Реснички и жгутики являются волоскоподобными клеточными выпячиваниями, которые имеют уникальное место в истории биологии. Идентифицированные Antonie van Leeuwenhoek в 1676, они были первыми обнаруженными органеллами. Сегодня мы знаем, что эти 'incredibly thin feet, or little legs', как их описал Leeuwenhoek, широко распространены по всему царству эукариот (Satir, 1995). С волокнистой плазматической мембраной связанные стерженевые микротрубочки реснички или аксонема, это продожение от базального тельца, производного материнской центриоли, который закрепляет ресничку на апикальной поверхности клетки. Обычно, аксонема представлена 9 радиально расположенными дублетами микротрубочек с наличием или отсутствием центральной пары сдвоенных микротрубочек - конфигурации 9+2 или 9+0. Аксонема строится из базального тельца с помощью соотв. процесса транспорта на базе кинезинового и миозинового моторов, наз. intraflagellar transport (IFT). Хотя фундаментальная архитектура реснички и процесс IFT-зависимой сборки очень консервативны (rev. Garcia-Gonzalo and Reiter, 2012; Ishikawa and Marshall, 2011), существует множество разнообразных типов ресничек у метазоа. Каждый класс ресничек сложным образом связан и прекрасно адаптирован к биологической функции, колелющейся от перемещения жидкости во время лево-правостороннего формирования паттерна оси тела позвоночных и сигнальной трансдукции в зрении и обонянии, до очистки от патогенов из воздушных путей и плодовитости и репродукции (Fig. 1). Fig. 1.

Важность продукции и поддержания соответственно дифференцированных ресничек во время эмбрионального развития и для физиологии у взрослых прекрасно подчеркивается болшим количеством болезней у человека, цилиопатий (see Box 1), возникающих из-за дисфункции ресничек (rev.Hildebrandt et al., 2011). Ключевой ступенью понимания биологии ресничек и тем самым этиологии цилиопатий является идентификация различных компонентов, участвующих в генерации и функции этих органелл. Были использованы разнообразные стратегии для определения генов и белков, необходимых для разных типов ресничек (Arnaiz et al., 2009;Gherman et al., 2006; Inglis et al., 2006). Эти скрининги показали, что реснички являются сложными органеллами, при этом сотни (если не тысячи) компонентиов участвуют в их сборке, структуре и функции, экспрессия которых д. быть точно скоординирована во время образования ресничек. Здесь мы сконцентрируемся на том, как достигается координация и программируются механизмы цилиогенеза на транскрипционном уровне.

Box 1. Ciliopathies Ciliopathies are a collection of human disorders that are directly caused by defects in cilia formation or function. Defective immotile cilia cause pleiotropic and highly variable abnormalities, consistent with the extensive distribution of immotile cilia and their wide-ranging functions. Individuals suffering from immotile ciliopathies exhibit combinations of kidney and liver defects (including cysts), obesity, central nervous system defects that can lead to mental retardation, as well as a variety of patterning defects, including abnormalities in limb length, digit number (polydactyly), left-right axis organization (situs inversus) and craniofacial patterning. Abnormalities specific to the photoreceptor-connecting cilium can also lead to retinal degeneration and blindness. Examples of immotile ciliopathies include nephronophthisis (NPHP), Senior-Loken syndrome (SLS), Joubert syndrome (JBTS), Bardet-Biedl syndrome (BBS), Meckel-Gruber syndrome (MKS) and orofacialdigital syndrome (OFD) (reviewed by Hildebrandt et al., 2011; Waters and Beales, 2011).

Dysfunction of the motile cilia causes a distinct set of phenotypes that, in humans, is referred to as primary ciliary dyskinesia (PCD). Symptoms of the disease are apparent in cells and tissues that differentiate motile cilia. Poor mucociliary clearance caused by dysfunctional airway cilia leads to chronic infections, sinusitis and rhinitis, which can result in widening of the airways and lung collapse (bronchiectasis and atelectasis, respectively). Lack of motility of sperm flagella and motile cilia in the oviducts can lead to infertility, whereas dysmotility of cilia in the node leads to left-right patterning defects (situs inversus, also known as Kartagener's syndrome). In some rare cases, defects in ependymal motile cilia of the CNS can lead to swelling of the brain ventricles or to hydrocephalus (Afzelius, 1976) (reviewed by Boon et al., 2013).

Diverse cilia types perform various roles in development and physiology

Традиционно реснички классифицируются как подвижные или неподвижные. Однако, внутри этой упрощенной классификации, необходимо различать многочисленные подтипы ресничек, распознаваемых у разных организмов (Fig. 2) (Silverman and Leroux, 2009;Takeda and Narita, 2012). Fig. 2.

Первая категория ресничек это подвижные реснички. Они обычно длинные, имеют классическую 9+2 организацию микротрубочек и обладают dynein рычагами (arms), использующими энергию гидролиза АТФ, чтобы управлять ритмическими движениями аксонем. Подвижные реснички могут также содержать дополнительные белковые комплексы, важные для подвижности, такие как nexin-dynein regulatory complex (N-DRC), регулирующие активность dynein рычагов (rev. Lindemann and Lesich, 2010). Существует несколько разных типов подвижных ресничек, включая подвижные моноцилии (т.e. существующие в единственном числе на клетку), такие как прототипические жгутики простейших и сперматозоидов, или реснички в прокисмльном и дистальном регионах развивающихся пронефрических почечных каналов у эмбрионов рыбок данио. Эти реснички обычно бьются волнообразным или спиральным способом, чтобы генерировать клеточную подвижность или перемещение жидкости (rev. Inaba, 2011; Kramer-Zucker et al., 2005). Др. тип подвижных моноцилий найден в клетках organ of laterality у разных видов позвоночных - вентральный узел у млекопитающих, gastrocoel roof plate (GRP) у лягушек и Kupffer's пузырек (KV) у костистых рыб. У мышей и рыбок медака эти реснички в основном имеют конфигурацию 9+0, тогда как у др. организмов, таких как рыбки данио, они имеют структуру 9+2. Независимо от своей конфигурации эти реснички движутся вращающимся способом и создают левонаправленный ток жидкости внутри полости узелка, GRP или KV (rev. Babu and Roy, 2013). Финальным типом подвижных ресничек являются множественные подвижные реснички (т.e. присутствующие более одной на клетку), которые обеспечивают движение ждкости высокой вязкости. Напр., эпителиальные клетки респираторного тракта и эпендимные клетки ЦНС млекопитающих, имеющие от двух до более сотни подвижных ресничек на их поверхности. Эти реснички имеют конфигурацию микротрубочек 9+2 и бьются, ударяя невпопад (metachronal) в плосткости, тобы очищать от слизи воздушные пути или обеспечивать циркуляцию спинно-мозговой жидкости в головнои и спинном мозге (rev. Del Bigio, 2010; Satir and Sleigh, 1990). Хотя функция подвижных ресничек принципиально механическая, т.e. движение жидкости или перемещение клеток, но они могут также обладать рядом сенсорных функций (reviewed by Bloodgood, 2010).

В противополжность подвижным ресничкам неподвижные реснички (также наз. сенсорными или первичными ресничками) обычно короткие и лишены компоненов подвижности, но специализированы морфологически и молекулярно к восприятию движения ждкости, света, одорантов или сигнальных молекул. Вообще-то неподвижные реснички являются отдельными сигнальными ресничками, обнаруживаемыми у большинства молчащих или постмитотических клеток в теле позвоночных. Эти реснички имеют конфигурацию микротрубочек 9+0 и используются для сигнальной трансдукции с помощью ряда важных онтогенетических морфогенов, наиболее заметными среди них семейство hedgehog (HH) (rev. Goetz and Anderson, 2010). Др. тип ресничек, подпадающих под классификацию неподижных речничек и обладающих конфигурацией микротрубочек 9+0, это моноцилии, исходящие из эпителиальных клеток, выстилающих почечные канальцы млекопитающих. Эти реснички проецируются в просвет канальцев и выполняют механосенсорную роль по восприятию тока мочи (rev. Praetorius and Leipziger, 2013). Сходные, ощущающие ток реснички декорируют периферию узелка млекопитающих и, как полагают, воспринимают налево направленный (leftward) ток жидкости, генерируемый подвижными ресничками внутри полости узелка (rev. Babu and Roy, 2013). Неподвижные реснички являются также существенной частью сенсорного аппарата носа, глаз и ушей. Обонятельные сенсорные нейроны испускают отростки, наз. дендритными кнопками (knobs) в обонятельный эпителий, при этом 10-30 сенсорных ресничек достигают слизистого слоя. Расположенные на этих ресничках обонятельные рецепторы вместе со всем нижестоящим аппаратом передачи сигналовнеобходимы для восприятия запахов. Хотя обонятельне реснички имеют конфигурацию микротрубочек 9+2, у млекопитающих они лишены dynein рычагов, необходимых для подвижности (rev. Jenkins et al., 2009). Сенсорные нейроны фоторецепторов сетчатки также испускают короткие дендриты, обладающие неподижной ресничкой, имеюще очень отличающуюся морфологию. Соединяющий регион этой реснички обычно содержит конфигурацию микротрубочек 9+0, тогда как дистальный регион, наз. наружным сегментом, содержит стеллажи (stacks) из мембран ресничек, плотно упакованные вместе с чувствительными к свету и цвету опсинами (rev. Insinna and Besharse, 2008). Во внутреннем ухе механосенсорные волосковые клетки также обладают по одной 9+2 ресничке. Хотя эта ресничка исторически была назавана киноцилием ('kino' meaning moving picture), это название конечно неправилно, поскольку ресничка неподвижна. Киноцилий является временной органеллой, которая играет критическую роль в генерации поляризованного на плоскости распределения стереоцилий - пусков базирующихся на актине микроворсинок, воспринимающих звуковые вибрации и линейное ускорение для слуха и баланса (rev. Schwander et al., 2010).

RFX transcription factors and their links to ciliogenesis

В последние годы несколько членов семейства транскрипционных факторов regulatory factor X (RFX), как было установлено, необходимы для управления экспрессией основных компонентов всех типов ресничек. Все RFX факторы обладают общим специфическим winged-helix DNA-binding domain (DBD, see Fig. 3), который обеспечивает распознавание последовательности ДНК, контактируя с минорной бороздой с помощью wing субдомена (Gajiwala et al., 2000). Факторы RFX могут соединяться или как мономеры, или димеры (гомо- или гетеро-) с сайтом мишенью, известным как X-box, обнаруживаемым в промоторах многих генов. Исходя из высокой степени консервации последовательностей в DBD, идентифицировано семь RFX факторов млекопитающих (Aftab et al., 2008; Emery et al., 1996; Reith et al., 1990; Reith et al., 1994b), теперь найден и дополнительный, RFX8 (ENSG00000196460). Присутствие этих 8 RFX факторов подтвержено у всех проанализированных позвоночных, за исключением рыб, у которых найдено 9 RFX факторов, в соответствии с дполнительной дупликацией генома в ветви actinopterygian (Chu et al., 2010). Члены семейства RFX были также идентифицированы у беспозвоночных, таких как Drosophila и C. elegans, и у одноклеточных организмов, таких как дрожжи S. pombe и S. cerevisiae (Fig. 3), демонстрируя эволюционную древность (see Box 2) этого типа транскрипционных факторов (Chu et al., 2010; Durand et al., 2000;Emery et al., 1996; Huang et al., 1998; Otsuki et al., 2004; Piasecki et al., 2010; Swoboda et al., 2000; Wu and McLeod, 1995).

Box 2. Evolutionary conservation of ciliary gene regulation by RFX factors Cilia are evolutionarily ancient structures found in representatives from all five major eukaryotic branches: Unikonta, Archaeplastida, Excavata, Chromalveolata and Rhizaria. This suggests that the last eukaryotic common ancestor (LECA) was a ciliated, unicellular organism. Accumulating evidence from various organisms for the tight regulation of the expression of ciliary components, such as intraflagellar transport (IFT) genes, by RFX factors leads to questions regarding when and how this co-regulation of ciliary genes has evolved. Sampling genomes from many different eukaryotic organisms for the presence of RFX factor genes revealed that RFX factors are restricted to only the Unikonta (comprising animals, fungi and amoebozoa), whether ciliated or not (Chu et al., 2010; Piasecki et al., 2010). A comparison of the evolutionary distribution of RFX factor genes and core ciliary genes (e.g. IFT genes) revealed that both existed independently from each other in various fungi and amoebozoa and, thus, must have evolved independently. For example, the yeasts S. cerevisiae and S. pombe both possess a single RFX factor but no cilia. Conversely, there are multiple examples of Unikonta (e.g.Physarum polycephalum) that have cilia but harbor no RFX factor genes in their genomes. In addition, DNA sequence footprints of the X-box promoter motif, the binding site for RFX factors, are found exclusively in ciliary genes within the animal kingdom in co-existence with RFX factors. Therefore, the tight transcriptional control of ciliary genes and cilia formation was most likely 'taken over' by RFX factors early in the animal lineage (Chu et al., 2010; Piasecki et al., 2010).

Fig. 3.

Семейство RFX может быть подразделено на три большие группы на базе филогенетического анализа DBD (Chu et al., 2010) и общих белковых доменов (Fig. 3). Одна из этих групп представлена RFX факторами, обнаруживающими единственную законсервированную последовательность внутри DBD. Сюда входят RFX5, RFX7 и RFX9 позвоночных, RFX1 и RFX2 Drosophila, SAK1 от S. pombe и CRT1 от S. cerevisiae (Chu et al., 2010; Thomas et al., 2010). Эти RFX белки в целом контролируют транскрипционные каскады, не связанные с ресничками. Члены др. основных двух групп обладают несколькими дополнительными консервативными белковыми доменами вне DBD, и очень сходны с C. elegans RFX белком DAF-19 (Fig. 3). Эти две группы представлены DAF-19 червей, RFX Drosophila и RFX1-RFX4 и RFX6 позвоночных (и недавно предсказанный RFX8).

C. elegans DAF-19: establishing a link with ciliogenesis

Первое экспериментальное доказательство, что факторы RFX прирожденно связаны с регуляцией транскрипции генов ресничек получено на C. elegans (Swoboda et al., 2000). Геном червя содержит единичный ген для RFX фактора, daf-19, экспрессирующийся во всех 60 ciliated sensory neurons (CSNs) в нервной системе (Swoboda et al., 2000). Эти CSNs испускают ресничатые окончания из кончиков своих дендритов, предназначенных для восприятия 'запахов и прикосновений'. Хотя эти 60 сенсорных нейронов безусловно присутствуют у мутантных daf-19 животных, они полностью лишены сенсорных ресничек, указывая тем самым, что DAF-19 необходим для образования ресничек. Более того, транскрипционная активация генов, кодирующих субъединицы IFT, таких как asche-2, osm-1 и osm-6, и многих др. генов ресничек нуждается в функции DAF-19, обеспечиваемой с помощью функциональных X-box элементов в промоторах этих генов (Burghoorn et al., 2012). Следовательно, у C. elegans, DAF-19 является центральным регулятором цилиогенеза и специфически необходим для поздней дифференцировки (Senti and Swoboda, 2008; Swoboda et al., 2000). Более того, в определенных клеточных контекстах, daf-19, как было установлено, достаточен для формирования полностью функциональных ресничек (Senti et al., 2009).

Expression and function of vertebrate Rfx genes

Вскоре после обнаружения роли в цилиогенезе C. elegans DAF-19, на сенсорных ресничках Drosophila было показано, что они завият от RFX (Dubruille et al., 2002). В более поздних исследованиях некоторых видов позвоночных стала очевидной общая картина Rfx гены экспрессируются во многих реснитчатых клетках и тканях, при этом некоторые гены обнаруживают более ограниченный паттерн экспрессии, чем др. (summarized in Fig. 3). Важно, то разрушение этих генов у позвоночных показывает, что они играют существенную роль в генерации подвижных и сенсорных ресничек (see Table 1), и, скорее всего, RFX белки активируют основные компоненты, необходимые для обоих типов ресничек.

Table 1.
Ciliary transcription factor(s) needed to produce different cilia types in selected organisms

Rfx1

Rfx1, по-видимому, является аутсайдером в группе цилиогенных RFX факторов: функция этого белка в ресничках менее очевидна и он также участвет в регуляции ряда не связанных с ресничками генов мишеней (Iwama et al., 1999; Steimle et al., 1995). Rfx1 экспрессируется в нескольких регионах головного мозга мышей и крыс (напр. обонятельные луковицы, гиппокамп и кора) (Benadiba et al., 2012; Feng et al., 2011; Ma et al., 2006). Однако, Rfx1-нулевые мыши являются ранними эмбриональными леталями, указывая на важную роль Rfx1 в регуляции экспрессии генов, важных для инициальных стадий развития (Feng et al., 2009). В отношении ресничек, RFX1, вместе с RFX2, как недавно было установлено, регулирует транскрипцию ALMS1, гена, кодирующего белок, ассоциированный с базальным тельцем и который мутантен при цилиопатии при синдроме Alström (Purvis et al., 2010).

Rfx2

Rfx2 преимущественно экспрессируется в реснитчатых тканях, таких как головной мозг, органы латеральности, почки и семенники с раннего развития (Bisgrove et al., 2012; Chung et al., 2012;Horvath et al., 2004; Liu et al., 2007; Ma and Jiang, 2007; Thisse et al., 2004; Wolfe et al., 2004). Кроме того, экспрессия rfx2 повышена в клетках с подвижными множественными ресничками, дифференцирующимися в эпидермис у личинок Xenopus и в канальцах пронефрических почек эмбрионов рыбок данио - эти клетки сходны с клетками с подвижными можественными ресничками воздушных путей млекопитающих (Chung et al., 2012; Liu et al., 2007; Ma and Jiang, 2007). Эффект потери функции RFX2 на дифференцировку ресничек впервые описан для эмбрионов рыбок данио, у которых налюдалась заметная редукция количества неподвижных первичных ресничек в развивающейся нервной трубке (Yu et al., 2008). В соотв. с этим RFX2-дефицитные эмбрионы Xenopus также обнаруживали уменьшение количатсва и укорочение первичных ресничек в нервной ткани, приводящее к нарушению передачи сигналов HH (Chung et al., 2012). Подвижные реснички также зависели от RFX2 при своей дифференцировке; в эпидермальных клетках со множественными ресничками и в GRP эмбрионов Xenopus, также как и в KV рыбок данио, нокдаун Rfx2 приводит к укорочению и аберрантной подвижности подвижных ресничек (Bisgrove et al., 2012; Chung et al., 2012). Небольшое количество предполагаемых генов мишеней для Rfx2 было идентифицировано, исходя из снижения уровней их экспрессии у RFX2-дефицитных эмбрионов Xenopus (see Figs 3 and 4).

Rfx3

У мышей Rfx3 экспрессируется в тканях с реснитчатыми клетками, таких как узелок и головной мозг, напоминая экспрессию Rfx2 (Baas et al., 2006; Benadiba et al., 2012;Bonnafe et al., 2004; El Zein et al., 2009). Во время ранних ст. развития головного мозга Rfx3 транскрибируется в реснитчатых эпендимных клетках выстилки желудочков. Во время более поздних стадий экспрессия становится всё более ограниченной корой и структурами срединной линии, такими как choroid plexus (CP), subcommissural organ (SCO) и граница перегородки коры (Baas et al., 2006; Benadiba et al., 2012). Кроме того, Rfx3 экспрессируется в поджелудочной железе мыши (Ait-Lounis et al., 2007) и в дифференцирующихся клетках со множественнми ресничками в эпидермисе Xenopus (Chung et al., 2012).

В соотвествии с этими паттернами экспрессии, мыши, дефицитные по Rfx3 обнаруживают часто дефекты лево-правосторонней асимметрии (Bonnafe et al., 2004) а нарушение дифференцировки ресничатых клеток в CP и SCO, приводит к дезорганизации этих структур и развитию тяжелой гидроцефалии (Baas et al., 2006). Потеря Rfx3 также ассоциирует с уродствами corpus callosum (CC), который обычно соединяет два полушария головного мозга (Benadiba et al., 2012). Наконец, в поджелудочной железе, дефицит Rfx3 вызывает достоверные альтерации в составе гормон-секретирующих клеток островков Лангерганса (Ait-Lounis et al., 2007).

Реснички сами по себе затрагиваются множественными способами в отсутствие функции Rfx3: они оказываются укороченными (в узелке), сильно уменьшенными в количестве и длине (в поджелудочной железе); или продуцированы избыточно (в SCO) (Ait-Lounis et al., 2007; Baas et al., 2006; Bonnafe et al., 2004). Нарушение регуляции сигнального пкти HH, проявляющееся в неправильном преобразовании Gli эффекторных белков, является причиной запуска аномального развития CC, и, скорее всего, также объясняет альтерации эндокринного клона поджелудочной железы (Ait-Lounis et al., 2007; Benadiba et al., 2012). Более того, in vitro культуры эпендимных клеток со множественными ресничками из мутантного Rfx3 головного мозга мыши далее проясняет, что RFX3 контролирует рост, количество и подвижность подвижных ресничек за счет непосредственной регуляции транскрипции генов, кодирующих белки, участвующие в сборке и подвижности ресничек (El Zein et al., 2009) (see Figs 3 and 4).

Rfx4

У млекопитающих Rfx4 экспрессируется в семенниках и головном мозге (Ait-Lounis et al., 2007; Ashique et al., 2009; Blackshear et al., 2003; Morotomi-Yano et al., 2002). В головном мозге мыши Rfx4 строго экспрессируется в SCO и по всей эпедиме, начиная с поздних эмбриональных стадий (Ashique et al., 2009; Blackshear et al., 2003). Гаплонедостаточность по Rfx4 у мышей ассоциирована с тяжелой гидроцефалией и снижением или отсутствием SCO, тогда как гомозигогтные мутантные эмбрионы погибают перинатально, обнаруживая тяжелые дефекты дорсальной срединной линии головного мозга и имея один центральный желудочек. Изменения в экспрессии региональных маркеров, включая компоненты путей WNT, bone morphogenetic protein (BMP) и ретиноевой кислоты, подтверждают, что RFX4 необходим для становления дорсальных сигнальных центров в развивающемся головном мозге (Blackshear et al., 2003; Zhang et al., 2006). Некоторые из наблюдаемых дефектов формирования паттерна, скорее всего, вызываются потерей цеслостности ресничек и последуюшим нарушением регуляции активности HH (Ashique et al., 2009), обусловленной прямими альтерациями экспрессии генов белков ресничек, таких как IFT172 (see Figs 3 and4).

Гены, участвующие в цилиопатии при синдроме Joubert (see Box 1), предоставляют интересный пример регуляции компонет ресничек посредством RFX4 (Lee et al., 2012). Трансмембранные белки TMEM138 и TMEM216 необходимы для цилиогенеза и маркируют разные пулы пузырьков вокруг основания реснички. Эти два трансмембранных белка не обнаруживают явной гомологии или общих функциональных доменов, но будучи мутантными, вызывают неотличимые фенотипы у индивидов с синдромом Joubert. Недавно было показано, что их гены организованы способом голова-хвост в одной и той же хромосоме генома млекопитающих и что их экспрессия реагирует скоординировано на изменения в концентрации RFX4. RFX4 соединяется с косервативным X-box в межгенном регионе, предполагается. что функциональная связь генов ,не являющихся паралогами, может быть обусловлена общими промоторными элементами (Lee et al., 2012).

RFX factors directly regulate genes for core ciliary components

Итак, имеются строгие экспериментальные доказательства для облигатных, но частично перекрывающихся ролей у позвоночных Rfx1-Rfx4 в формировании и поддержании ресничек. Эти гены обладают общими перекрывающимися паттернами экспрессии, а последствия потери ими функции, особенно для Rfx2 и Rfx3, довольно сходны. Наблюдаемые фенотипы в основном могут быть объяснены изменениями в экспрессии генов ресничек, что приводит к структурным дефектам ресничек. Более того, тот факт, что инактивация любого одиночного RFX фактора превращается скорее всего в 'умеренное' фенотипическое отклонение ресничек, подтверждает модель функционального перекрывания и кооперации между разными RFX факорами. Это согласуется с очень сходной спецфичностью связывания ДНК этих белков (Morotomi-Yano et al., 2002; Reith et al., 1994a).

Сайт мишень для RFX факторов, X-box, является симметричным промоторным мотивом, состоящим из несовершенного инвертированного повтора с двумя сайтами половинками, соединенными вариабельным линкером в 1-3 нуклеотида (напр. GTYNCY-AT-RGNAAC), с которым контактируют димеры RFX на противоположных сторонах ДНК (Burghoorn et al., 2012; Efimenko et al., 2005; Gajiwala et al., 2000; Lauren?on et al., 2007; Swoboda et al., 2000). Комбинации димеров идентифицированы для Rfx1-Rfx4, включая все гомодиеры и различные гетеродимеры, подтверждая мнение, что связывание ДНК и последующая трансактивация генов мишеней происходит скоординированным и тесным взаимозависимым образом (Iwama et al., 1999; Morotomi-Yano et al., 2002; Reith et al., 1994a). Итак. эти находки подкрепляют мнение, что RFX факторы регулируют перекрываемые наборы генов, с функциональным перекрыванием некоторых, но не всех из этих генов (Bonnafe et al., 2004).

Комбинация компьютреных поисков и экспериментальных подходов, проведенная впервые на C. elegans и Drosophila, помогла идентифицировать большое количество непосредственных (и кандидато) генов мишеней для RFX у разных видов (Ashique et al., 2009; Blacque et al., 2005; Chen et al., 2006; Efimenko et al., 2005; Lauren?on et al., 2007; Phirke et al., 2011; Swoboda et al., 2000) (Fig. 4). Эти гены в основном относятся к двум классам. Первый включает X-box-содержащие гены мишени, кодирующие т.наз. стержневые компоненты ресничек, участвующие в базовых аспектах формирования и функции ресничек (напр. DYF-17, B9 и BBS белки), переходную зону (NPH-1 and NPH-4) и аксонему (DYF-1) попадают в эту категорию, как и компоненты аппарата IFT (напр. IFT88/OSM-5, IFT172/OSM-1 и XBX-1) (Ansley et al., 2003; Ashique et al., 2009;Burghoorn et al., 2012; Efimenko et al., 2005; Haycraft et al., 2001; Ou et al., 2005; Phirke et al., 2011; Schafer et al., 2003; Signor et al., 1999; Williams et al., 2008; Winkelbauer et al., 2005). Второй класс включает специфичные для подтипов ресничек X-box-содержащие гены, многие из которых были идентифицированы у C. elegans и Drosophila, как необходимые для специализированных функций ресничек только для определенных типов клеток. В значительной степени представляют разные семейства рецепторов кандидатов и ассоциированные с рецепторами факторы (напр. у C. elegans ODR-4, ASIC-2, XBX-5, STR-1, STR-13, STR-44, STR-144, SRG-2, SRH-74, SRU-12 и SRX-54; а у Drosophila Nan и Iav) (Burghoorn et al., 2012; Dwyer et al., 1998;Efimenko et al., 2005; Newton et al., 2012).

RFX факторы, как полагают, контролируют программы дифференцировки ресничек, после того как клетки становятся детерминированными в направлении определенной судьбы. Так, у C. elegans, сенсорные нейроны безусловно присутствуют у daf-19 мутантных животных, но они не способны формировать реснички (Swoboda et al., 2000). Поразительно, однако как у беспозвоночных, так и позвоночных транскрипционные факторы регулируются также с помощью консервативных X-box мотивов (напр. Rax, Zic1, Zic3, Msx3 и рецепторов ядерных гормонов, таких как nhr-44, nhr-45 и nhr-120), подтверждая, что помимо важной роли в обеспечении цилиогенеза, RFX факторы могут также непосредственно участвовать в спецификации реснитчатых типов клеток (Burghoorn et al., 2012; Efimenko et al., 2005;Zhang et al., 2006), гипотеза, нуждающаяся в дальнейшем подтверждении. Принимая во внимание эту возможность, дефекты формирования паттерна клеток и тканей в отсутствие соотв. функции Rfx гена могут быть не только результатом нарушения сигнальных путей, запускаемых с помощью аномалий ресничек.

FOX family transcription factors and the discovery of FOXJ1

В последние годы forkhead box protein J1 (FOXJ1) возник как дополнительный фактор, важный для цилиогенеза, особенно для биогенеза подвижных ресничек. FOXJ1 (также известен как forkhead-like 13/hepatocyte nuclear factor 3 forkhead homolog 4) является дивергентным членом семейства forkhead box (FOX) транскрипционных факторов (see Box 3), который играет критические роли в разных наборах биологических процессов (Hannenhalli and Kaestner, 2009). Foxj1 впервые был клонирован с помощью degenerate PCR против домена forkhead из библиотеки кДНК легких крыс (Clevidence et al., 1993). In situ гибридизация показала, что экспрессия гена пространственно ограничена рядом тканей млекопитающих, дающих подвижные щетинки, включая хороидное сплетение, эпителий легких, яйцеводы и семенники (Clevidence et al., 1994;Hackett et al., 1995; Murphy et al., 1997). Исходя из этого паттерна экспрессии, Murphy с коллегами предположили, что FOXJ1 может играть роль в цилиогенезе (Murphy et al., 1997). В соответствии с этим предсказанием роли транскрипционного регулятора, FOXJ1 является ядерным белком и обнаруживает паттерн, сходный с таковым для Foxj1 мРНК, с высокими уровнями накопления непосредственно перед цилиогенезом в клетках легких и трахей мыши, в яйцеводах и клетках эпендимы, выстилающих спинной столб и желудочки головного мозга (Blatt et al., 1999;Tichelaar et al., 1999b). FOXJ1 также экспрессируется непосредственно перед появлением жгутиков у сперматид (Blatt et al., 1999), необходимо дальнейшее подтверждение предположения, что FOXJ1 является регулятором транскрипции цилиогенеза подвижных ресничек.

Box 3. The forkhead box transcription factor family
The fork head gene was identified in Drosophila as a regulator of head and gut development, mutations in which yield ectopic forked structures on the head of the fly (Weigel et al., 1989). In a separate study, the liver-specific transcription factor, HNF3? (later renamed FOXA1), was isolated from rats (Lai et al., 1990). Weigel and J?ckle astutely recognized the similarity in the DNA-binding domain of both transcription factors, and named this seemingly conserved domain the forkhead domain (Weigel and J?ckle, 1990). The forkhead domain canonically consists of three ?-helices and three ?-sheets connected to a pair of loops or wings, reminiscent of a helix-turn-helix domain, which directly binds to DNA (Clark et al., 1993). Exploiting this highly conserved 80-100 amino acid DNA-binding domain in searches for homologs, additional family members were identified in organisms ranging from yeast to human. Eventually, 50 human forkhead transcription factors were found, which can be classified into 19 different groups (FOXA-FOXS) (Jackson et al., 2010; Kaestner et al., 2000). These transcription factors play important roles in a wide range of biological processes, including organ development (FOXA transcription factors), insulin signaling and longevity (FOXO transcription factors), and speech acquisition (FOXP2) (Hannenhalli and Kaestner, 2009).

FOXJ1 is a conserved regulator of motile ciliogenesis

Два независимых исследования подтвердили гипотезу связи между FOXJ1 и цилиогенезом подвижных ресничек, так, FOXJ1 нокаутные мыши показали полное отсуствие аксонем подвижных множественных ресничек воздушных путей, хороидного сплетения и яйцеводов, а также дефекты лево-правосторонней асимметрии (Table 1) (Brody et al., 2000; Chen et al., 1998). Как результат, большинство мутантных эмбрионов погибает при рождении, при этом выжившие обнаруживают гидроцефалию и гибнут вскоре после этого. Transmission electron microscopy (TEM) клеток воздушных путей, обнаруживающих потерю Foxj1, обнаруживают специфические нарушения подвижных ресничек 9+2, оставляя 9+0 неподвижные первичные реснички интактными. TEM также выявила, что базальное тельце, располгающееся в апикальной клеточной мембране, нарушено и приводит к наблюдаемым дефектам цилиогенеза (Brody et al., 2000). In vitro культуры клеток воздушных путей, выделенные из мутантных Foxj1 эмбрионов, далее показали, что генерация множественных базальных телец протекает нормально, но они неспособны располагаться на апикальной мембране (Gomperts et al., 2004; You et al., 2004). Т.о., в клетках со множественными ресничками, FOXJ1 важен для прикрепления базальных телец и для всех последующих ступеней, связанных с дифференцировкой ресничек.

Помимо регуляции образования подвижных множественных ресничек, FOXJ1 также необходим для продукции подвижныхмоноцилий - таких ка жгутики спермиев (Chen et al., 1998). Хотя первоначальное собщени отличалось (Brody et al., 2000), но недавно было показано, что функци FOXJ1 необходима также для построения 9+0 подвижных ресничек в узелке (Alten et al., 2012), это объясняет высоко пенетрантную рандомизацию лево-правосторонней, вызываемую у Foxj1 мутантных эмбрионов мышей (Brody et al., 2000; Chen et al., 1998).

Роль FOXJ1 в контроле биогенеза подвижных ресничек, как было установлено, законсервирована у позвоночных (see Table 1), при этом нокдаун FOXJ1 у Xenopus и рыбок данио вызывает потерю всех подвижных ресничек (Stubbs et al., 2008; Yu et al., 2008). Более того, углубленное исследование эволюционной истории foxj1 прояснило, что ортологи foxj1, подобно таковым RFX факторов, присутствуют по всему unikonts, но гены вторично теряются из определенных клонов (Vij et al., 2012). Авт. подтвердили, что этот базирующийся на биоинформатике анализ, демонстрирует функциональную ассоциацию между FOXJ1 и цилиогенезом подвижных ресничек плоского червя Schmidtea mediterranea (Vij et al., 2012). Одновременно работа на Drosophila показала, что forkhead box транскрипционный фактор, FD3F, экспрессируется в наборе проприоцептивных и слуховых нейронов, хордотональных нейронов, которые продуцируют длирнные механосенсорные реснички, которые частично подвижны (9+0, с dynein рычагами) (Cachero et al., 2011; Newton et al., 2012). Хотя FD3F не является прямым ортологом FOXJ1 позвоночных, филогенетический анализ показывает, что он может быть членом семейства FOXJ (Hansen et al., 2007). В соответствии с этой идеей, хордотональные реснички мутантных fd3F мух лишены динеиновых рычагов, необходимых для подвижности ресничек (Newton et al., 2012).

FOXJ1 programs motile cilia by activating a network of motile cilia genes

Вообще-то наиболее удивительным аспектом FOXJ1 является его способность индуцировать, когда он экспрессируется эктопически, дифференцировку функциональныъ подвижных моноцилий во многих отличающихся тканях эмбрионов рыбок данио и Xenopus (Stubbs et al., 2008; Yu et al., 2008). Благодаря этому цилиогенному потенциалу FOXJ1 не был четко установлен у высших позвоночных, имеются указания, что эта способностьзаконсервирована. Напр., трансгенные мыши, экспрессирующие эктопически FOXJ1 под контролем промотора сурфактантного белка C, экспрессируют дополнительно tubulin, напоминая эктопические реснички клеток, выстилающих альвеолы легких (Tichelaar et al., 1999a). Более того, избыточная экспрессия FOXJ1 в линии эмбриональных фибробластов из нервной трубки эмбрионов кур и мышей (NIH3T3) может вызывать образование длинных ресничек (Cruz et al., 2010). Однако избыточная экспрессия FOXJ1 в линии эпителиальных клеток из почек собак (MDCK), или в эпителиальных клетках, лишенных речничек, из воздушных путей человека (BEAS2B), не приводит к продукции подвижных ресничек, а избыточная экспрессия FOXJ1 в эпителиальных клетках трахей мыши (MTECs) не увеличивает процент реснитчатых клеток (You et al., 2004). Эта изменчивость может быть обусловлена различиями в стратегиях эктопической экспрессии (таких как время и уровни экспрессии), в зависимости FOXJ1 от специфических кофакторов или из-за ограничений систем культивирования in vitro или она может быть результатом видо-специфических отличий в способности FOXJ1 индуцировать эктопические подвижные реснички. Несмотря на это, очевидно, что FOXJ1 играет главную регуляторную роль в биогенезе подвижных ресничек.

Как же функция FOXJ1 запускает программу дифференцировки подвижных ресничек? Исследования на мышах, Xenopus, рыбках данио и Drosophila привели к идентификации когорты генов ресничек, регулируемых с помощью FOXJ1. Сюда входят гены, которые в целом необходимы для всех типов ресничек, такие как гены, кодирующие IFT белки, tubulins и tubulin-модифицирующие энзимы, а также гены, которые специфически необходимы для разных структурных и функциональных аспектов подвижных ресничек, таких как те, что кодируют компонеты создания, сборки, транспорта и закрепления внутренних и наружных dynein рычагов, радиальных спиц и центральной пары (Didon et al., 2013; Jacquet et al., 2009; Newton et al., 2012; Stubbs et al., 2008; Yu et al., 2008) (Fig. 4). Эти гены мишени согласуются с главной регуляторной ролью FOXJ1 в программировании дифференцировки подвижных ресничек. Хотя геномная chromatin immunoprecipitation (ChIP) необходима для подсчета количества прямых генов мишеней и для определения собственно сайтов связывания FOXJ1, некоторые исследования начали идентифицировать прямые мишени и предварительные консенсусные последовательности, с которыми связывается FOXJ1. Напр., ранний анализ in vitro с помощью отбора белков на degenerate oligos, PCR и секвенирования, выявил консенсус связывания HWDTGTTTGTTTA (Lim et al., 1997). Это недавно было подтверждено с помощью метода in vitro binding-site, который выявил консенсусную последоватеьность TGTTTA или TGTTGT (Nakagawa et al., 2013). Более того, промоторы двух генов ресничек рыбок данио, ccdc114 (ENSDARG00000015010) и wdr78, были чувствительны к FOXJ1, связывали FOXJ1 белок и содержали предсказанные FOXJ1-связывающие сайты, которые необходимы для их акивности в клетках с подвижными ресничками (Yu et al., 2008).

Hierarchy, cooperation and redundancy between ciliary transcriptional networks

Исходя из фенотипов потери функции у многих модельных организмов, RFX факторы, по-видимому, необходимы, чтобы давать подвижные и неподвижные реснички, тогда как FOXJ1 необходим специфически, чтобы давать подвижные реснички (see Table 1). Поскольку эти транскрипционные факторы функционируют совместно в клетках, продуцирующих подвижные реснички, важно рассмотреть, как их две транскрипционные программы взаимодействуют. Первый аспект такого интерфейса заключается в перекрестной регуляции экспрессии. Данные по эмбрионам рыбок данио и мышей и по культурам клеток воздушных путей человека, показали, что FOXJ1 может индуцировать экспрессию Rfx2 и Rfx3 во время биогенеза подвижных ресничек (Alten et al., 2012; Didon et al., 2013; Yu et al., 2008). Напротив, RFX3, как было установлено, соединяется с промотором Foxj1 и в соответствии с этим наблюдается, что экспрессия Foxj1 в культурах клеток эпендидимы мышей частично зависит от RFX3 (El Zein et al., 2009).

Помимо перекрестной регуляции некоторые дополнительные сценарии кооперации между RFX и FOXJ1 транскрипционными модулями могут быть представлены, исходя из имеющихся доказательств. Напр., RFX белки могут усиливать активацию транскрипцияи с помощью FOXJ1 посредством регуляции нижестоящих генов мишеней для FOXJ1, или с помощью независимого связывания с ДНК тех же самых генов мишеней, чтобы усилить экспрессию. Напр., такая корреляция происходит у Drosophila, у которой имеются два типа нейронов с ресничками: внешние сенсорные нейроны имеют короткую соединительную неподвижную ресничку, тогда как слуховые хордотональные нейроны имеют длинную механочувствительную ресничку, которые могут быть подвижными. В этой системе, RFX необходим, чтобы давать ресничку во всех типах нейронов, тогда как FD3F специфически необходим для собственно цилиогенеза в хордотональных нейронах. Три гене ресничек специфически экспрессируются в хордотональных нейронах, nan (nanchung), iav (inactive) и Dhc93AB (Dynein heavy chain at 93AB), обладающих как сайтами связывания для RFX и FD3F в своих вышестоящих регуляторных последовательностях. Мутации сайтов связывания для любого из транскрипционных факторов вызывают снижение или элиминацию экспрессии генов мишеней в этих хордотональных нейронах. Кроме того, избыточная экспрессия FD3F приводит к эктопической экспрессии генов мишеней, но только в домене, где экспрессируется RFX (Newton et al., 2012), указывая тем самым, что RFX и FD3F могут кооперировать, чтобы соотв. образом регулировать экспрессию генов хордотональных ресничек у Drosophila.

Сходным образом, происходит кооперация между RFX3 и FOXJ1 в клетках воздушных путей человека. В этой системе избыточная экспрессия только FOXJ1 может вызывать экспрессию генов подвижных ресничек. RFX3, однако, не может индуцировать может существенно усиливать FOXJ1-зависимую транскрипцияю, подтверждая, что RFX3 действует как кофактор для FOXJ1 (Didon et al., 2013). Дальнейшим подтверждением идеи, что транскрипционный фактор RFX может действовать как кофактор для FOXJ1, стало то, что два белка могут взаимодействовать др. с др.; мышиные RFX2 и FOXJ1, как было установлено, взаимодействуют в клетках млекопитающих (Ravasi et al., 2010), а человеческие FOXJ1 и RFX3 могут коиммунопреципитироваться при избыточной экспрессии в культивируемых клетках (Didon et al., 2013). Открывается интересная возможность, что FOXJ1 и RFX факторы могут формировать транскрипционный комплекс, в котором FOXJ1 модифицирует активность RFX, чтобы обеспечить специфичность генов для подвижных ресничек.

В согласии с кооперативной моделью, гены мишени для FD3F у Drosophila имеют модифицированный сайт связывания X-box для RFX (Newton et al., 2012). Это далее было подкреплено исследованиями на C. elegans, у которых основные гены ресничек обладают консенсусным RFX-связывающим сайтом, тогда как гены мишени специализированных ресничек обычно имеют более degenerate сайт связывания RFX (Efimenko et al., 2005). Др. линия доказательств, подтверждающих концепцию RFX белков, работающих совместно с кофакторами, исходит из исследований по регуляции генов major histocompatibility complex class II (MHC-II), где член основатель семейства RFX, RFX5, был идентифицирован впервые. Промоторы генов MHC-II содержат до некоторой степени 'degenerate' X boxes (одна половина сайта прекрасно соответствует консенсусу, тогда как др. половина сайта нет), отражая тот факт, что RFX факторы имеют партнеров, наз. RFX-AP (RFX-associated protein) и RFX-ANK (RFX-ankyrin), которые управляют эффективностью экспрессии генов MHC-II (Reith and Mach, 2001). Такой сценарий также может оперировать и в контексте регуляции генов ресничек.

Финальная модель коперации между RFX и FOXJ1 это модель перекрывания, причем оба транскрипционных фактора действуют параллельным образом, чтобы регулировать формирование определенного типа ресничек. Foxj1 и Rfx3, экспрессируются в вентральной пластинке нервной трубки эмбрионов мыши, продуцируя длирные 9+0 реснички, которые преимущественно подвижные. У Foxj1 мутантных мышей эти реснички не затрагиваются, а экспрессия Rfx3 в этой вентральной пластинке не меняется (Cruz et al., 2010), подтверждая, что существует определнная перекрываемость между этими двумя транскрипционными факторами в генерации ресничек вентральной пластинки нервной трубки. Тщательное исследование, включая получение изображений вживую, чтобы оченить подвижность ресничек вентральной пластинки у Rfx3 и Foxj1 одиночных и двойных мутантных мышей, необходимо определить степень перекрываемости между двумя генами в программировании дифференцировки этих ресничек.

Чтобы полностью раскрыть интимные детали общения между RFX и FOXJ1 транскрипционными сетями, было бы важно понять нахождение промоторов генов ресничек в каждом типе ткани, чтобы определить, связаны ли они с FOXJ1 и членами RFXr, или с каждым из транскрипционных факторов в отдельности. Исходя из того, что гены мишени и фенотипы мутантных животных идентифицированы довольно подробно, представляется, что RFX факторы регулируют основные гены ресничек сами по себе и кооперируют FOXJ1, чтобы регулировать гены подвижности в специфических типах клеток. Необходимо также определить, могут ли существовать RFX и FOXJ1 как части одного и того же транскрипционного комплекса, когда соединяются с ДНК, т.к. имеющиеся данные показывают только их прямое взаимодействие вне контекста.

Ciliogenic 'selector' genes are deployed to make specialized cilia

Как клетки принимают решение давать сенсорную ресничку сетчатки со сложными стеками (stacks) мембран в противовес множественным подвижным ресничкам в эпителиив воздушных путей, чтобы перемещать слизь? Подобно действию гомеотических транскрипционных факторов мы предполагаем, что во время развития программы цилиогенеза приводятся в действие и модифицируются с помощью морфогенетических сигнальных путей и специфических для типа клеток транскрипционных факторов, как селекторные кассеты, чтобы последовательно продуцировать соотв. разнообразие ресничек (Fig. 5). Это особенно важно дя подвижных ресничек, которые продуцируют только специфические типы клеток и тканей. Fig. 5.

Signaling pathways regulating ciliary diversity

Многочисленные сигнальные пути приводят в действие RFX/FOXJ1 сеть цилиогенеза, чтобы сгенерировать подвижные реснички (see Fig. 5). Напр., исследования на эмбрионах рыбок данио, кур и мышей было продемонстрировано, что передача сигналов HH от срединной линии индуцирует экспрессию Foxj1 в реснитчатых клетках вентральной пластинки нервной трубки спинного мозга (Cruz et al., 2010; Yu et al., 2008). Однако, у рыбок данио передача сигналов fibroblast growth factor (FGF) индуцирует как foxj1, так и rfx2 в KV (Neugebauer et al., 2009). Более того, во многих тканях рыбок данио передача сигналов WNT, по-видимому, действует ниже пути FGF, чтобы непосредственно контролировать экспрессию foxj1 посредством сайтов связывания TCF/LEF транскрипционных факторов в промоторе foxj1 (Caron et al., 2012). Это взаимоотношение между передачей сигналов WNT и экспрессией Foxj1 законсервировано в Xenopus GRP (Walentek et al., 2012). Помимо путей HH, FGF и WNT, передача сигналов NOTCH также тесно связана с дифференцировкой подвижных ресничек. В KV рыбок данио передача сигналов NOTCH необходима для собственно экспрессии foxj1 и цилиогенеза (Lopes et al., 2010), хотя взаимоотношение между путем NOTCH и FGF и WNT в этом контексте пока неясно. В соответствии с этим роль пути NOTCH недавно была открыта в спецификации корректного соотношения генерирующих ток жидкости подвижных ресничек и ощущающих этот ток неподвижных ресничек в Xenopus GRP (Boskovski et al., 2013). Передача сигналов NOTCH также играет критическую роль в передаче сигналов от предшественников клеток с подвижными множественными ресничками у рыбок данио, Xenopus и мышей, в этом случае происходит репрессия судьбы клеток с множественнми ресничками (Liu et al., 2007; Ma and Jiang, 2007; Stubbs et al., 2012; Tan et al., 2013). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять эффект каждого сигнального пути на экспрессию RFX/FOXJ1, и чтобы понять, как эти сигнальные пути независимо регулируют дополнительные гены, чтобы генерировать разнообразие ресничек у эмбрионов животных.

Cell type-specific transcription factors that regulate ciliary diversity

Специфичные для типа клеток транскрипционные факторы также действуют посредством RFX и FOXJ1, чтобы инициировать образование ресничек, в то же время независимо регулируемые специфические аспекты цилиогенеза, чтобы генерировать разнообразие ресничек (see Fig. 5). Напр., чтобы создать сотни подвижных ресничек в клетках воздушных путей млекопитающих или в эпидермисе Xenopus, в первую очередь необходимо сгенерировать сотни базальных телец из которых будут строиться аксонемы. Эти базальные тельца также возникают de novo из прецентриолей, формируемых на поверхности deuterosomes - глобулярных структур, служащих в качестве организующих центров (Anderson and Brenner, 1971; Sorokin, 1968), это только недавно стало определяться молекулярно (Klos Dehring et al., 2013; Zhao et al., 2013). FOXJ1 не нужен для генерации множественных базальных телец, но действует ниже в закреплении базальных телец на апикальной клеточной мембране и для последующего удлинрения аксонем (Brody et al., 2000; Gomperts et al., 2004; You et al., 2004). Недавно coiled-coil домен-содержащий белок, multicilin (MCIDAS), был найден как необходимый для формирования клеток с множественными ресничками в эпидермисе Xenopus и в воздушных путях мышей (Stubbs et al., 2012). В обоих контекстах, транскрипционный фактор MYB действует ниже MCIDAS, чтобы генерировать клетки с множествнными ресничками. Др. фактор, по-видимому, действует перекрываясь с MYB, однако, поскольку MYB-дефицитные клетки воздушных путей обнаруживают задержку, но тотальную потерю образования множественных ресничек (Tan et al., 2013). MYB, как было установлено, необходим для образования клеток со множественными ресничками в почках рыбок данио (Wang et al., 2013). Исходя из экспериментов с потерей функции и избыточной экспрессией, MCIDAS и MYB, по-видимому, действуют в одном пути, при этом MCIDAS действует ниже передачи сигналов NOTCH, но выше MYB, чтобы активировать гены, управляющие образованием базальных телец [такие как Plk4 (polo-like kinase 4) и Stil (Scl/Tal1 interrupting locus)], с одной стороны, и чтобы переключать на FOXJ1для активации генов, необходимых для закрепления базальных телец, роста и подвижности ресничек, с др. стороны (Stubbs et al., 2012; Tan et al., 2013; Wang et al., 2013). Молекулярные детали этого процесса, такие как непосредственные мишени MCIDAS и MYB у предшественников клеток со множественными ресничками, пока неизвестны. Эта информация особенно очевидна в случае MCIDAS, который лишен очевидного DBD в соей структуре, но способен локализовать ядро и, по-видимому, способен активировать транскрипцияю в случае избыточной экспрессии (Stubbs et al., 2012).

Образование подвижных моноцилийв вентральной части узелка у эмбрионов мыши запрограммировано с помощью гомеобоксного транскрипционногофактора NOTO (notochord homeobox). Мыши, лишенные NOTO обнаруживают укороченные и уродливые реснички узелка и потом лево-правосторонюю асимметрию (Beckers et al., 2007). Чтобы генерировать моноцилии узелка, NOTO приводит в действие FOXJ1, который в свою очередь активирует Rfx3. В элегантном эксперименте, Alten с коллегами замещали кодирующий регион мышиного Noto на Foxj1 (Noto::Foxj1), и установили, что в противоположность мутантам Noto, экспрессия генов ресничек (включая Rfx3) восстанавливается и длина и подвижность ресничек до нормальной (Alten et al., 2012). Однако, эти эмбрионы продолжают сохранять дефекты лево-правосторонней асимметрии из-за поляризованной ориентации ресничек пузырька, это зависит от пути планарной клеточной полярности (PCP) (Hashimoto et al., 2010; Song et al., 2010), остающейся разрушенной у Noto::Foxj1 мышей. Т.о., NOTO, по-видимому, активирует Foxj1 и Rfx3, чтобы генерировать аксонемы подвижных ресничек узелка, тогда как независимо устанавливается правильное заднее позиционирование клеток узелка за счет активации PCP пути (Alten et al., 2012).

У Drosophila, пронейральный транскрипционный фактор Atonal (ATO) управляет дифференцировкой хордотональных нейронов. Как часть этой программы, ATO активирует экспрессию как fd3F, так и Rfx, чтобы генерироватьin подвижные механосенсорные реснички, которые исходят от этих нейронов (Cachero et al., 2011). Интересно, что ATO, как было установлено, также непосредственно активирует экспрессию компонента ресничек, Dilatory/CEP131, демонстрируя, что ATO может вносить вклад в цилиогенез независимо от кассеты RFX/FD3F (Cachero et al., 2011; Ma and Jarman, 2011). В самом деле, эта функция ATO может представлять собой фундаментальный механизм генерации механосенсорных ресничек, поскольку у рыбок данио ортолог ATO (ATOH1B) активирует паралог foxj1 в волосковых клетках внутреннего уха, приводя к образованию неподвижного киноцилия (Yu et al., 2011).

Target genes of core ciliary transcription factors can generate ciliary diversity

У C. elegans и Drosophila, транскрипционные программы, функционирующие, чтобы вызывать разнообразие типов неподвижных ресничек, начинают расшифровываться. Эти исследования показали, что RFX факторы, в дополнение к регулирующим блокам для всех ресничек, могут также играть роль в селекции разных подтипов первичных ресничек посредством одного из многих механизмов. Напр., RFX C. elegans, DAF-19, способен прямо активировать гены, кодирующие специфические факторы, необходимые только определенным специализированным подтипам сенсорных ресничек. Примеры этих специфических мишеней ресничек включают dyf-2/ift144 и ядерный гормонаьный рецептор nhr-44, экспрессирующийся только в субнаборе нейронов с ресничками у червей (Burghoorn et al., 2012). Чтобы осуществить эту специфичную для типа клеток индукцию экспрессии, DAF-19, по-видимому, действует совместно с транскрипционными кофакторами, пока ещё не обнаруженными. Подтверждениме этому является присутствие дополнительного мотива ДНК в тесной близи к X-box, наз. C-box enhancer, в цис-регуляторных регионах субнабор из DAF-19 управляет мишенями, широко экспрессирующимися во всех нейронах с ресничками (Burghoorn et al., 2012; Efimenko et al., 2005).

У мух дифференциальные уровни экспрессии гена Rfx иллюстрируют др. механизм программирования специализации ресничек. Низкие уровни RFX гарантируют экспрессию основных генов ресничек во всех сенсорных нейронах, так как многие из этих генов кодируют IFT компоненты. Напротив, высокие уровни RFX могут управлять экспрессией генов, необходимых для специализации ресничек, таких как CG6129/Rootletin, необходимых для продукции специализированных подвижных ресничек (Cachero et al., 2011; Newton et al., 2012).

Третий, базирующийся на RFX, механизм генерации разнообразия ресничек, наблюдается у C. elegans, где разные изоформы DAF-19 регулируют экспрессию разных генов ресничек в разных типах клеток, вообще-то посредством механизма, не зависящего от X-box. Каноническая изоформа DAF-19C регулирует основные гены ресничек, включая многие из IFT компонентов. Альтернативная изоформа, DAF-19M, индуцируемая с помощью транскрипционного фактора EGL-46, чтобы активировать экспрессию генов механосенсорных рецепторов lov-1 и pkd-2, и kinesin-like protein klp-6 в специфичных для самцов нейронах HOB с ресничками (Wang et al., 2010; Yu et al., 2003).

DAF-19 может также экспрессировать экспрессию специфичных для определенных типов клеток регуляторные факторы, такие как forkhead фактор FKH-2, который в свою очередь активирует гены, необходимые для привдения в действие различных морфологических аттрибутов ресничек. В AWB чувствительных к запахам нейронах C. elegans, FKH-2 активирует kinesin II субъединицу kap-1, которая вносит вклад в паттерн специфического ветвления ресничек на этих нейронах (Mukhopadhyay et al., 2007).

Наконец, разнообразие ресничек может также генерироваться за счет специфичных для типов клеток транскрипционных факторов, действующих параллельно или независимо от транскрипционных модулей ресничек. Напр., регулятор транскрипции млекопитающих HNF1β, как было установлено, регулирует экспрессию генов, кодирующих механорецепторы PKHD1 и PKD2 в почках, это позволяет почечным ресничкам ощущать ток мочи (Gresh et al., 2004). Др транскрипционный фактор, SOX5, прямо регулирует экспрессию гена, кодирующего компонент аксонемной центральной пары, SPAG6, в бронхиолярных клетках с ресничками у человека. В этих примерах, SOX5 и FOXJ1, по-видимому, действуют независимо, чтобы активировать экспрессию этого гена ресничек (Kiselak et al., 2010), демонстрируя др. транскрипционный путь генерации клетками разнообразия ресничек.

Conclusions

Ciliated cells have the fundamental problem of precisely coordinating the expression of a complex suite of genes in order to produce functional cilia. Even though the importance of transcriptional regulation in ciliary differentiation was first appreciated through studies of flagellar regeneration in Chlamydomonas (Stolc et al., 2005), it is in the metazoans where we find that a set of dedicated transcriptional regulators have been specially delegated for this purpose. Drawing on the cumulative data discussed above, we propose that the expression of genes to create a basic, immotile ciliary template is directed by the RFX transcription factor family. Layering of FOXJ1 control onto this basic program allows a cell to differentiate motile cilia. It will be apparent from this Review that significant gaps remain in our understanding of many aspects of these two major ciliary transcriptional modules. We speculate that much of the future attention will be centered on how the 'bells and whistles' unique to the different cilia subtypes are derived from the combinatorial action of the RFX factors and FOXJ1. In addition, there is a need to better understand how these two transcriptional programs are modified by signaling pathways and cell type-specific transcription factors in order to activate specific target genes and generate different kinds of cilia. The findings from these transcriptional studies will have to be integrated with other established mechanisms for generating ciliary diversity, such as variations in IFT (reviewed by Silverman and Leroux, 2009), translational control [e.g. by microRNAs (Marcet et al., 2011; Wang et al., 2013)], membrane trafficking (Olivier-Mason et al., 2013) and post-translational modifications of ciliary components, such as acetylation and glutamylation of tubulin (reviewed by Konno et al., 2012). Importantly, all of this information will have a profound impact on our understanding of how defects in the proper differentiation and function of cilia can cause such a wide and rapidly expanding spectrum of diseases in humans.

Switching on cilia: transcriptional networks regulating ciliogenesis Semil P. Choksi, Gilbert Lauter, Peter Swoboda and Sudipto Roy Development. 2014 Apr;141(7):1427-41. doi: 10.1242/dev.074666.

Switching on cilia: transcriptional networks regulating ciliogenesis
Semil P. Choksi, Gilbert Lauter, Peter Swoboda and Sudipto Roy
Development. 2014 Apr;141(7):1427-41. doi: 10.1242/dev.074666.