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Wie schlagen Zilien?

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Nach dem, was ich gelernt habe, ist der Mechanismus des Schlagens der Zilien: Bewegung von Dynein zum (-)-Ende, d. Dies wird durch Linkerproteine ​​verhindert, die in den benachbarten Mikrotubuli-Paaren verankert sind. Wenn sich Dyneine bewegen, werden die Linkerproteine ​​daher verzerrt und die Zilien werden verbogen.

Meine Frage ist: Soweit ich weiß, kann sich Dynein nur in eine Richtung bewegen (zum (-)-Ende), d.h. die Zilien können sich nur in eine Richtung bewegen, also vorwärts schlagend. Ich möchte fragen, wie sich die Flimmerhärchen wieder in die ursprüngliche Position (Rückwärtsbewegung) bewegen und den nächsten Schlag einleiten können?

Bearbeiten: Ich habe Wikipedia überprüft, dort steht, dass es einen Prozess namens Intraflagellar Transport (IFT) gibt bidirektional und ermöglicht den retrograden Transport von Zilien (Rückwärtsbewegung?) durch Dyneine, was im Widerspruch zu dem zu stehen scheint, was ich gelernt habe.


Feiern Sie Cytochemie

Hypophysengonadotrope sind immunmarkiert fluoreszierend grün für LH (siehe obiges Banner) und Kerne werden mit DAPI blau gefärbt. In der obigen Ansicht sind sie jedoch für Cre-Rekombinase mit Dylight 594 (rot) in den Kernen und im Zytoplasma doppelt markiert. Dadurch werden die Kerne violett und das Zytoplasma gelb.

5 nM Goldmarker weisen LH im Golgi-Komplex und in einem sekretorischen Granulat nach.

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Wie Zilien die Welle machen

Dünne, haarähnliche biologische Strukturen, die Zilien genannt werden, sind winzig, aber mächtig. Jedes, das aus mehr als 600 verschiedenen Proteinen besteht, arbeitet mit Hunderten von anderen in einer dicht gepackten Schicht zusammen, um sich wie eine Menge bei einem Ballspiel zu bewegen, das "die Welle" macht. Ihre synchronisierte Bewegung hilft, Schleim aus der Lunge zu entfernen und Eier aus den Eierstöcken in die Gebärmutter zu leiten. Durch die Kontrolle des Flüssigkeitsflusses um einen Embryo tragen die Zilien auch dazu bei, dass sich Organe wie das Herz auf der richtigen Seite Ihres Körpers entwickeln.

Aber trotz der Bedeutung der Zilien haben Wissenschaftler kein gutes Verständnis des Mechanismus, der kontrolliert, wie die Zilien im Einklang schlagen, um ihre vielen wesentlichen Funktionen auszuführen. Um dies zu untersuchen, erstellte eine Gruppe staatlich finanzierter Forscher der Brandeis University unter der Leitung von Zvonimir Dogic und Daniela Nicastro die ersten Modelle künstlicher Zilien.

Der Hauptbestandteil waren Mikrotubuli oder hohle Proteinröhrchen, die pflanzlichen und tierischen Zellen Struktur verleihen und ihre Bestandteile für die Zellteilung organisieren und bewegen. Motorproteine ​​und eine Verbindung, die Mikrotubuli zu Bündeln zusammenfügt, kamen ebenfalls in die Mischung.

In einer Maschine namens Strömungskammer bewegten sich die künstlichen Flimmerhärchen wie in der Realität: Sie schlugen in einer Reihe synchronisierter, selbstorganisierter Wellen zusammen. In einigen Fällen, wie Sie hier sehen, können die im Labor hergestellten Zilien sogar Trümmer entlang der Oberfläche einer Blase schieben und den Transport entlang der Oberfläche einer Zelle nachahmen.

Als erstes Beispiel für ein System, das wie Flimmerhärchen schlägt, könnten die neuen Modelle in Bereichen wie der Zellbiologie, Physik und Nanowissenschaften Anwendung finden. Die Modelle werden auch neue Türen für die Untersuchung von Ziliopathien öffnen, seltene, aber schwerwiegende genetische Störungen, die entstehen, wenn sich die Zilien nicht normal bewegen.

Die Forscher gehen davon aus, dass künstliche Flimmerhärchen sogar Aufschluss über andere selbstorganisierende Systeme wie Bakterienkolonien, Zugvogelschwärme und Verkehrsmuster geben könnten.

Diese Forschung wurde von den National Institutes of Health (NIH) und der National Science Foundation (NSF) unterstützt. Um weitere coole Bilder und Videos der biomedizinischen Grundlagenforschung in Aktion zu sehen, besuchen Sie die Biomedical Beat Cool Image Gallery des NIH.

Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider. Siehe die Archiv Forschung in Aktion.


Zilienfunktion

Zilien können helfen, Verunreinigungen aus Organen oder Gewebe zu entfernen, indem sie helfen, Flüssigkeiten über die Zelle zu bewegen. Die Schleimhaut des Nasopharynx und der Luftröhre sind mit Flimmerhärchen bedeckt. Diese Flimmerepithelzellen entfernen Schleim, Bakterien und andere Ablagerungen aus der Lunge. Ein weiteres Beispiel ist die Auskleidung der Eileiter. Die Zilien sind hier dafür verantwortlich, bei der Befruchtung durch die Bewegung der Eizelle in Richtung Gebärmutter zu helfen.

Kinozilien sind eine spezialisierte Art von Zilien, die an den apikalen Enden von Wirbeltierhaarzellen gefunden werden. Zusammen mit Stereozilien, unbeweglichen Ansammlungen von Aktinfilamenten, die mit Zilien in Verbindung stehen, sind sie am Hören und Gleichgewicht (Mechanorezeption) beteiligt.


Diese Abbildung zeigt die innere Struktur eines Ziliens mit den neun Paaren äußerer Mikrotubuli und den beiden zentralen Mikrotubuli, die durch Protein-Linker und Dynein-Moleküle verbunden sind.


Diese Abbildung zeigt Epithelzellen, die mit kleinen haarähnlichen Flimmerhärchen bedeckt sind.

1. Woraus bestehen Zilien?
A. Mikrofilamente
B. Mikrotubuli
C. Keratin
D. Aktin

2. Welcher Organismus hat keine Zilien?
A. Bakterien
B. Protisten
C. Pflanzen
D. Tiere

3. Welche der folgenden Funktionen gehören nicht zu den Zilien?
A. Fortbewegung
B. Fütterung
C. Reproduktion
D. Infektion bekämpfen
E. Nichts des oben Genannten


Struktur und Funktion von Zilien

Strukturell besteht jedes Ciliar aus einem mikrotubulären Rückgrat - dem Ziliaraxonem - umgeben von einer Plasmamembran (siehe Abbildung unten).

Bewegliche Flimmerhärchen sind durch eine typische „9+2“-Architektur mit neun äußeren Mikrotubuli-Dubletts und einem zentralen Mikrotubuli-Paar (z. B. Bronchien) gekennzeichnet.

Primäre Zilien treten typischerweise als einzelne Anhängsel Mikrotubuli auf der apikalen Oberfläche von Zellen auf und es fehlt das zentrale Mikrotubulipaar (z. B. in Nierentubuli).

Ziliare Proteine ​​werden im Zellkörper synthetisiert und müssen zur Spitze des Axonems transportiert werden. Dies wird durch den Intraflagellar Transport (IFT) erreicht, eine geordnete und hochregulierte anterograde und retrograde Translokation von Polypeptidkomplexen (IFT-Partikeln) entlang des Ziliaraxonems.

Funktionsstörungen oder Defekte in beweglichen und primären Zilien werden heute als Ursache für eine Reihe von verheerenden genetischen Erkrankungen bezeichnet – genannt Ziliopathien - die eine schwere wirtschaftliche und gesundheitliche Belastung für Einzelpersonen, Familien und die Gesellschaft darstellen.

Über die Struktur und Funktion beweglicher und primärer Zilien ist noch vieles unbekannt, aber wir glauben, dass mehr Forschung an diesen kritisch wichtigen Zellorganellen letztendlich bessere Möglichkeiten zur Behandlung und Unterstützung von Menschen bringen wird, deren Leben durch defekte Zilien beeinträchtigt ist.


Nieren

Die für die Nierenfunktion wichtigen Flimmerhärchen überwachen den Urinfluss in diesem Organpaar. Seit fast einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler nach einem Zusammenhang zwischen Nierenerkrankungen und Zilien gesucht. Obwohl der genaue Mechanismus nicht klar ist, glauben Forscher, dass die Nierenzilien geschädigt werden und den Urinfluss nicht überwachen können, was dazu führt, dass die Nieren vernarbt und krank werden, was zu Nierenversagen führt.


Chlamydomonas Mutanten und Strukturanalysen zeigen funktionelle Spezialisierung vieler konservierter axonemaler Dyneinmotoren und Motilitätsregulatoren

Chlamydomonas Mutanten waren besonders aufschlussreich, da sie Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur des Axonems, die Regulation der Motilität, die Rolle verschiedener Dynein-Motoren und den Aufbau und die Längenregulierung des Ziliens geben (Avasthi und Marshall 2012). Hier konzentrieren wir uns darauf, wie Chlamydomonas hat unser Verständnis des Mechanismus und der Regulierung der Ziliarbiegung verbessert und insbesondere dazu beigetragen, die allgemeine Rolle der äußeren und inneren Dyneinarme bei der Steuerung von Schwebungsfrequenz und Wellenform zu kennen.

Anfänglich und allgemein werden die axonemalen Dyneine als äußerer und innerer Dynein-Arm bezeichnet, aber in Wirklichkeit gibt es viele verschiedene, konservierte Dynein-Motoren, die stark im Axonem lokalisiert sind und speziellen Zwecken der Bewegungssteuerung dienen ( König und Kamiya 2009). Das am besten verstandene axonemale Dynein ist der äußere Dynein-Arm. Die äußeren Dyneinarme sind biochemisch sehr komplex: Jeder besteht aus zwei oder drei verschiedenen Dynein-ATPasen und mindestens 16 verschiedenen Untereinheiten. Sie werden einzeln in Reihen auf Dubletten Nummern 2–9 Zoll montiert Chlamydomonas Axonemen und wiederholen sich in regelmäßigen 24-nm-Perioden entlang jedes äußeren Dubletts (siehe Abbildung 4 Goodenough und Heuser 1982). Entlang des größten Teils des Axonems ist jeder äußere Dyneinarm strukturell – und normalerweise biochemisch – mit seinem Nachbarn identisch. Mutationen in den Genen, die die Strukturproteine ​​des äußeren Dynein-Arms codieren, oder assoziierte Faktoren, die am Targeting und Zusammenbau des äußeren Dynein-Arms beteiligt sind, können dazu führen, dass der gesamte oder ein Teil des äußeren Dynein-Arms nicht zusammengebaut wird und folglich die Beweglichkeit beeinträchtigt ist (King und Kamiya 2009).

Die Ultrastruktur des Chlamydomonas-Axonems. Kryoelektronentomographie-Schnitte zeigen (a) eine Längs-, (b) eine dreidimensionale Ansicht und (c) eine Querschnittsansicht eines Chlamydomonas-Axonems. Die roten Kästchen heben in jeder Ansicht eine axonemale Wiederholungseinheit von 96 Nanometer (nm) hervor. (d, e) Isooberflächen-Renderings und (f, g) ein vereinfachtes Schema zeigen eine gemittelte axonemale Wiederholung von 96 nm in (d, f) Längs- und (e, g) Querschnittsorientierung. Die Querschnittsscheibe wird nahe der radialen Speiche 2 aufgenommen, gesehen vom proximalen zum distalen Ende. Die wichtigsten axonemalen Strukturen sind hervorgehoben: die A- und B-Tubuli (AT, BT), den Nexin-Dynein-Regulationskomplex (N-DRC), radiale Speichen (RS1, RS2), den Calmodulin- und Speichen-assoziierten Komplex (CSC) und den inneren und äußeren Dynein-Arm (IA, OA). Die Dyneine des inneren Arms umfassen den I1-Komplex (Dynein f α und β) und die Dyneine a–g. Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Heuser und Kollegen (2012a, 2012b).

Die Ultrastruktur des Chlamydomonas-Axonems. Kryoelektronentomographie-Schnitte zeigen (a) eine Längs-, (b) eine dreidimensionale Ansicht und (c) eine Querschnittsansicht eines Chlamydomonas-Axonems. Die roten Kästchen heben in jeder Ansicht eine axonemale Wiederholungseinheit von 96 Nanometer (nm) hervor. (d, e) Isooberflächen-Renderings und (f, g) ein vereinfachtes Schema zeigen eine gemittelte axonemale Wiederholung von 96 nm in (d, f) Längs- und (e, g) Querschnittsorientierung. Die Querschnittsscheibe wird nahe der radialen Speiche 2 aufgenommen, gesehen vom proximalen zum distalen Ende. Die wichtigsten axonemalen Strukturen sind hervorgehoben: die A- und B-Tubuli (AT, BT), den Nexin-Dynein-Regulationskomplex (N-DRC), radiale Speichen (RS1, RS2), den Calmodulin- und Speichen-assoziierten Komplex (CSC) und den inneren und äußeren Dynein-Arm (IA, OA). Die Dyneine des inneren Arms umfassen den I1-Komplex (Dynein f α und β) und die Dyneine a–g. Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Heuser und Kollegen (2012a, 2012b).

In Übereinstimmung mit den bahnbrechenden Studien von Gibbons BH und Gibbons (1973) ist die bemerkenswerteste Folge des Versagens bei der Montage des äußeren Dynein-Arms die reduzierte Ziliarschlagfrequenz (Brokaw und Kamiya 1987, Brokaw 1994, Kamiya 2002). Der äußere Dyneinarm und die Ziliarschlagfrequenz können durch Phosphorylierung und Veränderungen des Kalziums reguliert werden (Christensen et al. 2001, King und Kamiya 2009, King 2010). In den Ciliaten Paramezium und Tetrahymena, führt ein Anstieg von cAMP um das Axonem zu einem schnelleren Schwimmen durch Phosphorylierung eines kleinen äußeren Dyneinarm-assoziierten Proteins (Christensen et al. 2001). In vitro, verursacht der phosphorylierte äußere Dynein-Arm ein schnelleres Gleiten der Mikrotubuli, was bedeutet, dass weniger Zeit benötigt wird, um das gleiche Ausmaß an Gleiten während eines Schwebungszyklus zu erzeugen – d. h. dass die Schwebungsfrequenz schneller ist. Verschiedene Beweise deuten auch darauf hin, dass die äußeren Dyneinarme auf mechanische Störungen des Axonems reagieren (Hayashibe et al. 1997). Eine mechanische Rückkopplung ist wahrscheinlich wichtig für das Umschalten zwischen aktiven und inaktiven Zuständen und wird für das Vorwärts- und Rückwärtsbiegen benötigt. In Übereinstimmung mit einer mechanischen Rückkopplungssteuerung, wie oben diskutiert (Shingyoji et al. 1977), kann die Biegung des Axonems das Dynein-getriebene Mikrotubulusgleiten aktivieren (Morita und Shingyoji 2004, Hayashi und Shingyoji 2008). Darüber hinaus können diese Daten auch indirekt ein wichtiges Modell für die mechanische Kontrolle des Biegens betreffen, das so genannte geometrische Kupplungshypothese, das Veränderungen der Interdoublet-Abstände entsprechend der Armaktivität und der Biegungsproduktion im Zusammenhang mit der Verzerrung des Axonems während des Biegens vorsieht (für eine vollständige Diskussion siehe Lindemann 2011). Die vorhergesagte Verzerrung im Axonem während des Biegens wurde durch Elektronenmikroskopie beobachtet (Lindemann und Mitchell 2007).

Die inneren Dyneinarme sind viel komplexer als die äußeren Dyneinarme (für Übersichten siehe Kamiya 2002, King und Kamiya 2009). Entlang einer axonemalen 96-nm-Wiederholung auf einem Dublett-Mikrotubulus (Abbildung 4 mit vier identischen äußeren Dyneinarmen) enthalten die inneren Dyneinarme mindestens sieben verschiedene Dyneine, die sich in Zusammensetzung und Lage unterscheiden (siehe Bui et al. 2012). Die inneren Dyneinarme wurden durch biochemische Fraktionierung von Dyneinkomponenten und durch Elektronenmikroskopie von Axonemen mit fehlenden Untergruppen der inneren Dyneinarme charakterisiert (King und Kamiya 2009). In Chlamydomonas Axonemen, denen eine Untergruppe der inneren Dyneinarme fehlt, wird die Ziliarwellenform verändert, die Phototaxis wird gestört und die Schwimmgeschwindigkeit der Zellen wird verlangsamt. Eine direkte Analyse des Ziliarschlags durch Hochgeschwindigkeitsvideo hat bestätigt, dass ein Fehler beim Zusammenbau eines der einzelnen inneren Dyneinarme zu einer veränderten Ziliarwellenform führt, einem Parameter, der für ein effektives Ziliarschlag und eine effektive Physiologie unerlässlich ist (Brokaw und Kamiya 1987) .

Die genaue Rolle jedes inneren Dynein-Arms ist noch nicht verstanden. Einer der zweiköpfigen inneren Dyneinarme, genannt I1 Dynein, wird als besonders wichtig für die Kontrolle der axonemalen Biegung angesehen. Die I1-Dynein-Aktivität wird durch Kinasen und Phosphatasen reguliert, die sich im Axonem befinden (für eine Übersicht siehe Wirschell et al. 2011). Änderungen der I1-Aktivität können durch Änderungen der Gleitgeschwindigkeit der Mikrotubuli gemessen werden, aber es ist noch nicht bekannt, wie Änderungen der Geschwindigkeit mit Änderungen der Biegung korrespondieren. Eine Möglichkeit besteht darin, dass eine Erhöhung der Gleitgeschwindigkeit, die durch die inneren Dyneinarme erzeugt wird, ohne eine Änderung der Schwebungsfrequenz einer Erhöhung der Biegungsgröße entsprechen würde. Darüber hinaus kann I1-Dynein die Biegung durch die Kontrolle der Aktivität anderer Dyneine regulieren, einschließlich der äußeren Dyneinarme und der einköpfigen inneren Dyneinarme (Kotani et al. 2007, Yamamoto et al. 2013).

Im Allgemeinen kennen wir noch nicht die Funktion jedes einzelnen der axonemalen einköpfigen Dyneine. Eine Analyse einer Mutante namens ida9 hat gezeigt, dass einer der inneren Dyneinarme, Dynein c, für die Ziliarbewegung in einer viskosen Flüssigkeit benötigt wird (Yagi et al. 2005). Darüber hinaus haben leistungsstarke Screens neue Mutanten aufgedeckt, die die Aktivität des inneren Dyneinarms regulieren (Kamiya et al. 1991, Kamiya 2002). Screenings haben beispielsweise gezeigt, dass die Enzyme für die Polyglutamylierung verantwortlich sind und dass diese posttranslationale Modifikation von Tubulin entscheidend für die Aktivität in einer Untergruppe der inneren Dyneinarme ist (Kubo et al. 2010).

Das zentrale Paar und die radialen Speichen werden für die normale Ziliarmotilität und die Steuerung der Dynein-Motoren benötigt

In Chlamydomonas, führt ein Versagen bei der Montage des zentralen Paares oder der radialen Speichen entweder zu einer Ziliarlähmung (Witman et al. 1978, Smith EF und Yang 2004) oder zu einer stark veränderten und unproduktiven Beugebewegung. Zusammen wirken der zentrale Paarapparat und die radialen Speichen sowohl durch mechanische als auch chemische Signale, um letztendlich die axonemale Dynein-Aktivität zu kontrollieren (Smith EF und Yang 2004). Der Wechselwirkungsmechanismus zwischen dem zentralen Paar und der radialen Speiche wurde in neueren experimentellen Studien mit Chlamydomonas (Oda et al. 2014). Sie zeigten, dass die Zugabe von unspezifischen Proteinen zum radialen Speichenkopf die Lähmung einer gelähmten Zentralpaarmutante unterdrücken kann, der ein Teil der Zentralpaarprojektionen fehlt. Die einfachste Interpretation dieses Ergebnisses ist, dass die hinzugefügten Proteine ​​eine physikalische Wechselwirkung zwischen dem Speichenkopf und den Vorsprüngen ermöglichten, die erforderlich ist, um axonemale Dyneine zu aktivieren.

Übertragung der Signale vom Mittelpaar und den Radialspeichen zu den Dynein-Motoren

Die Analyse von Chlamydomonas Mutanten zeigten auch konservierte axonemale Komponenten, die Signale vom zentralen Paar und den radialen Speichenstrukturen an die Dynein-Motoren übertragen. Am bemerkenswertesten sind der Calmodulin- und Spoke-assoziierte Komplex (CSC Dymek et al. 2011, Heuser et al. 2012a) und das DRC siehe den nächsten Abschnitt für Erkenntnisse aus neueren Kryoelektronentomographie-(Kryo-ET)-Analysen des Axonems (für Übersichten siehe Heuser et al. 2009, Porter 2012) und des Mia-I1-Dynein-Komplexes (Yamamoto et al. 2013). CSC und DRC spielen eine Rolle bei der Steuerung der Dynein-Motoren: Sie sind beide ideal positioniert, um die radialen Speichen mit den äußeren Dubletten und den Dynein-Motoren zu verbinden. Ein wichtiges aktuelles Ziel ist es, zu bestimmen, wie Calcium und die Calmodulin-Komplexe, die sich im zentralen Apparat und im CSC befinden, bei der Kontrolle von axonemalen Dyneinen wirken. Das I1-Dynein und der zugehörige Mia-Komplex (Yamamoto et al. 2013) könnten auch eine ähnliche Rolle wie das DRC bei der Regulation oder Resistenz gegen Dynein-getriebenes Mikrotubulusgleiten und bei der Kontrolle der axonemalen Biegung spielen.

Suppressor-Mutationen in Chlamydomonas und die Demokratische Republik Kongo

Wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Kontrolle von axonemalen Dyneinen ergaben sich aus den klassischen genetischen Studien von Huang und Kollegen (1982). Ein genetischer Screen zeigte neue Gene, die die Lähmung (d. h. die Rettung der Motilität) in Radialspeichen- oder Zentralpaarmutanten unterdrückten, so dass die Mutanten wieder beweglich wurden. Die Suppressormutanten enthielten neue Mutationen in den schweren Ketten des Dyneinmotors, die die Bewegung ohne Wiederherstellung der radialen Speiche und ohne Defekte des zentralen Paars wiederherstellten. Diese Ergebnisse zeigen, dass ohne die radialen Speichen und das zentrale Paar die motorische Aktivität des Dyneins im gesamten Axonem gehemmt wird, sie jedoch durch jede molekulare Veränderung wiederhergestellt werden kann, die es dem Dynein ermöglicht, ohne Eingabe vom Speichen-Zentral-Paar aktiv zu werden System.

Der gleiche genetische Suppressor-Screen (Huang et al. 1982) ergab einen weiteren regulatorischen Komplex, der 1994 von Piperno als DRC bezeichnet wurde. Nachfolgende Studien definierten die DRC-Proteinuntereinheiten weiter (für eine Übersicht siehe Porter 2012). Ein bedeutender neuer Fortschritt, der durch die erhöhte Auflösung von Kryo-ET ermöglicht wurde, ist die Entdeckung, dass der DRC auch die Nexin-Zwischendoppelverbindung ist. Daher heißt die DRC-Struktur jetzt Nexin-Dynein-Regulationskomplex (N-DRC Heuser et al. 2009). Neuere Studien haben auch eine biochemisch-strukturelle Wechselwirkung zwischen dem N-DRC und den Zwischenketten des äußeren Dyneinarms gezeigt, die den äußeren Dyneinarm und den N-DRC physikalisch verbinden (Oda et al. 2013). Daher scheint das N-DRC eine Rolle bei der Regulierung der Dynein-Motoren zu spielen und dient als Bindeglied zwischen den Dubletts, so dass es wahrscheinlich die äußeren Dubletts ausrichtet, um effiziente Interaktionen zwischen den Dynein-Motoren und dem B-Tubulus des benachbarten Dublett-Mikrotubulus zu gewährleisten (Bower et al. 2013). Um das Gleiten von Dublett-Mikrotubuli aufzunehmen, müssen alle N-DRC-äußeren Dynein-Arm-Interdoublet-Verbindungen auf dem gleitenden Dublett irgendwann ihre Verbindung mit dem angrenzenden B-Mikrotubulus trennen (Holwill und Satir 1990). Für ein endgültiges Verständnis des Schaltpunktmodells ist es wichtig, die Art und Weise zu kennen, in der die N-DRC-Verbindungen reguliert werden und den Zeitpunkt des Brechens und der Neubildung für die aktiv und passiv gleitenden Hälften des Axonems.

Erkenntnisse aus Kryo-ET

Durch Kryo-ET wurde ein neues Auflösungsniveau des Axonems erreicht. Diese Daten haben bereits großen Einfluss auf das Verständnis der Ziliarbewegung. Die grundlegende Methodik wurde überprüft (z. B. Nicastro 2009, Bui und Ishikawa 2013) und Methoden beschrieben, die nun strukturelle Lokalisierung mit Kryo-ET verschmelzen (Oda und Kikkawa 2013). Kurz gesagt umfasst der Prozess das schnelle Einfrieren von lebenden Zellen oder isolierten Axonemen, gefolgt von einer Niedrigdosis-Elektronenmikroskopie der Strukturen im eingefrorenen nativen Zustand, Datensammlung, computergestützter Tomographie und Bildmittelung, die hochauflösende Bilder in drei Dimensionen. Kombiniert mit sehr informativen Strukturmutanten in Chlamydomonas, ist ein sehr hochauflösendes Bild der axonemalen Struktur entstanden. Die neuen Strukturinformationen sind in Abbildung 4 zusammengefasst, darunter Beispiele für Elektronentomogramme (Abbildung 4a–4c), Mittelwerte und 3D-Isooberflächen-Renderings (Abbildung 4d, 4e) sowie zusammenfassende schematische Diagramme eines einzelnen Dublett-Mikrotubulus im Längs- und Querschnitt (Abbildung .). 4f, 4g).

Der Kryo-ET-Ansatz bietet zahlreiche Vorteile: hohe Auflösung, die sich 3 nm nähert und diese überschreitet, wodurch die zurückgehaltene Substruktur jeder axonemalen Komponente unverfälschte Konservierung durch schnelles Einfrieren und Visualisierung von Strukturen in 3D in intakten Organellen sichtbar gemacht wird. Zu den bemerkenswerten Merkmalen in Abbildung 4 gehört eine Definition der longitudinalen 96-nm-Axonemal-Wiederholung (Abbildung 4 D und E), die wahrscheinlich die grundlegende Aktivitätseinheit entlang des Axonems und der Substruktur der äußeren Dyneinarme ist, einschließlich der Auflösung der globuläre motorische Domänen (Abbildung 4d–4g). Ebenfalls dargestellt sind die Lage und Unterstruktur jedes inneren Dynein-Arms (I1/f Dynein und Dyneine a–g Bui et al. 2012, Heuser et al. 2012b, Lin et al. 2014), der N-DRC (Heuser et al. 2009), die CSC (Dymek et al. 2011, Heuser et al. 2012a) und die Radialspeichen (Pigino et al. 2011, Barber et al. 2012, Oda et al. 2014). Darüber hinaus hat Kryo-ET die Unterstruktur des zentralen Paarapparats aufgedeckt (Carbajal-Gonzalez et al. 2013, Oda et al. 2014).

In relativ kurzer Zeit haben diese strukturellen Fortschritte zu einem neuen Verständnis der strukturellen Grundlagen der Ziliarbiegung beigetragen. Kryo-ET hat beispielsweise auch physische Verbindungen zwischen den äußeren Dyneinarmen, den inneren Dyneinarmen und dem N-DRC aufgedeckt, die die Koordination der Aktivität zwischen den Strukturen erklären könnten (z. B. Oda et al. 2013). Dieses Ergebnis beginnt eine wichtige Frage zu beantworten – die der Koordination der Aktivität der äußeren und inneren Dyneinarme (Kamiya 2002). Zusammen mit anderen biophysikalischen und strukturellen Studien hat Kryo-ET auch eine strukturelle Grundlage für den Kraftschlag von axonemalen Dyneinen aufgezeigt (Lin et al. 2014). Das Versprechen dieser neuen Studien besteht darin, dass diese strukturellen Fortschritte die mit der Ziliarbiegung verbundenen strukturellen Veränderungen definieren und Modelle für die Bildung und Ausbreitung von Ziliarbiegungen direkt testen werden. Die Strukturanalyse von schnell gefrorenen lebenden Seeigel-Spermien-Axonemen zeigt beispielsweise, dass sich der Strukturzustand der Dynein-Motoren auf dem auf der Innenseite der Biegung befindlichen Dublett von dem Zustand der Dyneins auf den Dubletts auf der gegenüberliegenden Seite der Biegung unterscheidet Axonem, an der Außenseite der Biegung (siehe ergänzende Abbildung 1 in Lin et al. 2014). Diese Daten scheinen ein Schaltpunktmodell für die axonemale Biegung zu unterstützen, das möglicherweise „Ein“- und „Aus“-Zustände der Dyneine aufdeckt (siehe Brokaw, 2009). Wie vorhersehbar, unter Nutzung von Kryo-ET und Konservierung durch Einfrieren, weitere Analyse der Seeigel-Sperma-Axoneme, Chlamydomonas Mutanten und Zilien, die in metachronen Schlagstadien konserviert wurden, werden ein umfassendes Bild der axonemalen und Dynein-Strukturveränderungen liefern, die mit der Krümmungsinitiation und Krümmungsausbreitung verbunden sind.


Zilien schlagen im männlichen Fortpflanzungstrakt in einem unerwarteten Rhythmus, eine Studie an Mäusen zeigt

Wellen von wellenförmigen Zilien treiben mehrere lebenswichtige Prozesse an. Sie entfernen Ablagerungen und Schleim aus den Atemwegen, transportieren Rückenmarksflüssigkeit durch das Gehirn und transportieren Embryonen von den Eierstöcken in die Gebärmutter zur Einnistung. Laut einer neuen Studie an Mäusen funktionieren Zilien im männlichen Fortpflanzungstrakt jedoch etwas anders.

Die Studie, berichtet in der Proceedings of the National Academy of Sciences, zeigt, dass Flimmerhärchen in den efferenten Ductuli, die Spermien von den Hoden wegtransportieren, die Spermien nicht vorwärts treiben, wie man früher dachte. Stattdessen bewegen die Flimmerhärchen die Spermien, um zu verhindern, dass sie sich ansammeln und die Röhren verstopfen, damit sie ihr endgültiges Ziel erreichen können.

"Motile Zilien sind wimpernartige Erweiterungen bestimmter Epithelzellen und haben einen Schlag, der Flüssigkeit über eine Oberfläche bewegt", sagte Rex Hess, emeritierter Professor für vergleichende Biowissenschaften an der University of Illinois und einer der wichtigsten Mitarbeiter der Studie unter der Leitung von Dr. Wei Yan, a . Gründungsprofessor für Physiologie und Zellbiologie an der University of Nevada, Reno School of Medicine.

"Seit mehr als 150 Jahren wurde in den meisten Veröffentlichungen und Büchern zu diesem Thema festgestellt, dass bewegliche Zilien der efferenten Duktile die Spermien in eine Richtung bewegen, wie sie es in den weiblichen Eileitern tun", sagte Hess. "Aber wir fanden heraus, dass die Flimmerhärchen in diesem Organ auf eine ungewöhnliche Weise schlagen, die die Lumenflüssigkeit und das Sperma rührt und bewegt.

"Die Lehrbücher waren falsch", sagte Hess. "Zilien beim Männchen transportieren nicht, sie lassen das Sperma tanzen."

Die Kontraktion der glatten Muskulatur, die die Ductuswände auskleidet, bewegt die Spermien in den Nebenhoden.

"Die Forschung ist auch deshalb wichtig, weil sie sich auf microRNA konzentriert, die ein Produkt einer nicht kodierenden DNA-Region ist", sagte Yan. "In unserer Studie haben wir herausgefunden, dass nur zwei Cluster von fünf microRNAs die richtige Bildung beweglicher Zilien kontrollieren. Das ist erstaunlich."

Als das Yan-Labor diese microRNAs bei Mäusen ausschaltete, beobachteten die Forscher, dass sich die Spermien zu Klumpen zusammenballten, die die efferenten Gänge blockierten. Dies führte zu einem Flüssigkeitsstau in den Hoden, was zur Unfruchtbarkeit des Mannes führte.

"Viele unfruchtbare Männer haben möglicherweise efferente Ductuli verstopft, aber leider wurde dieser Zustand aufgrund mangelnder Kenntnisse über diese wichtige Struktur ignoriert", sagte Yan. „Unsere Entdeckung hat ein erhebliches translationales Potenzial und könnte eines Tages zu neuen Methoden führen, die Patienten helfen können.“


II. Fortbewegungsmethode

Die oben beschriebenen Organschläge auf unterschiedliche Weise verursachen unterschiedliche Arten von Bewegungen bei Protozoen, so dass Protozoen verschiedene Arten von Bewegung haben, wie Amöboide, Flagellen, Ziliar- und Stoffwechselbewegungen. Einige der Bewegungen der Protozoen werden hier beschrieben –

1- Amöboide Bewegung

Sarcodina, bestimmte Mastigophora und Sporozoa haben charakteristische amöboide Bewegungen. Der Prozess der amöboiden Bewegung erfolgt durch Pseudopodienbildungen, Pseudopodien werden durch das Strömen von Zytoplasma in Bewegungsrichtung gebildet.

2- Flagellenbewegung

Geißelbewegung ist bei Mastigophora vorhanden, die ein oder mehrere Geißeln trägt. Es gibt drei Arten von Flagellenbewegungen, die erkannt werden.

A- Paddelhub

Diese Art der Geißelbewegung wird erstmals 1925 von Ulehla und Krijsman beschrieben. Sie beschreiben, dass bei dieser Geißelbewegung der Geißel seitwärts aus einem effektiven Schlag oder Abwärtsschlag in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung und einem entspannten Erholungsschlag besteht, während des Erholungsschlages Flagellum wieder nach vorne gebracht und bereit für den nächsten effektiven Schlag. Da Flagellen einen effektiven Schlag im Wasser nach hinten geben, treibt das Wasser den Organismus nach vorne.

B- Wellenförmige Bewegung

Bei dieser Art der Bewegung findet eine wellenartige Wellung von Basis zu Spitze oder von Spitze zu Basis statt. Findet eine wellenförmige Wellung von der Spitze zur Basis statt, wird das Tier nach vorne gezogen, und wenn eine wellenförmige Wellung von der Basis zur Spitze stattfindet, wird das Tier nach hinten gezogen. Und wenn die Welle spiralförmig ist, drehen sich die Tiere.

C- Einfache konische Drehung

Es wird in Butschlis Schraubentheorie beschrieben, diese Theorie postuliert eine Spiraldrehung wie eine Schraube. Diese schraubenartige Bewegung bewirkt das Ziehen des Tieres in Vorwärtsrichtung mit Spiraldrehung sowie Kreiseln des Tieres. Obwohl der genaue Mechanismus für diese Art von Flagellenschlag unbekannt ist, wird angenommen, dass axonemale Fasern an diesem Prozess beteiligt sind. Die Theorie der gleitenden Tubuli beschreibt, dass Dubletts aneinander vorbeigleiten, was die Ursache für die Bewegung der Geißeln ist, und die Energie für diesen Prozess ist mitochondriales ATP.

3- Ziliarbewegung

Bei der Ziliarbewegung schwingen die Zilien pendelartig. Bei jeder Schwingung gibt es einen schnellen effektiven Schlag, gefolgt von einem Erholungsschlag, wie eine Geißelbewegung. Während des effektiven Schlags treiben die Flimmerhärchen das Wasser wie ein Ruder des Bootes nach hinten aus, und als Reaktion darauf treibt das Wasser bei diesem effektiven Schlag das Tier nach vorne. Während des Erholungshubs kommen die Flimmerhärchen in Vorwärtsrichtung, bereit für den nächsten effektiven Schlag. Zilien schlagen weder gleichzeitig noch unabhängig voneinander, die Zilien schlagen progressiv und wellenförmig.

Schwimmart mit Zilien

Durch die Ziliarbewegung folgt das Tier nicht direkt der geraden Bewegung, sie rotieren spiralförmig wie eine Gewehrkugel in linksgängiger Helix-Manier. Es könnte daran liegen, dass die Zilien nicht direkt gerade schlagen, der Schlag irgendwie schräg nach rechts verläuft und die Zilien beim oralen Groove schräger und kräftiger vom Mund weg schlagen. Dieser kombinierte Effekt verursacht beim Tier Schwimmbewegungen.

4- Stoffwechselbewegung

Dies liegt an der häutigen kontraktilen Struktur. Bei dieser Art von Bewegung zeigen Organismen Gleiten oder Zappeln oder Peristaltik. Für diese Art der Bewegung sind Mikrotubuli in ihrem Häutchen verantwortlich.


Wenn Zilien den Takt verlieren

Normale Flimmerhärchen schlagen glatt (oben), aber hydinarme Flimmerhärchen (unten) sind steif.

Schlagende Zilien zirkulieren Liquor cerebrospinalis durch das Gehirn. Wenn sie ins Stocken geraten, kann sich Flüssigkeit ansammeln, was den hirnschädigenden Zustand Hydrozephalus verursacht. Mäuse, die Mutationen im Gen für das Protein Hydin tragen, entwickeln einen Hydrozephalus, aber es war nicht bekannt, warum. Letztes Jahr entdeckten die Forscher einen Hinweis, indem sie feststellten, dass das Fehlen von Hydin Geißeln im Protisten verursachte Chlamydomonas einfrieren. Nun hat das Team einen ähnlichen Effekt in den Zilien von Mäusen beobachtet.

Zilien von Mäusen mit Hydin Mutationen schlagen abnormal. Anstatt eine sanfte Hin- und Herbewegung zu zeigen, vibrierten die Flimmerhärchen lediglich. Sie schlugen auch langsamer und hörten oft auf. Obwohl die genaue Funktion des Hydrinproteins unklar ist, ist bekannt, dass es Teil des Axonems der Zilien ist. Tatsächlich hatten die Hydin-Mäuse auch einen subtilen strukturellen Defekt in ihren Zilien – ein Knopf an einem der zentralen Mikrotubuli fehlte.

Die Autoren glauben, dass dieser Defekt zu einem Mangel an Koordination zwischen den Dynein-Motoren führen könnte, die die Zilien bewegen. Normalerweise treten Motoren auf einer Seite der Welle in Gang, um den Vorwärtshub zu erzeugen. Dann klappen sie aus und die Motoren auf der gegenüberliegenden Seite schalten sich ein und erzeugen den Rückhub. Die Forscher vermuten jedoch, dass dieser Wechsel bei hydinarmen Flimmerhärchen nicht stattfindet, wodurch sich der Schaft vorzeitig entspannt. Die Ergebnisse sagen voraus, dass Menschen mit Hydindefekten Hydrozephalus und primäre Ziliardyskinesie entwickeln werden, eine Erbkrankheit, die durch defekte Atemwegszilien verursacht wird.


Wenn Cilia schief geht

Voll funktionsfähige Zilien sind wichtig für eine gesunde Atemfunktion. Wenn die Zilien nicht richtig funktionieren, kann sich eine Erkrankung namens Bronchitis entwickeln. Bronchitis ist die Entzündung der Atemwege. Schleim und Ablagerungen sammeln sich an, was zu einer Verengung der Atemwege führt. Das Atmen wird erschwert, Schleim sammelt sich an und es kommt zu Husten. Starke Raucher haben es schwer, sich von einer Bronchitis zu erholen, da die Chemikalien im Zigarettenrauch die Flimmerhärchen schädigen, die die Atemwege auskleiden. Eventually the number of cilia is reduced and those that remain may stop functioning altogether.