Wnt- und mTOR-Signalwege arbeiten zusammen, um die Bildung primärer Zilien in menschlichen Zellen zu steuern

Primäre Zilien sind schlanke, auf Mikrotubuli basierende Zellfortsätze, die als zelluläre Antennen fungieren und Signale der Hedgehog-, Wnt-, TGF-β- sowie weiterer Signalwege weiterleiten. Defekte Zilien verursachen Ziliopathien – eine breite Klasse von Erkrankungen, zu denen Netzhautdegeneration, Nierenzysten und Skelettfehlbildungen gehören. Obwohl bekannt ist, dass Zilien die Signalübertragung beeinflussen, ist noch wenig darüber verstanden, wie Signalwege ihrerseits die Zilienbildung regulieren.

Diese Studie von Yuan und Kollegen nutzte humane retinale Pigmentepithelzellen (hTERT-RPE1) – ein etabliertes Modell für die Ziliogenese – um zu untersuchen, wie die Modulation des Wnt/LRP6-Signalwegs die Assemblierung primärer Zilien beeinflusst. Das Team bestätigte zunächst, dass eine basale Wnt/β-Catenin-Aktivität für die Zilienbildung erforderlich ist: Ein siRNA-Knockdown von LRP5/6 oder β-Catenin reduzierte die Zilienfrequenz um 30–50 %, ohne die tatsächlich gebildeten Zilien nennenswert zu verkürzen. Dies deutet darauf hin, dass Wnt/β-Catenin selektiv die Initiierung der Zilienbildung steuert, nicht jedoch deren Elongation.

Um den Effekt erhöhter Wnt-Aktivität zu untersuchen, behandelten die Forschenden die Zellen vor der Serumentzugsphase mit Wnt3a-konditioniertem Medium oder dem Wnt-Agonisten CHIR99021. Beide Interventionen verzögerten die Ziliogenese signifikant. Die mechanistische Analyse offenbarte mehrere konvergierende Defekte: (1) Komponenten der distalen Anhänge zeigten eine Dysregulation, (2) die inhibitorische CP110-CEP97-Kappe wurde nicht ordnungsgemäß von den Mutterzentriolen entfernt, (3) das Andocken Rab8-positiver Vesikel am Zentriol war reduziert und (4) das mit zentriolären Satelliten assoziierte OFD1 – ein weiterer Ziliogenese-Inhibitor – blieb erhöht. Diese Defekte blockieren gemeinsam sowohl die Etablierung der Zilienmembran als auch die Axonem-Extension.

Die Studie untersuchte anschließend, warum OFD1 an zentriolären Satelliten persistierte. Normalerweise wird OFD1 zu Beginn der Ziliogenese durch Autophagie abgebaut. Zellen mit erhöhter Wnt-Aktivität wiesen einen reduzierten autophagischen Flux sowie eine gesteigerte mTOR-Kinase-Aktivität auf – konsistent mit dem bekannten Wnt/mTOR-Arm, in dem Wnt die GSK3-abhängige Aktivierung des mTORC1-Suppressors TSC2 hemmt. Entscheidend war, dass die pharmakologische Hemmung von mTOR mit Rapamycin oder Torin-1 die Ziliogenese in Wnt-hyperaktivierten Zellen wiederherstellte und die ektope Entfernung von OFD1 einen ähnlichen Rettungseffekt erzeugte – womit übermäßige mTOR-Aktivität und OFD1-Akkumulation als die wichtigsten nachgeschalteten Effektoren der Wnt-vermittelten Beeinträchtigung der Ziliogenese identifiziert wurden.

Die Daten stützen insgesamt ein Modell, in dem der Wnt-Signalweg innerhalb eines präzisen Fensters wirkt: Unzureichendes Wnt reduziert die Initiierung der Zilienbildung, während übermäßiges Wnt die Autophagie über mTOR unterdrückt, wodurch sich OFD1 an zentriolären Satelliten anreichert und die Zilienassemblierung blockiert. Das Zusammenspiel von Wnt und mTOR fungiert somit als Rheostat für die Ziliogenese – mit Implikationen für das Verständnis von Ziliopathien sowie Erkrankungen, bei denen Wnt oder mTOR dysreguliert sind, darunter Krebs und altersbedingte degenerative Erkrankungen.