Los cilios (Et: del latín cilĭum, ceja, o tal vez del legítimo griego κυλίς, kilis, párpado o pestaña), son unas estructuras celulares que se caracterizan por presentarse como apéndices cortos con aspecto de pestaña, que contienen una estructura central altamente ordenada, constituida generalmente por más de 600 tipos de proteínas, envuelta por el citosol y la membrana plasmática. Algunos autores se refieren a las proteínas relacionadas con la función ciliar como "cilioma". Principalmente se trata de microtúbulos, que forman la parte central, llamada axonema.
La distinción entre estos últimos se basa principalmente en su tamaño (unos 12-14 μm), número por célula (suelen ser muchos, con excepción de los cilios primarios y nodales, mientras que los flagelos uno o dos) y en su caso, por el patrón de movimiento (los cilios baten como un remo, son inmóviles o crean un vórtice, mientras que los flagelos no ondulan).
Correspondiendo con estas diferencias estructurales, también existen diferencias funcionales: los flagelos pueden propulsar células móviles en un líquido, mientras que los cilios se sitúan normalmente en células estacionarias, y gracias a su impulso mueven líquidos o elementos contenidos en él. Lo efectúan sincronizando su batido, y generando de ese modo una onda propulsora eficaz al sumarse las fuerzas individuales de cada cilio. Además, los flagelos en ocasiones cuentan, debido a su forma de batido y a su mayor longitud con estructuras específicas para regular los movimientos del axonema y la correcta difusión del ATP, como el bastón flagelar y en insectos un segundo anillo de 9 dobletes de microtúbulos. Los cilios se podrían dividir en cuatro grupos: móviles con configuración axonémica 9+2, móviles 9+0 (cilios nodales), cilios sensoriales 9+2 (cilios vestibulares y algunos nodales) y cilios sensoriales 9+0 (primarios). De estos últimos se pueden derivar muchos cilios modificados en estructuras especializadas, como el de los órganos fotorreceptores o los sensilia de insectos. Son posibles otras configuraciones de microtúbulos, como 9+1, 9+3 y 9+4.
Casi todos los eucariotas poseen células ciliadas, salvo los que tienen pared celular, que carecen habitualmente de ellos. Esto es especialmente cierto para los hongos y rodofíceas. En plantas existen las notables excepciones de algunos espermatozoides, como los de Ginkgo biloba o Cycas revoluta y los de criptógamas. Los organismos aciliados tampoco poseen centriolos, por lo que algunos científicos creen que la función específica de estos es la formación de cilios o flagelos. Significativamente, estos organismos tampoco poseen las tubulinas "especiales" (δ, ε, ζ y η) que permiten organizar el centriolo. En vertebrados, prácticamente todos los tipos celulares tienen cilios o proceden de células que los tuvieron.
Los cilios móviles forman parte del epitelio del aparato respiratorio, del epéndimo o del aparato reproductor, mientras que los primarios se hallan virtualmente en cualquier tipo celular, como osteocitos, túbulo renal, fibroblastos y neuronas.
Dado su ubicuidad, están implicados en las funciones más diversas. Los cilios móviles intervienen a la propulsión de organismos unicelulares, la limpieza de las vías respiratorias y el desplazamiento de los gametos, pero también contribuyen a regular el balance hídrico en los órganos excretores, la circulación de fluidos en la cavidad celómica, el sistema nervioso, el filtrado de partículas en las branquias. Los sensoriales contribuyen al reconocimiento de individuos compatibles en el apareamiento de protistas, mecanorrecepción en artrópodos, geotaxis en moluscos, reconocimiento y anclaje al hospedador en protistas parásitos y quimiorrecepción en vertebrados.
Asimismo existen muchas patologías derivadas de su mal funcionamiento —las denominadas "ciliopatías"— como el síndrome de Kartagener, ciertos tipos de obesidad, el síndrome de Laurence-Moon-Bardet-Biedl, el síndrome de von Hippel-Lindau o la enfermedad poliquística renal, entre otras, y también en algunos procesos de carcinogénesis.
Algunos elementos celulares, como los estereocilios pueden confundirse con los cilios al microscopio óptico, pero en realidad están estructuralmente relacionados con las microvellosidades.
A nivel macroscópico, existen pruebas diagnósticas que permiten verificar la función ciliar con fines clínicos. Uno de los métodos más baratos y que cuenta con una aceptable fiabilidad es el test de la sacarina, que permite determinar el tiempo de transporte mucociliar nasal (TTMCN).
Entre los organismos modelo que se han empleado en el estudio de diversos aspectos de la estructura y la función de los cilios, debido a las ventajas que ofrecen, cabe destacar los protozoos Tetrahymena, Chlamydomonas y Paramecium, el nemátodo Caenorhabditis elegans, embriones de erizo de mar o distintos tejidos de mamífero, como las células epiteliales de vías aéreas, células tubulares renales o células embrionarias nodales.
Se han desarrollado numerosas técnicas de cultivo celular de tejidos de mamífero con cilios móviles, para fines clínicos e investigación. En el cultivo de epitelio ciliado de vías respiratorias se emplean métodos monocapa, monocapa secuencial, con interfaz aire-líquido y tridimensionales. Estos cultivos requieren el uso de técnicas en cámaras bifásicas, un sustrato de gel de colágeno con la suficiente profundidad, control del nivel de calcio y la vitamina A, factores de crecimiento como el factor de crecimiento epidérmico, insulina, y hormonas esteroideas para la diferenciación de las células mucosas, y la adición de antibióticos.
El microscopio óptico se ha utilizado durante más de tres siglos para el estudio de los cilios. Las tinciones habituales en las técnicas histológicas pueden revelarlos. Sin embargo, cuando se trata de estudiar el movimiento de estos orgánulos, es necesario utilizar microscopios que permitan la observación de células vivas. Dependiendo del organismo o del tipo celular a observar, se puede emplear un microscopio de campo oscuro, de contraste de fases o de interferencia diferencial de contraste (DIC), siendo este último el más empleado. Adicionalmente, y dada la elevada frecuencia de batido (en ocasiones hasta 100 Hz) se precisa de métodos de videograbación de alta velocidad y resolución, y software de análisis de imagen, movimiento o flujo.
La inmunofluorescencia se emplea especialmente en la inmunolocalización de algún componente concreto del cilio, o bien para trazar el transporte intraflagelar. En muchos casos es importante inmovilizar las células para posteriores manipulaciones. Esto se puede efectuar confinándolas entre dos vidrios con una separación estrecha, procurando no distorsionar las estructuras celulares. Se emplean algunos pasos especiales, como la adición de un tampón químico especial para estabilizar microtúbulos (MTSB), o la elección cuidadosa de un detergente permeabilizador para evitar que se extraigan los componentes desados. Son habituales el MTSB-tritón y el Nonidet. En ocasiones es recomendable la fijación con metanol en frío, ya que fija y permeabiliza la muestra simultáneamente. Los tampones de lavado tras la fijación son un paso crítico. Por ejemplo, Chlamydomonas funciona mejor con Hepes (pH=6,8) mientras que los cultivos de vertebrados dan mejores resultados con Pipes (pH=7,2). La elección del anticuerpo primario depende de lo que se desee observar. Para fines generales se puede usar anticuerpos monoclonales contra alfa-tubulina acetilada de conejo, mientras que en el caso del estudio del transporte intraflagelar puede servir anti-IFT27. Es necesario considerar si el anticuerpo va a inactivar el blanco elegido. Se pueden utilizar anticuerpos marcados con oro en experimentos de inmunolocalización por microscopía electrónica, procurando que el tamaño de los anticuerpos sea el menor posible.
Los primeros trabajos en microscopía electrónica que caracterizaron el axonema y otros elementos de la estructura ciliar se están revisando con una nueva técnica, la tomografía crioelectrónica, en la que las muestras son vitrificadas a temperaturas muy bajas (algunos microscopios son enfriados con helio líquido) y posteriormente fotografiadas desde todos los ángulos, reconstruyéndose posteriormente una imagen tridimensional de la estructura con una resolución que alcanza los 2 nm. Una ventaja adicional de esta técnica debido a la rápida congelación, es que permite detener la célula o los complejos proteicos en un estado particular.
La membrana del cilio se continúa a través de la zona apical de la membrana plasmática. Se forma por fusión de vesículas alrededor del centriolo o de compartimentos especializados, y consta de una serie de dominios que se distinguen entre sí por su composición de proteínas y probablemente también de lípidos, adaptada esta última en cada caso al medio donde se desenvuelven. Algunos estudios indican que al menos, en algunos casos, la fluidez de la membrana puede responder a señales como el ATP extracelular. Las proteínas de transmembrana cuentan con glicocálix. Se sabe que las lectinas ciliotóxicas PA-IL y PA- IIL de Pseudomonas aeruginosa se unen a él en el epitelio ciliado de las vías aéreas humanas, probablemente en residuos de D-galactosa y L-Fucosa, provocando la inmovilización de los cilios. Se puede distinguir los siguientes dominios de membrana:
En el que en cilios primarios se puede localizar la proteína galectina-3. Es especialmente importante en las células fotorreceptoras, que como se dijo anteriormente son cilios especializados. En este caso encontramos la proteína responsable de síndrome de Usher, que está implicada en el transporte molecular, y al menos en anfibios se ha demostrado que participa en el transporte de vesículas. En esta región se observa a veces una depresión de la membrana plasmática llamada "caveola".
Mediante el uso del colorante laurdan se ha puesto en evidencia que posee una bicapa lipídica altamente condensada y ordenada, con un contenido en colesterol libre y abundancia de balsas lipídicas característica.
En muchas especies y tipos celulares, y especialmente en los cilios de vías aéreas y oviducto se encuentra asociada una estructura especializada, el "collar ciliar", un complejo membrana-citoesqueleto en forma de collar de perlas en espiral, situado donde los microtúbulos y el cuerpo basal hacen contacto con la membrana plasmática y descubierto en 1972 mediante técnicas de criofractura. Está formado por varias "vueltas", en número dependiente de la especie y tipo celular, de partículas de intramembrana con extensiones espinosas que las conectan con cada doblete del cuerpo basal debajo de la zona de transición con el axonema. Se le atribuye la función de anclar el cuerpo basal a la membrana plasmática, pero además, en proximidad con esta zona especializada se han encontrado proteínas de transporte, lo que sugiere que se trata de un lugar en el que se ensamblan las cargas dirigidas hacia el axonema y el resto de la membrana ciliar. También se piensa que junto con la zona densa lipídica constituye una barrera que impide la difusión de las proteínas del resto de la célula a la membrana y al citoplasma ciliar por lo que en ocasiones se le ha denominado "complejo de poro ciliar", en alusión al poro nuclear, con el que guarda además relación filogenética. Aunque la naturaleza de las proteínas que la forman aún no se ha caracterizado, se ha visto que están implicadas en el transporte de calcio. Una proteína característica de este domino, presente en varios tipos ciliares, es el regulador de la GTPasa de la retinitis pigmentosa (RPGR). La importancia estructural del collar se manifiesta por el hecho de que queda desestructurado en infecciones por Bordatella pertussis y Micoplasma. También porque el punto de ruptura en la deciliación por Ca2+ sucede justo por encima de él, persistiendo tras la eliminación del cilio.
Aunque se extiende y es continua con la membrana plasmática, existen notables diferencias en la composición, en especial, de proteínas. Además de las discutidas en este apartado, también se encuentran algunas correspondientes al sistema de transporte intraflagelar.
En los organismos unicelulares, debido a su contacto directo con el medio externo, los cilios son un punto esencial en la transducción de señales que controlan muchos aspectos de la célula, como las circunstancias ambientales idóneas o el crecimiento si existe aporte de alimento. También entraría en este apartado los receptores necesarios para garantizar la singamia en la reproducción sexual. Todo ello permitiría dirigir el impulso de los cilios a las condiciones más favorables. A ello contribuyen cuatro tipos de proteínas:
En Metazoos se presume la persistencia evolutiva de estas cuatro categorías de proteína de membrana, en especial la función sensorial, incluso en cilios móviles. Algunos ejemplos:
En muchos cilios se observa que se pierde la estructura del axonema típico y sólo continúan hasta el ápice del cilio los túbulos A del doblete, así como los dobletes centrales. En esta zona de la membrana que se adelgaza, se ha observado una proteína, llamada "sentan" palabra que procede del japonés: punta (尖端 sentan?), que en ratón tiene una masa molecular de 16,4 KDa, específica de células epiteliales ciliadas. Se observa que anclan los singletes de microtúbulos de la porción apical a la membrana, que dada la abundancia de esta proteína, distingue un dominio que en ocasiones se ha denominado "dominio sentan".
También en muchas ocasiones puede observarse en la parte más alta del cilio un número variable (3-7) de púas. Se trata de proteínas con glicocálix, que forman la llamada "corona ciliar", de unos 31 nm y que presenta una estructura periódica a microscopía electrónica de transmisión. Cuando se disuelve mediante detergentes la membrana ciliar, persiste la estructura, por lo que es evidente que está anclada al axonema. Algunas funciones que se le suponen son el ensamblaje de microtúbulos, movimiento ciliar y transporte mucociliar.
En Trypanosoma se ha comprobado que la extensión de la membrana flagelar no depende del transporte intraciliar. En este mismo parásito se observa un tráfico de vesículas hacia un compartimento en la base del flagelo denominado "bolsillo flagelar" en el que se depositan tanto los componentes lipídicos como las proteínas flagelares. Este compartimento persiste en ausencia de flagelo e incluso en ausencia de transporte intraflagelar.
En el resto de los casos parece que las vesículas parecen unirse en la parte inmediatamente próxima al cilio. En vertebrados parece que la proteína Rab8 regul el transporte de proteínas de membrana al cilio. También parecen ser esenciales el componente del transporte intraflagelar IFT20 y su interactuante GMAP210 en el transporte de proteínas (p. ej. Policistina 2) desde el aparato de Golgi a la membrana ciliar.
El complejo 1 del blanco de la rapamicina (complejo Torc1) regula el tamaño y la función de los cilios a través de la síntesis de proteínas. Este mecanismo de regulación está evolutivamente conservado entre las diferentes especies.
Se mueven rítmicamente y de forma coordinada, cada uno con un movimiento semejante al del brazo de un nadador, retrocediendo en posición extendida, y en conjunto al de un trigal azotado por el viento (movimiento de batida coordinado). Mientras reciban la energía necesaria en forma de ATP los cilios siguen batiendo automáticamente. El efecto es un empuje neto, que da lugar a que la célula se desplace en su medio, como ocurre con ciertos protistas y animales muy pequeños; o que el líquido extracelular circundante sea impulsado, que es la función que cumplen los cilios en el epitelio de las vías respiratorias humanas.
La coordinación de los cilios entre sí, al fustigar el agua sobre la superficie de una célula, viene dada por la misma agua, movida por el cilio precedente. El que sigue en fila halla así una dirección favorecida y se mueve por ella con un pequeño retraso, conducta llamada metacronismo.
El control de los cilios es fundamental en los protozoos ciliados que las emplean para cazar otros protozoos y alimentarse con ellos. Para seguirlos, alcanzarlos, poner su estoma o "boca celular" en posición, retrocediendo si es necesario, para luego comérselos, es menester controlar la natación. Este control se logra por medios eléctricos. Los valores del campo eléctrico en la membrana exterior del protozoo, de donde emergen los cilios o cilias, "dibujan" los movimientos de la presa cercana. Estos le son revelados por las presiones del agua, que interfieren con las oscilaciones u ondas eléctricas que realizan el control.
Su movimiento ayuda también como barrera defensiva a la entrada de microorganismos por las fosas nasales gracias a que están presentes en la mucosa de la nariz y dan forma y ayudan a expulsar el moco.
En esta forma de ciliogénesis comienzan con la aparición de gránulos fibrosos de forma irregular en el citoplasma, con un diámetro bastante constante en animales, y que varía de 40-80 nm. Mediante anticuerpos anti-PCM 1 su contenido se ha revelado similar al de los satélites centriolares, y se utilizará posteriormente para la formación de centriolos. Según el tipo celular o el organismo, estos gránulos parecen estar estrechamente relacionados con otros orgánulos, como el aparato de Golgi, el retículo endoplásmico, lamelas anulares o el propio núcleo. Posteriormente estos gránulos se agregan para formar deuterosomas, aunque se ha visto que en algún caso (hámster chino) la formación parece independiente de los gránulos.
Hay dos tipos distintos de deuterososoma: el sólido, con un tamaño de 100-200 nm y el hueco, con un tamaño de unos 700 nm. Su estructura es distinta según la especie. En primates, sólo se observa el de tipo sólido, mientras que en roedores pueden aparecer ambos. Su papel es servir de centro organizador de centriolos y procentriolos. Este último comienza apareciendo como un anillo amorfo procedente de la fusión de gránulos. A partir de esta masa se formará un anillo de nueve microtúbulos simples, que se mantienen unidos por una base en forma de la típica rueda de carro con un eje central y nueve radios. Finalmente, esta estructura se propaga y crecen hasta adquirir la disposición habitual de 9+0 tripletes. El número de centriolos formados de esta manera depende del tamaño del deuterosoma, llegando a superar los nueve en el caso del oviducto del ratón.
El transporte intraflagelar (IFT, por sus siglas en inglés: Intraflagellar transport) es un proceso celular altamente conservado en la evolución entre eucariotas ciliados, conociéndose pocas excepciones en apicomplejos. Fue caracterizado por primera vez en 1993 utilizando como modelo Chlamydomonas reinhardtii por Keith Kozminski, un estudiante de grado que trabajaba en el laboratorio de Joel Rosenbaum en la Universidad de Yale.
Su función es la siguiente: En el cilio no hay síntesis de proteínas, y el axonema se encuentra bajo inestabilidad dinámica, lo cual significa que su longitud permanece más o menos constante debido a que se añaden en su extremo distal (+) aproximadamente el mismo número de precursores (en especial, monómeros de tubulina y dineína) que se pierden por despolimerización en su extremo distal (-), y crece cuando la velocidad de polimerización supera la de despolimerización. La velocidad de difusión de estos componentes desde el citoplasma, debido a las barreras antes aludidas y a diversos impedimentos espaciales, sería insuficiente para que lleguen en las cantidades adecuadas al polo de crecimiento. Se ha visto que el lugar donde se ensamblan los componentes es el extremo distal. Por ello existe un sistema que selecciona y facilita el transporte de estos y otros componentes. Además, recientemente se ha visto su contribución en otros procesos celulares, como la de señalización celular, el control la división celular y el desarrollo embrionario, así como el momento de inicio de algunas enfermedades. Para hacernos una idea de en que medida sucede esto, pensemos que durante el crecimiento del cilio en Chlamydomonas se precisan unos 200 dímeros de α/Β tubulina por segundo.
El IFT se observó mediante técnicas de microscopía de contraste con videograbación (DIC) como un transporte bidireccional llevado a cabo por un complejo multiproteico, la partícula IFT a lo largo del axonema en el espacio situado entre los dobletes de microtúbulos externos y la membrana ciliar. Esta partícula fue aislada en 1997 por Piperno et al por centrifugación en gradiente de sacarosa, a partir de extractos flagelares de C. reinhardtii, obteniéndose un coeficiente de sedimentación de 16-17 S y formada por 15 polipéptidos. Posteriormente, variando la fuerza iónica se observó que el complejo se podía dividir en dos subcomplejos, llamados IFTA, que consta de 4 polipéptidos, e IFTB, por los 11 restantes.
Se ha visto que un número variable de estos complejos con forma de piruleta a microscopía electrónica se ensamblan para formar la partícula IFT también denominada a veces "raft" o balsa. Su tamaño es de unos 0,12 μm en el caso del transporte anterógrado (de la base ciliar al ápice) y de la mitad en el transporte retrógrado. Su espesor es mayor que la distancia entre la membrana y el axonema, por lo que produce un abultamiento de esta última a su paso. Además, cada complejo parecen unidas por fibras entre sí, con la membrana plasmática y con los túbulos B de los dobletes externos. Parece ser que las fibras que se anclan a la membrana podrían estar relacionadas con puentes microtúbulo-membrana que contienen dineína citoplasmática, mientras que los que la unen con el túbulo B serían los motores moleculares.
Se ha propuesto que el ciclo completo tiene lugar en seis pasos:
Existen diversas teorías sobre el origen de los undulipodia en eucariotas, a los que en los análisis evolutivos se les suele llamar "cilios" conjuntamente para no crear confusión con los flagelos bacterianos. Estas teorías se pueden clasificar en tres categorías: De origen endosimbionte, de origen viral y de origen en el transporte vesicular o teorías endógenas. La primera hipótesis fue expuesta por Satir en 1961. Según está el cilio surgió como un centriolo que acabó uniéndose a la membrana plasmática, confiriendo a la célula ventajas a la hora de responder al medio ambiente. El axonema surgiría posteriormente como un tipo de "aparato mitótico equivocado".
En 1970 Lynn Margulis en su obra "el origen de las células eucariotas" propone que los cilios proceden de un evento de endosimbiosis con organismos semejantes a las espiroquetas, de forma semejante a como los parabasálidos, parásitos de termitas las utilizan hoy en día como órgano de locomoción. A lo largo de su carrera, Margulis, aunque admitió en 1994 que no había ninguna proteína de tipo tubulina en espiroquetas, continuó defendiendo esta teoría, que en su actual formulación afirma que la adquisición de undulipodios en el antepasado común de los eucariotas fue anterior a la presencia de mitocondrias. El primer protista "cariomastigonte" (de karion = núcleo + mastix = látigo o flagelo) se trataría de una quimera que procedería de la fusión de una arquea de tipo Thermoplasma, sin pared celular y resistente ácidos calientes gracias a que su ADN está protegido por proteínas de tipo histona con espiroquetas simbiontes microaerófilas como Leptospira, que buscaban refugio y alimento junto a estas últimas, protegiéndolas de las fluctuaciones en los niveles de oxígeno por la conversión de sulfuro en sulfato, que además puede ser utilizado por las arqueas como aceptor final de la cadena de transporte de electrones. Este organismo desarrolló citoesqueleto, un núcleo formado por la fusión de ambos materiales genéticos que aún permanece vinculado a las proteínas de movilidad. El undulipodio permanecería unido al núcleo por un rizoplasto y un aparato parabasal (Golgi). El ambiente variable donde surgió explicaría la variedad de sensores asociados.
La "teoría de la espiroqueta" cuenta con numerosas críticas, principalmente debido a que no se encuentran homologías estructurales entre los cilios y los aparatos motores de espiroquetas, y la mayor parte de las proteínas esenciales tienen homólogas solo en arqueas.
Satir contesta a esta teoría advirtiendo que, además no existe una doble membrana como sería de esperar en el caso endosimbionte, y que las espiroquetas no poseen centriolos.
Otra teoría endosimbionte es la propuesta por Li y Wu. Al contrario que en las espiroquetas, existen homólogos de la tubulina en algunas bacterias de la división Verrucomicrobia, como Epixenosoma. Estos científicos consideran que una bacteria de este tipo pudo ser el endosimbionte en lugar de una espiroqueta.
Expuesta por Peter Satir y colaboradores. El primer punto que sugiere un origen viral además de que tiene una formación con apariencia de replicación semiconservativa y está acoplada al ciclo celular y a la mitosis, los centriolos surgen en masa de un centro fibrogranular, de forma muy semejante a como lo hacen los virus. Además existe un ARN asociado que contiene un dominio de transcriptasa inversa típica de retrovirus. Así mismo, se sabe que estos se unen al centrosoma, interfiriendo en ocasiones a sus funciones.
Según Satir, el origen viral explicaría algunos rasgos, como la simetría en nueve ejes y su enantiomorfismo con diferenciación proximal-distal, lo que recuerda las simetrías de placa basal de algunos virus. Se predice que la tectina y otras proteínas "en cinta" serían aportadas por el virus hipotético. Estas proteínas están relacionadas filogenéticamente con los filamentos intermedios y las láminas nucleares, con lo que según la teoría viral, estas proteínas evolucionarían después de la incorporación al genoma del virus.
La secuencia evolutiva que se proponen para el cilio según esta teoría serían la siguiente:
Escribe un comentario o lo que quieras sobre Cilio (directo, no tienes que registrarte)
Comentarios
(de más nuevos a más antiguos)