Ciliary recruitment of the Dynein-2 motor and its role in C. elegans sensory functions

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Castro, Ana Rita Gonçalves de
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/16677
Resumo: Cilia are specialized organelles present in most mammalian cells to detect multiple environmental cues, important to regulate cell proliferation, differentiation, and function. Defects in these structures can cause innumerous severe disorders known as ciliopathies. During ciliogenesis, the ciliary base attaches to the plasma membrane and forms a Transition Zone (TZ) that acts as a specialized ciliary gate. The microtubule-based ciliary axoneme then extends forming the Middle and the Distal Segments, surrounded by a receptor-rich ciliary membrane. Building of all types of cilia depends on the efficient bidirectional transport of different components from the ciliary base and tip, known as Intraflagellar Transport (IFT). Kinesin-II motors transport cargo to the tip, while dynein-2 retrieves signaling molecules and other IFT components to the base. The dynein-2 motor is a large multi-subunit complex composed of several dimers of Heavy Chains (HC), Light Intermediate Chains (LIC), Intermediate Chains (IC) and Light Chains (LC). However, most aspects of dynein-2 subunit recruitment and function are still poorly understood. To determine the mechanisms that control dynein-2 recruitment and activity inside cilia, and increase our understanding on how mutations in dynein-2 subunits cause developmental ciliopathies, I used live fluorescence microscopy to directly monitor the dynamics of dynein-2 subunits in Caenorhabditis elegans. In this study, I showed the importance of dynein-2 IC (WDR-60) and LIC (XBX-1) for the ciliary recruitment of the dynein-2 HC (CHE-3). I also found that loss of WDR-60 results in severe defects in IFT kinetics and CHE-3 accumulations near the TZ. Strikingly, by disrupting TZ components, I was able to rescue the accumulation of these particles, revealing that, in addition to contributing to dynein-2 activity, WDR-60 is critical for the passage of IFT particles through the TZ to exit cilia. Thus, the results from this study have important implications for the better understanding of WDR60-associated ciliopathies.
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spelling Ciliary recruitment of the Dynein-2 motor and its role in C. elegans sensory functionsCiliopatiasRecrutamentoComplexo dineína-2Transporte intraflagelarWDR-60Zona de transiçãoDomínio/Área Científica::Ciências Médicas::Outras Ciências MédicasCilia are specialized organelles present in most mammalian cells to detect multiple environmental cues, important to regulate cell proliferation, differentiation, and function. Defects in these structures can cause innumerous severe disorders known as ciliopathies. During ciliogenesis, the ciliary base attaches to the plasma membrane and forms a Transition Zone (TZ) that acts as a specialized ciliary gate. The microtubule-based ciliary axoneme then extends forming the Middle and the Distal Segments, surrounded by a receptor-rich ciliary membrane. Building of all types of cilia depends on the efficient bidirectional transport of different components from the ciliary base and tip, known as Intraflagellar Transport (IFT). Kinesin-II motors transport cargo to the tip, while dynein-2 retrieves signaling molecules and other IFT components to the base. The dynein-2 motor is a large multi-subunit complex composed of several dimers of Heavy Chains (HC), Light Intermediate Chains (LIC), Intermediate Chains (IC) and Light Chains (LC). However, most aspects of dynein-2 subunit recruitment and function are still poorly understood. To determine the mechanisms that control dynein-2 recruitment and activity inside cilia, and increase our understanding on how mutations in dynein-2 subunits cause developmental ciliopathies, I used live fluorescence microscopy to directly monitor the dynamics of dynein-2 subunits in Caenorhabditis elegans. In this study, I showed the importance of dynein-2 IC (WDR-60) and LIC (XBX-1) for the ciliary recruitment of the dynein-2 HC (CHE-3). I also found that loss of WDR-60 results in severe defects in IFT kinetics and CHE-3 accumulations near the TZ. Strikingly, by disrupting TZ components, I was able to rescue the accumulation of these particles, revealing that, in addition to contributing to dynein-2 activity, WDR-60 is critical for the passage of IFT particles through the TZ to exit cilia. Thus, the results from this study have important implications for the better understanding of WDR60-associated ciliopathies.Os cílios são organelos especializados presentes na maioria das células de mamíferos. Os cílios podem ser divididos em dois grupos: móveis e imóveis, de acordo com a sua estrutura e função. Cílios móveis incluem, por exemplo, os flagelos em espermatozoides, importantes para a fertilidade, e os multi-cílios nas células das vias aéreas que promovem o fluxo de muco. Cílios imóveis incluem os cílios dos neurónios olfativos que são responsáveis por captar moléculas odorantes, e os cílios de conexão especializada em fotorreceptores que permite a formação de um segmento externo, critico para a visão. Para além destas funções mais especializadas, os cílios primários presentes na maioria das células contribuem para a regulação da proliferação, diferenciação e função celular. Sendo assim, não é de estranhar que defeitos nestas estruturas podem causar inúmeras doenças severas conhecidas como ciliopatias. Estas ciliopatias incluem o Síndrome de Bardet-Biedl (SBB), o Síndrome de Joubert (JBTS), a Nefronoftise (NPHP), o Síndrome de Meckel (MKS), a Displasia torácica de costela curta (SRTD), e muitas outras. Apesar da clara importância dos cílios no desenvolvimento humano, ainda não está claro como mutações em diferentes proteínas ciliares podem resultar em múltiplos tipos de patologias com anomalias distintas. Durante a ciliogénese, o centríolo mais velho do centrossoma (a base ciliar) liga-se à membrana plasmática e forma uma zona de transição que atua como uma porta ciliar especializada - mais precisamente a zona de transição controla as proteínas que podem entrar ou sair do cílio, individualizando-o do citoplasma da célula. O axonema do cílio, formado por microtúbulos, estende-se depois da zona de transição dando origem ao segmento médio e ao segmento distal do cílio, que são envolvidos por uma membrana ciliar rica em recetores. A construção de todos os tipos de cílios depende do transporte bidirecional especializado de diferentes complexos proteicos da base para a ponta do cílio, conhecido como Transporte Intraflagelar (IFT). O IFT depende de proteínas motoras acopladas a complexos de IFT para efetuar o transporte de cargas do cílio. Os motores de cinesina-2 transportam a carga da base até à ponta do cílio, ou seja, no sentido anterógrado, enquanto que a dineína-2 é responsável pelo transporte retrógrado de moléculas de sinalização e outros componentes de IFT para a base do cílio. Os complexos de IFT são compostos de diversas proteínas interligadas entre si que desempenham diferentes funções no IFT, e são divididos em complexo IFT-A e complexo IFT-B. O complexo IFT-A encontrasse mais associado ao transporte retrógrado enquanto que o complexo IFT-B participa no transporte anterógrado sendo essencial para a entrada de componentes para o interior do cílio. O motor retrógrado da dineína-2 é um grande complexo de múltiplas subunidades composto por vários dímeros de cadeias pesadas (HC), cadeias intermediárias leves (LIC), cadeias intermediárias (IC) e cadeias leves (LC). Sabe-se que algumas subunidades da dineína-2 são recrutadas para a base ciliar onde são incorporadas nos comboios IFT para depois participarem no transporte retrógrado na ponta do cílio. Alguns estudos sugerem que o recrutamento das subunidades HC e LIC da dineína-2 para dentro do cílio é interdependente. Também foi reportado que a perda de componentes do complexo IFT-B leva ao bloqueio da entrada de algumas subunidades da dineína-2 para o cílio enquanto que a deleção de subunidades do complexo IFT-A tende a reter a subunidades da dineína-2 dentro do cílio. Contudo, a maioria dos aspetos do recrutamento e a função das subunidades da dineína-2 ainda são pouco compreendidos. Para determinar os mecanismos que controlam o recrutamento e a atividade da dineína-2 dentro dos cílios, e para aumentar a nossa compreensão sobre como mutações nas subunidades da dineína-2 causam ciliopatias de desenvolvimento, neste projeto usei microscopia de fluorescência in vivo para monitorizar diretamente a dinâmica das subunidades da dineína-2 em Caenorhabditis elegans, na presença e ausência da IC (WDR-60) e LIC (XBX-1). Os meus resultados revelam a importância da IC (WDR-60) e LIC (XBX-1) no recrutamento e distribuição da dineína-2 HC (CHE-3) dentro dos cílios de neurónios sensoriais. Mais precisamente, confirmei que a subunidade XBX-1 é necessária para CHE-3 ser recrutada para a base ciliar e mostrei pela primeira vez que WDR-60 é dispensável para o recrutamento ciliar de CHE-3 e XBX-1. Contudo, descobri que a perda de WDR-60 resulta em defeitos graves na velocidade e frequência do movimento retrógrado de CHE-3, e em acumulações desta subunidade perto da base do cílio. Em concordância com estes resultados, também observei que a perda de WDR-60 resulta igualmente em acumulações de várias subunidades dos complexos IFT (A e B) ao longo do cílio, com uma redução significativa nas cinéticas dos seus movimentos retrógrados. Utilizando marcadores da zona de transição do cílio, as acumulações de CHE-3 que observei na ausência de WDR-60 ocorrem na parte mais distal da zona de transição. Com este resultado em consideração, hipotetizámos que a WDR-60 poderia ser importante para a capacidade da dineína-2 de atravessar a zona de transição. Assim, decidimos testar se a remoção dos Y-links da zona de transição seria suficiente para aliviar a acumulação de CHE-3 perto da zona de transição. Efetivamente, quando deletei os componentes da zona de transição que formam os Y-links, consegui reverter as acumulações de CHE-3 mesmo na ausência de WDR-60, revelando que, para além de contribuir para a atividade da dineína-2 durante IFT, a WDR-60 é fundamental para a passagem das partículas de IFT pela zona de transição e assim permitir a sua saída dos cílios. Com base nos resultados deste estudo, eu proponho 3 possíveis modelos de como a IC WDR-60 poderá estar a influenciar a atividade e funções da dineína-2 e do IFT: i) a IC WDR-60 é necessária para que o motor da dineína-2 atinja a velocidade/força que necessita para atravessar a densa região da zona de transição; ii) a IC WDR-60 interage com alguma proteína da zona de transição para permitir a passagem da dineína-2 e de componentes do IFT e saída destes do cílio; iii) a IC WDR-60 é necessária para a correta conformação do complexo da dineína-2, consequentemente, influenciando a sua atividade e eficiência em atravessar a zona de transição. Os resultados deste estudo têm implicações importantes para o melhor entendimento das causas das ciliopatias associadas a mutações em WDR60.This work was financed by FEDER - Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional funds through the COMPETE 2020 - Operacional Programme for Competitiveness and Internationalisation (POCI), Portugal 2020, and by Portuguese funds through FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia/Ministério da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior in the framework of the project POCI-01-0145-FEDER-029471.Nóbrega, ClévioDantas, Tiago J.SapientiaCastro, Ana Rita Gonçalves de2023-12-02T01:30:15Z2020-12-022020-12-02T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.1/16677TID:202691055enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-12-06T02:00:39Zoai:sapientia.ualg.pt:10400.1/16677Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:06:46.551613Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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