Identification of ciliary adhesion complexes and characterization of the role of FAK in ciliogenesis

Abstract

Οι κροσσοί είναι σημαντικές δομές των κυττάρων και αποτελούν οργανίδια τα οποία προεκβάλλουν από την κορυφαία επιφάνεια των κυττάρων συμμετέχοντας σε καθοριστικές λειτουργίες των οργανισμών. Η δυσλειτουργία των κροσσών συνδέεται με διάφορες ανωμαλίες κατά την εμβρυική ανάπτυξη καθώς και με ασθένειες, που μπορούν να οδηγήσουν μεταξύ άλλων σε υπογονιμότητα και αναπνευστικά προβλήματα. Για τη δημιουργία των κροσσών πολύ σημαντικό ρόλο διαδραματίζει ο κυτταροσκελετός ακτίνης των κροσσωτών κυττάρων. Κατά τη διαφοροποίηση των κροσσωτών κυττάρων σχηματίζονται διακριτά δίκτυα ακτίνης, τα οποία συνδέονται με συγκεκριμένα μέρη των κροσσών και συγκεκριμένα με τα βασικά τους σωμάτια. Αυτή η σύνδεση είναι απαραίτητη τόσο για τη δημιουργία των κροσσών και την οργάνωση τους κατά μήκος της επιφάνειας των κυττάρων ενός κροσσωτού επιθηλίου, αλλά και για τη διασφάλιση της λειτουργικότητας τους. Ο τρόπος όμως με τον οποίο εξασφαλίζεται η σύνδεση ανάμεσα στα βασικά σωμάτια και τον κυτταροσκελετό ακτίνης δεν είναι γνωστός. Εδώ παρουσιάζουμε πως ένας αριθμός πρωτεινών, γνωστές ως πρωτείνες των εστιακών προσκολλήσων, όπως η κινάση των εστιακών προσκολλήσεων (FAK), η παξιλλίνη (paxillin) και η βινκουλίνη (vinculin) εντοπίζονται στη βάση των πολλαπλών-κινητών κροσσών όπου συνδέονται με τα βασικά σωμάτια και προεκτάσεις τους (που ονομάζονται ριζίδια) και σχηματίζουν σύμπλοκα τα οποία και ονομάσαμε «σύμπλοκα προσκόλλησης των κροσσών» (ciliary adhesion complexes). Όπως δείχνουμε, στα δύο σημεία όπου εντοπίζονται οι πρωτεϊνες αυτές συνδέονται επίσης με το κορυφαίο και υπο-κορυφαίο δίκτυο ακτίνης αντίστοιχα, ενώ περαιτέρω πειράματα υποδηλώνουν την ύπαρξη αλληλεπίδρασης ανάμεσα στην πρωτεϊνη FAK και την ακτίνη στις συγκεκριμένες περιοχές. Επιπλέον, δείχνουμε πως η μείωση των επιπέδων της πρωτεϊνης FAK στα κροσσωτά επιδερμικά κύτταρα του εμβρύου του βατράχου Xenopus laevis, επηρεάζει τη σωστή δημιουργία των κροσσών οι οποίοι παρουσιάζονται ελαττωματικοί λόγω της απώλειας σύνδεσης ανάμεσα στα βασικά σωμάτια και τον κυτταροσκελετό ακτίνης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα καθοριστικές για τη δημιουργία και λειτουργία των κροσσών διαδικασίες, οι οποίες στηρίζονται στον κυτταροσκελετό ακτίνης, να μην γίνονται σωστά. Τα αποτελέσματα μας, υποδηλώνουν ότι τα σύμπλοκα προσκόλλησης των κροσσών έχουν καθοριστικό ρόλο για τη δημιουργία των κροσσών παρέχοντας τη σύνδεση ανάμεσα στον κυτταροσκελετό ακτίνης και τους κροσσους. Επιπλέον, υποστηρίζουν πως η πρωτεϊνη FAK αποτελεί σημαντικό ρυθμιστή αυτών των συμπλόκων και είναι απαίτητη για τη σωστή λειτουργία τους. Όπως δείχνουμε, η καταλυτική δράση της FAK δεν είναι αναγκαία αλλά η FAK δρα σαν πρωτείνη ικκρίωμα στα σύμπλοκα προσκόλλησης των κροσσών. Η λειτουργία της βασίζεται στο αμινο-τελικό και καρβοξυ-τελικό της άκρο τα οποία ρυθμίζουν τον εντοπισμό της FAK στα σύμπλοκα με συνεργιστικό τρόπο, ενώ η αλληλεπίδραση της FAK με την πρωτείνη παξιλλίνη είναι απαρίτητη για τον σωστό εντοπισμό και τη λειτουργία της. Τέλος, τα αποτελέσματα μας δείχνουν πως οι ίδιες πρωτεϊνες εντοπίζονται στη βάση και άλλων τύπων κροσσών. Συγκεκριμένα εντοπίζονται δίπλα από τα βασικά σωμάτια των αισθητήριων-πρωτογενών κροσσών και των μονήρων κινητικών κροσσών, υποδηλώνοντας μια γενική λειτουργία των συμπλόκων προσκόλλησης των κροσσών σε όλους τους τύπους κροσσωτών κυττάρων. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν την παρουσία τέτοιων πρωτεινών σε μαστιγοφόρους μονοκύτταρους ευκαρυωτικούς οργανισμόυς, τα αποτελέσματα μας προτείνουν πως πιθανώς οι πρωτεϊνες αυτές εμφανίστηκαν εξελιχτικά για να εξυπηρετούν λειτουργίες σε μαστίγια και κροσσους και στη συνέχεια προσαρμόστηκαν για συμμετοχή στους μηχανισμούς κυτταρικής προσκόλλησης στους πολυκύτταρους οργανισμούς.

Cilia are microtubule-based organelles projecting from the apical surface of cells. Ciliary dysfunction is linked to a variety of diseases in humans, called ciliopathies, and can lead to infertility, laterality defects, respiratory problems etc. Several lines of evidence support a central role of the actin cytoskeleton during ciliogenesis while different networks of actin have been shown to connect with the cilia through the basal bodies and their accessory structures. This connection is necessary for proper development of cilia as well as for their organization and function in multiciliated cells. However, how are cilia connected to the actin cytoskeleton is not known. Here we show that that well characterized focal adhesion proteins such as the focal adhesion kinase (FAK), paxillin and vinculin associate with the basal bodies and their striated rootlets in multiciliated cells where they form complexes which we named ciliary adhesions. At both sites, ciliary adhesion proteins are shown to associate with the apical and sub-apical networks of actin, while FRET experiments support an interaction between FAK and actin at these regions. Moreover, we show that FAK down-regulation in the multiciliated cells of the Xenopus epidermis leads to ciliogenesis defects attributed to defective actin mediated processes and that the association between basal bodies and actin is disrupted in the absence of FAK. Collectively, our data suggest that ciliary adhesions connect cilia to the actin cytoskeleton through the basal bodies and the rootlets and that FAK is an important regulator of these complexes. Furthermore, we provide evidence that the kinase activity of FAK is dispensable for its function during ciliogenesis which suggests that FAK acts as a purely scaffolding molecule in multiciliated cells. However, its function depends on its amino- and carboxyl- termini which cooperate to drive FAK at ciliary adhesions, while an interaction with paxillin is also crucial for correct localization. Finally, we show that ciliary adhesion proteins are also found at the base of sensory, primary cilia and motile monocilia where they localize next to the basal bodies suggesting a general function of ciliary adhesions in ciliated cells. Considering the presence of key focal adhesion/ciliary adhesion proteins in flagellated unicellular eukaryotes, our findings lead us to propose that these proteins originally evolved to serve flagellar functions in unicellular eukaryotes and were later co-opted for use in cell adhesion in multicellular organisms.