Mecanismo de formación de cilio primario en células epiteliales polarizadas

Abstract

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 23-06-2017El cilio primario es una extensión de membrana altamente conservada que protruye de la superficie apical de la mayoría de las células eucariotas. Su estructura consiste en una membrana ciliar que rodea un armazón de microtúbulos, el axonema, que deriva del centriolo más maduro. Aunque su función ha permanecido desconocida durante mucho tiempo, actualmente se sabe que el cilio primario actúa como un biosensor regulando múltiples rutas de señalización y la homeostasis de los tejidos. Durante los últimos años la relevancia clínica y fisiológica del cilio primario se ha hecho evidente debido a que los defectos en su estructura o su disfunción tienen como consecuencia el desarrollo de un grupo de enfermedades genéticas que se agrupan colectivamente con el nombre de ciliopatías. Entre estas enfermedades destacan la poliquistosis renal, la ceguera, la sordera, la obesidad, y los defectos en el desarrollo embrionario. A pesar de que el riñón es el órgano más frecuentemente afectado por las ciliopatías, la biogénesis del cilio primario se ha estudiado mayoritariamente en tipos celulares no polarizados. Hace casi 50 años se propuso que en los epitelios polarizados, como los de los túbulos renales, el proceso de ciliogénesis tiene lugar exclusivamente en la membrana plasmática, mientras que por el contrario, los fibroblastos ensamblan el cilio de manera intracelular. Utilizado el modelo de células epiteliales polarizadas MDCK, he investigado el desconocido proceso de biogénesis del cilio primario en células epiteliales polarizadas. He observado que el cuerpo medio, una estructura basada en microtúbulos localizada en la parte central del puente intercelular formado entre las dos células hijas durante las etapas finales de la división celular, es heredado por una de las dos células en forma de remanente, el cual se posiciona en la periferia de la membrana apical acumulando maquinaria relevante para la ciliogénesis. Posteriormente, este remanente se mueve sobre la membrana apical reuniéndose con el centrosoma. Una vez que se han juntado estos dos orgánulos, el remanente posibilita la formación del cilio primario. Estos hallazgos revelan un mecanismo biológico que conecta funcionalmente el cuerpo medio con el centrosoma y el cilio primario, los otros dos orgánulos celulares basados en microtúbulos. Además, he investigado el papel de la proteína MAL, un componente de la maquinaria general de transporte apical, en el proceso de ciliogénesis. Los resultados obtenidos indican que MAL es necesaria para la correcta condensación de las membranas en la base del cilio, lo que a su vez, es crucial para la elongación eficiente del citado orgánulo. En resumen, este trabajo establece una nueva ruta de ciliogénesis primaria en células epiteliales renales y confiere importancia a las membranas situadas en la base del cilio primario.The primary cilium is a highly conserved membrane extension protruding from the cell surface of most mammalian cells. It consists of a ciliary membrane that surrounds a microtubule-based structure termed the axoneme, which is nucleated from the older of the two centrioles. Although its function has been an enigma for a long time, nowadays it is known to act as a biosensor regulating multiple signaling pathways during development and tissue homeostasis. The physiological and clinical relevance of cilia is evident, since defects in primary cilium function cause a wide spectrum of genetic diseases collectively grouped under the term of ciliopathies. Among the disorders produced by primary cilium dysfunction are cystic kidney disease, blindness, deafness, obesity, and developmental and skeletal abnormalities. The kidney is the organ most frequently affected in ciliopathies. However, despite its importance in the kidney, primary cilium biogenesis has mainly been studied in non-polarized cells. Almost 50 years ago, it was proposed that the process of primary ciliogenesis in polarized epithelia, such as that in kidney tubules, takes place entirely at the plasma membrane, in contrast to fibroblasts that assemble the cilium intracellularly. Using the renal epithelial MDCK cell line, I have investigated the unexplored process of primary cilium biogenesis in polarized epithelial cells. I observed that the midbody, which is a microtubule-based structure that occupies the central part of the intercellular bridge connecting the two sister cells during the final stages of cell division, is inherited by one of the cells as a remnant that localizes at the periphery of the apical membrane, and that accumulates important machinery for cilium biogenesis. The remnant then moves along the apical plasma membrane to a central position to encounter the centrosome. Once the two organelles have met, the remnant enables the centrosome for primary cilium formation. These findings reveal a biological mechanism that functionally links the midbody with the centrosome and the primary cilium, which are the other two main microtubule-based organelles. I have also investigated the role of MAL, a component of the machinery of apical transport, in primary cilium assembly. The results indicate that MAL is required for correct membrane condensation at the ciliary base, which, in turn, is essential for efficient primary cilium elongation. In summary, the work presented establishes a novel pathway of primary ciliogenesis in renal polarized epithelial cells and establishes the importance of the condensation of the membranes at the ciliary base