Ресничка - Cilium

Ресничка
Бронхиолярный эпителий 3 - SEM.jpg
СЭМ- микрофотография ресничек, выступающих из респираторного эпителия в легких
Подробности
Идентификаторы
латинский Ресничка
MeSH D002923
TH H1.00.01.1.01014
FMA 67181
Анатомические термины микроанатомии

Реснички (от латинского  « ресницы », множественное число реснички ) является органелл найдены на эукариотических клетках в виде тонкой выпуклостью , которая выступает из гораздо большего тела клетки .

Существует два основных типа ресничек: подвижные и неподвижные . Неподвижные реснички также называют первичными ресничками, которые служат сенсорными органеллами. Большинство типов клеток млекопитающих обладают единственной неподвижной первичной ресничкой, которая функционирует как клеточная антенна. Исключения включают обонятельные нейроны, которые обладают несколькими неподвижными ресничками и клетки временного эмбрионального узла , которые обладают единственными подвижными ресничками, известными как узловые реснички , критические для установления асимметрии тела слева направо.

У эукариот подвижные реснички и жгутики (вместе известные как ундулиподии) структурно сходны, хотя иногда делаются различия в зависимости от функции или длины. Неподвижные реснички (называемые первичными ресничками) передают сигналы из окружающей среды или других клеток.

Типы

Первичные реснички

У животных неподвижные первичные реснички обнаруживаются почти на всех типах клеток, за исключением клеток крови. Большинство клеток обладают только одним, в отличие от клеток с подвижными ресничками, за исключением обонятельных сенсорных нейронов , где расположены пахучие рецепторы , каждая из которых имеет около десяти ресничек. Некоторые типы клеток, такие как фоторецепторные клетки сетчатки, обладают высокоспециализированными первичными ресничками.

Хотя первичная ресничка была открыта в 1898 году, в течение столетия ее игнорировали и считали рудиментарной органеллой без важной функции. Недавние открытия, касающиеся его физиологической роли в химиочувствительности, передаче сигналов и контроле роста клеток, показали его важность для функционирования клеток. Его важность для биологии человека была подчеркнута открытием его роли в разнообразной группе заболеваний, вызванных дисгенезией или дисфункцией ресничек, таких как поликистоз почек , врожденный порок сердца , пролапс митрального клапана и дегенерация сетчатки, называемые цилиопатиями . В настоящее время известно, что первичная ресничка играет важную роль в функционировании многих органов человека.

Реснички собираются во время фазы G 1 и разбираются до митоза. Разборка ресничек требует действия киназы Aurora A . Современное научное понимание первичных ресничек рассматривает их как «сенсорные клеточные антенны, которые координируют многие клеточные сигнальные пути, иногда связывая передачу сигналов с подвижностью ресничек или, альтернативно, с делением и дифференцировкой клеток». Реснички состоят из субдоменов и окружены плазматической мембраной, непрерывной с плазматической мембраной клетки. У многих ресничек базальное тельце, откуда берет начало ресничка, расположено внутри мембранного впячивания, называемого ресничным карманом. Мембрана реснички и микротрубочки базального тельца соединены дистальными отростками (также называемыми переходными волокнами). Пузырьки, несущие молекулы ресничек, прикрепляются к дистальным придаткам. Дистальнее переходных волокон формируют переходную зону, где вход и выход молекул регулируется в реснички и из них. Некоторая передача сигналов с помощью этих ресничек происходит посредством связывания лиганда, такого как передача сигналов Hedgehog . Другие формы передачи сигналов включают рецепторы, связанные с G-белком, включая рецептор соматостатина 3 в нейрональных клетках.

Иллюстрация, изображающая подвижные реснички на респираторном эпителии .

Подвижные реснички

У более крупных эукариот, таких как млекопитающие, также есть подвижные реснички . Подвижные реснички обычно присутствуют на поверхности клетки в большом количестве и бьются согласованными волнами.

Функционирование подвижных ресничек сильно зависит от поддержания оптимального уровня перицилиарной жидкости, омывающей реснички. Эпителиальные натриевые каналы ENaC , которые специфически экспрессируются по всей длине ресничек, по-видимому, служат датчиками, которые регулируют уровень жидкости, окружающей реснички.

Инфузории - это микроскопические организмы, которые обладают исключительно подвижными ресничками и используют их либо для передвижения, либо просто для перемещения жидкости по своей поверхности.

Неклассические реснички

Классическая классификация ресничек рассматривает только подвижные 9 + 2 реснички (с центральным аператусом) и первичные 9 + 0 ресничек (без центрального аператуса). Также считалось, что 9 + 0 ресничек не встречаются в множестве на клетках и что только 9 + 0 ресничек могут участвовать в восприятии. Открытие новых типов ресничек позвоночных опровергает эту классификацию.

На раннем этапе эмбрионального развития подвижная одиночная ресничка 9 + 0, известная какпоявляется узловая ресничка . Она похожа по структуре на примитивную ресничку, поскольку не имеет центрального аппарата, но имеет динеиновые рукава, которые позволяют ей двигаться или вращаться в круговом направлении. Вращение заставляет поток экстраэмбриональной жидкости перемещаться по узловой поверхности , направленный влево. Остается неизвестным, как поток трансформируется в узловую передачу сигналов и левостороннюю направленность: предполагается, что либо сам поток несет сигнальные молекулы, либо что он ощущается первичными ресничками на соседних клетках.

На эпителиальных клетках сосудистого сплетения обнаруживаются подвижные множественные реснички 9 + 0 . Реснички также могут изменять структуру при воздействии высоких температур и становиться острыми. Они присутствуют в большом количестве на каждой клетке и движутся относительно медленно, что делает их промежуточными между подвижными и первичными ресничками. Помимо подвижных ресничек 9 + 0, в волосковых клетках также находятся одиночные реснички 9 + 2, которые остаются неподвижными.

Состав

Эукариотическая подвижная ресничка

Внутри ресничек и жгутиков находится цитоскелет на основе микротрубочек, называемый аксонемой . Аксонема первичной реснички обычно имеет кольцо из девяти внешних дублетов микротрубочек (называемое аксонемой 9 + 0 ), а аксонема подвижной реснички имеет, помимо девяти внешних дублетов, два центральных синглета микротрубочек (называемые 9+ 2 аксонема ). Аксонема действует как каркас для аксонемных внутренних и внешних динеиновых плеч, которые перемещают подвижные реснички, и обеспечивает треки для молекулярных моторных белков, таких как кинезин II , которые переносят белки по длине ресничек посредством процесса, называемого внутрифлагеллярным транспортом (IFT). IFT является двунаправленным, а ретроградный IFT использует динеиновый двигатель 2 цитоскелета для движения назад к телу клетки. Ресничка окружена мембраной, прилегающей к плазматической мембране, но отличной от нее по составу.

Основа реснички - это базальное тело, термин, применяемый к материнской центриоле, когда она связана с ресничкой. Базальные тела млекопитающих состоят из цилиндра из девяти триплетных микротрубочек, субдистальных придатков и девяти подпорок, известных как дистальные придатки, которые прикрепляют базальное тело к мембране у основания реснички. Две из триплетных микротрубочек базального тельца расширяются, чтобы стать дублетными микротрубочками цилиарной аксонемы.

Ресничный корешок

Ресничный корешок представляет собой структуру, подобную цитоскелету, которая берет начало от базального тела на проксимальном конце реснички. Корешки обычно имеют диаметр 80-100 нм и содержат поперечные бороздки, распределенные с регулярными интервалами примерно 55-70 нм. Важным компонентом корешка является Rootletin .

Переходная зона

Для достижения своего отличного состава самая проксимальная область реснички состоит из переходной зоны, которая контролирует, какие белки могут входить в ресничку и выходить из нее. В переходной зоне Y-образные структуры соединяют ресничную мембрану с подлежащей аксонемой. Контроль избирательного проникновения в реснички может включать решетчатую функцию переходной зоны. Унаследованные дефекты компонентов переходной зоны вызывают цилиопатии, такие как синдром Жубера. Структура и функция переходной зоны сохраняются у различных организмов, включая позвоночных, C. elegans, D. melanogaster и Chlamydomonas reinhardtii. У млекопитающих нарушение переходной зоны снижает изобилие ресничек ассоциированных с мембраной ресничных белков, таких как те, которые участвуют в передаче сигнала Hedgehog, ставя под угрозу Hedgehog-зависимое эмбриональное развитие числа пальцев и формирование паттерна центральной нервной системы.

Реснички против жгутиков

Хотя им были даны разные названия, подвижные реснички и жгутики имеют почти идентичную структуру и имеют одну и ту же цель: движение. Движение придатка можно описать как волну. Волна имеет тенденцию исходить от основания реснички и может быть описана в терминах частоты (частота биений ресничек или CBF), амплитуды и длины волны. Биение создается за счет того, что динеиновая рука структурирует скольжение внешних дуплетов, и берет начало в аксонеме, а не в базальном теле. Ключевое различие между этими двумя структурами состоит в том, что в эукариотическом организме, таком как человек, жгутики используются для продвижения клетки, в то время как реснички используются для перемещения веществ по поверхности. Примером каждого из них может быть жгутик сперматозоида и ресничка эпителиальной ткани легких, которая удаляет инородные частицы. Подвижные реснички и жгутики обладают одинаковой структурой аксонемы 9 + 2 . Цифра 9 указывает количество дублетов, присутствующих вокруг внешнего края отростка, а цифра 2 относится к центральной паре независимых микротрубочек. В типичных первичных и других неподвижных ресничках аксонема лишена центральной пары, что приводит к структуре аксонемы 9 + 0 . (Существуют значительные исключения; см. § Неклассические реснички .)

Производство ресничек

Реснички образуются в процессе цилиогенеза . Первым шагом является стыковка базального тела с растущей цилиарной мембраной, после чего формируется переходная зона. Строительные блоки аксонемы ресничек, такие как тубулины , добавляются на концах ресничек посредством процесса, который частично зависит от внутрижладжкового транспорта (IFT). Исключение составляют сперматозоиды Drosophila и образование жгутиков Plasmodium falciparum , при которых реснички собираются в цитоплазме.

В основании реснички, где она прикрепляется к телу клетки, находится центр организации микротрубочек, базальное тело . Некоторые белки базального тельца, такие как CEP164 , ODF2 и CEP170 , необходимы для образования и стабильности ресничек.

По сути, ресничка - это наномашина, состоящая из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют связанным ими мобильным белковым доменам рекрутировать своих партнеров по связыванию и вызывать дальнодействующую аллостерию через динамику белковых доменов .

Функция

Динеин в аксонемы образует мостики между соседними микротрубочками дублетов. Когда АТФ активирует моторный домен динеина, он пытается пройти по соседнему дублету микротрубочек. Это заставило бы соседние дублеты скользить друг по другу, если бы не присутствие нексина между дублетами микротрубочек. Таким образом, сила, создаваемая динеином, вместо этого преобразуется в изгибающее движение.

Чувство внеклеточной среды

Некоторые первичные реснички на эпителиальных клетках эукариот действуют как клеточные антенны , обеспечивая химиочувствительность , термочувствительность и механочувствительность внеклеточной среды. Эти реснички затем играют роль в передаче определенных сигнальных сигналов, включая растворимые факторы во внешнем клеточном окружении, секреторной роли, в которой растворимый белок высвобождается, чтобы оказывать влияние ниже по течению потока жидкости, и в посредничестве потока жидкости, если реснички подвижный .

Некоторые эпителиальные клетки являются ресничными, и они обычно существуют как лист поляризованных клеток, образующих трубку или канальец с ресничками, выступающими в просвет . Эта сенсорная и сигнальная роль ставит реснички на центральную роль в поддержании локальной клеточной среды и может быть причиной того, что дефекты ресничек вызывают такой широкий спектр заболеваний человека.

У эмбриона мыши реснички используются для направления потока внеклеточной жидкости. Это движение влево используется эмбрионом мыши для создания лево-правой асимметрии по средней линии эмбриона. Центральные реснички координируют свое вращательное биение, в то время как неподвижные реснички по бокам ощущают направление потока.

Клиническое значение

Дефекты ресничек могут привести к ряду заболеваний человека. Генетические мутации, нарушающие правильное функционирование ресничек, цилиопатии , могут вызывать хронические нарушения, такие как первичная цилиарная дискинезия (ПЦД), нефронофтиз или синдром Сеньора – Лёкена . Кроме того, дефект первичной реснички в клетках почечных канальцев может привести к поликистозной болезни почек (PKD). При другом генетическом заболевании, называемом синдромом Барде-Бидла (BBS), продукты мутантных генов являются компонентами базального тельца и ресничек. Дефекты клеток ресничек связаны с ожирением и часто проявляются при диабете 2 типа. Несколько исследований уже показали нарушение толерантности к глюкозе и снижение секреции инсулина на моделях цилиопатии. Более того, количество и длина ресничек были уменьшены на моделях диабета 2 типа .

Отсутствие функциональных ресничек в маточных трубах может вызвать внематочную беременность . Оплодотворенная яйцеклетка может не достичь матки, если реснички не могут ее туда переместить. В таком случае яйцеклетка имплантируется в маточные трубы, вызывая трубную беременность , наиболее частую форму внематочной беременности.

Как отмечалось выше, эпителиальные натриевые каналы ENaC , которые экспрессируются по длине ресничек, регулируют уровень жидкости, окружающей реснички. Мутации, снижающие активность ENaC, приводят к мультисистемному псевдогипоальдостеронизму , связанному с проблемами фертильности. При муковисцидозе, который возникает в результате мутаций в хлоридном канале CFTR , активность ENaC усиливается, что приводит к серьезному снижению уровня жидкости, что вызывает осложнения и инфекции в дыхательных путях.

Поскольку жгутик человеческого сперматозоида на самом деле представляет собой модифицированную ресничку, дисфункция ресничек также может быть причиной мужского бесплодия.

Интересно, что существует связь первичной цилиарной дискинезии с лево-правыми анатомическими аномалиями, такими как situs inversus (комбинация результатов, известных как синдром Картагенера ) и другими гетеротаксическими дефектами. Эти лево-правые анатомические аномалии также могут привести к врожденным порокам сердца . Было показано, что правильная функция ресничек ответственна за нормальную лево-правую асимметрию у млекопитающих.

Цилиопатии как примеры полиорганных наследственных заболеваний

Результаты генетических исследований начала 2000-х годов показали, что многие генетические расстройства , как генетические синдромы, так и генетические заболевания , которые ранее не упоминались в медицинской литературе, на самом деле могут быть тесно связаны между собой в основной причине широко варьирующегося набора медицинских симптомов. которые клинически видны при расстройстве . Они были сгруппированы в новый класс заболеваний, называемых цилиопатиями . Основной причиной может быть дисфункциональный молекулярный механизм в первичных / неподвижных ресничках, органеллах, которые присутствуют во многих различных клеточных типах по всему человеческому телу.

Дефекты ресничек неблагоприятно влияют на многочисленные важные сигнальные пути, важные для эмбрионального развития и физиологии взрослых, и, таким образом, предлагают правдоподобную гипотезу для часто мультисимптомной природы различных цилиопатий. Известные цилиопатий включают первичной цилиарной дискинезии , синдром Барде-Бидля , поликистоза почек и заболевания печени , nephronophthisis , синдром альстрёма , синдром Меккеля-Gruber , синдром Sensenbrenner и некоторые формы дегенерации сетчатки .

Различные исходы, вызванные дисфункцией ресничек, могут быть результатом аллелей разной силы, которые по-разному или в разной степени нарушают функции ресничек. Многие цилиопатии наследуются по менделевской манере, но специфические генетические взаимодействия между отдельными функциональными комплексами ресничек, такими как переходная зона и комплексы BBS, могут изменять фенотипические проявления рецессивных цилиопатий.

Внеклеточные изменения

Снижение функции ресничек также может быть результатом инфекции. Исследования биопленок расширяются и показали, как бактерии могут изменять реснички. Биопленка - это сообщество бактерий одного или нескольких видов бактерий. Кластер клеток секретирует различные факторы, которые образуют внеклеточный матрикс. Реснички дыхательной системы, как известно, выводят слизь и болезнетворные микроорганизмы из дыхательных путей. Было обнаружено, что у пациентов с инфекциями с положительной биопленкой нарушена функция ресничек. Нарушение может проявляться в виде уменьшения подвижности или количества ресничек. Хотя эти изменения являются результатом внешнего источника, они по-прежнему влияют на патогенность бактерий, прогрессирование инфекции и способы ее лечения.

Первичная ресничка в клетках поджелудочной железы

Поджелудочная железа представляет собой смесь высокодифференцированных экзокринных и эндокринных клеток. Первичная ресничка присутствует в экзокринных клетках, которые являются центроацинарными, протоковыми клетками. Эндокринная ткань состоит из клеток, секретирующих различные гормоны. Бета-клетки, секретирующие инсулин, и альфа-клетки, секретирующие глюкагон, сильно реснитчатые.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки