Реснички - базирующиеся на микротрубочках органеллы, проецирующиеся почти с каждой клетки позвоночных (Gerdes et al., 2009). первичная расничка исходит из материнской центриоли центросомы во время интерфазы клеточного цикла. Она содержит 9 периферических и не имеет центрального дублета из микротрубочек (9+0) и участвует в передаче межклеточных сигналов и восприятии механических сигналов (mechanosensing) (Gerdes et al., 2009). Многие клетки модифицируют свою ресничку, давая широкое разнообразие типов ресничек. Клетки эмбрионального узелка формируют 9+0 подвижную ресничку, которая вызывает ток жидкостиЮ чтобы детерминировать лево-правостороннюю асимметрию (Nonaka et al., 1998), тогда как волосковые клетки внутреннего уха формируют неподвижные реснички с двумя централными микротрубочками (9+2) , трансдуцирующие звук (Nayak et al., 2007), а спермии имеют 9+2 подвижную ресничку, которая приводит их в движение по репродуктивному тракту (Fisch and Dupuis Williams, 2011). Это разнообразие типов ресничек отражается на широком круге болезней человека, вызываемых дефектами ресничек (Davis and Katsanis, 2012).

Одним из наиболее удивительных специализаций ресничек является образование множественных ресничек (multicilia), из котоых клетка генерирует сотни 9+2 подвижных ресничек, бьющихся скоординировано и вызывающих ток жидкости по ткани. Клетки с множественными ресничками (MCCs), которые выстилают воздушные пути, являются частью важного механизма защиты, которые перемещает вдыхаемые патогены и обломки из лёгких (Knowles and Boucher, 2002). MCCs обнаруживаются также в др. тканях, включая эпендиму головного мозга, которые способствуют току спинномозговой (Del Bigio, 2010), фалопиевы трубы, где они толкают яйцеклетку наружу (Hagiwara et al., 2004), и кожу у эмбрионов Xenopus laevis (Deblandre et al., 1999).

Каждая подвижная ресничка закреплена (nucleated) на специализированной центриоли, наз. базальным тельцем (Sorokin, 1968; Hagiwara et al., 2004). Центриоли вместе с околоцентриолярным материалом образуют центросому, которая организует интерфазный скелет из микротрубочек и миотическое веретено. Удвоение центриоли является тонко контролируемым процессом, скоординированным с синтезом ДНК в S фазе клеточного цикла (Hinchcliffe and Sluder, 2001; Tsou and Stearns, 2006). Посторонние центриоли могут приводить к геномной нестабильности и аберрантной передаче клеточных сигналов (Mahjoub and Stearns, 2012). MCCs каким-то образом избегают этого, генерируя сотни центриолей и базальных телец на клеткуl (Sorokin, 1968), которые располагаются на апикальной клеточной поверхности и инициируют аксонемы ресничек (Fig. 1A).

Хотя транскрипционная программа, контролирующая образование первичной реснички начинает выясняться (Chu et al., 2010; Piasecki et al., 2010; Thomas et al., 2010), значительно меньше известно о транскрипционных программах, контролирующих генез множественных ресничек и др.специализаций ресничек. Лучше всего изучен в речничках транскрипционный фактор forkhead box J1 (FOXJ1), который экспрессируется и необходим во всех клетках с подвижными ресничками (Brody et al., 2000; Gomperts et al., 2004; Pan et al., 2007; Yu et al., 2008). Недавно идентифицирован путь, контролирующий развитие MCC в эпителии воздушных путей мышей и эпидермисе X. laevis. Подавление передачи сигналов Notch в клетках предшественниках MCC (Tsao et al., 2009; Morimoto et al., 2010) приводит к индукции multicilin (Mcin; Mcidas - Mouse Genome Informatics), который функционирует выше амплификации центриолей и индукции Foxj1 (Stubbs et al., 2012). Хотя экспрессия MCIN необходима и достаточна для образования MCC (Stubbs et al., 2012), неизвестно, как этот новый ядерный белок контролирует амплификацию центриолей и более поздние ступени программы продукции множественных ресничек.

Здесь мы идентифицировали продукт прото-онкогена myeloblastosis Myb (c-Myb) в качестве критического раннего транскрипционного фактора в программе генеза множественных ресничек. MYB принадлежит семейству транскрипционных факторов, участвующих в регуляции клеточного цикла и пролиферации клеток предшественников (Ramsay and Gonda, 2008; Lipsick, 2010). Mybl2 (b-Myb) экспрессируется повсеместно и необходим для перехода G1/S (Bessa et al., 2001), тогда как Mybl1 (a-Myb) (Toscani et al., 1997) и Myb обнаруживают ограниченную экспрессию. Myb необходим для самообновления гематопоэтических стволовых клеток (Lieu and Reddy, 2009) и способствует пролиферации стволовых клеток и клеток предшественников в толстом кишечнике (Malaterre et al., 2007) и головном мозге (Malaterre et al., 2008;Ramsay and Gonda, 2008). Аномальная регуляция Myb участвует в возникновении рака крови, кишечника, легких и многих др. тканей (Ramsay and Gonda, 2008).

В противопложность его роли клеках пролиферативных предшественников, мы установили, что Myb экспрессируется в развивающихся MCCs легких мышей сразу после того, как они выходят из клеточного цикла и инициируют мультицилиогенез. Условная инактивация Myb задерживает или блокирует инициацию амплификации центриолей и экспрессию FOXJ1, и воздушные пути оказываются неполностью обеспечены ресничками. Мы предоставили доказательства, что MYB действует как транскрипционный фактор в консервативной программе мультицилиогенеза, стоящей ниже передачи сигналов Notch и MCIN и выше FOXJ1, и мы предложили модель, которая примиряет его постмитотическую функцию в этой программе с его хорошо известной ролью в клетках пролиферирующих предшественников.

DISCUSSION

Мы показали, что Myb является критическим ранним транскрипционным фактором в программе генеза множественных ресничек в развитии легких. Myb экспрессируется, когда презумптивные MCCs выходят из клеточного цикла и амплифицируют свои центриоли и выключается когда центриоли оказываются локализованными и MCCs созревают. Делеция Myb в эпителии развивающихся воздушных путей блокирует или задерживает умножение центриолей и экспрессию FOXJ1 и легкие оказываются неспособными сформировать реснички полностью. Избыточная экспрессия MYB в культуре клеток достаточна, чтобы запустить экспрессию FOXJ1, хотя она сама по себе неспособна индуцировать амплификацию центриолей (supplementary material Fig. S7). Исследование первичных культур показало, что MYB действует ниже передачи сигналов Notch и MCIN, coiled-coil белок, контролирующий мультицилиогенез в коже X. laevis и в MTECs (Stubbs et al., 2012), и стоит выше FOXJ1, контролирующего локализацию центриолей и подвижность ресничек. Это помещает MYB в центральную позицию в программе мультицилиогенеза (Fig. 8). Мы полагаем, что MCIN способствует выходу из клеточного цикла и индукции Myb, а MYB затем способствует амплификации центриолей и индукции Foxj1, который в свою очередь активирует стыковку (docking) центриолей и сборку подвижных ресничек. Fig. 8.

MYB функционирует сходным образом двух др. исследованных типов клеток с множественными ресничками. Как и в лёгких, MYB экспрессируется рано и временно во время мультицилиогенеза в клетках эпендимы головного мозга, после того как предшественнкики выходят из клеточного цикла, а делеция Myb в этих клетках, по-видимому, нарушает процесс мультицилиогенеза (Malaterre et al., 2008). Во время образования мноежственных ресничек в эпидермальых клетках X. laevis мы обнаружили, что MYB действует ниже MCIN и может управлять программой полного мультицилиогенеза при эктопической экспрессии. Дефект цилиогенеза обнаружен также в эпителиальных клетках со множественными ресничками в почках рыбок после нарушения Myb (Wang et al., 2013). Т.о., центральная роль MYB в программе мультицилиогенеза, по-видимому, законсервирована в разных тканях и видах.

Хотя MYB выполняет ключевую консервативную роль в программе мультицилиогенеза, д. существовать, по крайней мере, ещё один фактор в программе, который мог бы компенсировать, хотя бы частично, потерю Myb, поскольку мы наблюдали частичное восстановление мультицилиогенеза в определенных типах клеток после делеции Myb. Спустя несколько дней после делеции Myb в лёгких , могут быть обнаружены ранние ступени программы в проксимальной части воздушных путей. Спустя несколько недель эти регионы выглядят как имеющие нормальные количества ресничек, тогда как MCCs в дистальной части воздушных путей почти полностью лишены ресничек. Делеция Myb в клетках эпендимы приводит к гидроцефалии, указывая тем самым, что программа мультицилиогенеза в этих клетках постоянно нарушена (Malaterre et al., 2008). Одной из возможностей является то, что MCIN вносит вклад в эту компенсаторную активность, поскольку он может индуцировать экспрессию Foxj1 при очевидном отсутствии MYB, по крайней мере, в экспериментах с котрансфекцией (Fig. 4D, Fig. 8). Очень важно идентифицировать дополнительные фактор(ы) и установить, как MCIN, который лишен домена связывания с ДНК (Stubbs et al., 2012), может индуцировать экспрессию Myb и Foxj1 и идентифицировать непосредственные мишени для MYB, помимо Foxj1, в программе мультицилиогенеза.

Существует очевидный парадокс в предполагаемой роли MYB в обеспечении дифференцировки MCCs и его классической функции в гематопоэтических и др. стволовых клетках и клетках предшественниках, где MYB способствует S фазе и ходу клеточного цикла; в самом деле, потеря Myb обычно ведет к дифференцировке и истощению клеток предшественников (Malaterre et al., 2007; Malaterre et al., 2008;Lieu and Reddy, 2009). Эти контрастные роли MYB могут быть примирены, если его роль в мультицилиогенезе является действительно вариантом его роли в клеточном цикле. Во врем обычной S фазы, и хромосомы, и центриоли удваиваются; эти процессы обычно начинаются в начале S фазы (Hinchcliffe and Sluder, 2001). Клетки в G0 не генерируют новых хромосом или центросом. Мы полагаем, что во время мультицилиогенеза генерируются новые хромосомы или центросомы. Мы предполагаем, что во время мультицилиогенеза MYB способствует возникновению состояния, подобного S фазе, которое мы обозначаем как S*, во время которого происходит умножение центриолей, но не появление eponymous отличительных признаков S фазы - синтеза ДНК. Интересно, что мышиный гомолог MCIN , наз. IDAS (Stubbs et al., 2012) и др. родственный с coiled-coil доменом белок, наз. Geminin, оба участвуют в регуляции S фазы (Pefani et al., 2011). В нашей модели синтез ДНК д. специфически репрессироваться в S*. Интригующим кандидатом на роль выполнения этой функции является cyclin A1, который является ограниченным тканью гомологом повсеместного S-фазного циклина, cyclin A2, который экспрессируется на необычно высоких уровнях в MCCs (Hoh et al., 2012). Cyclin A2 предупреждает репликационные комплексы от соединения с источниками репликации, которые уже запущены (Coverley et al., 2002). Вообще-то cyclin A1 действует сходным образом, инактивируя репликационные комплексы в MCCs.

В последние 15 лет достигнут значительный прогресс в понимании транскрипционной программы, управляющей формированием канонических первичных ресничек. RFX3, транскрипционный фактор, который, по-видимому, действует во всех ресничках, управляя экспрессией критических компонентов внутрижгутикового транспорта и контролируя экспрессию белков, обнаруживаемых в базальном тельце и переходной зоне (Chu et al., 2010; Piasecki et al., 2010; Thomas et al., 2010). Мы полагаем, что клетки приводят в действие специфические транскрипционные модули, которые модифицируют эту базовую цилиогенную программу, чтобы сформировать разные типы ресничек (supplementary material Fig. S10). Такие модули управляют количеством ресничек и др. структурными атрибутами, обнаруживаемыми среди множественных типов клеток и тканей. Напр., подвижность ресничек управляется с помощью FOXJ1, экспрессирующегося и необходимого во всех клетках с подвижными ресничками (Brody et al., 2000; Yu et al., 2008). Наша работа идентифицировала MYB в качестве ключевого регулятора умножения центриолей и мультицилиогенеза во многих тканях и у разных видов. Мы полагаем, что имеется, по крайней мере, ещё один, пока не идентифицированный транскрипционный фактор, который детерминирует структуру аксонемы 9+2 вместо стандартной 9+0. Эти транскрипционные модули могут быть связаны; напр., действие Myb и модуля multiplicity также индуцируют Foxj1 и подвижность ресничек и аксонемную структуру 9+2 (supplementary material Fig. S10). Эволюция, по-видимому, 'mixed and matched' эти модули разнообразия ресничек в разных клетках (supplementary material Fig. S10) и затем далее модифицировала некоторые программы образования ресничек для тканеспецифических и типоспецифических целей, таких как сенсорная ресничка в Drosophila нейронах (Newton et al., 2012) чувствительные к свету реснички фоторецепторов (Gerdes et al., 2009). Выяснение полных транскрипционных программ, которые контролируют количества и разнообразие ресничек, смогут помочь понять и лечить множество различающихся цилиопатий.