Recent evidence has suggested an association between structural and/or functional defects in the primary apical cilium of vertebrate epithelia and polycystic kidney disease (PKD). In Caenorhabditis elegans, the protein orthologues of the PKD-related proteins, polycystin-1 (LOV-1), polycystin-2 (PKD2), and polaris (OSM-5), co-localize in the cilia of male-specific sensory neurons, and defects in these proteins cause abnormalities of cilia structure and/or function. This study sought to determine whether the mammalian polycystins are expressed in primary cilia of renal epithelia and whether these proteins co-localize with polaris and cystin, the newly described, cilia-associated protein that is disrupted in the cpk mouse. To begin to address this issue, the expression of the protein products encoded by the PKD1, PKD2, Tg737, and cpk genes were examined in mouse cortical collecting duct (mCCD) cells using an immunofluorescence-based approach with a series of previously well-characterized antibodies. The mCCD cells were grown on cell culture inserts to optimize cell polarization and cilia formation. The data demonstrate co-localization in cilia of polycystin-1 and polycystin-2, which are the principal proteins involved in autosomal dominant polycystic kidney disease, with polaris and cystin, which are proteins that are disrupted in the Tg737(orpk)and cpk mouse models of autosomal recessive polycystic kidney disease, respectively. These data add to a growing body of evidence that suggests that primary cilium plays a key role in normal physiologic functions of renal epithelia and that defects in ciliary function contribute to the pathogenesis of PKD.

Intraflagellar transport (IFT) proteins are essential for cilia assembly and have recently been associated with a number of developmental processes, such as left–right axis specification and limb and neural tube patterning. Genetic studies indicate that IFT proteins are required for Sonic hedgehog (Shh) signaling downstream of the Smoothened and Patched membrane proteins but upstream of the Glioma (Gli) transcription factors. However, the role that IFT proteins play in transduction of Shh signaling and the importance of cilia in this process remain unknown. Here we provide insights into the mechanism by which defects in an IFT protein, Tg737/Polaris, affect Shh signaling in the murine limb bud. Our data show that loss of Tg737 results in altered Gli3 processing that abrogates Gli3-mediated repression of Gli1 transcriptional activity. In contrast to the conclusions drawn from genetic analysis, the activity of Gli1 and truncated forms of Gli3 (Gli3R) are unaffected in Tg737 mutants at the molecular level, indicating that Tg737/Polaris is differentially involved in specific activities of the Gli proteins. Most important, a negative regulator of Shh signaling, Suppressor of fused, and the three full-length Gli transcription factors localize to the distal tip of cilia in addition to the nucleus. Thus, our data support a model where cilia have a direct role in Gli processing and Shh signal transduction.

Cilia and flagella are microtubule-based structures nucleated by modified centrioles termed basal bodies. These biochemically complex organelles have more than 250 and 150 polypeptides, respectively. To identify the proteins involved in ciliary and basal body biogenesis and function, we undertook a comparative genomics approach that subtracted the nonflagellated proteome of Arabidopsis from the shared proteome of the ciliated/flagellated organisms Chlamydomonas and human. We identified 688 genes that are present exclusively in organisms with flagella and basal bodies and validated these data through a series of in silico, in vitro, and in vivo studies. We then applied this resource to the study of human ciliation disorders and have identified BBS5, a novel gene for Bardet-Biedl syndrome. We show that this novel protein localizes to basal bodies in mouse and C. elegans, is under the regulatory control of daf-19, and is necessary for the generation of both cilia and flagella.

Cilia, as motile and sensory organelles, have been implicated in normal development, as well as diseases including cystic kidney disease,hydrocephalus and situs inversus. In kidney epithelia, cilia are proposed to be non-motile sensory organelles, while in the mouse node, two cilia populations, motile and non-motile have been proposed to regulate situs. We show that cilia in the zebrafish larval kidney, the spinal cord and Kupffer's vesicle are motile, suggesting that fluid flow is a common feature of each of these organs. Disruption of cilia structure or motility resulted in pronephric cyst formation, hydrocephalus and left-right asymmetry defects. The data show that loss of fluid flow leads to fluid accumulation, which can account for organ distension pathologies in the kidney and brain. In Kupffer's vesicle,loss of flow is associated with loss of left-right patterning, indicating that the `nodal flow' mechanism of generating situs is conserved in non-mammalian vertebrates.

The assembly of primary cilia is dependant on intraflagellar transport (IFT), which mediates the bidirectional movement of proteins between the base and tip of the cilium. In mice, congenic mutations disrupting genes required for IFT (e.g., Tg737 or the IFT kinesin Kif3a) are embryonic lethal, whereas kidney-specific disruption of IFT results in severe, rapidly progressing cystic pathology [1Lin F. Hiesberger T. Cordes K. Sinclair A.M. Goldstein L.S. Somlo S. Igarashi P. Kidney-specific inactivation of the KIF3A subunit of kinesin-II inhibits renal ciliogenesis and produces polycystic kidney disease.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003; 100: 5286-5291Crossref PubMed Scopus (436) Google Scholar, 2Marszalek J.R. Ruiz-Lozano P. Roberts E. Chien K.R. Goldstein L.S. Situs inversus and embryonic ciliary morphogenesis defects in mouse mutants lacking the KIF3A subunit of kinesin-II.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999; 96: 5043-5048Crossref PubMed Scopus (423) Google Scholar, 3Murcia N.S. Richards W.G. Yoder B.K. Mucenski M.L. Dunlap J.R. Woychik R.P. The Oak Ridge Polycystic Kidney (orpk) disease gene is required for left-right axis determination.Development. 2000; 127: 2347-2355Crossref PubMed Google Scholar]. Although the function of primary cilia in most tissues is unknown, in the kidney they are mechanosenstive organelles that detect fluid flow through the tubule lumen [4Singla V. Reiter J.F. The primary cilium as the cell's antenna: Signaling at a sensory organelle.Science. 2006; 313: 629-633Crossref PubMed Scopus (761) Google Scholar]. The loss of this flow-induced signaling pathway is thought to be a major contributing factor to cyst formation [5Praetorius H.A. Spring K.R. The renal cell primary cilium functions as a flow sensor.Curr. Opin. Nephrol. Hypertens. 2003; 12: 517-520Crossref PubMed Scopus (200) Google Scholar, 6Nauli S.M. Alenghat F.J. Luo Y. Williams E. Vassilev P. Li X. Elia A.E. Lu W. Brown E.M. Quinn S.J. et al.Polycystins 1 and 2 mediate mechanosensation in the primary cilium of kidney cells.Nat. Genet. 2003; 33: 129-137Crossref PubMed Scopus (1514) Google Scholar, 7Al-Bhalal L. Akhtar M. Molecular basis of autosomal dominant polycystic kidney disease.Adv. Anat. Pathol. 2005; 12: 126-133Crossref PubMed Scopus (37) Google Scholar]. Recent data also suggest that there is a connection between ciliary dysfunction and obesity as evidenced by the discovery that proteins associated with human obesity syndromes such as Alström and Bardet-Biedl localize to this organelle [8Li G. Vega R. Nelms K. Gekakis N. Goodnow C. McNamara P. Wu H. Hong N.A. Glynne R. A Role for Alstrom Syndrome Protein, Alms1, in Kidney Ciliogenesis and Cellular Quiescence.PLoS Genet. 2007; 3: e8Crossref PubMed Scopus (113) Google Scholar]. To more directly assess the importance of cilia in postnatal life, we utilized conditional alleles of two ciliogenic genes (Tg737 and Kif3a) to systemically induce cilia loss in adults. Surprisingly, the cystic kidney pathology in these mutants is dependent on the time at which cilia loss was induced, suggesting that cyst formation is not simply caused by impaired mechanosensation. In addition to the cystic pathology, the conditional cilia mutant mice become obese, are hyperphagic, and have elevated levels of serum insulin, glucose, and leptin. We further defined where in the body cilia are required for normal energy homeostasis by disrupting cilia on neurons throughout the central nervous system and on pro-opiomelanocortin-expressing cells in the hypothalamus, both of which resulted in obesity. These data establish that neuronal cilia function in a pathway regulating satiety responses.

Meckel-Gruber syndrome (MKS), nephronophthisis (NPHP), and related ciliopathies present with overlapping phenotypes and display considerable allelism between at least twelve different genes of largely unexplained function. We demonstrate that the conserved C. elegans B9 domain (MKS-1, MKSR-1, and MKSR-2), MKS-3/TMEM67, MKS-5/RPGRIP1L, MKS-6/CC2D2A, NPHP-1, and NPHP-4 proteins exhibit essential, collective functions at the transition zone (TZ), an underappreciated region at the base of all cilia characterized by Y-shaped assemblages that link axoneme microtubules to surrounding membrane. These TZ proteins functionally interact as members of two distinct modules, which together contribute to an early ciliogenic event. Specifically, MKS/MKSR/NPHP proteins establish basal body/TZ membrane attachments before or coinciding with intraflagellar transport–dependent axoneme extension and subsequently restrict accumulation of nonciliary components within the ciliary compartment. Together, our findings uncover a unified role for eight TZ-localized proteins in basal body anchoring and establishing a ciliary gate during ciliogenesis, and suggest that disrupting ciliary gate function contributes to phenotypic features of the MKS/NPHP disease spectrum.

ABSTRACT Analysis of several mutations in the mouse is providing useful insights into the nature of the genes required for the establishment of the left-right axis during early development. Here we describe a new targeted allele of the mouse Tg737 gene, Tg737Δ2-3αGal, which causes defects in left-right asymmetry and other abnormalities during embryogenesis. The Tg737 gene was originally identified based on its association with the mouse Oak Ridge Polycystic Kidney (orpk) insertional mutation, which causes polycystic kidney disease and other defects. Complementation tests between the original orpk mutation and the new targeted knock-out mutation demonstrate that Tg737Δ2-3αGal behaves as an allele of Tg737. The differences in the phenotype between the two mutations suggest that the orpk mutation is a hypomorphic allele of the Tg737 gene. Unlike the orpk allele, where all homozygotes survive to birth, embryos homozygous for the Tg737Δ2-3αGal mutation arrest in development at mid-gestation and exhibit neural tube defects, enlargement of the pericardial sac and, most notably, left-right asymmetry defects. At mid-gestation the direction of heart looping is randomized, and at earlier stages in development lefty-2 and nodal, which are normally expressed asymmetrically, exhibit symmetrical expression in the mutant embryos. Additionally, we determined that the ventral node cells in mutant embryos fail to express the central cilium, which is a characteristic and potentially functional feature of these cells. The expression of both Shh and Hnf3α is downregulated in the midline at E8.0, indicating that there are significant alterations in midline development in the Tg737Δ2-3αGal homozygous embryos. We propose that the failure of ventral node cells to fully mature alters their ability to undergo differentiation as they migrate out of the node to contribute to the developing midline structures. Analysis of this new knockout allele allows us to define a critical role for the Tg737 gene during early embryogenesis. We have named the product of the Tg737 gene Polaris, which is based on the various polarity related defects associated with the different alleles of the Tg737 gene.

While cilia are present on most cells in the mammalian body, their functional importance has only recently been discovered. Cilia formation requires intraflagellar transport (IFT), and mutations disrupting the IFT process result in loss of cilia and mid-gestation lethality with developmental defects that include polydactyly and abnormal neural tube patterning. The early lethality in IFT mutants has hindered research efforts to study the role of this organelle at later developmental stages. Thus, to investigate the role of cilia during limb development, we generated a conditional allele of the IFT protein Ift88 (polaris). Using the Cre-lox system, we disrupted cilia on different cell populations within the developing limb. While deleting cilia in regions of the limb ectoderm had no overt effect on patterning, disruption in the mesenchyme resulted in extensive polydactyly with loss of anteroposterior digit patterning and shortening of the proximodistal axis. The digit patterning abnormalities were associated with aberrant Shh pathway activity, whereas defects in limb outgrowth were due in part to disruption of Ihh signaling during endochondral bone formation. In addition, the limbs of mesenchymal cilia mutants have ectopic domains of cells that resemble chondrocytes derived from the perichondrium, which is not typical of Indian hedgehog mutants. Overall these data provide evidence that IFT is essential for normal formation of the appendicular skeleton through disruption of multiple signaling pathways.

Cilia are complex organelles involved in sensory perception and fluid or cell movement. They are constructed through a highly conserved process called intraflagellar transport (IFT). Mutations in IFT genes, such as Tg737, result in severe developmental defects and disease. In the case of the Tg737orpk mutants, these pathological alterations include cystic kidney disease, biliary and pancreatic duct abnormalities, skeletal patterning defects, and hydrocephalus. Here, we explore the connection between cilia dysfunction and the development of hydrocephalus by using the Tg737orpk mutants. Our analysis indicates that cilia on cells of the brain ventricles of Tg737orpk mutant mice are severely malformed. On the ependymal cells, these defects lead to disorganized beating and impaired cerebrospinal fluid (CSF) movement. However, the loss of the cilia beat and CSF flow is not the initiating factor, as the pathology is present prior to the development of motile cilia on these cells and CSF flow is not impaired at early stages of the disease. Rather, our results suggest that loss of cilia leads to altered function of the choroid plexus epithelum, as evidenced by elevated intracellular cAMP levels and increased chloride concentration in the CSF. These data suggest that cilia function is necessary for regulating ion transport and CSF production, as well as for CSF flow through the ventricles.

Characterization of previously described intraflagellar transport (IFT) mouse mutants has led to the proposition that normal primary cilia are required for mammalian cells to respond to the sonic hedgehog (SHH) signal. Here we describe an N-ethyl-N-nitrosourea–induced mutant mouse, alien (aln), which has abnormal primary cilia and shows overactivation of the SHH pathway. The aln locus encodes a novel protein, THM1 (tetratricopeptide repeat–containing hedgehog modulator-1), which localizes to cilia. aln-mutant cilia have bulb-like structures at their tips in which IFT proteins (such as IFT88) are sequestered, characteristic of Chlamydomonas reinhardtii and Caenorhabditis elegans retrograde IFT mutants. RNA-interference knockdown of Ttc21b (which we call Thm1 and which encodes THM1) in mouse inner medullary collecting duct cells expressing an IFT88–enhanced yellow fluorescent protein fusion recapitulated the aln-mutant cilial phenotype, and live imaging of these cells revealed impaired retrograde IFT. In contrast to previously described IFT mutants, Smoothened and full-length glioblastoma (GLI) proteins localize to aln-mutant cilia. We hypothesize that the aln retrograde IFT defect causes sequestration of IFT proteins in aln-mutant cilia and leads to the overactivated SHH signaling phenotype. Specifically, the aln mutation uncouples the roles of anterograde and retrograde transport in SHH signaling, suggesting that anterograde IFT is required for GLI activation and that retrograde IFT modulates this event.