Bernstein et al., 1994) este un candidat atractiv pentru o proteină de legare a spițelor. Am arătat recent că flagelii din celulele Klp1 knockdown bat cu frecvențe dramatic reduse (Mitchell și Yokoyama, 2003).
Studiile EM arată că CP menține o orientare fixă în raport cu corpul celular și dubletele exterioare la unele organisme, în timp ce la altele CP are o orientare variabilă. Din punct de vedere filogenetic, o orientare fixă pare a fi o simplificare derivată în organitele care au un plan de curbură fix, cum ar fi cilia plăcii de pieptene ctenofore (Tamm și Tamm, 1981) și multe spermatozoizi metazoici (Sale, 1986). În exemplele extreme, microtubulii C1 și C2 sunt atașați de dubletele 8 și, respectiv, 3, prin legături permanente (fie raze modificate, fie structuri accesorii). La extrema opusă se află cilia și flagelul organismelor unicelulare care se bazează pe schimbări rapide ale formei de undă, frecvenței bătăilor și orientării efective a cursei pentru a răspunde la indicii de mediu. CP din aceste organite sunt răsucite, astfel încât nu mențin o orientare fixă de la bază la vârf în cadrul celor 9 dublete din jur. În plus, aceste CP răsucite se rotesc în timpul propagării curbelor (Omoto et al., 1999). Am demonstrat recent că CP din Chlamydomonas este orientat paralel cu planul curburii în cadrul fiecărei curbe (Fig. 1D) și se răsucește cu 180° între curburile principale și inverse succesive, iar microtubul C1 este întotdeauna cel mai apropiat de dubletele de pe partea exterioară a fiecărei curbe (Mitchell, 2003b). Această orientare constantă a CP în raport cu o curbă la Chlamydomonas permite ca un set de proiecții CP să interacționeze cu razele radiale atașate la dublete cu dyneineine active, în timp ce un alt set de proiecții CP interacționează cu razele radiale de pe dublete cu dyneineineine inactive.
Deși învelișul de bătaie este aproape plan în Chlamydomonas, iar direcția curbelor principale nu se schimbă în mod dramatic departe de un plan constant, acest lucru nu este adevărat la alte organisme. Dacă orientarea CP urmează, de asemenea, orientarea curburii în aceste alte organisme, așa cum propun eu, atunci CP este întotdeauna poziționat pentru a asigura un control flexibil al motilității. Rezultatele noastre recente indică faptul că orientarea CP se conformează pasiv curbelor pe măsură ce acestea se formează la baza unui flagel din Chlamydomonas, iar apoi această orientare dependentă de curbură se translocă pe măsură ce fiecare curbură se propagă de la bază la vârf. O analogie din domeniul ingineriei este reprezentată de un angrenaj fără sfârșit, în care rotația viermelui (pereche centrală) este condiționată de mișcarea perpendiculară (propagarea curburii) a roților dințate interdigitate ale unui angrenaj dințat (curburi axonemale). Prin urmare, direcția unei curbe principale nu poate fi determinată de orientarea perechii centrale, care se conformează pasiv curbelor, ci trebuie să fie reglată la nivelul dubletului extern, prin modelele de inițiere de la baza flagelară. Semnalele de reglementare de la CP pot determina apoi forma și frecvența bătăilor prin modularea directă a modelelor de activitate a dyneinului în cadrul curbelor în curs de dezvoltare și propagare. Această ipoteză este în concordanță cu rezultatele obținute din reorientarea vibrațională a planului de bătaie al axonemelor de arici de mare (Shingyoji et al., 1991; Takahashi et al., 1991). Dacă noul plan de curbură indus de vibrație forțează o nouă orientare a perechii centrale, atunci relaxarea sistemului după eliminarea vibrației impuse de aceste celule ar necesita o rotație treptată a perechii centrale înapoi la poziția sa de repaus. Din păcate, în aceste experimente nu s-au obținut informații privind orientarea reală a CP. Această ipoteză este, de asemenea, în concordanță cu modelul de alunecare a dubleților observat în axonemele Chlamydomonas tratate cu protează, în care modelele de alunecare a dubleților mențin o relație constantă cu orientarea perechii centrale (Wargo și Smith, 2003; Wargo et al, 2004), precum și cu studiile privind activitatea dineinei în axoneme perturbate de Chlamydomonas (Smith, 2002) și de arici de mare (Yoshimura și Shingyoji, 1999; Nakano et al., 2003), care prezintă o modulare a activității în funcție de calciu și de perechea centrală.
Ce valoare predictivă au aceste speculații privind evoluția ciliilor și a flagelului? În primul rând, emitem ipoteza că dezvoltarea motilității de suprafață a flagelului este primitivă și este probabil să fie întâlnită pe scară largă, chiar și în derivații ciliare care nu bat. În mod clar, IFT este o motilitate esențială și universală pentru asamblarea organitelor mobile și nemottile, astfel încât legătura dintre această mașinărie și mișcarea extracelulară poate fi la fel de răspândită. În al doilea rând, sechestrarea receptorilor pe membranele ciliare este, de asemenea, primitivă și este probabil să fie o presiune selectivă majoră pentru existența continuă a ciliilor primari nemottili, precum și a ciliilor mai puternic modificați ai organelor senzoriale. Având în vedere că derivații ciliari asigură funcții esențiale în neuronii senzoriali ai multor organisme, nu este nevoie decât de un mic salt al imaginației pentru a sugera că protociliul a format, de asemenea, platforma ancestrală pentru toate procesele senzoriale și că caracteristici suplimentare ale acestui organit pot fi comune în cascadele de transducție senzorială. În al treilea rând, orientarea centrosomului ca indicator al polarității celulare și al direcției de migrare pentru celulele mobile este, de asemenea, foarte primitivă. Dacă este așa, importanța protociliului ca determinant timpuriu al polarității celulare și al migrației dirijate sugerează că ar trebui căutate mai multe legături între mecanismele care determină polaritatea celulară și mecanismele care orientează centrosomele/centriolele împreună cu matricea de microtubuli citoplasmatici. În cele din urmă, reglarea ciliilor și a flagelilor de către perechea centrală trebuie, de asemenea, să se fi dezvoltat foarte devreme în evoluția eucariotă, înainte de radiația tuturor filamentelor eucariote existente. Deși există, fără îndoială, diferențe în ceea ce privește reglarea detaliată necesară acestor organite în diferite organisme și tipuri de celule, ar trebui să ne așteptăm să găsim multe trăsături universale în modul în care interacțiunile dintre perechea centrală și razele radiale reglează activitatea dineinei și este posibil să găsim încă teme comune în reglarea motoarelor axonemale și citoplasmatice ale dineinei.
.