Los microtúbulos son elementos del citoesqueleto, que tienen una función esencial en la fisiología celular. Forman un entramado que se extiende por el citosol y que es muy maleable gracias a la capacidadde polimerización y despolimerización que tienen los microtúbulos, fundamentalmente en su extremo más. Sin embargo, no todos los microtúbulos de la célula están sometidos a esta "inestabilidad dinámica". Existen estructuras celulares que poseen haces de microtúbulos altamente organizados y muy estables en cuanto a su disposición y longitud y que se disponen en la periferia celular. Tales estructuras se denominan cilios o flagelos Los cilios fueron ya descritos por A. van Leewenhoek y después observados por muchos microscopistas. Aparecen en la superficie libre de la mayoría de las células de vertebrados y eucariotas unicelulares formando grupos o aislados. Además, los cilios pueden moverse o ser inmóviles.
1. Estructura
Los cilios son expansiones celulares filiformes de unos 0,25 µm de diámetro y unos 10 a 15 µm de longitud que aparecen en las células animales y en algunos protozoos. Suelen disponerse densamente empaquetados, a modo de césped, o en penachos, en las superficies libres de numerosas células (Figuras 1 y 2), como las que forman los epitelios de los tractos respiratorios, de los conductos del aparato reproductor femenino de mamíferos o de las branquias de los peces y bivalvos. Hay un tipo de cilios denominado cilio primario que aparece aislado y se encuentra en la mayoría de los tipos celulares de mamíferos dentro de los tejidos. Los flagelos son similares a los cilios pero mucho más largos, con unas 150 µm de longitud, un poco más gruesos y suelen aparecer aislados o en grupos poco numerosos. Son mucho menos frecuentes que los cilios y no aparecen en los tejidos de vertebrados, sino en células móviles como ciertos organismos unicelulares y en los gametos masculinos de animales y de algunas plantas.
Los cilios y flagelos son estructuras complejas con más de 250 proteínas diferentes. Constan de diferentes dominios: en la base tenemos al cuerpo basal o centriolo, a la zona de transición, al cuerpo del cilio formado por una estructura de microtúbulos denominada axonema, de la membrana ciliar, y la matriz, que es contenido proteico que participa en cascadas de señalización. (Figuras 3 y 4).
El cuerpo basal es un centriolo, normalmente es el centriolo madre del centrosoma cuando hay un solo cilio. Está compuesto por 9 tripletes de microtúbulos que se organizan formando una estructura cilíndrica, Esta organización se puede expresar como 9x3 + 0. (el 0 es porque carece de microtúbulos centrales). En cada triplete sólo uno de los microtúbulos contiene una forma completa con 13 protofilamentos y los otros dos comparten protofilamentos. En la parte distal del cuerpo basal hay apéndice subdistales y distales, como en los centriolos madre del centrosoma. Los apéndices distales sirven para anclar al cilio a la membrana plasmática. La parte distal del cuerpo basal se transforma en una zona de transición en la cual sólo se extienden dos de los tres microtúbulos de cada triplete del cuerpo basal. Uno de los microtúbulos del triplete no alcanza esta zona. De manera que aquí tenemos una organización 9x2+0. La zona de transición es importante para actuar de barrera a la difusión de moléculas entre la membrana ciliar y el resto de la membrana plasmática de la célula. En la zona de transición hay proteínas en forma de Y que parten de los pares de micrtúbulos periféricos hacia la membrana y regulan las proteínas que difunden por la membrana. La zona de transición acaba en la denominada placa basal, donde polimeriza un par central de microtúbulos, que junto con los 9 pares que existentes se extienden para formar el armazón de microtúbulos de la mayor parte del cilio denominado axonema. El axonema tendrá una organización de 9x2+2. Los microtúbulos tienen sus extremos “más” localizados en la punta distal de los cilios y flagelos. En la parte distal se encuentra un entramado proteico complejo donde aparecen proteínas asociadas a los microtúbulos que estabilizan estos extremos más. La parte del cuerpo basal más próxima al interior celular se ancla al citoesqueleto mediante estructuras proteicas denominadas radios ciliares.
El axonema constituye la base estructural del cilio y es responsable del movimiento en los cilios móviles. Consta de 9 pares de microtúbulos exteriores que rodean a un par central. A esta disposición, como hemos dicho, se la conoce como 9 x 2 + 2. Cada microtúbulo del par central contiene los 13 protofilamentos típicos, pero las parejas externas comparten protofilamentos. A uno de los microtúbulos de cada par periférico se le denomina túbulo A y al otro túbulo B. El A es un microtúbulo completo con 13 protofilamentos, mientras que el B contiene sólo 10 u 11 protofilamentos propios y 2 o 3 compartidos con el A. Los cilios inmóviles o primarios carecen de par central y por tanto tienen la fórmula 9 x 2 + 0.
Esta organización se mantiene gracias a un entramado de conexiones proteicas internas que conectan a las parejas de microtúbulos. Al menos doce proteínas diferentes se han encontrado formando parte del axonema, las cuales están implicadas fundamentalmente en mantener esta organización . Las parejas contiguas de microtúbulos externos están conectadas entre sí mediante una proteína denominada nexina y por proteínas motoras denominadas dineínas. Estas proteínas serán las responsables del movimiento ciliar. Hay dos tipos de dineínas, las que tienen un brazo externo y las que lo tienen interno. . Los túbulos A de cada pareja están conectados por radios proteicos a un anillo central que encierra al par central de microtúbulos. Estos cuatro elementos proteicos forman unidades que se repiten periódicamente a lo largo del cilio.
La membrana ciliar es continua con la membrana plasmática de la célula. Sin embargo, es un dominio con una composición distintiva constituyendo un dominio funcional con numerosas proteínas características como canales y receptores. Esto permite a los cilios actuar como antenas sensoriales. La creación y mantenimiento de este dominio se debe a que la zona de transición del cilio actúa como barrera a la difusión de las moléculas de membrana. También contribuyen a crear este dominio las septinas y los apendices distales del cuerpo basal.
Otro compartimento es la matriz, la fase fluida que ocupa el interior ciliar. Hay que tener en cuenta que no hay síntesis de proteínas en el cilio, luego todas las proteínas que contiene han de incorporarse desde el citosol. También en la zona de transición se realiza un filtrado de las moléculas que entran y salen del interior del cilio. La matriz, además de ayudar a mantener la estructura del flagelo, también tiene proteínas que transducen la señales generadas en la membrana. En la matriz hay un sistema de transporte llamado transporte intraflagelar o IFT (“intraflagelar transport”). Es este sistema el encargado de mantener la estructura ciliar y mantener la funcionalidad del cilio. Este sistema consiste en moléculas tales como la kinesina-2 que transporta anterógradametne, hacia el extremo del cilio, y la dieneína-2 que lo hace hacia el cuerpo basal, a otras moléculas como las tubulinas o proteínas de transducción de señales.
2. Formación
Los cilios y flagelos que tendrá una célula se producen durante la diferenciación celular y por tanto se tienen que formar de nuevo. Los microtúbulos se forman a partir de los microtúbulos que forman el cuerpo basal. Pero entonces, ¿quién forma los cuerpos basales? Inicialmente, uno de los centriolos del centrosoma, el centrosoma madre, migra hacia la membrana plasmática, contacta con ella y forma la zona de transición. Después se inicia la polimerización de los túbulos A y B del axonema. Al final del proceso el centriolo se transforma en cuerpo basal. Hay células que tienen cientos de centriolos en sus superficies libres, como ocurre en las células del epitelio respiartorio, en las de las trompas de Falopio y en los tubos contorneados proximales del riñón¿Cómo aporta la célula suficiente cantidad de centriolos? Existen al menos tres formas de producir centriolos: a) por división de los centriolos gracias a un proceso por el que se forman nuevos centriolos a partir de la pared de centriolos preexistentes; b) por la presencia de deuterosomas, que son estructuras proteicas a partir de las cuales los centriolos pueden formarse independientemente de otros centriolos, lo cual es importante cuando la célula tiene que crear una gran cantidad de cilios; c) las plantas, que carecen de centriolos, realizan un proceso similar al anterior pero con otro tipo de agregados propios de los vegetales.
El proceso de ensamblaje de los cilios primarios comienza con la acumulación de vesículas enviadas desde el Golgi y desde los endosomas primarios hasta lo los apéndices distales del centriolo madre, donde se van fusionando. Éste es quizá el primer signo de transición de centriolo a cuerpo basal. Estas vesículas se convierten en una gran vesícula llamada vesícula del cilio primario. Empiezan a polimerizar microtúbulos desde el lado distal, bajo esta vesícula, que sigue creciendo con mayor llegada de vesículas, y los microtúbulos siguen creciendo. La vesícula forma una doble membrana que envaina al cilio en crecimiento. Este complejo atraca en la membrana plasmática y se fusiona la membran plasmática y la vaina del cilio en crecimiento. La extensión del axonema se produce cuando está la vesícula o la membran plasmática unida a los apéndices distales. Para el anclaje de la membrana o vesículas a los apéndices distales es necesaria la interacción de las proteínas Rab8 con proteínas del apéndice. Los apéndices distales son también necesarios para reclutar proteínas que participan en el transporte intraflagelar.
Para entrar en mitosis, los cilios tienen que desaparecer. La presencia de cilios significa que los centriolos se van a asociar a la membrana plasmática, con lo que la célula no puede organizar su huso mitótico, y por tanto el cilio es un inhibidor de la proliferación. El desensamblaje de los cilios en células que van a dividirse se produce en dos fases, una en G1 y otra antes de mitosis. Hay una deacetilación de la tubulina que forma los microtúbulos del axonema. La despolimerización de los microtúbulos es necesaria y está mediada por kinesinas. Estas kinesinas son fosforiladas por quinasas que se activan en la transición S/G2 y G2/M. En neuronas puede ocurrir que haya una separación completa del axonema del cuerpo basal.
3. Movimiento
Los cilios son estructuras que pueden moverse y su principal misión es la de desplazar fluidos, como ocurre con el mucus del tracto respiratorio, pero también empujan al óvulo a lo largo de las trompas de Falopio hasta el útero o mueven el agua alrededor de las branquias. Los organismos unicelulares los usan para moverse ellos mismos o para arremolinar el líquido que les rodea y así atraer alimento. Curiosamente hay cilios que no tienen el par central, son móviles, y desarrollan un movimiento rotacional, como el que se da en la cámara nodal de los embriones de los murínidos. El movimiento de los flagelos es diferente puesto que no desplazan el líquido en una dirección paralela a la superficie de la célula sino en una dirección paralela al propio eje longitudinal del flagelo. Cuando los cilios o flagelos se separan artificialmente de las células continúan moviéndose hasta que se les acaban las reservas de ATP. Esto implica que tienen movilidad intrínseca.
L os cilios y flagelos son máquinas moleculares que se mueven, y para ello necesitan una gran cantidad de moléculas que cooperan para producir tal movimiento. Como dijomos, conectando a las parejas de microtúbulos están las proteínas dineínas con brazo externo, con brazo interno, los complejos reguladores nexinas y los radios moleculares. El movimiento de los cilios está producido por las dineínas, que son motores moleculares que al hidrolizar ATP sufren cambios conformacionales que producen el movimiento. Si se eliminan, el movimiento cesa, aún en presencia de ATP. La dineína se ancla con su zona globular motora al microtúbulo B de una pareja externa y con la zona de la cola está unida permanentemente al microtúbulo A del par vecino. El proceso es similar al que se utiliza para el transporte de orgánulos en el citoplasma celular pero en este caso la carga que transporta es otro microtúbulo. Cuando la dineína se activa produce un desplazamiento de un par de microtúbulos respecto al otro. Para permitir un movimiento eficiente se necesita una coordinación entre las dineína de los dobletes externos de microtúbulos. Las proteínas nexinas y los radios proteicos son los que impiden que el flagelo se desorganice y que este deslizamiento de pares de microtúbulos respecto a sus vecinos se transforme globalmente en un movimiento útil. El control del movimiento parece depender de las concentraciones de calcio y permite a la célula variar el movimiento de estas estructuras. Una cuestión interesante es que no todas las dineínas se pueden activar a la vez sino de manera sincrónica. El resultado final es un movimiento de bateo en el caso de los cilios y de espiral en el caso de los flagelos. (Figura 5).
Dentro de los microtúbulos de los axonemas hay proteínas organizadas a intervalos que contribuyen a la estabilidad de los microtúbulos cohesionando los protofilamentos durante los fuertes movimientos mecánicos.
4. Funciones
Los cilios y flagelos tienen una función clara que es la de producir movimiento, pero además en muchas células funcionan como antenas receptoras y transductoras de información.
Movimiento
Una función del movimiento ciliar está implicada en el establecimiento de la lateralidad de determinadas estructuras de los vertebrados durante el desarrollo embrionario. El tipo de movimiento que realizan es de bateo en un plano, a modo de látigo, y de manera sincronizada, produciendo una especie de ola que desplaza el fluido en una dirección paralela a la superficie de la célula.
Receptores sensoriales
Prácticamente en todas las células estudiadas, excepto las células sanguíneas, hepatocitos, adipocitos, linfocitos y células musculares esqueléticas, poseen al menos un cilio denominado cilio primario. Por ejemplo, se han encontrado cilios primarios en células de los oviductos, neuronas, cartílago, ectodermo de las extremidades en desarrollo, células mesenquimáticas, ventrículos cerebrales, células epiteliales de los conductos urinarios, conductos pancreáticos, e incluso en células en cultivo. Sólo el centriolo madre es capaz de hacer un cilio primario, y lo hace a partir de los extremos distal de los microtúbulos del triplete.
Los cilios primarios no son móviles y se pensó que no eran funcionales. Sin embargo, se observó que la membrana ciliar tenía numerosos receptores y canales iónicos, por lo que se le asignó un papel sensorial.
Otros cilios especializados en la recepción de señales son aquellos localizados en las neuronas del epitelio olfativo que poseen receptores transmembrana que captan señales olorosas Los segmentos externos de los conos y bastones de la retina son en realidad cilios modificados. Tanto en cilios primarios, como en estos cilios especializados, algunos de los receptores que captan señales externas están más densamente empaquetados en sus membranas que en el resto de la membrana plasmática de la célula. Además, existen numerosas moléculas en el interior del cilio primario que transducen estas señales. La mayor relación superficie/volumen hace que las respuestas intraciliares sean muy intensas frente a señales externas relativamente débiles. Además de sustancias químicas también pueden detectar movimientos de fluidos circundantes, actuando como mecanorreceptores. La mayoría de los cilios sensoriales son inmóviles, pero hay cilios móviles con capacidad de procesar información como ocurre con los cilios del epitelio respiratorio que son capaces de detectar sustancias nocivas.
Ciliopatías
Hay numerosas enfermedades humanas consecuencia de disfuncionalidades en los cilios denominadas ciliopatías. Estas alteraciones tienen consecuencias diferentes según se den en los cilios móviles o inmóviles. Se conocen 35 ciliopatías diferentes causadas por mutaciones en más de cien genes relacionados con la función o la estructua de los cilios. Incluyen aleatoriedad de la lateralidad, anormalidades en el cierre y estructuración del tubo neural, polidactilia, riñón cístico, enfermedades hepáticas y pancreáticas, degeneración retiniana, efectos cognitivos y obesidad.
Las deficiencias que afectan a la funcionalidad de los cilios móviles producen una ciliopatía llamada disquinesia ciliar primaria. Provoca enfermedades como el situs inverso, bronquitis crónica, sinusitis, infertilidad masculina e hidrocefalia. Está causada por alteraciones de los brazos externos e internos de la dineína, de los complejos asociados a estas dineínas o en los pares centrales, todos ellos implicados en la movilidad de los cilios. Normalmente no afecta a la señalización por los cilios.
Las ciliopatías sensoriales se deben a alteraciones en los mecanismos de recepción o transducción de las señales procesados por los cilios. Ya que la funcionalidad de los cilios primarios es muy variada también lo son las ciliopatías relacionados con ellos. Por ejemplo, los fotorreceptores de la retina captan la luz a través de sus cilios, igual que hacen las células del epitelio olfativo, y son dos procesos muy diferentes. Sin embargo, defectos en los procesos de formación de los cilios o en sus propias estructuras pueden afectar a la funcionalidad de ambos tipos de células sensoriales. Pero los cilios también afectan a la propia fisiología de la célula y a la regulación de la expresión génica. Esto es claro durante el desarrollo y la señalización mediada por las proteínas “sonic hedge hog” (SHH)
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