Cilio - Cilium

Cilium
Epitelio bronquiolar 3 - SEM.jpg
Micrografía SEM de los cilios que se proyectan desde el epitelio respiratorio en los pulmones
Detalles
Identificadores
latín Cilium
Malla D002923
TH H1.00.01.1.01014
FMA 67181
Términos anatómicos de microanatomía

El cilio (del latín  ' pestaña '; el plural es cilios ) es un orgánulo que se encuentra en las células eucariotas en forma de una protuberancia delgada que se proyecta desde el cuerpo celular mucho más grande .

Hay dos tipos principales de cilios: cilios móviles y no móviles . Los cilios no móviles también se denominan cilios primarios que sirven como orgánulos sensoriales. La mayoría de los tipos de células de mamíferos poseen un solo cilio primario inmóvil, que funciona como antena celular. Las excepciones incluyen neuronas olfativas que poseen varios cilios inmóviles y células del nódulo embrionario transitorio , que poseen cilios móviles singulares conocidos como cilios nodales , críticos para el establecimiento de la asimetría corporal de izquierda a derecha.

En eucariotas, los cilios móviles y los flagelos (juntos conocidos como undulipodios) son estructuralmente similares, aunque a veces se hacen distinciones según la función o la longitud. Los cilios inmóviles (llamados cilios primarios) comunican señales del entorno o de otras células.

Tipos

Cilios primarios

En los animales, los cilios primarios inmóviles se encuentran en casi todos los tipos de células, siendo las células sanguíneas una excepción destacada. La mayoría de las células solo poseen una, a diferencia de las células con cilios móviles, con la excepción de las neuronas sensoriales olfativas , donde se encuentran los receptores odorantes , cada una de las cuales posee unos diez cilios. Algunos tipos de células, como las células fotorreceptoras de la retina, poseen cilios primarios altamente especializados.

Aunque el cilio primario se descubrió en 1898, se ignoró en gran medida durante un siglo y se consideró un orgánulo vestigial sin una función importante. Los hallazgos recientes con respecto a sus funciones fisiológicas en la quimiosensación, la transducción de señales y el control del crecimiento celular han revelado su importancia en la función celular. Su importancia para la biología humana ha sido subrayada por el descubrimiento de su papel en un grupo diverso de enfermedades causadas por la disgenesia o disfunción de los cilios, como la poliquistosis renal , la cardiopatía congénita , el prolapso de la válvula mitral y la degeneración de la retina, denominadas ciliopatías . Ahora se sabe que el cilio primario juega un papel importante en la función de muchos órganos humanos.

Los cilios se ensamblan durante la fase G 1 y se desmontan antes de que ocurra la mitosis. El desmontaje de los cilios requiere la acción de la Aurora A quinasa . La comprensión científica actual de los cilios primarios los ve como " antenas celulares sensoriales que coordinan muchas vías de señalización celular, a veces acoplando la señalización a la motilidad ciliar o alternativamente a la división y diferenciación celular". El cilio está compuesto de subdominios y encerrado por una membrana plasmática continua con la membrana plasmática de la célula. Para muchos cilios, el cuerpo basal, donde se origina el cilio, se encuentra dentro de una invaginación de la membrana llamada bolsa ciliar. La membrana del cilio y los microtúbulos del cuerpo basal están conectados por apéndices distales (también llamados fibras de transición). Las vesículas que transportan moléculas para los cilios se acoplan en los apéndices distales. Distal a las fibras de transición forman una zona de transición donde la entrada y salida de moléculas está regulada hacia y desde los cilios. Algunas de las señales con estos cilios se producen a través de la unión de ligandos, como la señalización Hedgehog . Otras formas de señalización incluyen receptores acoplados a proteína G, incluido el receptor 3 de somatostatina en células neuronales.

Ilustración que muestra cilios móviles en el epitelio respiratorio .

Cilios móviles

Los eucariotas más grandes, como los mamíferos, también tienen cilios móviles . Los cilios móviles suelen estar presentes en la superficie de una célula en grandes cantidades y laten en ondas coordinadas.

El funcionamiento de los cilios móviles depende en gran medida del mantenimiento de niveles óptimos de líquido periciliar que baña los cilios. Los canales de sodio epiteliales ENaC que se expresan específicamente a lo largo de toda la longitud de los cilios aparentemente sirven como sensores que regulan el nivel de líquido que rodea a los cilios.

Los ciliados son organismos microscópicos que poseen cilios móviles exclusivamente y los utilizan para la locomoción o simplemente para mover líquido sobre su superficie.

Cilios no clásicos

La clasificación clásica de cilios solo considera cilios móviles 9 + 2 (con aparato central) y cilios primarios 9 + 0 (sin aparato central). También se pensó que 9 + 0 cilios no ocurren en múltiples células, y que solo 9 + 0 cilios pueden participar en la detección. El descubrimiento de nuevos tipos de cilios de vertebrados refuta esta clasificación.

En el desarrollo embrionario temprano , un cilio móvil, solitario, 9 + 0 conocido comoaparece el cilio nodal . Tiene una estructura similar al cilio primitivo porque no tiene aparato central, pero posee brazos de dineína que le permiten moverse o girar en una dirección circular. El giro hace que un flujo de líquido extraembrionario se mueva a través de la superficie nodal , dirigido hacia la izquierda. Se desconoce cómo el flujo se traduce en señalización nodal y de izquierda a derecha: se teoriza que el flujo en sí mismo transporta moléculas de señalización o que es detectado por los cilios primarios en las células vecinas.

En las células epiteliales del plexo coroideo se encuentran cilios móviles, múltiples, 9 + 0 . Los cilios también pueden cambiar de estructura cuando se introducen a altas temperaturas y se vuelven afilados. Están presentes en grandes cantidades en cada célula y se mueven relativamente lentamente, haciéndolos intermedios entre los cilios móviles y primarios. Además de los cilios 9 + 0 que son móviles, también hay cilios 9 + 2 solitarios que permanecen inmóviles en las células ciliadas.

Estructura

Cilio móvil eucariota

Dentro de los cilios y flagelos hay un citoesqueleto basado en microtúbulos llamado axonema . El axonema de un cilio primario típicamente tiene un anillo de nueve dobletes de microtúbulos externos (llamado axonema 9 + 0 ), y el axonema de un cilio móvil tiene, además de los nueve dobletes externos, dos singletes de microtúbulos centrales (llamados 9+ 2 axonema ). El axonema actúa como un andamio para los brazos axonemales internos y externos de dineína que mueven los cilios móviles y proporciona pistas para las proteínas motoras moleculares , como la kinesina II , que transportan proteínas a lo largo del cilio a través de un proceso llamado transporte intraflagelar (IFT). El IFT es bidireccional y el IFT retrógrado emplea el motor de dineína citoesquelético 2 para retroceder hacia el cuerpo celular. El cilio está rodeado por una membrana contigua a la membrana plasmática, pero de composición distinta.

La base del cilio es el cuerpo basal, término que se aplica al centríolo madre cuando está asociado con un cilio. Los cuerpos basales de los mamíferos consisten en un barril de nueve microtúbulos tripletes, apéndices subdistales y nueve estructuras en forma de puntal, conocidas como apéndices distales, que unen el cuerpo basal a la membrana en la base del cilio. Dos de los microtúbulos del triplete del cuerpo basal se extienden para convertirse en los microtúbulos del doblete del axonema ciliar.

Raicilla ciliar

La raicilla ciliar es una estructura similar a un citoesqueleto que se origina en el cuerpo basal en el extremo proximal de un cilio. Las raíces tienen típicamente 80-100 nm de diámetro y contienen estrías cruzadas distribuidas a intervalos regulares de aproximadamente 55-70 nm. Un componente destacado de la raicilla es Rootletin .

Zona de transición

Para lograr su composición distinta, la región más proximal del cilio consiste en una zona de transición que controla qué proteínas pueden entrar y salir del cilio. En la zona de transición, las estructuras en forma de Y conectan la membrana ciliar al axonema subyacente. El control de la entrada selectiva en los cilios puede implicar una función similar a un tamiz de la zona de transición. Los defectos hereditarios en los componentes de la zona de transición provocan ciliopatías, como el síndrome de Joubert. La estructura y función de la zona de transición se conserva en diversos organismos, incluidos vertebrados, C. elegans, D. melanogaster y Chlamydomonas reinhardtii. En los mamíferos, la interrupción de la zona de transición reduce la abundancia ciliar de proteínas ciliares asociadas a la membrana, como las involucradas en la transducción de señales de Hedgehog, comprometiendo el desarrollo embrionario dependiente de Hedgehog del número de dígitos y el patrón del sistema nervioso central.

Cilia versus flagelos

Aunque se les ha dado diferentes nombres, los cilios móviles y los flagelos tienen estructuras casi idénticas y tienen el mismo propósito: movimiento. El movimiento del apéndice se puede describir como una onda. La onda tiende a originarse en la base del cilio y puede describirse en términos de frecuencia (frecuencia de latido ciliar o CBF), amplitud y longitud de onda. El movimiento de golpe es creado por las estructuras del brazo de dineína, el deslizamiento de los dobletes externos, y se origina en el axonema, no en el cuerpo basal. Una diferencia clave entre las dos estructuras es que en un organismo eucariota como los humanos, los flagelos se usan para impulsar la célula, mientras que los cilios se usan para mover sustancias a través de una superficie. Un ejemplo de cada uno sería el flagelo presente en un espermatozoide y el cilio en el tejido epitelial de los pulmones que elimina las partículas extrañas. Los cilios móviles y los flagelos poseen la misma estructura de axonemas 9 + 2 . El 9 indica el número de dobletes presentes alrededor del borde exterior del apéndice, mientras que el 2 se refiere a un par central de microtúbulos independientes. En los cilios primarios típicos y otros cilios no móviles, el axonema carece de un par central, lo que da como resultado una estructura de axonema 9 + 0 . (Existen excepciones importantes; consulte § Ciliados no clásicos ).

Producción de cilium

Los cilios se forman a través del proceso de ciliogénesis . Un primer paso es el acoplamiento del cuerpo basal a la membrana ciliar en crecimiento, después de lo cual se forma la zona de transición. Los componentes básicos del axonema ciliar, como las tubulinas , se agregan en las puntas ciliares mediante un proceso que depende en parte del transporte intraflagelar (IFT). Las excepciones incluyen el esperma de Drosophila y la formación de flagelos de Plasmodium falciparum , en los que los cilios se ensamblan en el citoplasma.

En la base del cilio, donde se adhiere al cuerpo celular, se encuentra el centro organizador de microtúbulos, el cuerpo basal . Algunas proteínas corporales basales como CEP164 , ODF2 y CEP170 , son necesarias para la formación y estabilidad del cilio.

En efecto, el cilio es una nanomáquina compuesta de quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan de forma independiente como nanomáquinas. Los enlazadores flexibles permiten que los dominios de proteínas móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alosterio de largo alcance a través de la dinámica de los dominios de proteínas .

Función

La dineína en el axonema forma puentes entre dobletes de microtúbulos vecinos. Cuando el ATP activa el dominio motor de la dineína, intenta caminar a lo largo del doblete de microtúbulos contiguo. Esto obligaría a los dobletes adyacentes a deslizarse uno sobre otro si no fuera por la presencia de nexina entre los dobletes de microtúbulos. Y así, la fuerza generada por la dineína se convierte en cambio en un movimiento de flexión.

Detectando el ambiente extracelular

Algunos cilios primarios en las células epiteliales de los eucariotas actúan como antenas celulares , proporcionando quimiosensación , termosensación y mecanosensibilidad del entorno extracelular. Estos cilios luego juegan un papel en la mediación de señales de señalización específicas, incluidos los factores solubles en el entorno celular externo, un papel secretor en el que se libera una proteína soluble para tener un efecto aguas abajo del flujo de líquido y la mediación del flujo de líquido si los cilios están móvil .

Algunas células epiteliales son ciliadas y, por lo general, existen como una lámina de células polarizadas que forman un tubo o túbulo con cilios que se proyectan hacia la luz . Esta función sensorial y de señalización coloca a los cilios en un papel central para mantener el entorno celular local y puede ser la razón por la que los defectos ciliares causan una gama tan amplia de enfermedades humanas.

En el embrión de ratón, los cilios se utilizan para dirigir el flujo de líquido extracelular. Este movimiento hacia la izquierda es utilizado por el embrión de ratón para generar asimetría de izquierda a derecha a través de la línea media del embrión. Los cilios centrales coordinan su latido de rotación, mientras que los cilios inmóviles de los lados detectan la dirección del flujo.

Significación clínica

Los defectos ciliares pueden provocar una serie de enfermedades humanas. Las mutaciones genéticas que comprometen el buen funcionamiento de los cilios, ciliopatías , pueden causar trastornos crónicos como discinesia ciliar primaria (DCP), nefronoptisis o síndrome de Senior-Løken . Además, un defecto del cilio primario en las células del túbulo renal puede provocar enfermedad renal poliquística (PKD). En otro trastorno genético llamado síndrome de Bardet-Biedl (BBS), los productos génicos mutantes son los componentes del cuerpo basal y los cilios. Los defectos en las células de los cilios están relacionados con la obesidad y, a menudo, se manifiestan en la diabetes tipo 2. Varios estudios ya mostraron una tolerancia a la glucosa alterada y una reducción de la secreción de insulina en los modelos de ciliopatía. Además, el número y la longitud de los cilios se redujo en los modelos de diabetes tipo 2 .

La falta de cilios funcionales en las trompas de Falopio puede causar un embarazo ectópico . Es posible que un óvulo fertilizado no llegue al útero si los cilios no pueden moverlo allí. En tal caso, el óvulo se implantará en las trompas de Falopio, provocando un embarazo tubárico , la forma más común de embarazo ectópico.

Como se señaló anteriormente, los canales de sodio epiteliales ENaC que se expresan a lo largo de los cilios regulan el nivel de líquido que rodea a los cilios. Las mutaciones que disminuyen la actividad de ENaC dan como resultado un pseudohipoaldosteronismo multisistémico , que se asocia con problemas de fertilidad. En la fibrosis quística que resulta de mutaciones en el canal de cloruro CFTR , la actividad de ENaC aumenta y conduce a una reducción severa del nivel de líquido que causa complicaciones e infecciones en las vías respiratorias.

Dado que el flagelo de los espermatozoides humanos es en realidad un cilio modificado, la disfunción ciliar también puede ser responsable de la infertilidad masculina.

De interés, existe una asociación de discinesia ciliar primaria con anomalías anatómicas izquierda-derecha como situs inversus (una combinación de hallazgos conocida como síndrome de Kartagener ) y otros defectos heterotáxicos. Estas anomalías anatómicas de izquierda a derecha también pueden provocar una cardiopatía congénita . Se ha demostrado que la función cilial adecuada es responsable de la asimetría normal de izquierda a derecha en los mamíferos.

Las ciliopatías como ejemplos de enfermedades hereditarias multiorgánicas

Década de 2000 los resultados de la investigación genética han sugerido que muchos trastornos genéticos , ambos síndromes genéticos y enfermedades genéticas , que antes no estaban relacionados en la literatura médica, pueden ser, de hecho, muy relacionadas en la causa de la raíz del conjunto ampliamente variable de los médicos síntomas que son clínicamente visibles en el trastorno . Estos se han agrupado como una clase emergente de enfermedades llamadas ciliopatías . La causa subyacente puede ser un mecanismo molecular disfuncional en los cilios primarios / inmóviles, orgánulos que están presentes en muchos tipos celulares diversos en todo el cuerpo humano .

Los defectos de los cilios afectan negativamente a numerosas vías de señalización críticas esenciales para el desarrollo embrionario y la fisiología del adulto y, por lo tanto, ofrecen una hipótesis plausible para la naturaleza a menudo de múltiples síntomas de diversas ciliopatías. Las ciliopatías conocidas incluyen discinesia ciliar primaria , síndrome de Bardet-Biedl , enfermedad renal y hepática poliquística , nefronoptisis , síndrome de Alström , síndrome de Meckel-Gruber , síndrome de Sensenbrenner y algunas formas de degeneración retiniana .

Los diversos resultados causados ​​por la disfunción ciliar pueden resultar de alelos de diferentes fuerzas que comprometen las funciones ciliares de diferentes maneras o en diferentes grados. Muchas ciliopatías se heredan de forma mendeliana, pero las interacciones genéticas específicas entre distintos complejos ciliares funcionales, como la zona de transición y los complejos BBS, pueden alterar las manifestaciones fenotípicas de las ciliopatías recesivas.

Cambios extracelulares

La reducción de la función de los cilios también puede resultar de una infección. La investigación sobre biopelículas ha ido en aumento y ha demostrado cómo las bacterias pueden alterar los cilios. Una biopelícula es una comunidad de bacterias de la misma o múltiples especies de bacterias. El grupo de células secreta diferentes factores que forman una matriz extracelular. Se sabe que los cilios en el sistema respiratorio mueven el moco y los patógenos fuera de las vías respiratorias. Se ha encontrado que los pacientes con infecciones positivas al biofilm tienen la función de los cilios alterada. El deterioro puede presentarse como una disminución del movimiento o una reducción en el número de cilios. Aunque estos cambios son el resultado de una fuente externa, aún afectan la patogenicidad de la bacteria, la progresión de la infección y cómo se trata.

Cilio primario en células pancreáticas

El páncreas es una mezcla de células endocrinas y exocrinas altamente diferenciadas. El cilio primario está presente en las células exocrinas que son centroacinares, células de los conductos. El tejido endocrino está compuesto por diferentes células secretoras de hormonas. Células beta secretoras de insulina y células alfa secretoras de glucagón que son altamente ciliadas.

Ver también

Referencias

enlaces externos