Atlas der Pflanzen- und Tierhistologie

Mikrotubuli sind Bestandteile des Zytoskeletts mit wichtigen Funktionen in der Zellphysiologie. Das Mikrotubuli-Gerüst des Zytoplasmas ist dank der Polymerisations- und Depolymerisationsfähigkeit der Mikrotubuli sehr plastisch. Allerdings befinden sich nicht alle Mikrotubuli einer Zelle in diesem Schrumpf- oder Wachstumsstadium. Zilien, Geißeln und Zentriolen/Basalkörper sind zelluläre Strukturen, die sehr stabile (Anzahl und Länge) und hoch organisierte Mikrotubuli enthalten. Auf dieser Seite befassen wir uns mit Zilien und Geißeln.

1. Cilium

Cilien sind dünne und lange Zellfortsätze von etwa 0,25 µm Durchmesser und etwa 10 bis 15 µm Länge, die in tierischen Zellen und einigen einzelligen eukaryotischen Arten vorkommen. Sie befinden sich in der Regel dicht gepackt an der freien Oberfläche von Epithelzellen (Abbildungen 1 und 2), wie dem Epithel der Atemwege, dem Epithel der Fortpflanzungsorgane, den Kiemen von Fischen und Muscheln usw. Zilien sind bewegliche Strukturen, deren Hauptfunktion darin besteht, die sie umgebende Flüssigkeit zu bewegen, z. B. den Schleim auf der Oberfläche der Atemwege, das Wasser im Bereich des Kiemenepithels, aber auch die Eizelle im weiblichen Eileiter. Viele einzellige Organismen können sich mit Hilfe von Zilien fortbewegen, andere nutzen sie zur Erzeugung von Wasserwirbeln, um Nahrung zu fangen. Die Knotenzilien des Embryos sind an der Entstehung der Links-Rechts-Achse während der Embryonalentwicklung von Wirbeltieren beteiligt. Die Bewegung der Zilien ist wie ein Schlagen, das die Flüssigkeit parallel zur Zelloberfläche antreibt.

Abbildung 1. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des zentralen Kanals eines Neunaugen-Rückenmarks. Man kann viele Zilien (bei höherer Vergrößerung in B) und kleine Mikrovilli im apikalen Bereich der Ependimalzellen beobachten.

Abbildung 2. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen des Atmungsepithels. Zellen mit klarem Zytoplasma weisen an ihrer apikalen Oberfläche viele Zilien auf.

Es gibt Zilien, die sich nicht bewegen können und daher nicht für die Bewegung von Flüssigkeiten bestimmt sind. Diese Zilien werden als primäre Zilien bezeichnet. Die meisten bisher untersuchten Zellen (mit Ausnahme der roten Blutkörperchen) tragen primäre Zilien: Eizellen, Neuronen, Chondrozyten, Ektodermzellen, mesenchymale Zellen, Epithelzellen der Harnwege, Hepatozyten und sogar kultivierte Zellen. Ursprünglich wurden die primären Zilien als nicht funktionale Zilien angesehen. Es wurden jedoch viele Rezeptortypen und Ionenkanäle in der Zilienmembran gefunden, so dass sie als zelluläre sensorische Strukturen betrachtet wurden. So finden sich beispielsweise Geruchsrezeptoren in den Zilien der Dendriten, und die äußeren Segmente der Stäbchen und Zapfen der Netzhaut sind eigentlich modifizierte Zilien. Einige Rezeptoren sind in der Zilienmembran stärker gepackt als in anderen Bereichen der Plasmamembran. Darüber hinaus gibt es im Inneren der Zilien eine Vielzahl von Molekülen, die an der Signalübertragung beteiligt sind. Durch das größere Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen eines Ziliums sind die molekularen Reaktionen innerhalb des Ziliums intensiver und effizienter, als wenn sie außerhalb des Ziliums stattfinden würden. Neben chemischen Signalen können Primärzilien auch Flüssigkeitsbewegungen außerhalb der Zelle wahrnehmen und als Mechanorezeptoren wirken.

2. Flagellum

Flagellen ähneln den Flimmerhärchen, sind aber viel länger, etwa 150 µm lang, und etwas dicker. Sie sind in den Zellen deutlich weniger zahlreich als Zilien. Die Hauptfunktion der Geißeln besteht darin, die Zelle zu bewegen. Die Bewegung der Geißel unterscheidet sich von der des Ciliums, denn die Bewegungsrichtung ist senkrecht zur Zelloberfläche (nicht parallel), d. h. in Richtung der Längsachse der Geißel. Flagellen sind häufig in beweglichen Zellen wie Einzellern und Spermien zu finden.

Struktur

Zilien und Flagellen sind komplexe Strukturen, die mehr als 250 verschiedene Proteine enthalten. Beide haben die gleiche zentrale Mikrotubuli-Organisation und andere assoziierte Proteine, die zusammen als Axoneme bekannt sind und von der Plasmamembran begrenzt werden (Abbildung 3). Neben dem Axonem gibt es viele lösliche Moleküle im Inneren der Zilien/Flagellen, die die Matrix bilden. Das Axonem besteht aus 9 Paaren von Mikrotubuli, die sich um ein weiteres zentrales Paar von Mikrotubuli gruppieren. Diese Organisation kann als (9 x 2) + 2 geschrieben werden. Den primären Zilien fehlt ein zentrales Paar von Mikrotubuli. Jedes Mikrotubuli des zentralen Paares besteht aus 13 Protofilamenten, aber die Mikrotubuli der peripheren Paare teilen sich einige Protofilamente untereinander. Ein peripheres Paar besteht also aus den Mikrotubuli A und B. Das A-Mikrotubulum enthält 13 Protofilamente und das B-Mikrotubulum enthält 10 oder 11 Protofilamente, von denen es sich 2 oder 3 mit dem A-Mikrotubulum teilt.

Abbildung 3. Die wichtigsten molekularen Komponenten von Zilien und Geißeln. Bei primären Zilien fehlt das zentrale Paar.

Die Mikrotubuli-Organisation des Axonems ist das Ergebnis eines Gerüsts aus Proteinen. Zwölf Proteine wurden bereits als Bestandteile des Axonems gefunden, die an der Aufrechterhaltung der Mikrotubuli-Organisation beteiligt sind. Die benachbarten peripheren Mikrotubuli-Paare sind untereinander durch Nexin verbunden. In jedem Paar ist das A-Mikrotubulum durch Proteinspeichen mit einem zentralen Ring verbunden, der das zentrale Paar oder die zentralen Mikrotubuli enthält. Dinein ist ein Motorprotein, das mit den peripheren Mikrotubuli verbunden ist, die an der Bewegung von Zilien und Geißeln beteiligt sind.

Abbildung 4. Ultrastruktur eines Ciliums einer Ependimentalzelle des Rückenmarks. (9+2)x2 bedeutet 9 periphere Paare und 1 zentrales Paar von Mikrotubuli.

Mikrotubuli werden aus Basalkörpern polymerisiert (Abbildungen 3 und 4). Der Basalkörper besteht aus 9 Triplett-Mikrotubuli, die einen Zylinder bilden (ähnlich den Zentriolen). Ihnen fehlt ein zentrales Mikrotubuli-Paar, es ist also (9×3)+0. In jedem Triplett hat nur ein Mikrotubuli (A-Mikrotubuli) einen vollständigen Satz von Protofilamenten, während B- und C-Mikrotubuli einige davon untereinander teilen. Vom Basalkörper aus wachsen die A- und B-Mikrotubuli und bilden die peripheren Mikrotubuli des Axonems. Unmittelbar oberhalb des Basalkörpers befindet sich ein Bereich der Zilien, der als Übergangszone bezeichnet wird und die 9 peripheren Paare und kein zentrales Paar enthält. Unmittelbar nach der Übergangszone befindet sich die Basalplatte, von der aus das zentrale Mikrotubuli-Paar polymerisiert wird, um das Axonem zu vervollständigen. Alle Mikrotubuli haben das Plusende in Richtung der Spitze des Ciliums/Flagellums. Das proximale Ende des Basalkörpers (das innere oder Minus-Ende der Mikrotubuli) ist durch lange Proteinfasern, die so genannten Zilienwurzeln, am Zellskelett verankert. Die Membran enthält viele Rezeptoren und Kanäle zur Wahrnehmung der Umgebung, besonders bei den Primärzilien. Die flüssige Phase im Inneren wird als Matrix bezeichnet, die dazu beiträgt, die gesamte Struktur zu organisieren, und für die Übertragung der von den Membranrezeptoren gesammelten Informationen verantwortlich ist. Weitere ausgeprägte Bereiche sind der Basalkörper an der Basis und der apikale Teil des Ciliums/Flagellums, der Proteine enthält, die die Plusenden der Mikrobläschen stabilisieren.

4. Bewegung

Abbildung 6. Modelle für die Bewegung von Flimmerhärchen und Geißeln. Sie erzeugen unterschiedliche Bewegungsrichtungen der Flüssigkeit.

Wenn sich Cilium/Flagellum mechanisch von der Zelle lösen, bewegen sie sich so lange, bis der ATP-Speicher aufgebraucht ist. Das bedeutet, dass der Bewegungsmechanismus intrinsisch ist (Abbildung 6). Tatsächlich wird die Bewegung durch das Gleiten eines peripheren Mikrotubuli-Paares über den Nachbarn erzeugt. Nexin und Speichenproteine verhindern die Desorganisation des Axonems, ermöglichen aber diese Bewegungen. Dinein ist das Motorprotein, das für die Gleitbewegung verantwortlich ist. Die Energie wird durch ATP bereitgestellt. Dinein ist mit seinem globulären Teil am A-Mikrotubulus eines peripheren Paares und mit seinem Schwanzteil am B-Mikrotubulus des benachbarten Paares verankert. Der molekulare Mechanismus ähnelt dem der zytosolischen Dineine, aber anstatt eine Ladung zu transportieren, wird ein Mikrotubulus bewegt. Für eine effiziente Bewegung ist eine Koordination der Dineins des Axonems erforderlich. Kalziumwellen im Inneren der Zilien/Flagellen können die Aktivierung der Dineine koordinieren und bei Bedarf die Bewegungsfrequenz ändern. Es ist zu beachten, dass nicht alle Dineins gleichzeitig, sondern synchron aktiviert werden müssen.

5. Bildung

Während der Differenzierung produzieren die Zellen alle für ihre normale Physiologie notwendigen Zilien und Geißeln. Das bedeutet, dass sie alle von Grund auf neu gebildet werden müssen. Die Mikrotubuli der Axoneme werden aus den A- und B-Mikrotubuli der Basalkörper gebildet, so dass ein Basalkörper pro Cilium/Flagellum benötigt wird. Wie werden mehrere Basalkörper gebildet? Es gibt mindestens drei Möglichkeiten zur Bildung von Basalkörpern: a) durch Verwendung von Zentriolen als Schablonen für die Nukleierung von Basalkörpern; b) aus amorphem Material, das als Deuterosom bekannt ist; c) in Pflanzen gibt es bestimmte Proteinaggregate, die Basalkörper nukleieren können.

Zahlreiche menschliche Pathologien sind die Folge von Cilium/Flagell-Fehlern. Sie sind als Ziliopathien bekannt und umfassen zufällige Lateralität, falschen Verschluss des Neuralrohrs, Polydaktylie, Zystennieren-, Leber- und Bauchspeicheldrüsenpathologien, Netzhautdegeneration, Fettleibigkeit und kognitive Defekte.

Bibliographie

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Satir P, Christensen ST. 2007. Überblick über die Struktur und Funktion der Zilien von Säugetieren. Annual review of phisiology. 69:377-400.