Transcriptional Regulatory Logic of Cilium Formation in C. Elegans

Abstract

[ES] Los cilios son estructuras eucariotas complejas conservadas evolutivamente que, proyectando desde la superficie de las células, desempeñan un gran número de funciones biológicas. Los cilios se clasifican tradicionalmente en móviles o sensoriales y en su composición intervienen cientos de proteínas. Este conjunto de genes que codifican para los componentes ciliares se conoce como cilioma. Las mutaciones en el cilioma subyacen a un grupo cada vez mayor de enfermedades multisistémicas altamente pleiotrópicas denominadas globalmente como ciliopatías. Estas enfermedades se caracterizan, entre otros síntomas, por retraso mental, defectos sensoriales y/o trastornos metabólicos. A pesar de que se estima que 1 de cada 1.000 personas está afectada por estas enfermedades, las bases moleculares de las ciliopatías son todavía poco conocidas.

El adecuado ensamblaje y funcionalidad del cilio requieren de la expresión estrechamente coordinada de los componentes del cilio; sin embargo, se sabe poco sobre la lógica reguladora que controla la transcripción del cilioma. La mayoría de los genes del cilioma son compartidos tanto por cilios móviles como sensoriales. Los factores de transcripción (FTs) de la familia RFX tienen un papel evolutivamente conservado en la regulación transcripcional del cilioma tanto móvil como sensorial. En los vertebrados, la transcripción del cilioma móvil también está regulada directamente por FoxJ1, un FT de la familia forkhead (FKH). Sin embargo, hasta la fecha, se desconocen los FTs que actúan junto a RFX en la transcripción del cilioma sensorial en cualquier organismo.

En este trabajo, hemos identificado a FKH-8, un FT de la familia FKH, como selector terminal del cilioma sensorial de C. elegans. fkh-8 se expresa de forma consistente en las sesenta neuronas sensoriales ciliadas de C. elegans, se une a las regiones reguladoras de los genes del cilioma sensorial, también es necesario para la correcta expresión de los genes del cilioma y actúa de forma sinérgica con el conocido regulador maestro de la ciliogénesis DAF19/RFX. En consecuencia, los mutantes para fkh-8 muestran una amplia gama de defectos de comportamiento en una plétora de paradigmas sensoriales, incluyendo la olfacción, la gustación y la mecano-sensación.

Así, hemos identificado, por primera vez, un FT que actúa junto con los FTs de la familia RFX en la regulación directa del cilioma sensorial. Además, nuestros resultados, junto con trabajos anteriores, muestran que los FTs FKH y RFX actúan conjuntamente en la regulación de los cilios tanto móviles como sensoriales, lo que sugiere que esta lógica reguladora podría ser un rasgo evolutivo antiguo anterior a la subespecialización funcional de los cilios. Finalmente, esperamos que los resultados de nuestro trabajo ayuden a entender mejor las bases biológicas de las ciliopatías huérfanas

[CA] Els cilis són estructures eucariotes complexes conservades evolutivament que, projectant des de la superfície de les cèl·lules, exerceixen un gran nombre de funcions biològiques. Els cilis es classifiquen tradicionalment en mòbils o sensorials i en la seua composició intervenen centenars de proteïnes. Aquest conjunt de gens que codifiquen per als components ciliars es coneix com el cilioma. Les mutacions en el cilioma subjauen a un grup cada vegada major de malalties multisistèmiques altament pleiotròpiques denominades globalment com ciliopaties. Aquestes malalties es caracteritzen, entre altres símptomes, per retard mental, defectes sensorials i/o trastorns metabòlics. A pesar que s'estima que 1 de cada 1.000 persones està afectada per aquestes malalties, les bases moleculars de les ciliopaties són encara poc conegudes.

L'adequat assemblatge i funcionalitat del cili requereixen de l'expressió estretament coordinada dels components del cili; no obstant això, se sap poc sobre la lògica reguladora que controla la transcripció del cilioma. La majoria dels gens del cilioma són compartits tant per cilis mòbils com sensorials. Els factors de transcripció (FTs) de la família RFX tenen un paper evolutivament conservat en la regulació transcripcional del cilioma tant mòbil com sensorial. En els vertebrats, la transcripció del cilioma mòbil també està regulada directament per FoxJ1, un FT de la família forkhead (FKH). No obstant això, fins hui, es desconeixen els FTs que actuen al costat de RFX en la transcripció del cilioma sensorial en qualsevol organisme.

En aquest treball, hem identificat a FKH-8, un FT de la família FKH, com a selector terminal del cilioma sensorial de C. elegans. fkh-8 s'expressa de manera consistent en les seixanta neurones sensorials ciliades de C. elegans, s'uneix a les regions reguladores dels gens del cilioma sensorial, també és necessari per a la correcta expressió dels gens del cilioma i actua de manera sinèrgica amb el conegut regulador mestre de la ciliogènesi DAF-19/RFX. En conseqüència, els mutants per a fkh-8 mostren una àmplia gamma de defectes de comportament en una plètora de paradigmes sensorials, incloent la olfacció, la gustació i la mecano-sensació.

Així, hem identificat, per primera vegada, un FT que actua juntament amb els FTs de la família RFX en la regulació directa del cilioma sensorial. A més, els nostres resultats, juntament amb treballs anteriors, mostren que els FTs FKH i RFX actuen conjuntament en la regulació dels cilis tant mòbils com sensorials, la qual cosa suggereix que aquesta lògica reguladora podria ser un tret evolutiu antic anterior a la subespecialització funcional dels cilis. Finalment, esperem que els resultats del nostre treball ajuden a entendre millor les bases biològiques de les ciliopaties òrfenes.

[EN] Cilia are complex evolutionary conserved eukaryotic structures that, projecting from cell surfaces, perform a variety of biological roles. Cilia are traditionally classified into motile or sensory and hundreds of proteins take part in their composition. This set of genes coding for ciliary components is known as the ciliome. Mutations in the ciliome underlie an ever-growing group of highly pleiotropic multisystemic diseases globally termed as ciliopathies. These diseases are characterized, among other symptoms, by mental retardation, sensory defects and/or metabolic disorders. Despite an estimated 1 in 1,000 people affected by these diseases, the molecular bases of the ciliopathies are still poorly understood.

Proper cilium assembly and functionality requires the tightly co-regulated expression of ciliary components; however, little is known about the regulatory logic controlling ciliome transcription. Most ciliome genes are shared between motile and sensory cilia. RFX transcription factors (TFs) have an evolutionarily conserved role in the transcriptional regulation of both motile and sensory ciliome. In vertebrates, transcription of motile ciliome is also directly regulated by FoxJ1, a Forkhead (FKH) TF. However, to date, TFs working together with RFX in the transcription of the sensory ciliome are unknown in any organism.

In this work, we have identified FKH-8, a FKH TF, as a terminal selector of the sensory ciliome in C. elegans. fkh-8 is consistently expressed within the sixty ciliated sensory neurons of C. elegans, it binds the regulatory regions of the sensory ciliome genes, it is also required for correct ciliome gene expression and acts synergistically with the known master regulator of the ciliogenesis DAF-19/RFX. Accordingly, fkh-8 mutants display a wide range of behavioural defects in a plethora of sensory mediated paradigms, including olfaction, gustation, and mechano-sensation.

Thus, we have identified, for the first time, a TF that acts together with RFX TFs in the direct regulation of the sensory ciliome. Moreover, our results, together with previous work, show that FKH and RFX TFs act together in the regulation of both motile and sensory cilia, suggesting this regulatory logic could be an ancient trait pre-dating functional sub-specialization of cilia. Finally, we hope our results could help better understand the biological basis of orphan ciliopathies.