Primary cilia, single hair-like appendage on the surface of the most mammalian cells, were once considered to be vestigial cellular organelles for a past century because of their tiny structure and unknown function. Although they lack ancestral motility function of cilia or flagella, they share common ground with multiciliated motile cilia and flagella on internal structure such as microtubule based nine outer doublets nucleated from the base of mother centrioles called basal body. Making cilia, ciliogenesis, in cells depends on the cell cycle stage due to reuse of centrioles for cell division forming mitotic spindle pole (M phase) and assembling cilia from basal body (starting G1 phase and maintaining most of interphase). Ciliary assembly required two conflicting processes such as assembly and disassembly and balance between these two processes determines the length of cilia. Both process required highly conserved transport system to supply needed substance to grow tip of cilia and bring ciliary turnover product back to the base of cilia using motor protein, kinesin and dynein, and transport protein complex, IFT particles. Disruption of ciliary structure or function causes multiple human disorder called ciliopathies affecting disease of diverse ciliated tissues ranging from eye, kidney, respiratory tract and brain. Recent explosion of research on the primary cilia and their involvement on animal development and disease attracts scientific interest on how extensively the function of cilia related to specific cell physiology and signaling pathway. In this review, I introduce general features of primary cilia and recent progress in understanding of the ciliary length control and signaling pathways transduced through primary cilia in vertebrates.
Han, Sang Jun;Kim, Jee In;Lipschutz, Joshua H.;Park, Kwon Moo
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.25
no.6
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pp.593-601
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2021
Primary cilia on kidney tubular cells play crucial roles in maintaining structure and physiological function. Emerging evidence indicates that the absence of primary cilia, and their length, are associated with kidney diseases. The length of primary cilia in kidney tubular epithelial cells depends, at least in part, on oxidative stress and extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK) activation. Hydrogen sulfide (H2S) is involved in antioxidant systems and the ERK signaling pathway. Therefore, in this study, we investigated the role of H2S in primary cilia elongation and the downstream pathway. In cultured Madin-Darby Canine Kidney cells, the length of primary cilia gradually increased up to 4 days after the cells were grown to confluent monolayers. In addition, the expression of H2S-producing enzyme increased concomitantly with primary cilia length. Treatment with NaHS, an exogenous H2S donor, accelerated the elongation of primary cilia whereas DL-propargylglycine (a cystathionine γ-lyase inhibitor) and hydroxylamine (a cystathionine-β-synthase inhibitor) delayed their elongation. NaHS treatment increased ERK activation and Sec10 and Arl13b protein expression, both of which are involved in cilia formation and elongation. Treatment with U0126, an ERK inhibitor, delayed elongation of primary cilia and blocked the effect of NaHS-mediated primary cilia elongation and Sec10 and Arl13b upregulation. Finally, we also found that H2S accelerated primary cilia elongation after ischemic kidney injury. These results indicate that H2S lengthens primary cilia through ERK activation and a consequent increase in Sec10 and Arl13b expression, suggesting that H2S and its downstream targets could be novel molecular targets for regulating primary cilia.
Primary cilia and autophagy are two distinct nutrient-sensing machineries required for maintaining intracellular energy homeostasis, either via signal transduction or recycling of macromolecules from cargo breakdown, respectively. Potential correlations between primary cilia and autophagy have been recently suggested and their relationship may increase our understanding of the pathogenesis of human diseases, including ciliopathies and cancer. In this review, we cover the current issues concerning the bidirectional interaction between primary cilia and autophagy and discuss its role in cancer with cilia defect.
Cilia are highly specialized antennae-like organelles that extend from the cell surface and act as cell signaling hubs. Intraflagellar transport (IFT) is a specialized form of intracellular protein trafficking that is required for the assembly and maintenance of cilia. Because cilia are so important, mutations in several IFT components lead to human disease. Thus, clarifying the molecular functions of the IFT proteins is a high priority in cilia biology. Live imaging in various species and cellular preparations has proven to be an important technique in both the discovery of IFT and the mechanisms by which it functions. Live imaging of Drosophila cilia, however, has not yet been reported. Here, we have visualized the movement of IFT in Drosophila cilia using time-lapse live imaging for the first time. We found that NOMPB-GFP (IFT88) moves according to distinct parameters depending on the ciliary segment. NOMPB-GFP moves at a similar speed in proximal and distal cilia toward the tip (${\sim}0.45{\mu}m/s$). As it returns to the ciliary base, however, NOMPB-GFP moves at ${\sim}0.12{\mu}m/s$ in distal cilia, accelerating to ${\sim}0.70{\mu}m/s$ in proximal cilia. Furthermore, while live imaging NOMPB-GFP, we observed one of the IFT proteins required for retrograde movement, Oseg4 (WDR35), is also required for anterograde movement in distal cilia. We anticipate our time-lapse live imaging analysis technique in Drosophila cilia will be a good starting point for a more sophisticated analysis of IFT and its molecular mechanisms.
A primary cilium, a hair-like protrusion of the plasma membrane, is a pivotal organelle for sensing external environmental signals and transducing intracellular signaling. An interesting linkage between cilia and obesity has been revealed by studies of the human genetic ciliopathies Bardet-Biedl syndrome and Alström syndrome, in which obesity is a principal manifestation. Mouse models of cell type-specific cilia dysgenesis have subsequently demonstrated that ciliary defects restricted to specific hypothalamic neurons are sufficient to induce obesity and hyperphagia. A potential mechanism underlying hypothalamic neuron cilia-related obesity is impaired ciliary localization of G protein-coupled receptors involved in the regulation of appetite and energy metabolism. A well-studied example of this is melanocortin 4 receptor (MC4R), mutations in which are the most common cause of human monogenic obesity. In the paraventricular hypothalamus neurons, a blockade of ciliary trafficking of MC4R as well as its downstream ciliary signaling leads to hyperphagia and weight gain. Another potential mechanism is reduced leptin signaling in hypothalamic neurons with defective cilia. Leptin receptors traffic to the periciliary area upon leptin stimulation. Moreover, defects in cilia formation hamper leptin signaling and actions in both developing and differentiated hypothalamic neurons. The list of obesity-linked ciliary proteins is expending and this supports a tight association between cilia and obesity. This article provides a brief review on the mechanism of how ciliary defects in hypothalamic neurons facilitate obesity.
Hong, Julie J.;Kim, Kyung Eun;Park, So Young;Bok, Jinwoong;Seo, Jeong Taeg;Moon, Seok Jun
Molecules and Cells
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v.44
no.8
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pp.591-601
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2021
Cilia are highly specialized organelles that extend from the cell membrane and function as cellular signaling hubs. Thus, cilia formation and the trafficking of signaling molecules into cilia are essential cellular processes. TULP3 and Tubby (TUB) are members of the tubby-like protein (TULP) family that regulate the ciliary trafficking of G-protein coupled receptors, but the functions of the remaining TULPs (i.e., TULP1 and TULP2) remain unclear. Herein, we explore whether these four structurally similar TULPs share a molecular function in ciliary protein trafficking. We found that TULP3 and TUB, but not TULP1 or TULP2, can rescue the defective cilia formation observed in TULP3-knockout (KO) hTERT RPE-1 cells. TULP3 and TUB also fully rescue the defective ciliary localization of ARL13B, INPP5E, and GPR161 in TULP3 KO RPE-1 cells, while TULP1 and TULP2 only mediate partial rescues. Furthermore, loss of TULP3 results in abnormal IFT140 localization, which can be fully rescued by TUB and partially rescued by TULP1 and TULP2. TUB's capacity for binding IFT-A is essential for its role in cilia formation and ciliary protein trafficking in RPE-1 cells, whereas its capacity for PIP2 binding is required for proper cilia length and IFT140 localization. Finally, chimeric TULP1 containing the IFT-A binding domain of TULP3 fully rescues ciliary protein trafficking, but not cilia formation. Together, these two TULP domains play distinct roles in ciliary protein trafficking but are insufficient for cilia formation in RPE-1 cells. In addition, TULP1 and TULP2 play other unknown molecular roles that should be addressed in the future.
Immotile cilia syndrome is a congenital structural abnormality of cilia. The structural abnormality is lack of dynein arm or defective radial spoke or microtubular transposition. In this syndrome, ciliary movement is completely absent or dyskinetic and half of this syndrome shows Kartagener`s triad. We report a 13-year-old girl who had immotile cilia syndrome with Kartagener`s triad. She had been suffering from frequent respiratory infection, hemoptysis, large amount of sputum, and sinusitis. Bronchography revealed tubular bronchiectasis in right lower lobe and that lobe was resected for treatment of bronchiectasis. Histological examination of resected bronchus showed chronic bronchiectasis and electronmicroscopically complete lack of both inner and outer dynein arms. Hospital course was uneventful and symptoms were much improved.
Polycystic kidney disease (PKD) is a common hereditary disorder which is characterized by fluid-filled cysts in the kidney. Mutation in either PKD1, encoding polycystin-1 (PC1), or PKD2, encoding polycystin-2 (PC2), are causative genes of PKD. Recent studies indicate that renal cilia, known as mechanosensors, detecting flow stimulation through renal tubules, have a critical function in maintaining homeostasis of renal epithelial cells. Because most proteins related to PKD are localized to renal cilia or have a function in ciliogenesis. PC1/PC2 heterodimer is localized to the cilia, playing a role in calcium channels. Also, disruptions of ciliary proteins, except for PC1 and PC2, could be involved in the induction of polycystic kidney disease. Based on these findings, various PKD mice models were produced to understand the roles of primary cilia defects in renal cyst formation. In this review, we will describe the general role of cilia in renal epithelial cells, and the relationship between ciliary defects and PKD. We also discuss mouse models of PKD related to ciliary defects based on recent studies.
Shin, Ji Hyun;Bae, Dong-Jun;Kim, Eun Sung;Kim, Han Byeol;Park, So Jung;Jo, Yoon Kyung;Jo, Doo Sin;Jo, Dong-Gyu;Kim, Sang-Yeob;Cho, Dong-Hyung
Biomolecules & Therapeutics
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v.23
no.4
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pp.327-332
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2015
Primary cilia have critical roles in coordinating multiple cellular signaling pathways. Dysregulation of primary cilia is implicated in various ciliopathies. To identify specific regulators of autophagy, we screened chemical libraries and identified mefloquine, an anti-malaria medicine, as a potent regulator of primary cilia in human retinal pigmented epithelial (RPE) cells. Not only ciliated cells but also primary cilium length was increased in mefloquine-treated RPE cells. Treatment with mefloquine strongly induced the elongation of primary cilia by blocking disassembly of primary cilium. In addition, we found that autophagy was increased in mefloquine-treated cells by enhancing autophagic flux. Both chemical and genetic inhibition of autophagy suppressed ciliogenesis in mefloquine-treated RPE cells. Taken together, these results suggest that autophagy induced by mefloquine positively regulates the elongation of primary cilia in RPE cells.
Lee, Junguee;Oh, Dong Hyun;Park, Ki Cheol;Choi, Ji Eun;Kwon, Jong Beom;Lee, Jongho;Park, Kuhn;Sul, Hae Joung
Molecules and Cells
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v.41
no.3
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pp.224-233
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2018
Primary cilia are solitary, non-motile, axonemal microtubule-based antenna-like organelles that project from the plasma membrane of most mammalian cells and are implicated in transducing hedgehog signals during development. It was recently proposed that aberrant SHH signaling may be implicated in the progression of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). However, the distribution and role of primary cilia in IPF remains unclear. Here, we clearly observed the primary cilia in alveolar epithelial cells, fibroblasts, and endothelial cells of human normal lung tissue. Then, we investigated the distribution of primary cilia in human IPF tissue samples using immunofluorescence. Tissues from six IPF cases showed an increase in the number of primary cilia in alveolar cells and fibroblasts. In addition, we observed an increase in ciliogenesis related genes such as IFT20 and IFT88 in IPF. Since major components of the SHH signaling pathway are known to be localized in primary cilia, we quantified the mRNA expression of the SHH signaling components using qRT-PCR in both IPF and control lung. mRNA levels of SHH, the coreceptor SMO, and the transcription factors GLI1 and GLI2 were upregulated in IPF compared with control. Furthermore, the nuclear localization of GLI1 was observed mainly in alveolar epithelia and fibroblasts. In addition, we showed that defective KIF3A-mediated ciliary loss in human type II alveolar epithelial cell lines leads to disruption of SHH signaling. These results indicate that a significant increase in the number of primary cilia in IPF contributes to the upregulation of SHH signals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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