Введение
Цилиум (или цилия) — мембранная органелла, встречающаяся в большинстве типов эукариотических клеток. Цилии отсутствуют у бактерий и архей. Цилиум имеет форму тонкого нитевидного выроста, простирающегося от поверхности значительно более крупного тела клетки. Существует два основных класса ресничек: подвижные и неподвижные, каждый из которых имеет подтип, что в сумме дает четыре типа. Клетка обычно имеет один первичный цилиум или множество подвижных ресничек. Структура ядра реснички, называемая аксонемой, определяет класс реснички. Большинство подвижных ресничек имеют центральную пару одиночных микротрубочек, окруженных девятью парами двойных микротрубочек, что называется аксонемой 9+2. Большинство неподвижных ресничек имеют аксонему 9+0, которой не хватает центральной пары микротрубочек. Также отсутствуют связанные компоненты, обеспечивающие подвижность, включая внешние и внутренние динеиновые плечи и радиальные спицы. Некоторые подвижные реснички лишены центральной пары, а некоторые неподвижные реснички содержат центральную пару, что и обуславливает существование четырех типов. Большинство типов клеток позвоночных обладают одним неподвижным первичным цилиумом, выполняющим функцию клеточной антенны. Обонятельные нейроны содержат большое количество неподвижных ресничек. Неподвижные реснички, имеющие центральную пару микротрубочек, называются киноцилиями и присутствуют на волосковых клетках. Подвижные реснички на эпендимальных клетках перемещают спинномозговую жидкость по желудочковой системе мозга. Подвижные реснички также присутствуют в яйцеводах (фаллопиевых трубах) самок млекопитающих, где они обеспечивают перемещение яйцеклетки из яичника в матку.
organelles
The cilium (: cilia; ) is a membrane bound organelle found on most types of eukaryotic cell. Cilia are absent in bacteria and archaea. The cilium has the shape of a slender threadlike projection that extends from the surface of the much larger cell body. There are two major classes of cilia: motile and non motile cilia, each with a subtype, giving four types in all. A cell will typically have one primary cilium or many motile cilia. The structure of the cilium core called the axoneme determines the cilium class. Most motile cilia have a central pair of single microtubules surrounded by nine pairs of double microtubules called a 9+2 axoneme. Most non motile cilia have a 9+0 axoneme that lacks the central pair of microtubules. Also lacking are the associated components that enable motility including the outer and inner dynein arms, and radial spokes. Some motile cilia lack the central pair, and some non motile cilia have the central pair, hence the four types. Most vertebrate cell types possess a single non motile primary cilium, which functions as a cellular antenna. Olfactory neurons possess a great many non motile cilia. Non motile cilia that have a central pair of microtubules are the kinocilia present on hair cells. Motile cilia on ependymal cells move the cerebrospinal fluid through the ventricular system of the brain. Motile cilia are also present in the oviducts (fallopian tubes) of female (therian) mammals where they function in moving the egg cell from the ovary to the uterus.
Структура
Цилия собирается и формируется из базального тельца на поверхности клетки. От базального тельца цилиарный корневичок отходит вперед от переходной пластинки и переходной зоны, где первичные триплеты микротрубочек преобразуются в дуплеты микротрубочек аксонемы.
Базальный орган
Основой реснички является базальное тельце, термин, применяемый к материнской центриоли, когда она ассоциирована с ресничкой. Базальные тельца млекопитающих состоят из цилиндра, образованного девятью тройными микротрубочками, субдистальными придатками и девятью структурами, напоминающими распорки, известными как дистальные придатки, которые прикрепляют базальное тельце к мембране у основания реснички. Две из каждой тройной микротрубочки базального тельца удлиняются во время роста аксонемы, формируя двойные микротрубочки.
Цилиарный корневичок
Силиарный корневичок – это структура, подобная цитоскелету, которая отходит от базального тельца у проксимального конца реснички. Корневички обычно имеют диаметр 80–100 нм и содержат поперечные стрии, расположенные через регулярные интервалы примерно 55–70 нм. Важным компонентом корневичка является корнелитин – спирально-закрученный белок корневичка, кодируемый геном CROCC.
Переходная зона
Для достижения своего уникального состава, наиболее проксимальный участок реснички состоит из переходной зоны, также известной как цилиарные ворота, которая контролирует поступление и выход белков в ресничку и из неё. В переходной зоне Y-образные структуры соединяют цилиарную мембрану с нижележащей аксонемой. Контроль селективного проникновения в реснички может включать в себя функцию, подобную ситу, переходной зоны. Наследственные дефекты компонентов переходной зоны вызывают цилиопатии, такие как синдром Жубера. Структура и функция переходной зоны сохраняются у разнообразных организмов, включая позвоночных, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster и Chlamydomonas reinhardtii. У млекопитающих нарушение переходной зоны снижает количество мембран-ассоциированных цилиарных белков в ресничке, таких как белки, участвующие в передаче сигнала Hedgehog, что нарушает эмбриональное развитие, зависимое от Hedgehog, числа пальцев и формирование центральной нервной системы.
Аксонема
Внутри реснички находится микротубулярное ядро цитоскелета, называемое аксонемой. Аксонема первичной реснички обычно имеет кольцо из девяти пар внешних микротрубочек (называемое аксонемой типа 9+0), а аксонема подвижной реснички, помимо девяти пар внешних микротрубочек, содержит два центральных одиночных микротрубочек (называемое аксонемой типа 9+2). Этот же тип аксонемы характерен для жгутика. Аксонема подвижной реснички служит каркасом для внутренних и внешних динеиновых «рук», которые обеспечивают движение реснички, и предоставляет пути для микротрубочковых моторных белков кинезина и динеина. Транспорт компонентов реснички осуществляется посредством внутриресничного транспорта (IFT), который аналогичен аксональному транспорту в нервном волокне. Транспорт является двунаправленным, и цитоскелетные моторные белки кинезин и динеин транспортируют компоненты реснички вдоль микротрубочковых путей: кинезин – в антероградном направлении к кончику реснички, а динеин – в ретроградном направлении к телу клетки. Ресничка имеет собственную ресничную мембрану, заключенную в окружающую клеточную мембрану.
Недвижущиеся ресницы
У животных неподвижные первичные реснички встречаются почти на всех типах клеток, за исключением клеток крови. Хотя первичный цилий был обнаружен в 1898 году, на протяжении столетия его в значительной степени игнорировали и считали рудиментарной органеллой, не выполняющей важной функции. Мутации в генах, отвечающих за структуру и функцию первичных ресничек, приводят к различным заболеваниям, таким как врожденные пороки сердца, пролапс митрального клапана и дегенерация сетчатки, которые объединяются термином "цилиопатии". В настоящее время известно, что первичный цилий играет важную роль в функционировании многих органов человека. Реснички собираются в фазе G1 и разрушаются перед митозом. Современное научное понимание первичных ресничек рассматривает их как "сенсорные клеточные антенны, координирующие множество клеточных сигнальных путей, иногда связывая сигналинг с подвижностью ресничек или, альтернативно, с делением и дифференцировкой клеток". Цилий состоит из субдоменов и окружен плазменной мембраной, непрерывной с плазменной мембраной клетки. У многих ресничек базальное тельце, откуда происходит ресничка, расположено внутри мембранной инвагинации, называемой ресничным карманом. Мембрана реснички и микротрубочки базального тельца соединены дистальными придатками (также называемыми переходными волокнами). Везикулы, содержащие молекулы для ресничек, доставляются к дистальным придаткам. Дистальнее переходных волокон формируется переходная зона, где регулируется вход и выход молекул в реснички и из них. Некоторые сигнальные взаимодействия с этими ресничками происходят посредством связывания лигандов, например, сигнальный путь Hedgehog. Другие формы сигналинга включают рецепторы, связанные с G-белком, в том числе рецептор соматостатина 3 в нейронах.
Модифицированные неподвижные ресницы
Киноцилии, обнаруженные на волосковых клетках во внутреннем ухе, называются специализированными первичными ресничками или модифицированными неподвижными ресничками. Они имеют аксонему типа 9+2, характерную для подвижных ресничек, но лишены внутренних динеиновых плеч, обеспечивающих движение. Они совершают пассивные движения в ответ на обнаружение звука, что обеспечивается внешними динеиновыми плечами.
Мотильные ресницы
У млекопитающих также есть подвижные реснички или вторичные реснички, которые обычно присутствуют на поверхности клетки в большом количестве (мультицилиарные) и бьются в скоординированных метахронных волнах. Мультицилиарные клетки выстилают дыхательные пути, где они обеспечивают мукоцилиарный клиренс, удаляя слизь с частицами от легких. Каждая клетка эпителия дыхательных путей имеет около 200 подвижных ресничек.
Модифицированные подвижные ресницы
Подвижные реснички без центральной пары синглетов (9+0) обнаруживаются в раннем эмбриональном развитии. Они присутствуют в виде узловых ресничек на узловых клетках примитивного узла. Узловые клетки отвечают за асимметрию лево-право у билатеральных животных. Подвижные реснички на центральных клетках вращаются, создавая поток внеклеточной жидкости влево, необходимый для запуска асимметрии лево-право.
Микроорганизмы
Килиаты – это эукариотические микроорганизмы, обладающие исключительно подвижными ресничками и использующие их либо для передвижения, либо для создания потока жидкости по своей поверхности. Например, парамеция покрыта тысячами ресничек, обеспечивающих её плавание. Было показано, что эти подвижные реснички также выполняют сенсорные функции.
Ощущение внеклеточной среды
Некоторые первичные реснички на эпителиальных клетках у эукариот функционируют как клеточные антенны, обеспечивая химиосенсорное, термосенсорное и механосенсорное восприятие внеклеточной среды. Некоторые эпителиальные клетки являются цилиарными и обычно существуют в виде слоя поляризованных клеток, формирующих трубку или тубулу, в просвет которой выступают реснички. Эта сенсорная и сигнальная роль ставит реснички в центральное положение для поддержания локальной клеточной среды, и именно поэтому дефекты ресничек могут вызывать широкий спектр заболеваний человека. Исследования на мышах указывают на биофизический механизм, посредством которого определяется направление потока.
Аксоцилиарный синапс
При аксоцилиарных синапсах происходит взаимодействие между серотонинергическими аксонами и первичными ресничками пирамидальных нейронов CA1, которое изменяет эпигенетическое состояние нейрона в ядре – "способность изменять, какие гены транскрибируются или какие белки синтезируются в ядре" посредством этой сигнализации, отличной от сигнализации на плазматической мембране, и обладающей более длительным эффектом.
Клиническое значение
Дефекты ресничек могут приводить к ряду заболеваний человека. Дефекты в ресничках негативно влияют на многие критически важные сигнальные пути, необходимые для эмбрионального развития и физиологии взрослого организма, и, таким образом, предлагают правдоподобное объяснение часто многосимптомой природе разнообразных цилиопатий. Эпителиальные натриевые каналы (ENaC), экспрессирующиеся по всей длине ресничек, регулируют уровень перицилиарной жидкости. Мутации, снижающие активность ENaC, приводят к мультисистемному псевдогипоальдостеронизму, который связан с проблемами фертильности. Существует связь между первичной цилиарной дискинезией и лево-правосторонними анатомическими аномалиями, такими как situs inversus (комбинация признаков известна как синдром Картагенера) и situs ambiguus (также известный как синдром гетеротаксии). Эти лево-правосторонние анатомические аномалии также могут приводить к врожденным порокам сердца. Показано, что нормальная функция ресничек отвечает за правильную лево-правовую асимметрию у млекопитающих. Разнообразные последствия, вызванные дисфункцией ресничек, могут быть результатом аллелей различной силы, которые нарушают функции ресничек разными способами или в разной степени. Многие цилиопатии наследуются по менделевскому типу, но специфические генетические взаимодействия между различными функциональными цилиарными комплексами, такими как переходная зона и комплексы BBS, могут изменять фенотипические проявления рецессивных цилиопатий. Некоторые мутации в белках переходной зоны могут вызывать специфические тяжелые цилиопатии.
Внеклеточные изменения
Снижение функции ресниц также может быть вызвано инфекцией. Исследования биофильмов показали, что бактерии способны изменять ресницы. Биофильм – это сообщество бактерий одного или нескольких видов. Клетки этого сообщества выделяют различные факторы, формирующие внеклеточный матрикс. Известно, что ресницы в дыхательной системе обеспечивают удаление слизи и патогенов из дыхательных путей. У пациентов с инфекциями, связанными с биофильмами, наблюдается нарушение функции ресниц. Это нарушение может проявляться в виде снижения скорости движения или уменьшения количества ресниц. Несмотря на то, что эти изменения происходят под воздействием внешних факторов, они все равно влияют на патогенность бактерий, прогрессирование инфекции и методы ее лечения. Транспортировка незрелой яйцеклетки и эмбриона в матку для имплантации зависит от сочетания скоординированных сокращений гладкой мускулатуры и движений ресниц. Нарушение этого транспорта может привести к внематочной беременности, когда эмбрион имплантируется (обычно) в фаллопиеву трубу, не достигнув матки. На этот этап могут влиять различные факторы, включая инфекцию и гормоны менструального цикла. Курение (вызывающее воспаление) и инфекция могут уменьшить количество ресниц, а гормональные изменения могут влиять на частоту и координацию их движений.
Первичные ресницы в клетках поджелудочной железы
Панкреас представляет собой смесь высокодифференцированных экзокриновых и эндокринных клеток. Первичные реснички обнаружены в экзокриновых клетках, таких как центрально-дольковые и клетки протоков.