Även om cilium har varit känt för forskare i mer än 100 år, det är först nyligen som det har erkänts spela viktiga roller inom fysiologi. Praktiskt taget varje cell har ett primärt cilium som fungerar för att känna av vätskeflöde, överför kemiska signaler till andra celler och kontrollerar celltillväxt. Defekter i flimmerhårens funktion leder till en klass av sjukdomar som kallas ciliopatier, som inkluderar polycystisk njursjukdom, primär ciliär dyskinesi och Bardet-Biedls syndrom.

Extracellulära vesiklar (EV), membranbundna bärare med komplexa laster som inkluderar proteiner, lipider och nukleinsyror, funktion i långväga cellulär kommunikation, men hur cilia bidrar till EV-produktion var tidigare oklart för forskarvärlden. Nytt arbete från forskare vid Medical University of South Carolina (MUSC), publicerad online den 6 november av Journal of Biological Chemistry , visar att primära cilier genererar ungefär 60 % av de små elbilar som produceras av njurtubuliceller och att manipulering av ciliumlängden påverkar produktionen av elbilar. Vidare, proteininnehållet i elbilar är mycket olika beroende på längden på flimmerhåren.

"Under många år, folk trodde att elbilar representerade ett sophanteringssystem – ett sätt för cellen att bli av med saker den inte behövde. Men jag tror att det är ganska tydligt att små (50-150nm) elbilar representerar en av cellens viktigaste signalmekanismer, " säger Joshua H. Lipschutz, M.D., Arthur V. Williams ordförande och chef för avdelningen för nefologi vid MUSC. "Detta är den första riktiga demonstrationen i däggdjursceller att ektosomer, Elbilar producerade av primära cilier i motsats till exosomer, som är elbilar som är lika i storlek men som bildas i cellens multivesikulära kroppar, är så framträdande."

En av nyckelkomponenterna i ciliogenes - processen att generera ett cilium - är exocysten, ett åttaproteinkomplex som är mycket konserverat och som först upptäcktes i jäst. Tidigare arbete har visat att förlust av exocystkomplexkomponent 5 (EXOC5), ett av de åtta proteinerna som utgör exocysten, orsakar att mycket korta eller inga flimmerhår produceras. Omvänt, ökat uttryck av EXOC5 gör att flimmerhåren förlängs.

I sitt nuvarande arbete, Lipschutz och kollegor tog dessa data ett steg längre och undersökte exocystens bidrag till EV-produktion. De jämförde tre grupper av celler:normala njurceller, njurceller som tappat EXOC5 och njurceller som gör mer EXOC5 än normalt. Alla dessa tre grupper var signifikant olika varandra. Cellerna som förlorade EXOC5 hade mycket korta eller frånvarande flimmerhår och producerade också färre elbilar. Å andra sidan, celler som gjorde mer EXOC5 hade längre cilia och producerade betydligt fler elbilar. Analys av proteininnehållet i elbilarna som gjordes under dessa olika förhållanden visade dramatiska skillnader, vilket tyder på att kapaciteten för dessa elbilar att signalera till andra celler var olika i varje tillstånd.

Forskarna utökade sedan sitt arbete. De genererade njurceller som hade förlorat uttrycket av intraflagellär transportprotein 88 (IFT88), ett protein som också krävs för korrekt ciliumbildning. Dessa celler visade återigen en minskning i EV-produktion som den som ses under förhållanden där EXOC5 reducerades. Till sist, forskarna gjorde en mus med EXOC5 utarmat specifikt i proximala tubulusnjurceller och visade att elbilar isolerade från urinen från dessa möss hade ett annat proteininnehåll än elbilar hos normala möss, med många av samma förändringar observerade i cellinjerna.

"Det spännande och överraskande är att så många av de små elbilarna verkar vara ektosomer eftersom flimmerhåren bara utgör 0,2 % av cellmembranet men ändå är en av de främsta drivkrafterna för produktion av elbilar, säger Lipschutz.

Sammanfattningsvis, Lipschutz och kollegor har kopplat förekomsten och längden av primära cilier från däggdjur till EV-produktion. Förlust av EXOC5 eller IFT88 resulterade i kortare cilia som producerade färre elbilar, medan närvaron av mer EXOC5 resulterade i längre cilia som producerade fler elbilar. Viktigt, proteinerna som hittades i dessa olika elbilar var väldigt olika. Detta har viktiga konsekvenser för intercellulär kommunikation som inte är begränsad till njuren.

"Dessa ektosomer finns inte bara i urinen, men de finns också troligen i blodet och kan spela en roll i biologin hos många system, inklusive cancer, säger Lipschutz.

Eftersom de flesta celler har ett primärt cilium, defekter i cilia kan påverka många olika vävnadstyper. I framtiden, Lipschutz planerar att arbeta med andra forskare vid MUSC för att undersöka elbilar i andra vävnader med nedsatt flimmerhår, inklusive ögon- och hjärtvävnader.

"Dessa organeller, som folk skrev för 20 år sedan var evolutionära innehavare, som bihanget av organeller, inte bara är mekano- och kemosensorer utan är också involverade i att tillverka en betydande del av de elbilar som är centralt involverade i cellsignalering, " säger Lipschutz. "Jag tror att vi får reda på fler och fler saker som cilia, som innehåller mellan 500 och 1000 proteiner, gör och hur viktiga de är."