Т.к. для формирования ресничек необходима сложная программа синтеза и сборки макромолекул, поэтому она д. тщательно регулироваться. В делящихся клетках ресничка разбирается перед клеточным делением и центриоли наследуются дочерними клетками, в которых они действуют как матрицы для следующей генерации ресничек. Цилиогенез также регулируется в ответ на слияние клеток, ток жидкости^{114, 115} и распластывание клеток¹¹⁶.

Цикл рождения, роста и гибели реснички плохо изучен механистически. Однако динамические структуры, такие как реснички, имеют три потенциальные контрольные точки, в которые их сборка и разборка могут регулироваться: синтез предшественников; транспорт и сборка предшественников в растущую структуру; и динамическое поддержание этой структуры. Клетки используют все три контрольные точки, чтобы регулировать присутствие или отсутствие реснички.

Controlling the timing of ciliogenesis. Реснички обычно образуются во время G1 или G0 и разбираются приблизительно во время митоза (Fig. 4). Этот цикл не происходит в клетках со многими ресничками, которые дифференцируются окончательно и не подвергаются делениям. Причины циклов сборки и разборки реснички остаются неясными, хотя существует возможное объяснение, что разборка гарантирует собственно образование митотического веретена. Т.к. центриоли, которые специфицируют расположение полюсов веретена, прикреплены к основанию реснички, то изменение положения центриолей в глубину клетки обычно требует удаления реснички. Удаление ресничек перед делением может быть достигнуто с помощью двух механизмов, которые могут действовать одновременно. Один механизм связан с отщеплением реснички от центриоли, процесс, который использует katanin-обеспечиваемую разрезку дублетов микротрубочек в месте соединения между базальным тельцем и переходной зоной¹¹⁷. Альтернативно, реснички могут быть резорбированы путем разборки с кончика реснички. Этот активный механизм разборки регулируется с помощью собственного пути сигнальной трансдукции^{26, 118, 119}. Два белка, которые недавно были обнаружены, регулируют разборку ресничек, это с базальным тельцем ассоциированный белок Pitchfork¹²⁰ и каркасный белок human enhancer of filamentation 1 (HEF1)¹²¹, они обеспечивают резорбцию ресничек путем взаимодействия с Aurora A киназой. Aurora A, в свою очередь, может осуществлять некоторые из своих эффектов на разборку ресничек за счет позитивной регуляции tubulin деацетилазы histone deacetylase 6 (HDAC6)^{121, 122}; снижение ацетилирования тубулина снижает стабильность микротрубочек. Время возобновления роста ресничек также тонко регулируется стадией клеточного цикла и возрастом центриолей, более старые центриоли формируют реснички быстрее, чем более молодые¹²³.

Регулируемый синтез белков, специфичных для ресничек является др. ключевым регулятором цилиогенеза¹²⁴, молекулярные основы которого понятны не до конца. Несколько сотен генов активируются, когда клетка формирует реснички¹²⁵. Эта регуляция, по-видимому, использует транскрипционный фактор regulatory factor X (RFX) аномального образования dauer formation 19 (DAF-19) у C. elegans⁷⁶ и forkhead box J1 (FOXJ1) в клетках позвоночных с подвижными ресничками¹²⁶.

IFT control of ciliogenesis. После того как синтезируются цилиарные предшественники, такие как тубулин, они д. транспортироваться в ресничку из цитоплазмы и двигаться к месту сборки на кончик реснички с помощью IFT системы. Сложность аппарата IFT представляет многочисленные потенциальные точки для контроля образования ресничек; в самом деле, различные IFT параметры. такие как размер IFT состава и скорость, периодичность поступления составов и отбор грузов, скорее всего регулируются с помощью ещё неохарактеризованных механизмов.

Растущие реснички нуждаются в значительных количествах аксонемных предшественников на их кончиках, чтобы реснички оставались в устойчивом состоянии⁹¹, это указывает на необходимость регуляции транспорта. Во время регенерации жгутиков у C. reinhardtii, размер IFT поездов снижается по мере увеличения длины жгутика (Fig. 5a), тогда как частота IFT остается независимой от длины жгутика¹²⁷. Т.о., кончики растущих жгутиков получают множество строительных материалов, доставляемых с помощью больших IFT составов с большей способностью переноса грузов. Однако пока неизвестно, как регулируется размер IFT составов. Т.к. большинство IFT белков и аксонемных белков накапливается в основании ресничек^{53, 90}, то возможно. что сборка антероградных IFT поездов и избирательная загрузка происходит в переходной зоне, которая морфологически отличная область аксонемы, которая соединяет жгутик с базальным тельцем.

Регуляция IFT составов также, скорее всего, происходит в кончиках ресничек, где составы поворачивают и переключаются с Kinesin-2-управляемого на цитоплазматический dynein 2-управляемый локомотив. У C. reinhardtii, IFT172 участвует в обеспечении перехода на кончике с антероградного на ретроградный IFT^{128, 129}. Предложена модель поворота IFT, согласно которой удаление Kinesin-2 от поезда в кончике жгутика базируется на ингибировании цитоплазматического dynein 2, делающего возможным ретроградный транспорт¹²⁷. Однако эта модель нуждается в дополнительных исследованиях и подтверждена только в наблюдениях на C. reinhardtii, что KAP-GFP доказывает очень немногие события ретроградного транспорта и что Kinesin-2 может покидать жгутики в мутантных клетках, лишенных ретроградных IFT составов, при электронной томографии³¹ , это может быть использовано для тестирования моделей регуляции IFT на кончиках ресничек.

Среди IFT белков, IFT27 (Ref. 55), по-видимому, является вероятной мишенью IFT регуляции, поскольку является малой GTPase из семейства RAB, др. члены которого выполняют ключевые регуляторные роли в различных клеточных процессах доставки компонентов мембран. Понимание того, как состояние нуклеотидов в IFT27 регулирует IFT, и как вышестоящие факторы модулируют гидролиз IFT27 нуклеотидов, является очень важным для оценки регуляции цилиогенеза на уровне транспорта.

Molecular pathways controlling ciliary length. Те же самые три контрольные точки, которые могут быть переключены вкл. и выкл., чтобы сформировать или удалить реснички (синтез предшественников, IFT и оборот на кончике реснички) могут быть также модулированы менее крайним образом, чтобы контролировать постоянную длину ресничек.

Длина ресничек безусловно является предметом биологической регуляции, т.к. разные типы клеток обладают ресничками разной средней длины. Для подвижных ресничек, вполне возможно, что генерация формы волны ресничкой, также как и гидродинамические взаимодействия реснички с окружающей жидкостью, могут быть строгой функцией длины реснички. Следовательно, клетки данного типа будут иметь оптимальную длину ресничек, чтобы генерировать желательный тип биений ресничек и ток жидкости. Для каждой данной частоты биений скорость тока жидкости, генерируемого ресничками, может быть предсказана снижением функции от длины реснички, так что реснички, которые слишком длинные будут неспособны генерировать эффективный ток¹³². Для сенсорных ресничек менее очевидно, как длина ресничек может влиять на их функцию, но это может быть обусловлено нашим в настоящее время невежеством относительно телеологических причин использования ресничек для сенсорных функций. Некоторые болезни, связанные с ресничками, и модели болезней, по-видимому, вызывают отклонения в длине ресничек; это предоставляет информацию о молекулярных путях, которые могут контролировать длину ресничек. Напр., нокаут по tuberous sclerosis 1 (Tsc1)- или Tsc2 у мышей и нокдаун tsc1a у рыбок данио ведет к развитию почечных кист, при этом реснички длиннее, чем в клетках дикого типа^{133, 134, 135}. Retinitis pigementosa 1 (RP1), как было установлено, также влияет на длину ресничек по сравнению с контролем¹³⁶, как и белки, связанные с Meckel-Gruber синдромом Meckel syndrome 1 (MKS1) и MKS3 (также известен как meckelin и TMEM67) и nephronophthisis-related protein nephrocystin 4 (Refs 137, 138). До тех пор, пока механизмы определяющие длину ресничек не будут установлены, будет трудно вычленить прямое влияние отклонений в длине из др. эффектов этих мутаций, вызывающих болезнь.

Генетический скрининг C. reinhardtii выявил ряд мутаций, которые изменяют длину жгутиков и ресничек. которые были сгруппированы в 'short flagella' (shf) и 'long flagella' (lf) группы мутантов (Ref. 139). Некоторые гены, мутации которых приводят к длинным жгутикам, были клонированы, два из них кодируют киназы. Один из них член семейства cyclin-dependent kinase (CDK) наз. LF2 , а др. член семейства mitogen-activated protein (MAP) назван LF4 (Refs 140, 141), но их мишени неизвестны. Многие элементы этого генетического пути контроля длины, по-видимому, законсервированы у млекопитающих, включая ортолог LF4 млекопитающих, названный male germ cell-associated kinase (MAK), ортолог LF2 позвоночных, названный cell cycle-related kinase (CCRK) , и её партнер по связыванию, broad-minded^{136, 142}. Несмотря на долгие годы исследований по генетическому анализу и постоянно увеличивающийся список генов, эти исследования не выявили действительного механизма, с помощью которого регулируется длина ресничек. Биохимические и исследования ингибиторов выявили участие и др. киназ, особенно glycogen synthase kinase 3? (GSK3?), и кальцием опосредованных сигнальных путей в контроле длины^{115, 119, 143, 144}, но их функциональные мишени не6ясны и снова такие исследования не выясняли непосредственно механизма контроля длины (Fig. 5b), и в настоящее время нет доказательств, что активность любой из этих молекул связана с длиной ресничек.

Theoretical models for ciliary length control. Отсутствие механистической информации об индивидуальных функциях генов побудило к созданию теоретических моделей контроля длины в терминах клеточных процессов скорее, чем специфических молекул^{21, 91, 145-147}. Современные модели контроля длины базируются на наблюдениях, что сборка ресничек на кончиках происходит не только когда ресничка растет, но и продолжается после того, как ресничка достигнет финальной длины^{21, 22, 23, 148}. Эта устойчивая сборка сбалансирована благодаря непрерывному удалению субъединиц с кончика реснички. Непрерывная сборка и разборка реснички на её кончике ведет к её постоянному обновлению в устойчивом состоянии. Устойчивость сборки требует. чтобы IFT предоставлял новые аксонемные субъединицы^{21, 96}, и если IFT будет выключен по всей длине реснички, то ресничка немедленно начнет резорбироваться³⁰. Резорбция, которая происходит, когда IFT останавливается, происходит с постоянной скоростью в течение всего процесса резорбции. Это указывает на то, что скорость разборки на кончике не зависит от длины реснички²¹.

Поскольку сборка и разборка происходят постоянно в стационарном состоянии, то длина ресничек может поддерживаться только, если две скорости равны др. др. Т.к. разборка не зависит от длины безотносительно существующего механизма в ресничке, то чтобы регулировать длину д. действовать модулирование процесса сборки. Сборка, по-видимому, по крайней мере частично, предопределяется IFT, исходя из наблюдений, что частичное снижение скорости IFT дает реснички укороченной длины²¹. Следовательно, если длина есть результат баланса сборки и разборки, а разборка не зависит от длины, а сборка диктуется транспортом, то проблема контроля длины сводится к проблеме того, как IFT регулируется как функция длины реснички для того, чтобы достичь специфического стационарного равновесия длины. Одна из простых моделей контроля длины базируется на находке, что общее количество IFT белка в ресничке не зависит от длины реснички²¹. Это подразумевает, что количество IFT частиц в ресничке не зависит от её длины, хотя мы установили, что эти частицы, сгруппированные в небольшие или большие IFT поезда, коррелируют с длиной реснички¹²⁷. Ясно, что время, затрачиваемое одиночной IFT частицей, чтобы переместиться со своим грузом из тела клетки в кончик, освободиться от своего груза и затем отправиться обратно в тело клетки, чтобы получить ещё груз, пропорционально длине - то более отдаленная частица будет путешествовать дольше. Следовательно, частота, с которой данная частица сможет доставить груз в кончик снижается по мере увеличения длины реснички. Если количество частиц постоянно, то нетто-коэффициент доставки груза с помощью IFT будет уменьшаться по мере увеличению длины реснички. Частота прибытия IFT поезда в кончик остается постоянной, то IFT частицы д. быть перераспределены в более короткие составы с пониженной способностью перевозить грузы. Исходя из того, что транспорт становится ограниченным скоростью по мере роста жгутика, мы приходим к заключению, что в состоянии устойчивости скорость сборки д. снижаться как функция длины. Должно существовать только единственное значение для длины, при которой зависимая от длины скорость сборки и независимой от длины разборки будут в точности сбалансированы, приводя к уникальному решению стабильности для стационарного состояния (Fig. 5a). Эта точка баланса ('balance-point') предопределяется скоростью транспорта, а также скоростью обновления (turnover). Некоторые специфические предсказания этой модели, напр., зависимость длины от количества жгутиков на клетку, подтверждены в экспериментальных тестах⁹¹.

Эта модель вступает в конфликт с сообщениями, что клетки, содержащие fla10-1 мутацию в моторной субъединице Kinesin-2 могут при определенных условиях иметь жгутики нормальной длины, несмотря на снижение уровней Kinesin-2 в жгутиках¹⁴⁹. Однако это инициальное сообщение базировалось на количествах FLA10, которые были связаны с изолированными аксонемами, тогда как мы сегодня считаем, что кинезиновый мотор не является аксонемным компонентом, а скорее частью растворимой мембранной и матричной фракции ('membrane and matrix fraction')¹⁵⁰. Дальнейший анализ fla10-1 мутантов при пермиссивной температуре показал, что, фактически, имеется мало или отсутствует уменьшение уровней IFT белков в жгутиках этих мутантов по сравнению с таковыми дикого типа^{30, 36, 52}. Более того, наблюдения за живыми клетками показали, что ни скорость, ни частота IFT поездов достоверно не нарушены у fla10-1 мутантов при пермиссивной температуре⁶⁸. Наконец. было показано, что частичное снижение функции FLA10, получаемое с усилением условных fla10 аллелей при промежуточных температурах между пермиссивной и полностью непереносимой температурой, дают жгутики промежуточной длины⁹¹, тем самым подтверждая роль IFT в регуляции длины жгутиков.

Эта модель точки баланса, базирующаяся на IFT и turnover приводит к открытому критическому вопросу, какова система поддержания постоянного количества IFT белков на ресничку. Мы предположили, что многие из генов, идентифицированные при скрининге мутантов, влияющих на длину, может использоваться в регуляции величины IFT. Один такой изменяющий рост мутант, lf3, идентифицированный при генетическом скрининге C. reinhardtii, как было предположено, влияет на уровни IFT белка в жгутике¹⁵¹, исходя из детекции увеличенных уровней IFT белков относительно уровней всех белков в жгутике мутантов lf3. Однако этот специфический аллель гена LF3 заставляет клетки формировать аномально короткий жгутик, это означает, что если одинаковый общий уровень белков жгутика загружается на гель, то колодцы (wells), загружаемыеlf3 будут содержать белки от значительно большего количества жгутиков, чем контрольные wells. Т.к. содержание IFT белка на жгутик не зависит от длины, то wells, загруженные выборкой от C. reinhardtii с более короткими жгутиками, будут содержать больше IFT белка, благодаря более высокому числу жгутиков, которые были загружены. Такие результаты не могут служить доказательством того, что LF3 ген действует, контролируя IFT. Помимо удержания количественно постоянным IFT, скорость IFT, по-видимому, не меняется драматически с длиной жгутика, как это достигается, даже когда состояние загрузки груза может существенно меняться во время роста ресничек, остается неясным. В некоторых системах взаимодействие между разными Kinesin-2 моторами может может участвовать в регуляции скорости³⁸.

Рассматривая механизмы контроля длины, мы также д. задать вопрос, могут ли механизмы, которые регулируют устойчивое состояние длины в зрелых ресничках, нуждаться в том же самом, как и механизмы, которые контролируют увеличение длины во время роста ресничек. Когда ресничка достигает необходимой длины, то она должна, в принципе, возможно отключить оборот (turnover) аксонемных микротрубочек, после 'locking-in' длины реснички. В этом случае, истощение аппарата IFT или снижение синтеза аксонемных предшественников д. оказывать существенно меньший эффект на длину ресничек. Поэтому было бы интересно, провести детальные измерения скорости оборота в ресничке и транспорта как во время сборки, так и зрелого состояния реснички, чтобы выявить обнаружимые различия.