Citação: Ng R, Su CY (2024) Entendendo os cílios: O papel do transporte intraflagelar. PLoS Biol 22(11): e3002924. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002924
Publicado: 27 de novembro de 2024
Direitos autorais: © 2024 Ng, Su. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença de Atribuição Inventive Commonsque permite uso, distribuição e reprodução irrestritos em qualquer meio, desde que o autor e a fonte originais sejam creditados.
Financiamento: Este trabalho foi apoiado por doações do NIH para CYS (R21DC020536, R21AI169343, R01DC016466 e R01DC021551). RN foi apoiado pelo Programa de Treinamento NIGMS T32 UCSD PiBS e pelo ARCS Basis Fellowship Award. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, na coleta e análise de dados, na decisão de publicação ou na preparação do manuscrito.
Interesses conflitantes: Os autores declararam que não existem interesses concorrentes.
A interação entre a forma e a função neuronal apresenta um enigma intrigante para os neurobiólogos. Como a morfologia de um neurônio sensorial afeta sua capacidade de detectar estímulos? Esta questão é especialmente convincente em neurônios sensoriais ciliados, que exibem diversas características morfológicas de uma maneira específica da modalidade.1). Como os cílios não possuem maquinaria para sintetizar proteínas, o transporte intraflagelar (IFT) é responsável pelo transporte de moléculas estruturais e de sinalização através da porta ciliar e pelo seu tráfego ao longo dos cílios.2). Assim, a mutação permanente da maquinaria chave do IFT não só impede que as moléculas de sinalização sejam traficadas para os cílios, mas também prejudica o tráfego de moléculas estruturais necessárias para a estrutura regular dos cílios. Como tal, uma compreensão completa de como o IFT e a morfologia ciliar moldam individualmente as respostas sensoriais permaneceu indefinida.
Na edição atual de Biologia PLOSPhilbrook e colegas exploraram como as respostas quimiossensoriais são diferentemente afetadas quando o tráfego ciliar e a morfologia da terminação sensorial são manipulados seletivamente (3). Usando Caenorhabditis elegans como modelo, os pesquisadores desenvolveram mutações sensíveis à temperatura (ts) nas proteínas motoras do IFT para interromper agudamente o IFT sem alterar a morfologia ciliar e vice-versa. Esta abordagem genética inovadora desemaranhou os efeitos do tráfico contínuo da estrutura ciliar para revelar as suas respectivas contribuições na formação das respostas de 2 neurónios sensoriais ciliados – os neurónios nociceptivos ASH e os neurónios olfactivos AWA (4).
Os neurônios ASH estendem cílios cilíndricos em forma de bastonete que detectam produtos químicos nocivos, como o glicerol (Figura 1Apainel esquerdo). Em cap-1; osm-3(ts) mutantes de cinesina, aumentando a temperatura para 27 ° C por 1 h, cílios truncados agudamente sem interromper o IFT contínuo e também diminuíram as respostas ao glicerol (Figura 1Apainel central). Em contrapartida, colocar che-3(ts) mutantes de dineína em uma temperatura restritiva por horas interromperam o IFT sem encurtar os cílios. Apesar do IFT prejudicado, esses neurônios exibiram respostas de glicerol do tipo selvagem (Figura 1Apainel direito) que provavelmente surgem de receptores e componentes de sinalização já traficados para os cílios da ASH antes da interrupção do IFT induzida pela temperatura, o que por sua vez sugere uma rotatividade limitada para essas moléculas nos cílios. No geral, as respostas normais de glicerol da ASH requerem um comprimento ciliar mínimo, em vez de IFT contínua.
Figura 1. A estrutura ciliar e o IFT impactam diferencialmente as respostas dos neurônios nociceptivos ASH e olfativos AWA.
(UM) Nos neurônios ASH, o comprimento ciliar reduzido diminui as respostas aos ligantes, enquanto o IFT interrompido não. (B) Nos neurônios AWA, a interrupção prolongada do IFT leva à formação de ramos PCMC. Isto coincide com um fenótipo de dessensibilização ao diacetil, um odorante que ativa o receptor ODR-10. (C) Modelo mecanístico: A estimulação prolongada do odor desencadeia a dessensibilização do ODR-10 mediada por GRK-2 nos cílios AWA. Na ausência de IFT, o ODR-10 – mas não o GRK-2 – está localizado nos ramos PCMC, evitando a dessensibilização do receptor nestes ramos ectópicos. (D) A interrupção aguda do IFT prejudica a adaptação do AWA à estimulação repetida com diacetil.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002924.g001
É este também o caso dos neurônios olfativos AWA, que detectam vários odores voláteis através de múltiplos receptores expressos em seus cílios sensoriais altamente ramificados.Figura 1Bpainel esquerdo)? Curiosamente, no mesmo cap-1; osm-3(ts) mutantes, a mudança para uma temperatura restritiva resultou em um fenótipo surpreendentemente diferente nos neurônios AWA. Especificamente, o aumento da temperatura para 30 °C durante 1,5 h aboliu a IFT sem alterar a morfologia ciliar, e esta manipulação também não afetou as respostas ao diacetil, um odorante que ativa o receptor ODR-10.Figura 1Bpainel central). No entanto, a interrupção mais prolongada do IFT (30 ° C durante 5 h) levou à formação de ramos dendríticos ectópicos do compartimento da membrana periciliar (PCMC), que coincidiu com um fenótipo de dessensibilização em que as respostas decaíram mais lentamente do que nos controlos (Figura 1Bpainel direito). Estas descobertas sugerem que a abolição do IFT por horas não reduz as respostas de diacetil AWA, enquanto a dessensibilização é prejudicada quando os ramos PCMC são formados.
Mecanisticamente, estes fenótipos são explicados pela regulação diferencial da dessensibilização do ODR-10 nos ramos PCMC e nos cílios AWA. A dessensibilização em neurônios do tipo selvagem surge através da fosforilação do ODR-10 pela quinase GRK-2 GPCR, que inativa o receptor para conduzir ao rápido decaimento da resposta. Tanto o ODR-10 quanto o GRK-2 estão co-localizados nos cílios do AWA, mesmo após 5 h de interrupção do IFT em cap-1; osm-3(ts) mutantes. No entanto, quando o IFT está prejudicado, apenas o ODR-10, mas não o GRK-2, está localizado nas ramificações recém-formadas do PCMC. Como resultado, embora o ODR-10 mal localizado nestes ramos ectópicos possa responder ao diacetil, estes receptores não podem ser adequadamente fosforilados e depois inactivados durante a estimulação prolongada do odor, levando ao fenótipo de dessensibilização.Figura 1C). Essas descobertas destacam como a cinética da resposta odorífera é moldada pela organização espacial das moléculas sinalizadoras.
Aumentando a complexidade, o SRX-64, outro receptor olfativo AWA que responde à pirazina, não é mal localizado nas ramificações do PCMC de forma tão robusta quanto o ODR-10 na ausência de IFT. Curiosamente, o IFT contínuo é necessário para a adaptação do ODR-10 à estimulação repetida com diacetil (Figura 1D), mas não para adaptação do SRX-64 aos pulsos de pirazina. Estas descobertas revelam um papel surpreendentemente complexo e heterogéneo do IFT no tráfego de moléculas e na regulação da adaptação, mesmo entre receptores co-expressos nos mesmos neurónios olfactivos.
Ao revelar os papéis distintos do IFT e da morfologia ciliar em C. elegante respostas quimiossensoriais, Philbrook e colegas avançaram em nossa compreensão da intrincada interação entre forma e função nos neurônios sensoriais. Este estudo genético aprofundado abre caminho para pesquisas futuras explorarem os mecanismos moleculares pelos quais o IFT e a arquitetura ciliar regulam as respostas sensoriais de maneira específica para receptores, ligantes e neurônios. Será interessante investigar se existe heterogeneidade funcional semelhante em outros neurônios sensoriais em diferentes espécies animais.
Este estudo traz amplas implicações, uma vez que os cílios são cruciais para os neurônios receptores olfativos, e os defeitos podem levar a ciliopatias que comprometem o sentido do olfato.5). Por exemplo, a anosmia relacionada com a COVID-19 provavelmente surge da retração dos cílios olfativos após a morte das células de suporte infectadas pelo SARS-CoV-2 (6). A interrupção do IFT está subjacente a esta mudança na morfologia ciliar em pacientes com COVID-19? Será também interessante determinar se os efeitos heterogéneos do IFT na C. elegante as respostas olfativas são refletidas em diferentes populações de neurônios receptores olfativos humanos.
