Чтобы создать цилиарный ток, реснички — волоско-подобные структуры, которые выталкивают слизь из воздушных путей — д.быть поляризованы вдоль планарной оси эпителия, но как устанавливается полярность в реснитчатом эпителии, неизвестно. Mitchell et al. выявили новый двухступенчатый механизм, которые гарантирует, что все реснички в данной ткани будут биться в унисон. Каждая зрелая реснитчатая клетка имеет до 200 ресничек, которые д. скоординировано осуществять свои движения, чтобы ориентировать свои эффективные толчки в одном и том же направлении, как и соседние реснички той же самой клетки и соседних клеток. Движения ресничек управляются массивом микротрубочек, которые закреплены внутри клетки с помощью базальных тел. Базальная ступня ( foot), структура базального тела в основании каждой реснички, располагается вдоль полярной оси в направлении эффективного гребка.

Авт. используя ЭМ определили полярность ресничек путем оценки ориентации базальной части ступни в коже личинок Xenopus laevis , которые покрыты клетками со многими ресничками. Анализ эксплантов показал, что во время раннего эмбрионального развития, когда начинают дифференцироваться ресничатые клетки, но еще не создают заметного тока жидкости, все реснички располагаются небрежно относительно заднего конца личинки лягушки. В течение некольких часов реснички определяют свою полярность и конвергируют точно относительно общей оси. Напротив, анализ эксплантов кожи перед установлением передне-задней оси показал, что реснитчатые клетки неспособны принять решение об общем направлении. Итак, ориентация ресничек предопределеяется с помощью установления полярной оси во время раннего эмбриогенеза. Далее Mitchell et al. подвергали ресничатые клетки действию наружного тока, используя проточную камеру. Ток жидкости заставлял реснички выстраиваться в линию и согласовывать движения с общим направлением.

Mitchell et al. затем исследовали взаимоотношения между полярностью ресничек и функцией ресничек. Полярная диезориентация ресничек наблюдалась при primary ciliary dyskinesia (PCD), болезни, которая характеризуется нарушенным цилиарным током и приводит к хроническим респираторным инфекциям, отитам, бесплодию самцов и гидроцефалии. Мутации DNAI1, которые затрагивают подвижность ресничек объясняют ~10% всех случаев PCD у людей, тогда как потеря функции SPAG6 и TEKT2A/B, двух важных компонентов ресничек, вызывает PCD-подобные болезни у мышей. Нокдаун экспрессии каждого из этих трех белков у личинок X. laevis нарушает подвижность ресничек и воспроизводит PCD людей. Итак, полярность ресничек интимно связана с функцией ресничек.

Borovina, A. et al. Vangl2 directs the posterior tilting and asymmetric localization of motile primary cilia. Nature Cell Biol. 12, 407–412 (2010) Article Guirao, B. et al. Coupling between hydrodynamic forces and planar cell polarity orients mammalian motile cilia. Nature Cell Biol. 12, 341–350 (2010) Article

Planar cell polarity (PCP), скоординированная поляризация клеток в плоскости ткани, необходима для многих клеточных процессов у позвоночных, включая конвергентное удлинение (convergent extension) во время гаструляции, ориентированные клеточные деления и и установление полярности в эпителиальных тканях. Подвижные реснички покрывают некоторые органы, а их дисфункция может приводить к тяжелым болезням. Было предположено, что PCP регулирует образование ресничек, но точная её роль в цилиогенезе неясна. Два исследования показали, что PCP не влияет на цилиогенез per se, а вместо этого контролирует позиционирование ресничек и ориентацию их биений.

Borovina et al. проанализировали фенотип эмбрионов рыбок дано, лишенных vang-like 2 (Vangl2) - стержневого и специфического компонента пути сигнальной передачи PCP. Kupffer's пузырек рыбок данио покрыт ресничками и заполнен жидкостью, этот орган инициирует лево-правостороннее развитие, создавая направленный ток жидкости, который запускает асимметричную экспрессию генов. Эмбрионы, лишенные Vangl2, обнаруживают дефекты формирования лево-правостороннего паттерна, подтверждая дефекты тока в Kupffer's пузырьке. В самом деле, путем отслеживания перемещений флюоресцентных кусочков, инъецированных в просвет Kupffer's пузырька, авт. установили, что ток в Kupffer's пузырьке беспорядочный; однако реснички Kupffer's пузырька выглядят нормально. Отслеживание движений меченных green fluorescent protein ресничек у живых эмбрионов, лишенных Vangl2, показало, что реснички были ориентированы не униформно и были неспособны сгибаться в заднем направлении, что важно для установления направленного тока жидкости. Более того, расположение ресничек на апикальной мембране нейроэпителиальных клеток было нарушено у Vangl2-дефицитных эмбрионов - реснички были расположены центрально скорее, чем сзади. Эти находки указывают на то, что PCP играет центральную роль в позиционировании и сгибании подвижных ресничек в разных типах клеток.

Guirao et al. исследовали ориентацию биений ресничек в эпендимных клетках во время развития головного мозга мыши. Эпендимные клетки являются многореснитчатыми эпителиальными клетками, которые выстилают желудочки, заполненные спинно-мозговой жидкостью (CSF) в головном мозге и центральном канале спинного мозга. Реснички растут из базальных тел, закрепленных на апикальной мембране этих клеток; они первоначально занимают случайные позиции, но постепенно переориентируются и оказываются выровненными в направлении тока CSF. Путем визуализации биений ресничек в культивируемых клетках, которые дифференцируются в эпендимные клетки, авт. установили. что одиночные клетки могут постепенно выравнивать свои реснички и что кластеры клеток спонтанно координируют биение своих ресничек, чтобы гнать жидкость в одном направлении. Важно, что путем приложения контролируемого shear тока поверх клеточной культуры, они обнаружили гидродинамические силы, воздействующие на реснички во время созревания клеток, управляют их реориентацией в направлении тока. Культуры клеток, экспрессирующие нефункциональную форму VANGL2, обнаруживают нормальный цилиогенез, но они не способны выравнивать реснички в ответ на ток CSF, демонстрируя тем самым важность VANGL2 в расположении ресничек, обусловленном гидродинамическими силами. Это было подтверждено in vivo, т.к. избыточная экспрессия нефункционального VANGL2 в желудочках головного мозга нарушала локализацию эндогенного VANGL2 и ориентацию биений ресничек.

Итак, было показано, что PCP контролирует позиционирование и биение ресничек и что взаимосвязь между гидродинамическими силами и PCP ориентирует реснички в униформном направлении.