Axonema

En biología molecular , un axonema es la estructura citoesquelética basada en microtúbulos que forma el núcleo de un cilio o flagelo . ^{[ 1 ]} Los cilios y flagelos se encuentran en muchas células eucariotas , incluyendo organismos multicelulares y microorganismos unicelulares . Las proteínas motoras se unen al axonema de muchos cilios y flagelos, cuya acción provoca una flexión periódica para impulsar la natación celular o el movimiento del fluido circundante, aunque no todos los cilios tienen proteínas motoras y algunos son incapaces de moverse. Si bien se pueden establecer distinciones de función y longitud entre cilios y flagelos, la estructura interna del axonema es común a ambos.

El axonema es una estructura basada en microtúbulos . Cada axonema está compuesto por haces de microtúbulos paralelos alineados en un patrón característico. El axonema de un cilio o flagelo móvil típico tiene nueve pares de microtúbulos dobles (una estructura especializada que consiste en dos microtúbulos unidos) dispuestos en anillo alrededor de un par central de microtúbulos simples. Esto se denomina axonema 9+2. El axonema confiere la resistencia mecánica a los cilios y flagelos, y es el sitio de unión de diversos complejos proteicos , incluidas las proteínas motoras moleculares de dineína , que confieren la capacidad de flexión y motilidad.

Los microtúbulos dobles externos también son las vías sobre las que se desplazan las proteínas motoras. La acción de desplazamiento de las dineínas axonemales unidas al microtúbulo doble vecino provoca el deslizamiento de este y, posteriormente, la flexión del axonema, que es la base del movimiento del flagelo/cilio. ^{[ 2 ]} La acción de desplazamiento de la kinesina-2 y las dineínas citoplasmáticas responsables del transporte intraflagelar transportan proteínas de carga a lo largo del axonema. ^{[ 3 ]}

La primera investigación sobre la morfología flagelar del esperma fue iniciada en 1888 por el citólogo alemán Ballowitz, quien observó, mediante microscopía óptica y tinciones mordientes, que el flagelo de un espermatozoide de gallo podía desplegarse en hasta 11 fibrillas longitudinales. Aproximadamente 60 años después, Grigg y Hodge en 1949, y un año más tarde Manton y Clarke, observaron estas 11 fibras en flagelos desplegados mediante microscopía electrónica (ME); estos investigadores propusieron que dos fibras más delgadas estaban rodeadas por nueve fibras externas más gruesas. En 1952, utilizando avances en fijación, inclusión y ultramicrotomía, Fawcett y Porter demostraron, mediante secciones delgadas de ME, que el núcleo de los cilios epiteliales dentro de la membrana ciliar consistía en nueve microtúbulos dobles que rodeaban dos microtúbulos centrales simples (es decir, el "aparato de microtúbulos del par central"), y de ahí el término "axonema 9 + 2". Debido al alto grado de conservación evolutiva entre cilios y flagelos en la mayoría de las especies, nuestra comprensión de los flagelos espermáticos se ha visto favorecida por estudios de ambos orgánulos y de especies que van desde protistas hasta mamíferos. Los cilios suelen ser cortos (5–10 μm) y se mueven como un remo, con un movimiento efectivo seguido de un movimiento de recuperación. Los flagelos se mueven con un movimiento ondulatorio y suelen ser más largos (generalmente 50–150 μm, pero varían de 12 μm a varios mm en algunas especies), y la longitud flagelar en el protista Chlamydomonas está regulada por varios genes que codifican quinasas. Manton y Clarke fueron los primeros en reconocer que el axonema 9 + 2 era posiblemente ubicuo entre las especies, y de hecho, los nueve microtúbulos dobletes son estructuras conservadas evolutivamente que evolucionaron en los primeros eucariotas hace casi mil millones de años; sin embargo, existe una amplia variación entre especies con respecto a la estructura detallada de los flagelos espermáticos y sus estructuras accesorias. Los microtúbulos dobletes del axonema se ensamblan a partir de los extremos de nueve microtúbulos tripletes del cuerpo basal/centriolar, cuya simetría de nueve pliegues y patrón de molinete en sentido horario (visto desde el interior de la célula hacia la punta del flagelo) está organizada por la proteína conservada del gen SAS6, que se introduce en algunos óvulos para establecer el primer huso mitótico. Los nueve microtúbulos dobletes se conectan alrededor del axonema mediante enlaces de nexina. Actualmente, la estructura molecular del axonema se conoce con una resolución extraordinaria de <4 nm mediante el uso de tomografía crioelectrónica, técnica pionera de Nicastro. La motilidad flagelar (y ciliar) del esperma se ha analizado eficazmente en sistemas simples (por ejemplo, flagelos de protistas y esperma de erizo de mar), cuyos flagelos contienen varios cientos de polipéptidos mediante análisis proteómico. ^{[ 11 ]}

Se ha descubierto que las mutaciones o defectos en los cilios primarios desempeñan un papel en las enfermedades humanas. Estas ciliopatías incluyen la enfermedad renal poliquística (PKD), la retinosis pigmentaria , el síndrome de Bardet-Biedl y otros defectos del desarrollo. ^{[ 12 ]}