Аксонема: структура ресничек и жгутиков.

Введение

Структура белка, формирующая ядро ресничек и жгутиков.

В молекулярной биологии аксонема, также называемая осевым волокном, представляет собой цитоскелетную структуру на основе микротрубочек, которая формирует ядро реснички или жгутика. Реснички и жгутики встречаются во многих клетках, организмах и микроорганизмах, обеспечивая подвижность. Аксонема служит "скелетом" этих органелл, обеспечивая поддержку структуры и, в некоторых случаях, способность к изгибанию. Хотя между ресничками и жгутиками могут быть различия в функции и длине, внутренняя структура аксонемы общая для обоих.

Структура

Внутри реснички и жгутика находится цитоскелет на основе микротрубочек, называемый аксонемой. Аксонема первичной реснички обычно состоит из кольца из девяти пар внешних микротрубочек (обозначаемого как аксонема 9+0), а аксонема подвижной реснички содержит две центральные микротрубочки в дополнение к девяти парам внешних (обозначаемого как аксонема 9+2). Аксонемальный цитоскелет служит каркасом для различных белковых комплексов и предоставляет участки связывания для молекулярных моторных белков, таких как кинезин 2, которые помогают транспортировать белки вдоль микротрубочек.

Первичные ресницы

Структура аксонемы в неподвижных первичных ресничках представляет собой девять внешних двойников микротрубочек без центральных одиночных микротрубочек и без динеиновых плеч на внешних двойниках. Эта организация известна как аксонема 9+0. Первичные реснички, по всей видимости, выполняют сенсорные функции.

Мотильные ресницы

Строительным блоком аксонемы является микротрубочка; каждая аксонема состоит из нескольких микротрубочек, выстроенных в характерной структуре, известной как аксонема типа «9+2», как показано на изображении справа. Девять комплектов дублетных микротрубочек (специализированная структура, состоящая из двух связанных микротрубочек) образуют кольцо вокруг центральной пары одиночных микротрубочек. Помимо микротрубочек, аксонема содержит множество белков и белковых комплексов, необходимых для её функционирования. Например, динеиновые «рукава» – это моторные комплексы, которые создают силу, необходимую для изгиба. Каждый динеиновый рукав закреплен на дублетной микротрубочке; «перемещаясь» вдоль соседней микротрубочки, динеиновые моторы могут вызывать скольжение микротрубочек относительно друг друга. Когда это происходит синхронно, когда микротрубочки с одной стороны аксонемы тянутся «вниз», а с другой – «вверх», аксонема в целом может изгибаться вперед и назад. Этот процесс отвечает за биение ресничек и жгутиков, как в известном примере со сперматозоидами человека. Радиальный луч – еще один белковый комплекс аксонемы. Считается, что он важен для регулирования движения аксонемы; этот комплекс в форме буквы «Т» отходит от каждого комплекта внешних дублетов к центральным микротрубочкам. Соединения между соседними парами микротрубочек называются нексиновыми связями.

История открытия

Первое исследование морфологии жгутиков сперматозоидов было начато в 1888 году немецким цитологом Балловицем, который, используя световую микроскопию и окрашивающие вещества, обнаружил, что жгутик сперматозоида петуха может расщепляться на до 11 продольных фибрилл. Примерно через 60 лет, в 1949 году Григг и Ходж, а затем, в 1950 году, Мантон и Кларк наблюдали эти 11 волокон в расщепленных жгутиках с помощью электронной микроскопии (ЭМ); эти исследователи предположили, что два более тонких волокна окружены девятью более толстыми наружными волокнами. В 1952 году, благодаря усовершенствованию методов фиксации, заливки и ультрамикротомии, Фосетт и Портер с помощью тонких срезов, полученных методом ЭМ, доказали, что сердцевина эпителиальных ресничек внутри цилиарной мембраны состоит из девяти дублетных микротрубочек, окружающих две центральные одиночные микротрубочки (т.е. «центральный пар микротрубочек»), и отсюда произошло название «аксонема 9+2». Благодаря высокой степени эволюционной консервации между ресничками и жгутиками у большинства видов, наше понимание жгутиков сперматозоидов расширилось благодаря изучению обеих органелл у видов, начиная от простейших и заканчивая млекопитающими. Реснички обычно короткие (5–10 мкм) и совершают движения, напоминающие греблю веслом, с эффективным рабочим ходом, за которым следует возвратный ход. Жгутики совершают змеевидные движения и, как правило, длиннее (обычно 50–150 мкм, но у некоторых видов варьируется от 12 мкм до нескольких мм), при этом длина жгутика у простейшего Chlamydomonas регулируется несколькими генами, кодирующими киназы. Мантон и Кларк первыми предположили, что аксонема 9+2 может быть повсеместно распространена среди видов, и действительно, девять дублетных микротрубочек являются эволюционно консервативными структурами, которые сформировались у ранних эукариот почти миллиард лет назад; однако существует значительная вариабельность между видами в отношении детальной структуры жгутиков сперматозоидов и их дополнительных структур. Дублетные микротрубочки аксонемы собираются из концов девяти центриолярных/базальных триплетных микротрубочек, чья девятикратная симметрия и закрученная спиральная структура (при взгляде изнутри клетки к кончику жгутика) организованы консервативным белком гена SAS6, который вводится в некоторые яйцеклетки для формирования первого митотического веретена. Затем девять дублетных микротрубочек соединяются вокруг аксонемы с помощью нексиновых связей. В настоящее время молекулярная структура аксонемы известна с исключительным разрешением менее 4 нм благодаря использованию криоэлектронной томографии, впервые разработанной Никастро. Мотильность жгутиков сперматозоидов (и ресничек) была эффективно проанализирована в простых системах (например, жгутиках простейших и сперматозоидах морских ежей), жгутики которых содержат несколько сотен полипептидов, выявленных с помощью протеомного анализа.

The first investigation of sperm flagellar morphology was begun in 1888, by German cytologist Ballowitz, who observed using light microscopy and mordant stains that a rooster sperm flagellum could be splayed into as many as 11, longitudinal fibrils. About 60 years later, Grigg and Hodge in 1949 and a year later Manton and Clarke observed these 11 fibers in splayed flagella by electron microscopy (EM); these investigators proposed that two thinner fibers were surrounded by nine thicker outer fibers. In 1952, using advancements in fixation, embedding, and ultramicrotomy, Fawcett and Porter proved by EM thin sections that the core of epithelial cilia within the ciliary membrane consisted of nine doublet microtubules surrounding two central, singlet microtubules (i. e., the “central pair microtubule apparatus”), and hence the term, the “9 + 2” axoneme. Because of the high degree of evolutionary conservation between cilia and flagella from most species, our understanding of sperm flagella has been aided by studies of both organelles and from species ranging from protists to mammals. Cilia are typically short (5–10 μm) and beat in an oar like fashion with an effective stroke followed by a recovery stroke. Flagella beat with a snake like motion and are typically longer (generally 50–150 μm, but ranging from 12 μm to several mm in some species), with flagellar length in the protist Chlamydomonas being regulated by several genes encoding kinases. It was recognized first by Manton and Clarke that the 9 + 2 axoneme was possibly ubiquitous among species, and indeed, the nine doublet microtubules are evolutionary conserved structures that evolved in early eukaryotes nearly a billion years ago; however, there is wide variation among species with regard to the detailed structure of sperm flagella and their accessory structures. Axonemal doublet microtubules assemble from the ends of nine centriolar/basal body triplet microtubules, whose ninefold symmetry and clockwise pinwheel pattern (looking from inside the cell to the flagellar tip) is organized by the conserved protein of the SAS6 gene, and which is introduced into some eggs to establish the first mitotic spindle. The nine doublet microtubules are then connected around the axoneme by nexin links. Currently, the molecular structure of the axoneme is known to an extraordinary resolution of <4 nm through the use of cryo electron tomography, as initially pioneered by Nicastro. Sperm flagellar (and ciliary) motility has been effectively analyzed in simple systems (e. g., protist flagella and sea urchin sperm), whose flagella contain several hundred polypeptides by proteomic analysis.

Клиническое значение

Мутации или дефекты первичных ресничек оказывают влияние на развитие заболеваний человека. К чилиопатиям относятся поликистоз почек (ПКП), пигментный ретинит, синдром Барде-Бидля и другие нарушения развития.