Atlas de histología vegetal y animal

Los centriolos y los cuerpos basales son estructuras formadas por microtúbulos que están presentes en la mayoría de las células animales. Se descubrieron a finales del siglo XIX con tinciones generales como la hematoxilina y su estructura se desentrañó en 1956 con la llegada de los microscopios electrónicos. Lo centriolos forman parte de los centrosomas, y los cuerpos basales son un componente de los cilios y los flagelos. Centriolos y cuerpos basales poseen la misma estructura molecular y a veces son intercambiables en la célula. Es decir, un centriolo puede viajar a la membrana y formar un cilio, y un cuerpo basal puede dirigirse al interior celular y formar parte de un centrosoma. La misión de los centriolos en el centrosoma parece relacionada con la organización del propio centrosoma, el cual es un nucleador y organizador de microtúbulos en las células animales, mientras que la función de los cuerpos basales es formar los microtúbulos que componen el axonema o esqueleto molecular de los cilios y flagelos. Pero tanto centriolos como cuerpos basales tienen otras funciones secundarias asociadas. Numerosas enfermedades tienen su causa en defectos en las proteínas que forman parte de los centriolos y los cuerpos basales, o están asociadas a ellos.

1. Estructura

En humanos los centriolos/cuerpos basales son cilindros que miden de 150 a 500 nm de altura y 250 nm de diámetro. La mosca del vinagre tiene centriolos de hasta 1000 nm de longitud en sus espermatozoides. La altura del centriolo/cuerpo basal es variable y no se sabe todavía cómo se establece. Esto hace al centriolo/cuerpo basal una de las estructuras proteicas más grandes de la célula. Sus paredes están formadas en la mayoría de los casos por 9 tripletes de microtúbulos dispuestos longitudinalmente (Figura 1). Aunque en ocasiones pueden ser 9 parejas, como ocurre en los embriones de la mosca del vinagre, o incluso 9 microtúbulos simples, como se puede observar en los embriones del nemátodo C. elegans. De los tres microtúbulos que forman cada triplete sólo el más interno, o microtúbulo A, tiene una estructura de microtúbulo completo con sus 13 protofilamentos, mientras que el B y el C son incompletos, tienen 10 protofilamentos y comparten 3 del A y 3 del B, respectivamente (ver Figura 1). A la parte distal del centriolo/cuerpo basal maduro sólo llegan los microtúbulos A y B, mientras que el C es más corto. En el interior del extremo proximal de los centriolos, muy patente en los centriolos jóvenes, existe una estructura proteicas a modo de rueda de carro que permiten la consistencia y organización espacial de los 9 tripletes de microtúbulos.

Todos los microtúbulos son estructuras polarizadas y tienen un extremo más y otro menos. Los microtúbulos de los centriolos/cuerpos basales están orientados todos en la misma dirección. Por lo tanto todos sus extremos más están en una parte del cilindro y todos los menos en la otra, formando los denominados extremos distal y proximal del centriolo/cuerpo basal, respectivamente. En definitiva, el centriolo/cuerpo basal también es una estructura polarizada. La polaridad es importante porque sólo en la parte proximal se forma la estructura molecular que permite la generación de un nuevo centriolo/cuerpo basal, mientras que en la distal se encuentran los apéndices y una especie de caperuza proteinácea que en los centriolos se llama caperuza CP110 y en los cuerpos basales es la zona de transición. Además, el material pericentriolar se organiza gracias a su interacción con el extremo proximal, sobre todo del centriolo maduro.

En los centrosomas hay dos centriolos, uno maduro y otro inmaduro. El centriolo inmaduro es más corto que el centriolo maduro. El centriolo maduro posee en su extremo distal unas estructuras proteicas denominados apéndices distales y subdistales. Los apéndices subdistales se encuentran en vertebrados, y los distales en todos los organismos que poseen centriolos. Los apéndices distales están relacionados con al asociación a la membrana plasmática cuando los centriolos maduros migran a sus proximidades para generar los cuerpos basales que formarán los cilios. También participan en el reclutamiento de la maquinaria para el transporte intraflagelar y participan en la extensión del axonema del cilio o flagelo. Además, ayudan a la formación de una vesícula que aparece como una caperuza en el extremo distal del centriolo y que se fusiona con la membrana plasmática durante la ciliogénesis. Los apéndice subdistales en interfase fijan microtúbulos y determinan la posición de los cilios primarios. Estos últimos apéndices desaparecen antes de la mitosis y aparecen tras la división en G1. Los cuerpos basales también poseen apéndices. En sus extremos distales tienen a los pies basales y las fibras de transición, que son estructuralmente similares a los apéndices subdistales y distales, respectivamente. Estos ayudan al anclaje del cuerpo basal en la membrana plasmática, mientras que las raíces estriadas, estructuras proteicas muy largas, se localizaan en sus extremos proximales, fijan al cilio o flagelo respecto a la estructura celular. Las raíces estriadas ayudan también a la organización de los orgánulos celulares, geometría celular o polarización de la célula, etcétera. En los centriolos también se pueden observar a veces estas raíces estriadas que los anclan a las estructuras celulares.

Los centriolos/cuerpos basales son muy estables, es decir, se mantienen con la misma estructura y las mismas moléculas durante largos periodos de tiempo. Esto es gracias a diversos mecanismos: pueden tener diferentes tubulinas, como las δ y ε, además de las α y β; además, las tubulinas sufren modificaciones químicas de los dímeros como acetilaciones o poliglutaminaciones; también se establecen enlaces moleculares entre microtúbulos y tienen asociaciones especiales con proteínas MAPS. Puede haber hasta 100 proteínas diferentes asocidos con los centriolos. Sin embargo, algunas células pueden eliminar sus centriolos como parte de su comportamiento fisiológico normal.

2. Formación

Dentro de un mismo organismo puede haber células con distinto número de centriolos y de cuerpos basales. Mientras que la mayoría de las células animales tienen un par de centriolos formando parte del centrosoma y otro como parte de un cilio, las células ciliadas de la tráquea pueden tener cientos de cuerpos basales. Incluso en algunas especies, en el mismo organismo hay células con centriolos y otras sin ellos. Por ejemplo, los ovocitos de los mamíferos, así como las células musculares esqueléticas diferenciadas, carecen de centriolos. Las ratas, ratones y hamsters no tienen centriolos hasta el estadio de 32 - 64 células en su desarrollo embrionario. Estos animales tampoco tienen centriolos en sus espermatozoides.

Para la mayoría de las células animales tener un número adecuado de centriolos en el citosol es crucial durante la división celular. Si hay sólo una pareja de centriolos formarán un sólo centrosoma produciéndose husos mitóticos monopolares y la división celular se detiene, y si hay más de dos parejas de centriolos se pueden formar más de dos centrosomas que darán lugar a husos mitóticos multipolares con el consiguiente reparto desigual de material genético durante la división, lo que acarrea la muerte celular o funcionamiento celular anormal. Por tanto es necesario que sólo queden dos parejas de centriolos en la célula antes de la división para que se formen dos centrosomas y, por tanto, husos mitóticos bipolares. Así, antes de la división celular tienen que formarse dos, y sólo dos, centriolos nuevos sobre la pared de los existentes,. Posteriormente, las dos parejas de centriolos (cada una con centriolo viejo y otro nuevo) han de desconectarse entre sí y desplazarse a ambos lados del uso. Además, han de deshacerse todos los cuerpos basales que forman los cilios y flagelos. Cuando se reparta el citoplasma durante la citocinesis, cada célula hija recibirá una pareja de centriolos.

Hay tres formas de producir centriolos y cuerpos basales: a partir de uno previo, a partir de material denso amorfo y a partir de moléculas que no forman agregados observables. La forma más común es a partir de un centriolo/cuerpo basal preexistente. Muchas especies animales reciben su primer centriolo/cuerpo basal del espermatozoide, que formaba parte de su flagelo, y a partir de él se pueden generar centriolos y cuerpos basales nuevos. Un centriolo preexistente hace de plataforma nucleadora para la formación de uno nuevo. A veces, se pueden generar varios centriolos/cuerpos basales hijos a partir de uno solo preexistente. Hay otra manera de producir centriolos/cuerpos basales de nuevo que no necesita la participación de otro previo. En estos casos, los centriolos/cuerpos basales se pueden formar a partir de agregados densos de material de naturaleza desconocida denominados deuterosomas. Ocurre en algunas células multiciliadas de mamíferos para producir multitud de cuerpos basales, y por tanto cilios, de forma muy rápida durante la diferenciación celular, como en las células ciliadas del epitelio respiratorio y en las del tracto reproductor femenino. En algunas especies de plantas y musgos se han encontrado otras estructuras denominadas blefaroplastos que son capaces de generar centriolos. Son como esferas huecas en cuya superficie se originan numerosos centriolos que al crecer y madurar romperán la estructura, quedando los centriolos libres en el citosol. En algunas ocasiones se pueden generar centriolos sin la presencia de una estructura previa observable. De esta manera se originan los centriolos en algunas células somáticas animales. Esta vía está inhibida por los centriolos preexistentes, pero se puede activar cuando se eliminan los centriolos mediante láser o microcirugía. Una vez activada se genera un número aleatorio de centriolos.

3. Duplicación

Independientemente de cómo sea el soporte para la duplicación parecen necesitarse varias proteínas entre las que se encuentran Plk4, STIL y SAS-6. Plk4 fosforila STIL la cual se une a SAS-6. SAS-6 es necesaria para la formación de la estructura simétrica inicial en forma de rueda de carro sobre la que crecerán los 9 tripletes de microtúbulos del centriolo (Figura 2). Otras proteínas que se encuentran en la rueda de carro son Ana2 , SAS-5 y SAS-4. SAS-4 se sitúa en la parte más periférica y promueve la polimerización de microtúbulos.

Asegurarse de que sólo se formará un centriolo a partir del centriolo madre es importante para la células y parece depender de la cantidad de Plk4, STIL y SAS-6. La PlK4 es una proteína esencial para la generación de un nuevo centriolo. Cuando se inhibe no se duplica el centriolo y cuando se sobreexpresa se generan más de un centriolo. La concentración de Plk4 se controla mediante el reciclado normal (síntesis y degradación) de la proteína por la célula.

En los centrosomas, la duplicación de la pareja de centriolos, tanto el centriolo maduro como el centriolo inmaduro, comienza al principio de la fase S. Hay proteínas en el centrosoma que asocian la proteina Plk4 a la zona proximal del centriolo madre, y la actividad de ésta recluta a las demás proteínas, creando la estructura en forma de rueda de carro. Esto fue descubierto primero en Chlamydomonas y Paramecium. Ésta organización en rueda de carro permite la nucleación inicial de los microtúbulos de cada nuevo centriolo, denominados procentriolos, de una manera estructurada. Una vez se ha formado la rueda de carro, se inicia la nucleación de los microtúbulos A, B y C. Algunas de las proteínas que participan en la generación de los procentriolos también participan en el control de su elongación. En humanos, sobre la rueda de carro se forma primero el microtúbulo A, el cual nuclea desde un anillo de γ-tubulina. Mientras que los microtúbulos B y C utlizan al microtúbulo A como plantilla para polimerizar y necesitan la presencia de tubulina ε y δ. Por ejemplo, si falta la tubulina δ no se forma el microtúbulo C del triplete. La elongación de los procentriolos ocurre al final de la fase S. Por otra parte, no se sabe cómo se determina la longitud de los centriolos pero sí se sabe que sólo el procentriolo o centriolo inmaduro es capaz de aumentar su longitud. Los microtúlos de los centriolos crecen a una tasa muy baja y son muchos más estables que los del citosol. Este comportamiento se debe a proteínas MAPs (proteína asociadas a microtúbulos). La elongación de los procentriolos ocurre durante la fase G2. Los nuevos centriolos deben asociarse con ciertas proteínas del centrosoma para ser competentes y organizar material pericentriolar en torno a ellos. Además, para convertirse en centriolos maduros han de desarrollar posteriormente los apéndices. Es interesante hacer notar que a un centriolo recién formado le lleva un ciclo de división y medio convertirse en un centriolo maduro con la adquisisción de los apéndices distales y subdistales.

Aunque un centriolo nuevo se forma sobre la pared de otro, no hay un efecto de molde. Así, el nuevo centriolo se forma a una distancia de unos 150 nm, el centriolo madre no aporta tubulina al nuevo, y nuevos centriolos se pueden formar en otras partes donde no hay centriolo anterior. El centriolo madre funciona más bien como una plataforma, en vez de un molde. La rueda de carro, que termina formando parte de la parte proximal del centriolo recién formado, no es una estructura permanente. Está ausente durante la fase G1 en aquellos centriolos que han madurado. Como hemos visto, los procentriolos se forman en zonas concretas del centriolo madre, y es éste el que determina la posición del perímetro donde se formarán. En células ciliadas unicelulares se ha demostrado que existen asimetrías moleculares en torno a los cuerpos basales que permiten la formación de nuevos cuerpos basales siempre en posiciones concretas de su extremo proximal asociadas a determinados tripletes de microtúbulos. Para la replicación de los cuerpos basales parece que las fibras estriadas que se encuentran en la zona proximal son importantes a la hora de empezar la síntesis del nuevo cuerpo basal.

Durante la fase G2 se produce la separación de los dos centriolos originales con sus respectivos procentriolos en formación. Esto requiere la rotura de una serie de fibras proteicas de conexión como la "rootletin" que conectaban ambos centriolos originales durante toda la fase G1 y S, liberándose cada centriolo con su procentriolo en formación (Figura 3). Esta separación de los centriolos originales más procentriolos conlleva que se reparta el material pericentriolar, apareciendo entonces dos centrosomas. (Figura 3)

4. Función

Los centriolos y los cuerpos basales tienen una organización de microtúbulos similar pero sus funciones son distintas. Aunque a veces se intercambian los papeles. Por ejemplo, en la fase del ciclo celular G0/G1, después de la mitosis, un centriolo se dirige a la superficie celular y organiza un cilio primario. Cuando la célula entra en el ciclo celular de nuevo para dividirse el cilio primario desaparece y el cuerpo basal se vuelve al centrosoma para funcionar como centriolo. Los centriolos no son estructuras estáticas en la células sino que se pueden mover por el citoplasma para realizar diversas funciones.

Centrosomas

Los centrosomas son estructuras esenciales para el funcionamiento de la mayoría de las células animales, tanto para la organización interna de su sistema de microtúbulos, como para la organización del huso mitótico durante la división. Los centriolos son los responsables de formar los centrosomas puesto que reclutan las moléculas que forman el material pericentriolar. Además, la duplicación del centrosoma en las células animales depende de la duplicación de los centriolos. Aún así, no se conocía exactamente qué función tenía el centriolo en los centrosomas en interfase. Actualmente se cree que son importantes para organizar el material pericentriolar. Se pensaba que el material pericentriolar estaba organizado de manera difusa en torno a los centriolos. Hoy hay indicios de que este material está organizado en capas a modo toroides (como donuts) alrededor del extremo proximal del centriolo maduro. Una proteína esencial para organizar el material pericentriolar es la proteína pericentrina. El tamaño o volumen del material pericentriolar depende entre otras cosas de lo grande que sean los centriolos, pero también está determinada por la disponibilidad de material pericentriolar en la célula y por la actividad de ciertos enzimas localizados en la parte proximal del centriolo.

Tanto centriolos como el material pericentriolar juegan un papel crucial durante la división celular de las células animales, puesto que son los encargados de formar el huso mitótico. Sin embargo, en las células vegetales el huso mitótico se forma en ausencia de centriolos.

Ciliogénesis

Los cilios y flagelos se forman a partir de los cuerpos basales por elongación mediante polimerización de los microtúbulos A y B de cada uno de los tripletes. Cuando una célula termina la división celular, el centriolo más viejo suele migrar a la membrana plasmática y se convierte en cuerpo basal para formar un cilio.

En las células multiciliadas de la tráquea, del oviducto y del epéndimo puede haber cientos de cilios en sus superficies libres. Al proceso de formación de multitud de cilios se le llama ciliogénesis, y al proceso de generar muchos centriolos que se convertirán en los cuerpos basales se le llama amplificación de los centriolos. La amplifación de los centriolos ocurre de dos maneras: una que es dependiente de centriolos previos, en la que los centriolos parentales hacen de plantilla para generar entre 2 y 8 nuevos centriolos, y una vía que es independiente de los centriolos en la que agregados electrondensos llamados deuterosomas son capaces de generar decenas de procentriolos cada uno. Los deuterosomas son estructuras pasajeras que se producen sólo durante el periodo de amplificación de los centriolos, y desaparecen tras la ciliogénesis. Ambas vías actúan en paralelo, pero la deuterosómica produce entre el 60 y el 80 % de los cilios. Hay una buena relación entre el número de cilios y la superficie apical de las células del epitelio respiratorio, pero no con el volumen celular. Esto se debe a alguna conexión mecánica puesto que cuando se reduce la superficie libre celular disminuye el número de cilios. La conexión podría estar mediada por mecanorreceptores moleculares tales como Piezo1. El movimiento de los cuerpos basales para ocupar su lugar está mediado por microtúbulos y filamentos de actina, importantes para el desplazamiento y atraque de éstos en la membrana plasmática.

La presencia de cilios es incompatible con la división celular, de modo que cuando una células se va a dividir el cilio desaparece, y con él su cuerpo basal. Esto parece evitar que los cuerpos basales interfieran con los centriolos, y por tanto con los centrosomas, en la formación del uso mitótico.

Asimetría celular

Las divisiones asimétricas son aquellas en las que hay un reparto desigual de componentes entre las dos células hijas. Aunque los centriolos no parecen imprescindibles para la división celular, se creen necesarios para las divisiones asimétricas puesto que contribuirían a una orientación adecuada del huso mitótico.

Otra forma de crear asimetría parece depender de qué célula se lleve el centriolo más viejo. Los centriolos viejos y los recién formados tienen capacidades diferentes. Por ejemplo, sólo el viejo forma el cuerpo basal del cilio primario y es el principal responsable de recolectar material pericentriolar de una manera más intensa. Es interesante que cuando una célula se divide, sus dos células hijas se llevarán los centriolos de diferente edad. Una de ellas se llevará la pareja con el centriolo más viejo. Éste parece rodearse de moléculas que son ligeramente diferentes a las que rodean al centriolo más joven (que forma parte de la otra pareja), lo que sirve para segregar en las células hijas diferentes moléculas asociadas a la matriz pericentriolar de uno otro centrosoma, como ARN mensajero o factores de transcripción. Se ha comprobado que la célula que capta el centrosoma con el centriolo más viejo desarrolla primero el cilio, lo que es importante para una célula puesto que es capaz de responder más rápido a señales captadas por dicho cilio primario. Esto pude ser suficiente para que las dos células hijas sean diferentes.

Un ejemplo claro de la asimetría orquestada por los centriolos (junto con el resto de matriz pericentriolar que les acompaña) son las divisiones asimétricas que se producen en la zona de generación de nuevas neuronas corticales, o zona subventricular. En estas zonas una célula madre se divide danto otra célula madre y una célula diferente que se diferenciará en neurona. Se ha observado que la división asimétrica es foavorecida por un reparto particular de los centriolos. La célula célula hija que quedará como la célula madre será la que se quede con el centriolo maduro, mientras la que se separará y se diferenciará en neurona será la que lleve el centriolo más joven. Curiosamente, en el sistema nervioso de la mosca del vinagre es al revés, la neurona diferenciada se llevaré el centriolo más viejo.

Organización celular

La localización de los centriolos en el citosol, formando parte de los centrosomas, es importante para mantener la organización de muchas células como los dinoflagelados, o para las células que se desplazan reptando puesto que ayudan a crear una polaridad entre el frente de avance y la parte trasera de la célula. Por ejemplo, en los astrocitos el aparato de Golgi se orienta hacia el frente de avance gracias a la acción del centrosoma, mientras que en los fibroblastos el núcleo se localiza en la parte más caudal, también gracias al centrosoma.

La posición de los centriolos, y por ello del centrosoma, en una zona determinada del citoplasma parece depender de la interacción entre microtúbulos y filamentos de actina. Normalmente, la posición del centrosoma se debe a la interacción de los microtúbulos nucleados desde el propio centrosoma con la corteza de actina en las proximidades de la membrana plasmática. Sin embargo, cuando el centrosoma se encuentra próximo a núcleo es debido a la interacción con proteínas de la envuelta nuclear que anclan al centrosoma en esa posición. En algunos eucariotas esta relación centrosoma envuelta nuclear está mediada por fibras proteicas denominadas fibras estriadas que unen ambas estructuras celulares.

Sinapsis inmunológica

Los linfocitos T forman las sinapsis inmunológicas, que son zonas de contacto entre estas células y las células presentadoras de antígenos. Durante esta formación hay un desplazamiento del centriolo desde el interior celular a las proximidades de estas sinapsis.

Inicio del desarrollo

La fecundación supone la fusión de dos células de las cuales sólo el espermatozoide tiene centriolos, resultante del cuerpo basal del flagelo y del próximo al núcleo. Estos centriolos serán los encargados de reclutar material pericentriolar que se encuentra en el óvulo para formar el centrosoma. El centrosoma recién formado, y la duplicación posterior del centriolo, se encargarán ya de nuclear y organizar el sistema de microtúbulos necesario para la migración y fusión de los dos pronúcleos, que son los núcleos haploides de los dos gametos, y posteriormente generará el huso mitótico que llevará a cabo la primera división celular. En algunas especies el espermatozoide puede aportar dos centriolos y, curiosamente, en otras como en el ratón, no se han encontrado centriolos en los gametos ni en las células somáticas de los primeros estadios del desarrollo embrionario temprano.

5. Evolución

Los eucariotas aparecieron hace más de 2000 millones de años, pero carecemos de fósiles que nos permitan estudiar estructuras subcelulares como los centriolos o cuerpo basales. Sólo se puede inferir cómo eran estas estructuras en nuestros antepasados a partir del estudio de los diferentes tipos de eucariotas que tenemos hoy en día. El cuerpo basal y axonema de cilios y flagelos está presente en todos los grupos principales de eucariotas, al menos en sus fases de gametos, lo que sugiere que el antepasado común de todos los eucariotas, LECA (last eukaryotic common ancestor; el primer ancestro de las células eucariotas), ya tenía cuerpos basales. Los más frecuentes son los formados por 9 tripletes de microtúbulos. Algunos eucariotas no tienen centriolos, tales como las angiospermas, las amebas y algunos hongos, y se cree que es por una pérdida de esta estructura ocurrida durante su evolución. Algunas plantas como las cicadas, yingos, musgos y algunos helechos desarrollan centriolos sólo para formar los flagelos de los gametos.

Bibliografía

Avidor-Reiss T, Khire A Fishman EL, Kyoung JH. 2015. Atypical centrioles during sexual reproduction. Frontiers in cell and developmental biology. 3:21.

Azimzadeh J, Bornens M. Structure and duplication of the centrosome. Journal of cell science. 2007. 120:2139-2142.

Bornens M. 2012. The centrosome in cells and organisms. Science. 335: 422-426.

Carvalho-Santos Z, Azimzadeh J, Pereira-Leal JB, and Bettencourt-Dias M. 2013. Evolution: Tracing the origins of centrioles, cilia, and flagella. Journal of cell biology. 194: 165-175.

Gönczy P. 2012. Towards a molecular architecture of centriole assembly. Nature review of molecular and cell biology. 13: 425-535.

Mahjoub MR, Nanjundappa R, Harvey MN. 2022. Development of a multiciliated cell. Current opinion in cell biology. 77: 102105. doi.org/10.1016/j.ceb.2022.102105

Winey M, O'Toole E. 2015. Centriole structure. Philosophical transactions of the Royal Society of London B biological sciences. 369:1650.