Transcriptional Regulatory Logic of Cilium Formation in C. Elegans

Tesis doctoral, 305 págs, figuras y tablas. Se adjunta índice en fichero aparte
[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
[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
This thesis project has been made possible thanks to a pre-doctoral fellowship from the FPI Programme (BES-2015-072799) conferred by the (now extinct) Spanish Ministry of Economy & Competitivity. The following grants also provided a funding frame throughout the whole research process: “Estudio de los mecanismos transcripcionales que regulan la diferenciación de las neuronas monoaminérgicas y su conservación evolutiva.” SAF2014-56877-R “Dissecting the gene regulatory mechanisms that generate serotonergic neurons and their link to mental disorders.” ERC-St 281920 “Programas de regulación transcripcional asociados a enfermedades genéticas.” SAF2017-84790-R “Regulatory rules and evolution of neuronal gene expression.” ERC-Co 101002203