Посещений:
СИГНАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ РЕСНИЧЕК



Высвобождение эктосом

Ciliary ectosomes: transmissions from the cell's antenna
Christopher R. Wood, Joel L. Rosenbaum
Trends in Cell Biol. Volume 25, Issue 5, p276–285, May 2015 http://dx.doi.org/10.1016/j.tcb.2014.12.008

Ресничка характеризуется высоко консервативной, базирующейся на микротрубочках стержневой архитектуре, заключенной в специализированном выпячивании клеточной мембраны. Реснички грубо классифицируются как подвижные или неподвижные (первичные реснички); последние проявляются у большинства типов клеток тела позвоночных.
Важность ресничек подчеркивается огромным всё увеличивающимся списком цилиопатий [5, 6, 7]. Несмотря на её небольшой размер по сравнению с телом клетки, из которой она возникает, ресничка действует как обязательное место действия для разных рецепторов мембраны и модулей сигнальной трансдукции для основных клеточных процессов, регулирующих рост, развитие и гомеостаз [8]. Цилиопатии представляют собой разные наборы клинических признаков, включая кистоз почек, болезни печени и поджелудочной железы; слепоту, потерю обоняния, дефекты познавательной активности, рандомизацию лево-правосторонней оси тела, полидактилии и ожирение [6, 7]. Здесь мы рассмотрим новую область биологии ресничек, активный выброс настоящих биоактивных пузырьков из мембраны реснички - цилиарных эктосом.
Высвобождение покрытых мембраной пузырьков с наружной поверхности клетки в окружающую среду является феноменом, наблюдаемым у самых разных организмов от прокариот, до многоклеточных эукариот. Внеклеточные пузырьки впервые были описаны Chargaff and West в 1946 как способный к преципитации фактор плазмы крови [9]. С тех пор выявлено их участие в широком круге биологических процессов [10-14]. Внеклеточные пузырьки, как было установлено, несут широкий набор биологических эффекторных молекул, включая сигнальные белки, энзимы, ДНК, мРНК и микроРНК и поскольку они могут переносить такие грузы на поверхность др. клеток, они могут служить в качестве устройств для межклеточных коммуникаций [15]. Современные исследования сконцентрированы в основном на двух разных способах высвобождения пузырьков. Испускание предварительно сформированных пузырьков благодаря слиянию эндосомных мультивезикулярных тел с клеточной мембраной дает внеклеточные пузырьки, называемые экзосомами [16]. Пузырьки могут также отпочковываться наружу из клеточной мембраны с помощью активного процесса и давать внеклеточные пузырьки, называемые эктосомами [17] (Figure 1).

Figure 1. The release of extracellular vesicles. Exosomes are released when multivesicular bodies fuse with the cell membrane. Ectosomes are released by outward budding directly from the cell membrane or cilium membrane (illustration by Christopher R. Wood).

Original observations of vesicle release from algal flagella


Способность ресничек высвобождать части своей мембраны во внеклеточное пространство хорошо известна. Открытие внутрижгутикового транспорта и работы, приведшие к пониманию роли ресничек в поликистозной болезни почек [1, 18], исследования на модельном организме, Chlamydomonas, предоставили четкие доказательства высвобождения мембранных пузырьков ресничками [19, 20, 21]. Chlamydomonas reinhardtii, двужгутиковая одноклеточная водоросль, использующая свои жгутики для перемещения и полового слияния. Гаметогенез у C. reinhardtii сопровождается демонстрацией пол-специфических адгезивных молекул, агглютининов, на поверхности наружной мембраны жгутиков. Во время спаривания жгутики гамет противоположного типа спаривания соединяются один с другим посредством связывания агглютининов и это взаимодействие запускает сигнальный путь, который осуществляет слияние клеток [22-25]. Ранние исследования природы спаривания Chlamydomonas показали, что адгезивный материал, ответственный за агглютинацию жгутиков, обозначенный затем как 'gamone', высвобождается в среду гаметами в форме способной к седиментации с помощью высокоскоростного центрифугирования [19-21, 25, 26]. Анализ этого материала с помощью ЭМ показал, что он состоит из покрытых мембранами пузырьков , которые обладают активностью, достаточной для стимулирования реакции спаривания, если он возвращается обратно в гаметы одного типа спаривания Chlamydomonas [19, 25,27]. Эти мембранные пузырьки, как полагают, происходят из мембран жгутиков. Во-первых, тело клетки C. reinhardtii полностью заключено в клеточную стенку за исключением двух цилиндрических полостей, через которые проецируются жгутики. Следовательно, единственной мембранной поверхностью непосредственно взаимодействующей с внешней средой являются эти жгутики. Во-вторых, не обнаружено мембранных пузырьков у мутантов C. reinhardtii, лишенных жгутиков [19]. Следовательно, только мембрана ресничек может быть источником внеклеточных мембранных пузырьков.

Extracellular vesicles and the algal mother cell wall


Ремоделирование extracellular matrix (ECM) является важным процессом, в котором внеклеточные пузырьки могут участвовать. Деградация и ослабление ECM является ключевым аспектом опухолевой инвазии, напр., опухолевые клетки обнаруживают активное высвобождение пузырьков, несущих различные протеиназы, обладающие способностью деградировать ECM - такие как матричные металлопротеиназы [28, 29, 30], cathepsin B [31], urokinase-type plasminogen activator [29] и adamalysins ADAM10 и ADAM17 [32, 33]. Деградация ECM является критической ступенью в жизненном цикле некоторых одноклеточных организмов и это может служить в качестве потенциальной модельной системы этих процессов у высших организмов. C. reinhardtii продуцирует два разных протеолитических энзима, которые действуют на специфических стадиях жизненного цикла, чтобы деградировать клеточную стенку, тип ECM, уникальный для volvocine водоросли [34- 38]. Gamete lytic enzyme (GLE) это содержащая цинк матричная металлопротеиназа, обеспечивающая переваривание клеточной стенки гамет Chlamydomonas, чтобы сделать возможным слияние их плазматических мембран во время спаривания [39-41]. Vegetative lytic enzyme (VLE) является subtilase-подобной сериновой протеазой, обеспечивающей переваривание стенок спорангиевых клеток, необходима для высвобождения дочерних клеток Chlamydomonas (обозначаемое как 'вылупление') после митоза [34, 38, 42].
Недавние исследования роли жгутиков дочерних клеток в пост-митотическом вылуплении жизненного цикла Chlamydomonas выявили др. важную ступень в распозновании реснички как источника внеклеточных пузырьков [38]. Жизненный цикл C. reinhardtii характеризуется как постепенное увеличение размера клетки во время продолжительной G1 фазы, сопровождаемое 2-4 раундами S/M фаз без участия G2 периода. В результате спорангиевый шар из 4-16 дочерних клеток пойманных в ловушку исходной стенки материнской клетки [38, 43, 44]. Дочерние клетки затем высвобождаются из спорангия путем переваривания стенки материнской клетки с помощью секретируемой VLE протеазы [34, 35, 38]. Недавнее исследование показало, что клетки Chlamydomonas совершают это с помощью упаковки VLE протеазы с её активным сайтом, расположенным на наружной поверхности эктосом, которые отпочковываются непосредственно от мембраны жгутиков дочерних клеток [38] (Figure 2, Figure 3). Эти цилиарные эктосомы затем диффундируют по всему внутреннему пространству спорангия, транспортируя протеазу из дочерних клеток на стенку материнской клетки, где они осуществляют свою функцию деградации. Локализованная VLE протеаза на цилиарных эктосомах , высвобождается во время вылупления [38]. Каталитический регион VLE протеазы присутствует на поверхности их наружной мембраны. Анализ белкового содержимого изолированных цилиарных эктосом выявил присутствие VLE и др. известных белков жгутиковой мембраны, таких как flagellar membrane glycoprotein (FMG-1) и PKD2 [38].
Неспособность дочерних клеток высвобождаться из материнской клетки после митозов является распространенным фенотипом разных известных мутантов сборки жгутиков Chlamydomonas [45, 46]. Дикого типа цилиарные эктосомы оказались способны вызывать высоко эффективное вылупление попавших в ловушку не имеющих жгутиков IFT мутантов [38]. Этот результат подтверждает, что затруднения с вылуплением из спорангия у дефектных по жгутикам мутантов, скорее всего, обусловлены необходимостью в жгутиках, как продуцентов эктосомных органелл.

Figure 2. Observations of extracellular vesicles and cilia. (A) Transmission electron microscopy (TEM) of an ultrathin section through a mature Chlamydomonas sporangium shows ectosomes in the extracellular space surrounding flagella. The location of the mother cell wall is indicated by a dotted line, and an arrow indicates ectosomes caught in the process of budding directly from the flagellar membrane [38]. (B) A tomographic cross-section through a Caenorhabditis elegans cephalic sensillum showing numerous ectosomes populating the extracellular space around a CEM (cephalic sensilla, male) neuronal cilium (arrow). The boundary of the sensillar lumen is indicated by a dotted line [51]. (C,D) TEMs of ultrathin sections through mouse biliary primary cilia show extracellular vesicles (arrows) closely apposed to the ciliary membranes. [67](E) TEM of an ultrathin section through the primary cilium of a mouse neuroepithelial cell shows prominin-1-specific gold particles decorating what appear to be regions of the ciliary membrane in the process of forming ectosomes (arrows) ([69], courtesy of Michaela Wilsch-Brauninger). A cartoon at the lower left illustrates a region of a Chlamydomonas sporangium similar to the one sectioned in panel A. Two flagellated daughter cells are shown releasing ciliary ectosomes into the extracellular space within the lumen of the mother cell wall. The red line indicates the orientation of the section depicted in panel (A). A cartoon at the lower right illustrates a region of a CEM similar to the one sectioned in panel (B). Glial sheath and socket cells form a lumen surrounding the CEP (cephalic sensilla) neuron and CEM neuron cilium. Ectosomes are found in the luminal space and may travel along the cilium to the cuticle opening where they are released into the worm's external environment. The red line indicates the orientation of the section depicted in panel (B).

Figure 3. Comparison between a viral bud and a ciliary ectosomal bud. (A) TEM of an ultrathin section through an HIV-1 particle arrested in the process of budding from the plasma membrane of a human cell in culture [112]. (B) TEM of an ultrathin section through a ciliary ectosome caught in the process of budding from the membrane of a Chlamydomonas flagellum [38]. White arrows indicate the appearance of similar electron-dense structures within the two bud necks.


Др. модельная система изучения биологии ресничек это круглый червь, Caenorhabditis elegans [47]. Как свободно живущее (непаразитирующее) существо Caenorhabditis снабжено навигацией, при этом набор хемотактического и защитного поведения обеспечивается компактной сенсорной нервной системой, которая тщательно картирована с разрешением в одну клетку [48]. Фундаментальным для нервной системы C. elegans является разнообразный набор неподвижных, сенсорных ресничек на дендритных окончаниях нейронов, расположенных в голове и хвосте тела червя [49]. Гермафродитные самки оснащены 60 сенсорными нейронами с ресничками, а облигатные самцы обладают дополнительно ~50 [48, 50]. Простейшие сенсорные органы, наз. сенсиллами, образуются путем группировки глия-подобной оболочечной (sheath) и цокольной клеток, которые энкапсулируют дендриты цилиарных нейронов; во многих случаях расположенные как хемосенсорные единицы с ресничками, обращенными во внешнюю среду. Разнообразные гены участвуют в формировании, поддержании и функционировании морфологически разнообразных наборов сенсорных ресничек Caenorhabditis имеют человеческие ортологи, которые будучи мутантными вызывают цилиопатические болезни [50].
Взаимоотношения между высвобождением внеклеточных пузырьков и ресничками выявлены и у C. elegans. Caenorhabditis ортологи polycystin, PKD2 и LOV-1 (location of vulva), экспрессируются исключительно в субнаборе сенсорных нейронов и располагаются в ресничках и во внеклеточных пузырьках вблизи ресничек, которые выпячиваются во внеклеточную среду через кутикулярные поры [51]. Электронно-томографический анализ выявил многочисленные внеклеточные пузырьки в просвете между сенсорными ресничками и глиальной покровной клеткой, цокольной клеткой и кутикулой, которые их окружают (Figure 2). В одном случае пузырьки наблюдали в процессе их отпочкования от или слияния с мембраной реснички [51]. Способность продуцировать эти, несущие polycystin внеклеточные пузырьки, теряется у мутантов с дефектами сборки ресничек, это указывает на то, что интактные реснички необходимы для их высвобождения [51]. Продукция внеклеточных пузырьков остается незатронутой у мутантов трех разных компонентов биогенеза мультвезикулярных тел - STAM-1 (signal transducing adaptor molecule), MVB-12 (multivesicular body) и ALX-1 (apoptosis-linked gene 2 interacting protein X). Это согласуется с отсутствием мультвезикулярных тел в дистальных частях дендритов, как показывает электронная томография, подтверждая эктосомное происхождение несущих polycystin внеклеточных эндосомных пузырьков скорее, чем экзосомных [51].
После наблюдения, что Caenorhabditis реснитчатые сенсорные нейроны могут высвобождать пузырьки во внешнюю среду, было предположено, что внеклеточные пузырьки могут функционировать в коммуникациях между животными. Изолировали polycystin-содержащие внеклеточные пузырьки для изучения поведения червей. Две разные поведенческие реакции, отворачивание и закручивание хвоста стимулировались у самцов червя после воздействия изолированных- внеклеточных пузырьков. Оба поведения имеют отношение к процессу спаривания Caenorhabditis, с помощью которого самцы червя реагируют на контакт с гермафродитами путем изменения направления движения в обратную сторону, чтобы сканировать поверхность тела гермафродита с помощью своего хвоста. Когда самец достигает головы своего партнера или хвоста во время этого процесса, он выполняет маневр закручивания хвоста и продолжает сканирование в обратном направлении до тех пор, пока его хвост не окажется в контакте с вульвой, где завершается спаривание путем инсерции копуляторных спикул в матку гермафродита [52, 53]. Поведение закручивания хвоста индуцируется экспозицией внеклеточных пузырьков, это зависит от содержимого их груза, это демонстрируется тем фактом, что внеклеточные пузырьки, изолированные от дикого типа, вызывают поведение tail-chasing, тогда как внеклеточные пузырьки, изолированные от kinesin-3 мутантов, которые лишены PKD2, не вызывают этого [51]. Эти находки подтверждают, что внеклеточные пузырьки, высвобождаемые во внешнюю среду сенсорными нейронами с ресничками, обладают способностью модулировать поведение спаривания и играют роль в коммуникациях между животными.

Extracellular vesicles and the ciliated renal epithelium of mammals


Внеклеточные мембранные пузырьки населяют разнообразные жидкости тела и привлекают внимание своим потенциалом в качестве носителей диагностических индикаторов, имеющих отношение к развитию и болезням [15, 54, 55]. Мембранные пузырьки присутствуют в моче млекопитающих, напр., они стали предметом анализа в качестве источника биомаркеров для разных нарушений почек [56, 57]. Наиболее распространенная наследственная болезнь почек, autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD), имеет два генетических локуса, PKD1 и PKD2, кодирующих белки polycystin-1 (PC1) и polycystin-2 (PC2), соотв. [58, 59]. Autosomal recessive polycystic kidney disease (ARPKD), наиболее распространенная форма наследственной PKD среди детей, вызывается мутациями PKHD1, гене, кодирующем белок fibrocystin [60, 61]. Все три эти белка располагаются в ресничках, проецирующихся в просвет почечных канальцев - где они, как полагают, участвуют в восприятии тока жидкости [62, 63, 64, 65, 66]. ЭМ ткани почек от пациентов с тяжелой ARPKD выявила обилие небольших мембранных пузырьков, ассоциированных с поверхностью ресничек собирающих канальцев [67]. Сходные наблюдения были сделаны в желчном древе Pkhd1 мутантных мышей, где реснички были окружены, кажущимися прикрепленными мембранными пузырьками в концентрации 30 на micrometer длины реснички [67] (Figure 2). Эти мочевые пузырьки, названные exosome-like пузырьками или ELVs, были субфракционированы, тем самым была выделена субпопуляция (PKD-ELVs) богатых PC1, PC2, fibrocystin, и др. известными белками ресничек. Эта поразительная ассоциация внеклеточных пузырьков с ресничками, наблюдаемая in vivo была воспроизведена in vitro, где после добавления PKD-ELVs быстро взаимодействовали преимущественно с первичными ресничками культивируемых почек и желчных эпителиальных клеток [67].
Эти исследования выявили поразительную способность ресничек вести себя как явные получатели внеклеточных пузырьков в почечной и печеночной системах, но откуда происходят эти пузырьки? Высвобождают ли сами реснички некоторые из этих пузырьков? Авт. использовали терминологию 'exosome-like' частично из-за размера и вида пузырьков при исследовании в ЭМ, но протеомный анализ изолированных PKD-ELVs выявил также белки, общие экзосомам из др. источников [56, 67, 68]. Протеом PKD-ELV был описан как обогащенный белками, участвующими в биогенезе внутрипросветных пузырьков или ILVs, которые формировались в мультвезикулярных телах и высвобождались как экзосомы после слияния мультивезикулярных тел с клеточной мембраной. Кроме того, PC1 обнаруживался на крысиных мультивезикулярных телах холангиоцитов при иммуноэлекронной микроскопии, подтверждая экзосомный путь возникновения PC1-несущих PKD-ELVs [67]. Принимая во внимание потенциал реснитчатого происхождения внеклеточных пузырьков, необходимо отметить, что процесс отпочкования мембранами экзосом и эктосом, скорее всего, обладает многими общими механистическими компонентами. Белки аппарата ESCRT (endosomal sorting complexes required for transport), как известно, участвующие в формировании ILVs, присутствуют в протеоме PKD-ELV и как полагают авт. являются показателями происхождения на пути мультивезикулярных тел. Аппарат ESCRT, однако, участвует также в образовании эктосом [67], и его присутствие в ресничках сегодня исследуется в контексте высвобождения эктосом ресничками ([67]; J.L.R., unpublished). Необходимо отметить, что PKD-ELVs неут очень низкие уровни маркера экзосом CD63, но богаты на prominin-1, белок, который, как было установлено, располагается в ресничках и популяции внеклеточных пузырьков, как полагают, происходящих из ресничек [69]. Единственным возможным объяснением смеси характерных белков ресничек и экзосомных маркеров, характеризующих профиль ELV мочи, является то, что фракция мембранных пузырьков, подвергшихся протеомному анализу, представляет материал, происходящий как из экзосом, так и эктосом ресничек.

Extracellular vesicles and the ciliated neuroepithelium of mammals


В просвете нервной трубки наблюдаются внеклеточные пузырьки, несущие белки плазматической мембраны нейроэпителиальных клеток [70]. Один из таких белков, prominin-1, сначала был охарактеризован как определяющая составляющая микродомена апикальной мембраны, обнаруживаемого в выпячиваниях плазмалеммы [71, 72,73]. Prominin-1 несущие внеклеточные пузырьки, лишены экзосомных маркеров и поэтому выглядят как отличающиеся от экзосом, происходящих из мультивезикулярных тел [70]. Кроме того, prominin-1 несущие внеклеточные пузырьки лишены актина, но обнаруживают значительное обогащение α-tubulin [69]. Эти наблюдения вместе с тем фактом, что клетки нейроэпителия несут первичные реснички на своей апикальной поверхности [74, 75], заставило исследователей проверить (both protrusive and tubulin-rich) реснички в качестве потенциального места происхождения внеклеточных пузырьков. Мечение иммунозолотом и transmission electron microscopy (TEM) анализ нейроэпителия в переднем мозге мышей выявил четкую локализацию на мембране реснички prominin-1, который, по-видимому, регулирует во времени эмбриональное развитие [69]. Во время ранних стадий нейрогенеза prominin-1-специфические золотые частицы обнаруживались вдоль мембраны реснички. Иногда мечение обнаруживалось преимущественно в регионах мембраны, которые, по-видимому, участвуют в процессе отпочкования от реснички (Figure 2). Prominin-1-специфические золотые частицы наблюдались также на поверхности мембран внеклеточных пузырьков в непосредственной близи к ресничкам [69]. Эти данные согласуются с происхождением из ресничек, по крайней мере, некоторых prominin-1 несущих внеклеточных пузырьков.
Почему нейроэпителиальные клетки используют реснички для высвобождения мембранных пузырьков и какова роль этого процесса? Во-первых, имеется мнение, что prominin-1 содержащие внеклеточные пузырьки могут функционировать в межклеточной передаче сигналов. Внеклеточные пузырьки, несущие prominin-1, по-видимому, появляются в жидкости желудочков на стадии развития, соответствующей периоду, во время которого апикальные микроворсинки наиболее многочисленны в донной пластинке нервной трубки [70]. Принимая во внимание роль покрытой микроворсинками донной пластинки в качестве главного сигнального центра [76, 77, 78], авт. важным исследование межклеточной передачи сигналов. Затем они обратили внимание на тот факт, что начало нейрогенеза сопровождается переходом от симметрического пролиферативного деления нейроэпителиальных клеток к асимметричному нейрогенеративному способу [79, 80, 81]. Этот переход в ориентации делений нейроэпителиальных клеток и последующая дифференцировка в клетки радиальной глии и базовые предшественники, генерирующие нейроны, сопровождаются снижением или полной потерей апикальной плазматической мембраны [82, 83]. Эти находки подтверждают гипотезу, что высвобождение пузырьков д. играть роль в истощении характерных для стволовых клеток характеристик домена апикальной мембраны из нейроэпителиальных клеток. Поскольку механизм удаления домена, высвобождения пузырьков может модифицировать композицию клеточной мембраны и таким способом влиять на переключение нейрогенеза во время развития [69].

When the cilium contacts another cell directly


Принимая во внимание его наиболее базовый уровень, феномен высвобождения ресничками эктосом позволяет части мембраны реснички осуществлять непрямые функциональные контакты с поверхностью наружной мембраны тела др. клетки, находящейся на некотором расстоянии (Figure 4). Открытие этого феномена может пролить свет на тот факт, что в диапазоне микронов, ресничка сама по себе обладает потенциалом достигать и осуществлять непосредственный контакт с соседней клеткой. До какой степени ресничка может осуществлять подобный контакт? Могут ли эти контакты действовать, чтобы обеспечивать обмен биологическим материалом или информацией между клетками?
Figure 4. Modes of ciliary membrane interaction. (A) Ciliary ectosomes may fuse with the plasma membrane of a recipient cell. (B) Ciliary ectosomes may be endocytosed by a recipient cell. (C) A cilium may interact with a recipient cell by direct membrane contact. (D) Extracellular vesicles may fuse with the ciliary membrane of a recipient cell. (E) Extracellular vesicles may adhere to the ciliary membrane of a recipient cell and be moved along the length of the cilium by sub-membrane motor activity. (F) A cilium may interact with another cilium by direct membrane contact.


Лучше всего изучено появление ресничек, осуществляющих контакты с поверхностью соседней клетки в сетчатке, где высоко дифференцированные реснички фоторецепторных клеток участвуют в интимном взаимодействии с клетками лежащего поверх ретинального пигментного эпителия (RPE) (Figure 5). Клетки палочек и колбочек позвоночных обладают характерной формой, характеризующейся клеточным телом (внутренним сегментом), из которого проецируется аксонем реснички (соединительная ресничка) чья мембрана обширный набор диско-образных устройств (наружный сегмент). Мембранозные диски наружного сегмента дают приют опсинам, хромофорам и др. компонентам, представляющим собой аппарат восприятия света, фоторецепции. Поскольку процесс фототрансдукции использует накопление потенциально токсичных фото-оксидативных продуктов, то наружный сегмент подвергается ежедневно процессу обновления, ~10% их из нескольких сотен мембранозных дисков на дистальном кончике замещаются новыми дисками, которые постоянно образуются в основании [84, 85]. В детально описанном процессе группы мембранозных дисков отделяются от плотно упакованного набора и помещаются во внеклеточные пузырьки, образуемые из мембраны реснички на кончике наружного сегмента. Наиболее дистальные регионы наружных сегментов проникают в интимно противостоящие клетки RPE, которые немедленно поглощают упакованные в мембраны диски [84, 86, 87, 88] (Figure 5). Подсчитано, что одна RPE клетка фагоцитирует сотни из тысяч дисков наружных сегментов в течение 6жизни человека; выраженный перенос материала между компартментом реснички одной клетки и внутренностью др. клетки [84, 85]. Синхронизированное сотрудничество между клетками RPE и фоторецепторными клетками в ежедневном обновлении наружных сегментов является критическим для поддержания здоровья сетчатки, а нарушения этого процесса ведут к ретинопатиям [85, 89, 90, 91].
Figure 5. Direct interactions between cilia and neighboring cell surfaces. (A–C) TEMs of ultrathin sections through three different rod outer-segment tips illustrate the sequential events in the interaction with adjacent retinal pigment epithelium (RPE) cells in Rhesus monkey. A grouping of outer-segment disks initially undergoes separation within the outer segment (A); followed by engulfment via RPE cell cytoplasmic extensions (B) and movement deeper into the cytoplasm of the RPE cell (C) [84]. (D) TEM of an ultrathin section through a fibroblast from the testes of rat shows the cell membrane of a receiving cell (emphasized by a dotted outline) forming what appears to be a coated pit in response to an intruding primary cilium extending from an adjacent ciliated cell. (E) A higher-magnification view of the ciliary tip region seen in (D) and indicated in red [125].


Этот пример биологического процесса, осуществляемого посредством контакта ресничка-клетка хорошо охарактеризован как важный путь от избавления от наружных дисков. Тесный контакт между ресничками фоторецепторов и клетками RPE облегчает также разные межклеточные обмены материалом, являющегося центральным биохимическим событием процесса самой фототрансдукции. Поглощение света, которое осуществляется наружным сегментом реснички фоторецептора осуществляется с помощью опсина, сцепленного с G белком рецептора, нуждающегося в связывании хромофора, 11-цис-ретиналя, чтобы абсорбировать фотоны. После абсорбции фотона, 11-цис-ретиналь подвергается изомеризации в all-trans-ретиналь, и это вызывает конформационные изменения в ассоциированной с ним половинке опсина, что в свою очередь стимулирует активацию каскада фототрансдукции [92]. Восстановление инициальной конформации фоточувствительного рецептора нуждается в образовании и возвращении 11-цис-ретиналя из all-trans-ретиналя посредством процесса, известного как ретиноидный цикл. Удивительным свойством ретиноидного цикла является то, что процессинг и повторная изомеризация 11-цис-ретиналя действительно имеет место, но не в наружном сегменте фоторецепторов, а в соседней клетке RPE. Т.е. all-trans-ретиналь, продуцируемый во время реакции восприятия света, транспортируется через мембрану реснички наружного сегмента фоторецептора и затем импортируется посредством плазматической мембраны соседней RPE клетки, где происходит финальное превращение в 11-цис-ретиналь. 11-цис-ретиналь затем транспортируется обратно из RPE клетки в фоторецептор, где он может повторно быть связан с опсином для функционирования в наружном сегменте [93-101]. Т.о., цикл секреции и потребления между компартментом реснички и соседней клеткой лежит в основе зрительной системы позвоночных, а нарушение этого ключевого процесса может приводить к ряду болезней сетчатки [102-106].
Доказательства способности ресничек осуществлять контакты путем высвобождения эктосом согласуются с взаимодействиями ресничек фоторецепторов с клетками RPE, гарантируя коротко действующие направленные межклеточные контакты. При ЭМ исследовании простейшего паразита Leishmania было выявлено, что, по-видимому, имеет место интимное и постоянное взаимодействие между кончиком реснички паразита и аспектом мембраны его хозяев позвоночных [107]. Примеры в тканях позвоночных, где плазматическая мембрана одной клетки, по-видимому, воспринимает кончик реснички соседней клетки наблюдали с помощью ЭМ. Рис. 5 представляет пример, когда плазматическая мембрана фибробласта из семенников крыс, по-видимому, образует покрытую ямку в ответ на проникновение кончика реснички, указывая на функциональное взаимодействие определенного сорта (Figure 5D,E). Др. исследование описывает длительный прямой контакт между неподвижными ресничками соседних клеток млекопитающих в глазу и печени и в культивируемых клетках почек [108]. Хотя функциональное значение таких контактов между ресничками неизвестно, упомянутый выше процесс спаривания Chlamydomonas демонстрирует, что сигнальная трансдукция, инициируемая слипанием ресничек, является механизмом, используемым в природе.

Concluding remarks


Future efforts in the investigation of ciliary ectosomes should involve (i) identification of the machinery that mediates outward budding of the ciliary membrane, and (ii) elucidation of the functional significance of vesicles derived from cilia in tissues of higher organisms. A good candidate mechanism for ciliary ectosome formation is membrane remodeling by ESCRT complexes [109, 110,111]. A wide variety of enveloped viruses recruit the ESCRT machinery to escape cells by outward budding from the plasma membrane [110, 112] (Figure 3). The membrane topology characteristic of ciliary ectosome release resembles that of viral budding, but differs from that of other cellular vesiculation processes such as endocytosis, where budding occurs in the direction of the cytoplasm and is catalyzed by dynamin complexes positioned on the outside of the bud neck [113]. The 'reverse topology' of ectosomal budding, by contrast, requires the assembly of membrane fission machinery within the bud neck, and the ESCRT pathway represents the only well-characterized example of such a mechanism. Studies in worms have documented the involvement of ESCRT complexes in the formation of non-viral ectosomes [114], and proteomic analyses of Chlamydomonas reveal the presence of ESCRT proteins in purified flagellar membranes and flagellum-derived ectosomes [115]. Future experiments in which ciliary ectosome release is monitored in the context of ESCRT disruption via mutation or knockdown is predicted to reveal a role for ESCRT proteins in the formation of ciliary ectosomes, and possibly in other ciliary membrane remodeling events such as ciliary resorption and severing [116].
The functional significance of ciliary ectosome release is likely to be manifold. Well known is the fact that the cilium, despite its relatively small surface area compared with that of the cell proper, is the site of function for a variety of receptors and signal transduction modules crucial for basic cellular processes involved in growth, development, and homeostasis [8, 117]. Via pathways that researchers are only now beginning to understand, the cilium is employed as a sensory platform where specific proteins are localized by targeted transport and selective gating [118-123]. This capacity of the cilium to serve as a specialized region of the cell, where specific proteins can be readily concentrated for sensory function, also makes it an ideal organelle to employ for the regulated release of specific biological material and information. Studies in model systems have thus far provided important precedents for the role of ciliary ectosomes in mediating the release of enzymes and signals that carry out extracellular functions [38, 51]. Alternatively, ciliary ectosome release employed as a means of disposal could serve as a key remodeling mechanism for both the lipid and protein content of the ciliary compartment as well as that of the cell generally. From the standpoint of homeostasis, the release of ciliary ectosomes could prove to be a mechanism integral to the stability of the ciliary membrane - whose formation and dynamic maintenance must be coordinated with that of the axoneme, and balanced with regard to membrane and protein flux at the ciliary base [119, 121, 123, 124].
Our perspective on cilia has progressed from a view centered on motility to one in which cilia, both motile and immotile, are recognized as highly functional instruments of sensory reception. With the phenomenon of ciliary ectosome release in view, we have arrived at a fully mature concept of the cilium as the cell's antenna, capable of both sending and receiving extracellular signals.