Ресничка ( мн. ч .: cilia ; от лат. cilium « веко »; в средневековой латыни и в анатомии cilium ) — короткий волосовидный мембранный выступ многих типов эукариотических клеток . [1] [2] (Реснички отсутствуют у бактерий и архей .) Ресничка имеет форму тонкого нитевидного выступа, который простирается от поверхности гораздо более крупного тела клетки. [2] Эукариотические жгутики , обнаруженные на сперматозоидах и многих простейших, имеют структуру, похожую на подвижные реснички, что позволяет им плавать в жидкостях; они длиннее ресничек и имеют другое волнообразное движение. [3] [4]
Существует два основных класса ресничек: подвижные и неподвижные , каждый из которых имеет два подтипа, что дает четыре типа в целом. [5] Обычно клетка имеет одну первичную ресничку или много подвижных ресничек. [6] Структура ядра реснички, называемая аксонемой , определяет класс реснички. Большинство подвижных ресничек имеют центральную пару одиночных микротрубочек, окруженных девятью парами двойных микротрубочек, называемых аксонемой 9+2 . Большинство неподвижных ресничек имеют аксонему 9+0 , в которой отсутствует центральная пара микротрубочек. Также отсутствуют связанные компоненты, обеспечивающие подвижность, включая внешние и внутренние динеиновые плечи и радиальные спицы. [7] У некоторых подвижных ресничек отсутствует центральная пара, а у некоторых неподвижных ресничек она есть, отсюда и четыре типа. [5] [7]
Большинство неподвижных ресничек, называемых первичными ресничками или сенсорными ресничками , служат исключительно в качестве сенсорных органелл. [8] [9] Большинство типов клеток позвоночных обладают одной неподвижной первичной ресничкой, которая функционирует как клеточная антенна. [10] [11] Обонятельные нейроны обладают большим количеством неподвижных ресничек. Неподвижные реснички, которые имеют центральную пару микротрубочек, являются киноцилиями, присутствующими на волосковых клетках . [5]
Подвижные реснички в большом количестве находятся на респираторных эпителиальных клетках – около 200 ресничек на клетку, где они функционируют в мукоцилиарном клиренсе , а также имеют механосенсорные и хемосенсорные функции. [12] [13] [14] Подвижные реснички на эпендимальных клетках перемещают спинномозговую жидкость через желудочковую систему мозга . Подвижные реснички также присутствуют в яйцеводах ( фаллопиевых трубах ) самок млекопитающих ( териевых ), где они функционируют в перемещении яйцеклеток из яичника в матку . [13] [15] Подвижные реснички , у которых отсутствует центральная пара микротрубочек, находятся в клетках эмбрионального примитивного узла ; называемые узловыми клетками , эти узловые реснички отвечают за лево-правую асимметрию билатерий . [16]
Ресничка собирается и строится из базального тельца на поверхности клетки. Из базального тельца формируется ресничный корешок впереди переходной пластинки и переходной зоны, где более ранние триплеты микротрубочек меняются на дублеты микротрубочек аксонемы.
Основой реснички является базальное тельце, термин, применяемый к материнской центриоли, когда она связана с ресничкой. Базальные тельца млекопитающих состоят из ствола из девяти триплетных микротрубочек, субдистальных придатков и девяти структур, похожих на распорки, известных как дистальные придатки, которые прикрепляют базальное тельце к мембране у основания реснички. Две из каждой триплетной микротрубочки базального тельца удлиняются во время роста аксонемы, становясь дублетными микротрубочками.
Ресничный корешок — это структура, похожая на цитоскелет, которая берет начало от базального тельца на проксимальном конце реснички. Корешки обычно имеют диаметр 80–100 нм и содержат поперечные полоски, распределенные с регулярными интервалами примерно 55–70 нм. Важным компонентом корешка является rootletin, белок спирального корешка, кодируемый геном CROCC . [ 17]
Для достижения своего особого состава, самая проксимальная область реснички состоит из переходной зоны , также известной как ресничные ворота , которая контролирует вход и выход белков в ресничку и из нее. [18] [19] [20] В переходной зоне Y-образные структуры соединяют ресничную мембрану с подлежащей аксонемой. Контроль избирательного входа в реснички может включать ситоподобную 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, Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogaster и Chlamydomonas reinhardtii . У млекопитающих нарушение переходной зоны снижает содержание в ресничках мембранно-ассоциированных цилиарных белков, таких как те, которые участвуют в передаче сигнала Hedgehog , что ставит под угрозу зависимое от Hedgehog эмбриональное развитие числа пальцев и паттернов центральной нервной системы.
Внутри реснички находится цитоскелетное ядро на основе микротрубочек , называемое аксонемой . Аксонема первичной реснички обычно имеет кольцо из девяти внешних дублетов микротрубочек (называемое аксонемой 9+0 ), а аксонема подвижной реснички имеет, в дополнение к девяти внешним дублетам, два центральных синглета микротрубочек (называемых аксонемой 9+2 ). Это тот же тип аксонемы жгутика . Аксонема в подвижной ресничке действует как каркас для внутренних и внешних динеиновых рук , которые двигают ресничку, и обеспечивает пути для моторных белков микротрубочек кинезина и динеина. [2] [21] [22] Транспорт компонентов ресничек осуществляется посредством внутрижгутикового транспорта (IFT), который аналогичен аксональному транспорту в нервном волокне . Транспорт двунаправленный, и цитоскелетные моторные белки кинезин и динеин транспортируют цилиарные компоненты вдоль микротрубочковых путей; кинезин в антероградном движении к кончику реснички и динеин в ретроградном движении к телу клетки. Ресничка имеет свою собственную цилиарную мембрану, заключенную в окружающую клеточную мембрану . [23]
У животных неподвижные первичные реснички встречаются почти на всех типах клеток, клетки крови являются заметным исключением. [2] Большинство клеток обладают только одной, в отличие от клеток с подвижными ресничками, исключением являются обонятельные сенсорные нейроны , где расположены обонятельные рецепторы , каждый из которых обладает примерно десятью ресничками. Некоторые типы клеток, такие как ретинальные фоторецепторные клетки, обладают высокоспециализированными первичными ресничками. [24]
Хотя первичная ресничка была открыта в 1898 году, ее в течение столетия в значительной степени игнорировали и считали рудиментарной органеллой без важной функции. [25] [2] Недавние открытия, касающиеся ее физиологической роли в хемосенсорике, передаче сигнала и контроле роста клеток, выявили ее важность в функционировании клеток. Ее важность для биологии человека была подчеркнута открытием ее роли в разнообразной группе заболеваний, вызванных дисгенезией или дисфункцией ресничек, таких как поликистозная болезнь почек , [26] врожденный порок сердца , [27] пролапс митрального клапана , [28] и дегенерация сетчатки, [29] называемые цилиопатиями . [30] [31] Сейчас известно, что первичная ресничка играет важную роль в функционировании многих органов человека. [2] [10] Первичные реснички на бета-клетках поджелудочной железы регулируют их функцию и энергетический обмен. Удаление ресничек может привести к дисфункции островков и диабету 2 типа . [32]
Реснички собираются во время фазы G 1 и разбираются до того, как произойдет митоз. [33] [11] Разборка ресничек требует действия киназы Aurora A. [ 34] Современное научное понимание первичных ресничек рассматривает их как «сенсорные клеточные антенны, которые координируют многие клеточные сигнальные пути, иногда связывая сигнализацию с подвижностью ресничек или, альтернативно, с делением и дифференцировкой клеток». [35] Ресничка состоит из субдоменов [ необходимо разъяснение ] и окружена плазматической мембраной, непрерывной с плазматической мембраной клетки. Для многих ресничек базальное тельце , где берет начало ресничка, расположено внутри мембранной инвагинации, называемой цилиарным карманом. Мембрана реснички и микротрубочки базального тельца соединены дистальными отростками (также называемыми переходными волокнами). Везикулы, несущие молекулы для ресничек, прикрепляются к дистальным отросткам. Дистально по отношению к переходным волокнам формируется переходная зона, где вход и выход молекул регулируется в реснички и из них. Некоторые сигналы с этими ресничками происходят через связывание лигандов, например, сигнал Hedgehog . [36] Другие формы сигналов включают рецепторы, сопряженные с G-белком, включая рецептор соматостатина 3 в нейронах. [37]
Киноцилии , которые находятся на волосковых клетках внутреннего уха, называются специализированными первичными ресничками или модифицированными неподвижными ресничками. Они обладают аксонемой 9+2 подвижных ресничек, но не имеют внутренних динеиновых ручек, которые обеспечивают движение. Они пассивно двигаются после обнаружения звука, что допускается внешними динеиновыми ручками. [38] [39]
У млекопитающих также есть подвижные реснички или вторичные реснички , которые обычно присутствуют на поверхности клетки в большом количестве (мультицилиарные) и бьются в скоординированных метахрональных волнах . [40] Мультицилиарные клетки находятся в дыхательных путях , где они выполняют функцию мукоцилиарного очищения, выметая слизь, содержащую мусор, из легких . [13] Каждая клетка респираторного эпителия имеет около 200 подвижных ресничек. [12]
В репродуктивном тракте сокращения гладких мышц помогают биению ресничек при перемещении яйцеклетки из яичника в матку. [13] [15] В желудочках мозга реснитчатые эпендимальные клетки обеспечивают циркуляцию спинномозговой жидкости .
Функционирование подвижных ресничек в значительной степени зависит от поддержания оптимального уровня перицилиарной жидкости, омывающей реснички. Эпителиальные натриевые каналы (ENaC) специфически экспрессируются по всей длине ресничек в дыхательных путях, фаллопиевой трубе или яйцеводе , которые, по-видимому, служат датчиками для регулирования перицилиарной жидкости. [13] [41]
Подвижные реснички без центральной пары синглетов (9+0) обнаруживаются на ранних стадиях эмбрионального развития. Они присутствуют в виде узловых ресничек на узловых клетках примитивного узла . Узловые клетки отвечают за лево-правую асимметрию у билатеральных животных . [16] Несмотря на отсутствие центрального аппарата, присутствуют динеиновые ручки , которые позволяют узловым ресничкам двигаться вращательным образом. Движение создает ток внеэмбриональной жидкости через узловую поверхность в левом направлении, что инициирует лево-правую асимметрию у развивающегося эмбриона. [12] [42]
Подвижные, множественные, 9+0 реснички находятся на эпителиальных клетках сосудистого сплетения . Реснички также могут менять 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. В дополнение к 9+0 ресничкам, которые подвижны, существуют также одиночные 9+2 реснички, которые остаются неподвижными, обнаруженные в волосковых клетках. [39]
Узловые клетки имеют одну ресничку, называемую моноцилией. Они присутствуют на очень раннем этапе развития эмбриона на примитивном узле . Существуют две области узла с различными типами узловых ресничек . В центральном узле находятся подвижные реснички, а в периферической области узла узловые реснички являются модифицированными подвижными. [42]
Подвижные реснички на центральных клетках вращаются, создавая левосторонний поток внеклеточной жидкости, необходимый для инициирования лево-правой асимметрии. [42]
Подвижные реснички на сперматозоидах и многих простейших позволяют плавать в жидкостях и традиционно называются « жгутиками ». [3] Поскольку эти выступы структурно идентичны подвижным ресничкам, попытки сохранить эту терминологию включают в себя проведение различия по морфологии («жгутики» обычно длиннее обычных ресничек и имеют другое волнообразное движение) [4] и по количеству. [43]
Инфузории — это эукариотические микроорганизмы , которые обладают исключительно подвижными ресничками и используют их либо для передвижения, либо просто для перемещения жидкости по своей поверхности. Например, парамеция покрыта тысячами ресничек, которые позволяют ей плавать. Было показано, что эти подвижные реснички также являются сенсорными. [44]
Реснички формируются в процессе цилиогенеза . Ранним шагом является стыковка базального тельца с растущей цилиарной мембраной, после чего формируется переходная зона. Строительные блоки цилиарной аксонемы, такие как тубулины , добавляются на кончики ресничек в процессе, который частично зависит от внутрижгутикового транспорта (IFT). [45] [46] Исключения включают сперму Drosophila и формирование жгутиков Plasmodium falciparum , при котором реснички собираются в цитоплазме. [47]
В основании реснички, где она прикрепляется к телу клетки, находится центр организации микротрубочек , базальное тельце . Некоторые белки базального тельца, такие как CEP164 , ODF2 [48] и CEP170 , [49], необходимы для формирования и стабильности реснички.
По сути, ресничка представляет собой наномашину, состоящую, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют мобильным белковым доменам, соединенным ими, привлекать своих партнеров по связыванию и индуцировать аллостерию дальнего действия посредством динамики белковых доменов . [35]
Динеин в аксонеме – аксонемальный динеин образует мосты между соседними дублетами микротрубочек. Когда АТФ активирует двигательный домен динеина, он пытается пройти вдоль соседнего дублета микротрубочек. Это заставило бы соседние дублеты скользить друг по другу, если бы не присутствие нексина между дублетами микротрубочек. И таким образом сила, создаваемая динеином, вместо этого преобразуется в изгибающее движение. [50] [51]
Некоторые первичные реснички на эпителиальных клетках эукариот действуют как клеточные антенны , обеспечивая хемосенсорику , термосенсорику и механосенсорику внеклеточной среды. [52] [10] Затем эти реснички играют роль в опосредовании специфических сигнальных сигналов, включая растворимые факторы во внешней клеточной среде, секреторную роль, при которой растворимый белок высвобождается, чтобы оказать влияние ниже по течению потока жидкости, и опосредование потока жидкости, если реснички подвижны . [52]
Некоторые эпителиальные клетки реснитчатые, и они обычно существуют в виде слоя поляризованных клеток, образующих трубку или каналец с ресничками, выступающими в просвет . Эта сенсорная и сигнальная роль ставит реснички в центральную роль в поддержании локальной клеточной среды и может быть причиной того, что дефекты ресничек вызывают такой широкий спектр заболеваний человека. [31]
В эмбрионе узловые реснички используются для направления потока внеклеточной жидкости. Это левое движение должно генерировать лево-правую асимметрию по средней линии эмбриона. Центральные реснички координируют свои вращательные биения, в то время как неподвижные реснички по бокам чувствуют направление потока. [42] [53] [54] Исследования на мышах предполагают биофизический механизм, с помощью которого определяется направление потока. [55]
С помощью аксо-цилиарных синапсов существует связь между серотонинергическими аксонами и первичными ресничками пирамидальных нейронов CA1 , которая изменяет эпигенетическое состояние нейрона в ядре – «способ изменить то, что транскрибируется или производится в ядре» посредством этой сигнализации, отличной от той, что находится на плазматической мембране , которая также является более долгосрочной. [56] [57]
Дефекты ресничек могут приводить к ряду заболеваний человека. [31] [58] Дефекты ресничек отрицательно влияют на многие критические сигнальные пути, необходимые для эмбрионального развития и физиологии взрослого человека, и, таким образом, предлагают правдоподобную гипотезу о частой многосимптомной природе различных цилиопатий. [30] [31] Известные цилиопатии включают первичную цилиарную дискинезию , синдром Барде-Бидля , поликистоз почек и печени , нефронофтиз , синдром Альстрема , синдром Меккеля-Грубера , синдром Сенсенбреннера и некоторые формы дегенерации сетчатки . [30] [52] Генетические мутации, нарушающие правильное функционирование ресничек, цилиопатии , могут вызывать хронические расстройства, такие как первичная цилиарная дискинезия (ПЦД), нефронофтиз и синдром Сениора-Лёкена . Кроме того, дефект первичной реснички в клетках почечных канальцев может привести к поликистозной болезни почек (PKD). При другом генетическом заболевании, называемом синдромом Барде-Бидля (BBS), продукты мутантного гена являются компонентами базального тельца и ресничек. [30] Дефекты в клетках ресничек связаны с ожирением и часто выражены при диабете 2 типа. Несколько исследований уже показали нарушение толерантности к глюкозе и снижение секреции инсулина в моделях цилиопатии. Более того, количество и длина ресничек были уменьшены в моделях диабета 2 типа . [59]
Эпителиальные натриевые каналы (ENaC), которые экспрессируются по всей длине ресничек, регулируют уровень перицилиарной жидкости . Мутации, которые снижают активность ENaC, приводят к мультисистемному псевдогипоальдостеронизму , который связан с проблемами фертильности. [13] При муковисцидозе , который является результатом мутаций в хлоридном канале CFTR , активность ENaC усиливается, что приводит к серьезному снижению уровня жидкости, что вызывает осложнения и инфекции в дыхательных путях. [41]
Поскольку жгутик человеческой спермы имеет ту же внутреннюю структуру, что и ресничка, дисфункция ресничек также может быть причиной мужского бесплодия. [60]
Существует связь первичной цилиарной дискинезии с лево-правыми анатомическими аномалиями, такими как situs inversus (комбинация признаков известна как синдром Картагенера ) и situs ambiguus (также известный как синдром гетеротаксии ). [61] Эти лево-правые анатомические аномалии также могут приводить к врожденным порокам сердца . [62] Было показано, что правильная цилиарная функция отвечает за нормальную лево-правую асимметрию у млекопитающих. [63]
Различные результаты, вызванные цилиарной дисфункцией, могут быть результатом аллелей разной силы, которые нарушают цилиарные функции разными способами или в разной степени. Многие цилиопатии наследуются по менделевскому закону, но специфические генетические взаимодействия между различными функциональными цилиарными комплексами, такими как переходная зона и комплексы BBS, могут изменять фенотипические проявления рецессивных цилиопатий. [64] [65] Некоторые мутации в белках переходной зоны могут вызывать специфические серьезные цилиопатии. [66]
Снижение функции ресничек также может быть результатом инфекции. Исследования биопленок показали, что бактерии могут изменять реснички. Биопленка представляет собой сообщество бактерий одного или нескольких видов бактерий. Скопление клеток секретирует различные факторы, которые образуют внеклеточный матрикс. Известно, что реснички в дыхательной системе выводят слизь и патогены из дыхательных путей. Было обнаружено, что у пациентов с инфекциями, положительными по биопленке, нарушена функция ресничек. Нарушение может проявляться в снижении движения или уменьшении количества ресничек. Хотя эти изменения являются результатом внешнего источника, они все равно влияют на патогенность бактерий, прогрессирование инфекции и то, как ее лечат. [67]
Транспортировка незрелой яйцеклетки и эмбриона в матку для имплантации зависит от комбинации регулируемых сокращений гладких мышц и биения ресничек. Дисфункция в этой транспортировке может привести к внематочной беременности , когда эмбрион имплантируется (обычно) в фаллопиеву трубу до того, как достигнет своего надлежащего места назначения в матке. На эту стадию могут влиять многие факторы, включая инфекцию и гормоны менструального цикла. Курение (вызывающее воспаление) и инфекция могут уменьшить количество ресничек, а на биение ресничек могут влиять гормональные изменения. [15] [68]
Поджелудочная железа представляет собой смесь высокодифференцированных экзокринных и эндокринных клеток. Первичные реснички присутствуют в экзокринных клетках, которые являются клетками центроацинарных протоков. [69] [32] Эндокринная ткань состоит из различных гормон-секретирующих клеток. Бета-клетки, секретирующие инсулин, и альфа-клетки, секретирующие глюкагон, имеют высокую степень ресничек. [70] [71]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )