Cilio

La base del cilio es el cuerpo basal, un centriolo madre modificado en la superficie celular. ^{[ 18 ]} Los cuerpos basales de los mamíferos constan de 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 cada uno de los microtúbulos tripletes del cuerpo basal se extienden durante el crecimiento del axonema para convertirse en microtúbulos dobletes.

La raíz ciliar es una estructura similar al citoesqueleto que se origina en el cuerpo basal del extremo proximal del cilio. Las raíces suelen tener  un diámetro de 80-100 nm y contienen estrías transversales distribuidas a intervalos regulares de aproximadamente 55-70  nm. Un componente importante de la raíz es la rootletina , una proteína de la raíz con estructura de hélice enrollada codificada por el gen CROCC . ^{[ 19 ]}

Para lograr su composición distintiva, la región más proximal del cilio consta de una zona de transición , también conocida como puerta ciliar , que controla la entrada y salida de proteínas hacia y desde el cilio. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} En la zona de transición, estructuras en forma de Y conectan la membrana ciliar con el axonema subyacente. El control de la entrada selectiva en los cilios puede implicar una función de tamiz de la zona de transición. Los defectos hereditarios en los componentes de la zona de transición causan ciliopatías, como el síndrome de Joubert. La estructura y función de la zona de transición se conservan en diversos organismos, incluidos vertebrados, Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogaster y Chlamydomonas reinhardtii . En mamíferos, la alteración de la zona de transición reduce la abundancia ciliar de proteínas ciliares asociadas a la membrana, como las involucradas en la transducción de señales Hedgehog , comprometiendo el desarrollo embrionario dependiente de Hedgehog del número de dedos y el patrón del sistema nervioso central.

Dentro de un cilio hay un núcleo citoesquelético 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 microtúbulos centrales simples (llamado axonema 9+2 ). Este es el mismo tipo de axonema del flagelo . El axonema en un cilio móvil actúa como un andamio para los brazos de dineína internos y externos que mueven el cilio, y proporciona pistas para las proteínas motoras de microtúbulos de kinesina y dineína. ^{[ 2 ] [ 23 ] [ 24 ]} El transporte de componentes ciliares se lleva a cabo por transporte intraflagelar (IFT) que es similar al transporte axonal en una fibra nerviosa . El transporte es bidireccional y las proteínas motoras del citoesqueleto, kinesina y dineína, transportan los componentes ciliares a lo largo de los microtúbulos; la kinesina en movimiento anterógrado hacia la punta del cilio y la dineína en movimiento retrógrado hacia el cuerpo celular. El cilio posee su propia membrana ciliar, encerrada dentro de la membrana celular circundante . ^{[ 25 ]}

En los animales, los cilios primarios inmóviles se encuentran en casi todos los tipos de células, siendo las células sanguíneas una excepción notable. ^{[ 2 ]} La mayoría de las células poseen solo uno, a diferencia de las células con cilios móviles, con la excepción de las neuronas sensoriales olfativas , donde se localizan los receptores de olores , que poseen alrededor de diez cilios cada una. Algunos tipos de células, como las células fotorreceptoras de la retina, poseen cilios primarios altamente especializados. ^{[ 26 ]}

Aunque el cilio primario fue descubierto en 1898, fue ignorado en gran medida durante un siglo y considerado un orgánulo vestigial sin función importante. ^{[ 27 ] [ 2 ]} Hallazgos recientes sobre sus funciones fisiológicas en quimiosensación, transducción de señales y 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 enfermedad renal poliquística , ^{[ 28 ]} la cardiopatía congénita , ^{[ 29 ]} el prolapso de la válvula mitral , ^{[ 30 ]} y la degeneración retiniana, ^{[ 31 ]} llamadas ciliopatías . ^{[ 32 ] [ 33 ]} Ahora se sabe que el cilio primario desempeña un papel importante en la función de muchos órganos humanos. ^{[ 2 ] [ 10 ]} Los cilios primarios en las células beta pancreáticas regulan su función y metabolismo energético. La eliminación de cilios puede conducir a disfunción de los islotes y diabetes tipo 2 . ^{[ 34 ]}

Los cilios se ensamblan durante la _fase G1 y se desensamblan antes de que ocurra la mitosis. [ ^{35 ] [ 11 ] El} desensamblaje de los cilios requiere la acción de la quinasa aurora A. [ ^{36 ] La} comprensión científica actual de los cilios primarios los considera 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". ^{[ 37 ]} El cilio está compuesto por 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 bolsillo 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 a los apéndices distales. Distal a las fibras de transición se forma una zona de transición donde se regula la entrada y salida de moléculas hacia y desde los cilios. Algunas de las señales que se transmiten a través de estos cilios se producen mediante la unión de ligandos, como la señalización Hedgehog . ^{[ 38 ]} Otras formas de señalización incluyen receptores acoplados a proteínas G, como el receptor de somatostatina 3 en las neuronas. ^{[ 39 ]}

Los mamíferos también poseen cilios móviles o cilios secundarios que suelen estar presentes en la superficie celular en gran número (multiciliformes) y se mueven en ondas metacrónicas coordinadas . ^{[ 42 ]} Las células multiciliadas se encuentran recubriendo el tracto respiratorio , donde funcionan en la depuración mucociliar , eliminando el moco que contiene detritos de los pulmones . ^{[ 13 ]} Cada célula del epitelio respiratorio tiene alrededor de 200 cilios móviles. ^{[ 12 ]}

En el tracto reproductivo , las contracciones del músculo liso ayudan al movimiento de los cilios a desplazar el óvulo desde el ovario hasta el útero. ^{[ 13 ] [ 15 ]}

En los ventrículos del cerebro, las células ependimarias ciliadas hacen circular el líquido cefalorraquídeo .

El funcionamiento de los cilios móviles depende en gran medida del mantenimiento de niveles óptimos de líquido periciliar que los baña. Los canales de sodio epiteliales (ENaC) se expresan específicamente a lo largo de toda la longitud de los cilios en el tracto respiratorio, la trompa de Falopio y el oviducto , y aparentemente actúan como sensores para regular el líquido periciliar. ^{[ 13 ] [ 43 ]}

cilios nodales

Las células nodales poseen un único cilio llamado monocilio. Están presentes en las primeras etapas del desarrollo embrionario en el nódulo primitivo . Existen dos áreas del nódulo con diferentes tipos de cilios nodales . En el nódulo central se encuentran cilios móviles, mientras que en el área periférica del nódulo los cilios nodales son móviles modificados. ^{[ 44 ]}

Los cilios móviles en las células centrales rotan para generar el flujo hacia la izquierda del líquido extracelular necesario para iniciar la asimetría izquierda-derecha. ^{[ 44 ]}

Los cilios móviles en los espermatozoides y muchos protozoos permiten la natación en líquidos y tradicionalmente se denominan " flagelos ". ^{[ 3 ]} Dado que estas protuberancias son estructuralmente idénticas a los cilios móviles, los intentos por preservar esta terminología incluyen hacer una distinción por morfología ("los flagelos" suelen ser más largos que los cilios comunes y tienen un movimiento ondulatorio diferente) ^{[ 4 ]} y por número. ^{[ 45 ]}

Los ciliados son microorganismos eucariotas que poseen exclusivamente cilios móviles y los utilizan para desplazarse o simplemente para mover líquidos sobre su superficie. Un paramecio, por ejemplo, está cubierto de miles de cilios que le permiten nadar. Se ha demostrado que estos cilios móviles también tienen función sensorial. ^{[ 46 ]}

Algunos cilios primarios en las células epiteliales de los eucariotas actúan como antenas celulares , proporcionando quimiosensación , termosensación y mecanosensación del entorno extracelular. ^{[ 54 ] [ 10 ]} Estos cilios desempeñan un papel en la mediación de señales específicas, incluyendo factores solubles en el entorno celular externo, una función secretora en la que se libera una proteína soluble para tener un efecto aguas abajo del flujo de fluidos, y la mediación del flujo de fluidos si los cilios son móviles . ^{[ 54 ]}

Algunas células epiteliales son ciliadas y suelen presentarse 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 confiere a los cilios un papel central en el mantenimiento del entorno celular local y podría explicar por qué los defectos ciliares causan una amplia gama de enfermedades humanas. ^{[ 33 ]}

En el embrión, los cilios nodales se utilizan para dirigir el flujo del líquido extracelular. Este movimiento hacia la izquierda genera una asimetría izquierda-derecha a través de la línea media del embrión. Los cilios centrales coordinan su batido rotacional, mientras que los cilios inmóviles de los lados detectan la dirección del flujo. ^{[ 44 ] [ 55 ] [ 56 ]} Estudios en ratones sugieren un mecanismo biofísico mediante el cual se detecta la dirección del flujo. ^{[ 57 ]}

Con las sinapsis axociliares , existe comunicación entre los axones serotoninérgicos y los cilios primarios de las neuronas piramidales CA1 que altera el estado epigenético de la neurona en el núcleo : "una forma de cambiar lo que se está transcribiendo o produciendo en el núcleo" a través de esta señalización distinta de la que se produce en la membrana plasmática , que también es a más largo plazo. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

La reducción de la función ciliar también puede ser consecuencia de una infección. Las investigaciones sobre biopelículas han demostrado que las bacterias pueden alterar los cilios. Una biopelícula es una comunidad de bacterias de la misma especie o de varias especies. El cúmulo de células secreta diferentes factores que forman una matriz extracelular. Se sabe que los cilios del sistema respiratorio eliminan el moco y los patógenos de las vías respiratorias. Se ha observado que los pacientes con infecciones positivas para biopelículas presentan una función ciliar alterada. Esta alteración puede manifestarse como una disminución del movimiento o una reducción en el número de cilios. Si bien estos cambios se deben a una causa externa, afectan la patogenicidad de las bacterias, la progresión de la infección y su tratamiento. ^{[ 69 ]}

El transporte del óvulo inmaduro y del embrión al útero para su implantación depende de la combinación de contracciones reguladas del músculo liso y el movimiento ciliar. Una disfunción en este transporte puede provocar un embarazo ectópico, en el que el embrión se implanta (generalmente) en la trompa de Falopio antes de llegar a su destino correcto, el útero. Muchos factores pueden afectar esta etapa, incluyendo infecciones y las hormonas del ciclo menstrual. El tabaquismo (que causa inflamación) y las infecciones pueden reducir el número de cilios, y el movimiento ciliar puede verse afectado por cambios hormonales. ^{[ 15 ] [ 70 ]}

El páncreas es una mezcla de células exocrinas y endocrinas altamente diferenciadas. Los cilios primarios están presentes en las células exocrinas, que son células del conducto centroacinar. ^{[ 71 ] [ 34 ]} El tejido endocrino está compuesto por diferentes células secretoras de hormonas. Las células beta secretoras de insulina y las células alfa secretoras de glucagón están altamente ciliadas. ^{[ 72 ] [ 73 ]}