Cilia är små hårliknande organeller som sträcker sig från celler och utför många funktioner, inklusive rörlighet och signalering. Forskare har nu avslöjat att flimmerhåren har ett specialiserat transportnav vid sin bas, där tåg och laster monteras för transport genom flimmerhåren. Eftersom defekter i detta transportsystem för flimmerhår kan leda till tillstånd som cystiska njurar eller blindhet, publicerade resultaten i Science ger också nya insikter om den molekylära grunden för en mängd olika sjukdomar.

Cilia utför många funktioner för cellen:de hjälper celler att simma, flytta vätska och skicka meddelanden till varandra. Cilia ser till att vi kan se, de tar bort ämnen från lungorna, flyttar vätska i hjärnan och gör att vi kan uppfatta lukter och ljud. De är också väsentliga för vår utveckling och korrekt arrangemang av våra organ. Om deras funktion störs kan en mängd olika sjukdomar uppstå, inklusive hjärt-, njur- och lungsjukdomar, blindhet eller infertilitet.

Sammansättningen och funktionen av cilia bygger på stora tåg av proteiner som bär viktiga laster ut till ciliarspetsen och tillbaka till basen. Även de minsta mutationer i enskilda komponenter kan förlama trafiken inuti flimmerhåren.

Forskargruppen ledd av professor Ben Engel vid Biozentrum vid universitetet i Basel tillsammans med kollegor vid universitetet i Genève och forskningsinstitutet Human Technopole i Milano har nu lyckats undersöka flimmerhår i sin naturliga miljö. Deras analys avslöjade den ursprungliga 3D-strukturen av ciliärbasen för första gången. Här upptäckte de ett livligt transportnav, med tåg som monterades och lastades som förberedelse för deras resa in i flimmerhåren.

Laststation för transport av flimmerhår

Cilia är ordentligt förankrade i cellen vid basen. "Här är startstationen för transport av flimmerhår", förklarar Hugo van den Hoek, första författare till studien. "Här monteras tåg, lastas med gods och placeras på rälsen." Det finns totalt nio olika skenor inuti flimmerhåren, så kallade mikrotubuli. Var och en av dem består av två spår, ett för utgående tåg och ett för inkommande tåg. Tågen transporterar proteiner som signalmolekyler och byggmaterial till spetsen av flimmerhåren. På deras destinationsstation lastas tåget av och demonteras.

Teamet undersökte sammansättningen av de sammansatta tågen i detalj och avslöjade i vilken ordning tågkomponenterna sätts ihop vid den ciliära basen. De avbildade också strukturer vid basen som fungerar som en selektiv barriär. "Detta reglerar inträdet av stora tåg tills de är helt monterade och laddade med de godsproteiner som krävs för konstruktion och underhåll av flimmerhåren", säger van den Hoek. "Från fluorescensmikroskopi vet vi också den exakta tidtabellen för tågen. Tågen lämnar startstationen inom nio sekunder, och sedan börjar hela tågmonteringsprocessen igen."

Organeller i 3D

Forskarna löste strukturen och sammansättningen av ciliärbasen med hjälp av två kompletterande avbildningsmetoder. Forskargrupperna av Ben Engel i Basel och Dr. Gaia Pigino i Milano utförde kryoelektrontomografi, som avslöjar inhemska cellulära strukturer med utsökt molekylär detalj.

Forskare under ledning av Dr. Virginie Hamel och professor Paul Guichard i Genève lade till data från Expansion Microscopy, vilket gjorde det möjligt för många proteiner att lokaliseras och kartläggas på tomografistrukturerna. "Denna kraftfulla kombination av teknologier har gjort det möjligt för oss att rekonstruera den första molekylära modellen av ciliärbasen och observera hur den reglerar sammansättningen och inträdet av dessa stora proteintåg", förklarar Paul Guichard.

"Att förstå transportsystemet och dess logistik i detalj hjälper oss att förstå hur flimmerhåren är uppbyggd och fungerar, vilket också kan ge nya idéer för terapier för flimmerhårsjukdomar", säger Ben Engel. I ett nästa steg vill han och hans medarbetare undersöka vad som händer vid ciliärspetsen:hur denna slutstation är uppbyggd och hur returtransporten är organiserad. + Utforska vidare

Insikt i molekylär reglering av ciliumstruktur och sammansättning