Cilio - Cilium

Cilium
Epitelio bronchiolare 3 - SEM.jpg
Micrografia SEM delle ciglia sporgenti dall'epitelio respiratorio nei polmoni
Particolari
Identificatori
latino Cilium
Maglia D002923
NS H1.00.01.1.01014
FMA 67181
Termini anatomici di microanatomia

Il cilium (dal latino  ' ciglia '; il plurale è cilia ) è un organello che si trova nelle cellule eucariotiche sotto forma di una sottile protuberanza che sporge dal corpo cellulare molto più grande .

Esistono due tipi principali di ciglia: ciglia mobili e non mobili . Le ciglia non mobili sono anche chiamate ciglia primarie che fungono da organelli sensoriali. La maggior parte dei tipi di cellule di mammifero possiede un singolo ciglio primario non mobile, che funge da antenna cellulare. Le eccezioni includono neuroni olfattivi che possiedono diverse ciglia non mobili e cellule del nodo embrionale transitorio , che possiedono ciglia mobili singolari note come ciglia nodali , fondamentali per stabilire l'asimmetria del corpo da sinistra a destra.

Negli eucarioti, ciglia mobili e flagelli (conosciuti insieme come undulipodia) sono strutturalmente simili, sebbene a volte vengano fatte distinzioni in base alla funzione o alla lunghezza. Le ciglia immobili (chiamate ciglia primarie) comunicano segnali dall'ambiente o da altre cellule.

tipi

ciglia primarie

Negli animali, le ciglia primarie non mobili si trovano su quasi tutti i tipi di cellule, le cellule del sangue costituiscono un'eccezione importante. La maggior parte delle cellule ne possiede solo una, in contrasto con le cellule con ciglia mobili, un'eccezione sono i neuroni sensoriali olfattivi , dove si trovano i recettori olfattivi , che possiedono ciascuno una decina di ciglia. Alcuni tipi di cellule, come i fotorecettori retinici, possiedono ciglia primarie altamente specializzate.

Sebbene il cilio primario sia stato scoperto nel 1898, è stato in gran parte ignorato per un secolo e considerato un organello vestigiale senza una funzione importante. Recenti scoperte riguardanti i suoi ruoli fisiologici nella chemiosensazione, nella trasduzione del segnale e nel controllo della crescita cellulare, hanno rivelato la sua importanza nella funzione cellulare. La sua importanza per la biologia umana è stata sottolineata dalla scoperta del suo ruolo in un gruppo eterogeneo di malattie causate dalla disgenesia o disfunzione delle ciglia, come la malattia del rene policistico , la cardiopatia congenita , il prolasso della valvola mitrale e la degenerazione retinica, chiamate ciliopatie . Il ciglio primario è ora noto per svolgere un ruolo importante nella funzione di molti organi umani.

Cilia sono assemblati nella G 1 fase e vengono smontati prima che si verifichi la mitosi. Lo smontaggio delle ciglia richiede l'azione del Aurora A chinasi . L'attuale comprensione scientifica delle ciglia primarie le vede come " antenne cellulari sensoriali che coordinano molte vie di segnalazione cellulare, a volte accoppiando la segnalazione alla motilità ciliare o in alternativa alla divisione e differenziazione cellulare". Il cilio è composto da sottodomini e racchiuso da una membrana plasmatica continua con la membrana plasmatica della cellula. Per molte ciglia, il corpo basale, dove ha origine il ciglio, si trova all'interno di un'invaginazione della membrana chiamata tasca ciliare. La membrana del ciglio e i microtubuli del corpo basale sono collegati da appendici distali (chiamate anche fibre di transizione). Vescicole che trasportano molecole per le ciglia attraccano alle appendici distali. Distalmente alle fibre di transizione formano una zona di transizione in cui l'ingresso e l'uscita delle molecole è regolata da e verso le ciglia. Alcuni dei segnali con queste ciglia si verificano attraverso il legame con il ligando come la segnalazione di Hedgehog . Altre forme di segnalazione includono recettori accoppiati a proteine ​​G, incluso il recettore 3 della somatostatina nelle cellule neuronali.

Illustrazione raffigurante ciglia mobili sull'epitelio respiratorio .

Ciglia mobili

Anche gli eucarioti più grandi, come i mammiferi, hanno ciglia mobili . Le ciglia mobili sono solitamente presenti sulla superficie di una cellula in gran numero e battono in onde coordinate.

Il funzionamento delle ciglia mobili dipende fortemente dal mantenimento di livelli ottimali di fluido periciliare che bagna le ciglia. I canali epiteliali del sodio ENaC che sono specificamente espressi lungo l'intera lunghezza delle ciglia apparentemente servono come sensori che regolano il livello del fluido che circonda le ciglia.

I ciliati sono organismi microscopici che possiedono esclusivamente ciglia mobili e le usano per la locomozione o semplicemente per spostare il liquido sulla loro superficie.

Ciglia non classiche

La classificazione classica delle ciglia considera solo le ciglia mobili 9+2 (con apperato centrale) e le ciglia 9+0 primarie (senza apparato centrale). Si pensava anche che le ciglia 9+0 non si verificassero in multipli sulle cellule e che solo le ciglia 9+0 potessero partecipare al rilevamento. La scoperta di nuovi tipi di ciglia vertebrati confuta questa classificazione.

Nel primo sviluppo embrionale , un ciglio mobile, solitario, 9+0 noto comeappare il ciglio nodale . È di struttura simile al primitivo cilium in quanto non ha apparato centrale, ma possiede braccia di dineina che gli consentono di muoversi o ruotare in direzione circolare. Lo spin fa sì che un flusso di fluido extraembrionale si muova attraverso la superficie nodale , diretto a sinistra. Rimane sconosciuto come il flusso si traduca in segnalazione nodale e lato sinistro-destro: si teorizza che il flusso stesso porti molecole di segnalazione, o che sia rilevato dalle ciglia primarie sulle cellule vicine.

Ciglia mobili, multiple, 9+0 si trovano sulle cellule epiteliali del plesso coroideo . Le ciglia possono anche cambiare struttura quando vengono introdotte a temperature elevate e diventare taglienti. Sono presenti in gran numero su ogni cellula e si muovono relativamente lentamente, rendendoli intermedi tra le ciglia mobili e primarie. Oltre alle ciglia 9+0 mobili, ci sono anche ciglia 9+2 solitarie che rimangono immobili nelle cellule ciliate.

Struttura

Ciglio mobile eucariotico

Dentro e cilia flagelli è un microtubulo basata su citoscheletro chiamato axoneme . L'assonema di un ciglio primario ha tipicamente un anello di nove doppietti di microtubuli esterni (chiamato assonema 9+0 ), e l'assonema di un ciglio mobile ha, oltre ai nove doppietti esterni, due singoletti di microtubuli centrali (chiamato 9+ 2 assoneme ). L'axonema agisce come un'impalcatura per i bracci di dineina assonemici interni ed esterni che muovono le ciglia mobili e fornisce tracce per proteine ​​motrici molecolari , come Kinesin II , che trasportano proteine ​​lungo la lunghezza del ciglio attraverso un processo chiamato trasporto intraflagellare (IFT). L'IFT è bidirezionale e l'IFT retrogrado impiega il motore 2 della dineina del citoscheletro per tornare indietro verso il corpo cellulare. Il ciglio è circondato da una membrana contigua, ma composizionalmente distinta dalla membrana plasmatica.

Il fondamento del cilium è il corpo basale, termine applicato al centriolo madre quando è associato a un cilium. I corpi basali dei mammiferi sono costituiti da un barile di nove microtubuli tripletti, appendici subdistale e nove strutture simili a puntoni, note come appendici distali, che attaccano il corpo basale alla membrana alla base del ciglio. Due dei microtubuli tripletti del corpo basale si estendono per diventare i microtubuli doppietti dell'assonema ciliare.

Radichetta ciliare

La radichetta ciliare è una struttura simile al citoscheletro che ha origine dal corpo basale all'estremità prossimale di un ciglio. Le radichette hanno tipicamente un diametro di 80-100 nm e contengono strie incrociate distribuite a intervalli regolari di circa 55-70 nm. Un componente importante della radichetta è Rootletin .

Zona di transizione

Per ottenere la sua composizione distinta, la regione più prossimale del ciglio è costituita da una zona di transizione che controlla quali proteine ​​possono entrare e uscire dal ciglio. Nella zona di transizione, strutture a forma di Y collegano la membrana ciliare all'assonema sottostante. Il controllo dell'ingresso selettivo nelle ciglia può comportare una funzione simile a un setaccio della zona di transizione. Difetti ereditari nei componenti della zona di transizione causano ciliopatie, come la sindrome di Joubert. La struttura e la funzione della zona di transizione sono conservate in diversi organismi, inclusi vertebrati, C. elegans, D. melanogaster e Chlamydomonas reinhardtii. Nei mammiferi, l'interruzione della zona di transizione riduce l'abbondanza ciliare di proteine ​​ciliari associate alla membrana, come quelle coinvolte nella trasduzione del segnale di Hedgehog, compromettendo lo sviluppo embrionale dipendente da Hedgehog del numero di cifre e del patterning del sistema nervoso centrale.

Ciglia contro flagelli

Sebbene siano stati dati nomi diversi, le ciglia mobili e i flagelli hanno strutture quasi identiche e hanno lo stesso scopo: il movimento. Il movimento dell'appendice può essere descritto come un'onda. L'onda tende a provenire dalla base del ciglio e può essere descritta in termini di frequenza (frequenza del battito ciliare o CBF), ampiezza e lunghezza d'onda. Il movimento di battitura è creato dalle strutture del braccio di dineina, lo scorrimento dei doppietti esterni, e ha origine nell'assonema, non nel corpo basale. Una differenza fondamentale tra le due strutture è che in un organismo eucariotico come l'uomo, i flagelli vengono utilizzati per spingere la cellula, mentre le ciglia vengono utilizzate per spostare le sostanze attraverso una superficie. Un esempio di ciascuno sarebbe il flagello presente su uno spermatozoo e il ciglio sul tessuto epiteliale dei polmoni che elimina le particelle estranee. Ciglia e flagelli mobili possiedono la stessa struttura di assonemi 9+2 . Il 9 indica il numero di doppietti presenti attorno al bordo esterno dell'appendice mentre il 2 si riferisce ad una coppia centrale di microtubuli indipendenti. Nelle tipiche ciglia primarie e in altre non mobili, l'assonema manca di una coppia centrale, risultando in una struttura assonema 9+0 . (Esistono eccezioni significative; vedere § Ciglia non classiche .)

Produzione di cilium

Le ciglia si formano attraverso il processo di ciliogenesi . Un primo passo è l'aggancio del corpo basale alla membrana ciliare in crescita, dopo di che si forma la zona di transizione. Gli elementi costitutivi dell'assonema ciliare, come le tubuline , vengono aggiunti alle punte ciliari attraverso un processo che dipende in parte dal trasporto intraflagellare (IFT). Le eccezioni includono lo sperma di Drosophila e la formazione di flagelli di Plasmodium falciparum , in cui le ciglia si riuniscono nel citoplasma.

Alla base del ciglio dove si attacca al corpo cellulare c'è il centro organizzatore dei microtubuli, il corpo basale . Alcune proteine ​​del corpo basale come CEP164 , ODF2 e CEP170 , sono necessarie per la formazione e la stabilità del ciglio.

In effetti, il cilium è una nanomacchina composta forse da oltre 600 proteine ​​in complessi molecolari, molte delle quali funzionano anche indipendentemente come nanomacchine. I linker flessibili consentono ai domini proteici mobili da essi collegati di reclutare i loro partner di legame e indurre l' allosteria a lungo raggio tramite la dinamica del dominio proteico .

Funzione

La dineina nell'assonema forma ponti tra i vicini doppietti di microtubuli. Quando l'ATP attiva il dominio motorio della dineina, tenta di camminare lungo il doppietto di microtubuli adiacente. Ciò costringerebbe i doppietti adiacenti a scivolare l'uno sull'altro se non fosse per la presenza di nexina tra i doppietti di microtubuli. E così la forza generata dalla dineina viene invece convertita in un movimento flettente.

Percependo l'ambiente extracellulare

Alcune ciglia primarie sulle cellule epiteliali negli eucarioti agiscono come antenne cellulari , fornendo chemosensazione , termosensazione e meccanosensazione dell'ambiente extracellulare. Queste ciglia svolgono quindi un ruolo nella mediazione di segnali di segnalazione specifici, inclusi fattori solubili nell'ambiente cellulare esterno, un ruolo secretorio in cui viene rilasciata una proteina solubile per avere un effetto a valle del flusso di fluido e mediazione del flusso di fluido se le ciglia sono mobile .

Alcune cellule epiteliali sono ciliate e comunemente esistono come un foglio di cellule polarizzate che formano un tubo o un tubulo con ciglia che si proiettano nel lume . Questo ruolo sensoriale e di segnalazione pone le ciglia in un ruolo centrale per il mantenimento dell'ambiente cellulare locale e potrebbe essere il motivo per cui i difetti ciliari causano una così ampia gamma di malattie umane.

Nell'embrione di topo, le ciglia vengono utilizzate per dirigere il flusso del fluido extracellulare. Questo movimento verso sinistra viene utilizzato dall'embrione di topo per generare un'asimmetria sinistra-destra lungo la linea mediana dell'embrione. Le ciglia centrali coordinano il loro battito rotatorio mentre le ciglia immobili sui lati percepiscono la direzione del flusso.

Significato clinico

I difetti ciliari possono portare a una serie di malattie umane. Le mutazioni genetiche che compromettono il corretto funzionamento delle ciglia, le ciliopatie , possono causare disturbi cronici come la discinesia ciliare primaria (PCD), la nefronoftisi o la sindrome di Senior-Løken . Inoltre, un difetto del ciglio primario nelle cellule del tubulo renale può portare alla malattia del rene policistico (PKD). In un'altra malattia genetica chiamata sindrome di Bardet-Biedl (BBS), i prodotti del gene mutante sono i componenti del corpo basale e delle ciglia. I difetti nelle cellule delle ciglia sono legati all'obesità e spesso pronunciati nel diabete di tipo 2. Diversi studi hanno già mostrato una ridotta tolleranza al glucosio e una riduzione della secrezione di insulina nei modelli di ciliopatia. Inoltre, il numero e la lunghezza delle ciglia erano diminuiti nei modelli di diabete di tipo 2 .

La mancanza di ciglia funzionali nelle tube di Falloppio può causare una gravidanza ectopica . Un ovulo fecondato potrebbe non raggiungere l' utero se le ciglia non sono in grado di spostarlo lì. In tal caso, l'ovulo si impianta nelle tube di Falloppio, causando una gravidanza tubarica , la forma più comune di gravidanza ectopica.

Come notato sopra, i canali epiteliali del sodio ENaC che sono espressi lungo la lunghezza delle ciglia regolano il livello del fluido che circonda le ciglia. Le mutazioni che riducono l'attività di ENaC provocano pseudoipoaldosteronismo multisistemico , che è associato a problemi di fertilità. Nella fibrosi cistica che deriva da mutazioni nel canale del cloro CFTR , l'attività di ENaC è potenziata portando a una grave riduzione del livello del fluido che causa complicazioni e infezioni nelle vie aeree respiratorie.

Poiché il flagello dello sperma umano è in realtà un ciglio modificato, la disfunzione ciliare può anche essere responsabile dell'infertilità maschile.

Di interesse, esiste un'associazione di discinesia ciliare primaria con anomalie anatomiche sinistra-destra come il situs inversus (una combinazione di reperti noti come sindrome di Kartagener ) e altri difetti eterotassici. Queste anomalie anatomiche sinistra-destra possono anche provocare cardiopatie congenite . È stato dimostrato che la corretta funzione ciliare è responsabile della normale asimmetria sinistra-destra nei mammiferi.

Ciliopatie come esemplari di malattie ereditarie multiorgano

Primi anni del 2000 i risultati della ricerca genetica hanno suggerito che molte malattie genetiche , sia sindromi genetiche e le malattie genetiche , che non sono stati precedentemente legati nella letteratura medica, possono essere, infatti, fortemente legato alla causa principale del set ampiamente variabile di medici sintomi che sono clinicamente visibili nel disturbo . Questi sono stati raggruppati come una classe emergente di malattie chiamate ciliopatie . La causa sottostante potrebbe essere un meccanismo molecolare disfunzionale nelle ciglia primarie/immotili, organelli che sono presenti in molti diversi tipi cellulari in tutto il corpo umano .

I difetti delle ciglia influiscono negativamente su numerose vie di segnalazione critiche essenziali per lo sviluppo embrionale e la fisiologia dell'adulto e offrono quindi un'ipotesi plausibile per la natura spesso multi-sintomatica delle diverse ciliopatie. Le ciliopatie note includono la discinesia ciliare primaria , la sindrome di Bardet-Biedl , il rene policistico e la malattia epatica , la nefronoftisi , la sindrome di Alström , la sindrome di Meckel-Gruber , la sindrome di Sensenbrenner e alcune forme di degenerazione retinica .

I diversi esiti causati dalla disfunzione ciliare possono derivare da alleli di diversa forza che compromettono le funzioni ciliari in modi diversi o in misura diversa. Molte ciliopatie sono ereditate in modo mendeliano, ma specifiche interazioni genetiche tra complessi ciliari funzionali distinti, come la zona di transizione e i complessi BBS, possono alterare le manifestazioni fenotipiche delle ciliopatie recessive.

Cambiamenti extracellulari

La riduzione della funzione delle ciglia può anche derivare da un'infezione. La ricerca sui biofilm è aumentata e ha mostrato come i batteri possono alterare le ciglia. Un biofilm è una comunità di batteri della stessa o di più specie di batteri. Il gruppo di cellule secerne diversi fattori che formano una matrice extracellulare. È noto che le ciglia nel sistema respiratorio spostano il muco e gli agenti patogeni fuori dalle vie aeree. È stato scoperto che i pazienti con infezioni positive al biofilm hanno una funzione delle ciglia compromessa. La menomazione può presentarsi come diminuzione del movimento o riduzione del numero di ciglia. Sebbene questi cambiamenti derivino da una fonte esterna, influenzano ancora la patogenicità dei batteri, la progressione dell'infezione e il modo in cui viene trattata.

Ciglio primario nelle cellule pancreatiche

Il pancreas è una miscela di cellule esocrine ed endocrine altamente differenziate. Il cilio primario è presente nelle cellule esocrine che sono centroacinari, cellule del dotto. Il tessuto endocrino è composto da diverse cellule che secernono ormoni. Cellule beta secernenti insulina e cellule alfa secernenti glucagone che sono altamente ciliate.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno