2.4 Laminy, jaderná lamina a jaderná mechanika

Laminy a s nimi spojené proteiny tvoří podél vnitřní jaderné membrány hustou síť (jadernou laminu). Lamina interaguje s proteiny vnitřní jaderné membrány, komplexy jaderných pórů a vnitřkem jádra. Laminy jsou intermediární filamenta typu V, která lze rozdělit do dvou tříd: (1) laminy typu A, které vznikají alternativním sestřihnutím genu LMNA na lamin A a C a některé méně početné izoformy, a (2) laminy typu B, které jsou kódovány geny LMNB1 a LMNB2, jež produkují lamin B1, respektive B2/B3.38 Zatímco laminy typu A a lamin B1 a B2 jsou exprimovány téměř ve všech somatických buňkách, exprese lamin B3 je omezena na zárodečné buňky. Laminy typu A a B procházejí rozsáhlým posttranslačním zpracováním na C-konci, včetně farnesylace a endoproteolytického štěpení. Laminy typu B zůstávají trvale farnesylované, a jsou tak připojeny k vnitřní jaderné membráně, a to i během mitózy.46 Naproti tomu lamin A prochází další modifikací, při níž protein Zmpste24 odstraňuje farnesylovaný ocásek, čímž vzniká zralý lamin A. Lamin C, který má odlišný C-konec, neprochází stejným zpracováním a není farnesylován.10 Zralé lamin A a lamin C, které postrádají hydrofobní farnesylový ocásek, se nacházejí jak v nukleoplazmě, tak v jaderné lamině.47

Laminy, jejichž poločas rozpadu je ≈ 13 h, se sestavují do stabilních filament.48 Vytvářejí paralelní dimery díky interakci vinutých cívek svých centrálních tyčinkových domén.38 Dimery se spojují hlavou k ocasu a poté se bočně antiparalelně sestavují do nepolárních filament o konečném průměru přibližně 10 nm. Na transmisních elektronových mikrofotografiích savčích buněk je jaderná lamina viditelná jako 25-50 nm silná hustá proteinová vrstva pod vnitřní jadernou membránou.7,17 Struktura vyššího řádu lamin v somatických buňkách není zcela objasněna kvůli těsnému spojení laminy s chromatinem, což ztěžuje zobrazování s vysokým rozlišením.49 Xenopus oocyty však nepředstavují stejný problém; elektronové mikrofotografie v těchto buňkách ukazují laminovou strukturu složenou ze čtvercové mřížky ≈ 10 nm silných zesíťovaných filament.49,50 Z tohoto důvodu se předpokládá, že pro udržení správné struktury vyššího řádu jsou rozhodující laterální interakce mezi dimery a protofilamenty. Na základě matematického modelování se zdá, že správný směr navíjení heptad je důležitý pro umožnění „rozbalení“ a následné připojení k sousednímu vláknu.51 Mutace by mohly vést ke zvýšení nebo snížení stability v důsledku nesprávného sestavení a/nebo vazby.52 Je důležité poznamenat, že tyto myšlenky čekají na experimentální potvrzení. Zajímavé je, že ačkoli všechny různé izoformy lamina mohou interagovat a tvořit heteropolymery in vitro, in vivo se obvykle segregují do homopolymerů a vytvářejí odlišné, ale překrývající se sítě.53-56

Ačkoli stále existují určité otázky ohledně sestavení vláken a struktury lamina in vivo, význam jaderných lamin pro přispění k jaderné tuhosti a stabilitě byl jednoznačně prokázán. Na základě pokusů s aspirací mikropipetou na izolovaných jádrech oocytů Xenopus, která lze osmoticky nabobtnat, aby se oddělil chromatin od jaderných lamin, má laminová síť modul pružnosti ≈ 25 mN/m.57 Pro srovnání, plazmatická membrána neutrofilů má modul pružnosti ≈ 0,03 mN/m a membrány chondrocytů a endoteliálních buněk mají modul pružnosti ≈ 0,5 mN/m.58 Pomocí různých experimentálních přístupů byla stanovena tuhost jádra, která je v závislosti na konkrétním typu buňky a metodě měření 2-10krát tužší než okolní cytoplazma.16,59,60 Při porovnání lyzní deformace jaderného obalu (tj, jaderné lamely a jaderné membrány) s jednoduchou dvojitou lipidovou membránou, aby se rozlišil příspěvek jaderné lamely, bylo lyzační napětí jaderného obalu 12krát vyšší než u standardního systému dvojité membrány, což zdůrazňuje stabilizační vliv jaderné lamely.57 Podobně, když je do jádra živých buněk vstříknuto fluorescenční barvivo, buňky, které postrádají laminy A/C, vykazují dramaticky zvýšenou míru jaderné ruptury ve srovnání s buňkami divokého typu.61

Vzhledem k této důležité úloze lamin při zajišťování strukturální integrity jádra, jaký je příspěvek různých typů lamin k jaderné mechanice? Zatímco laminy typu B jsou téměř všudypřítomné a rovnoměrně exprimované mezi různými typy buněk a tkání, exprese lamin A/C je vysoce tkáňově specifická. Například svalové buňky a další mezenchymální buňky obvykle patří k těm s nejvyšší úrovní exprese laminů typu A.62,63 Nedávná studie zjistila, že poměr laminů typu A a B v různých tkáních úzce koreluje s tuhostí tkáně, což naznačuje mechanosenzitivní regulaci hladin laminů,62 které by mohly pomáhat chránit jádro před mechanickým stresem zvýšením mechanické stability.61 V buňkách, které exprimují lamináty typu A i B, se na stabilitě jádra podílejí především lamináty A a C, přičemž lamináty typu B mají na celkové tuhosti jádra menší podíl.64 Nicméně mezi lamináty může existovat určitá funkční redundance, pokud jde o mechanické vlastnosti. Například zavedení laminu B do buněk s nulovým laminem A může částečně zachránit mechanické defekty.54,65 Kromě toho jsou laminy typu B důležité pro ukotvení jader k cytoskeletu, zejména při migraci/vývoji neuronů v mozku, protože tyto buňky postrádají laminy typu A.66-69

Podobně embryonální kmenové buňky neexprimují laminy typu A, dokud se nezačnou diferencovat. Jakmile sníží svou kmenovost, jejich jaderná tuhost se zvýší až šestinásobně ve srovnání s nediferencovaným stavem. To je pravděpodobně způsobeno zvýšenou hladinou laminů A/C v nové linii a pravděpodobně i změnami v konfiguraci chromatinu.14,63 Několik specializovaných diferencovaných buněk, zejména neutrofily a neurony, neexprimuje téměř žádné laminy typu A ani po diferenciaci.68,70 Nedostatek laminů typu A u embryonálních kmenových buněk, neutrofilů a neuronů může usnadňovat migraci, což těmto buňkám umožňuje procházet hustými tkáněmi a intersticiálními prostory během vývoje a zánětu.71 Například pokles hladin laminu A/C spolu se současným zvýšením exprese receptoru laminu B (LBR) během granulopoézy podporuje výrazný vysoce laločnatý tvar jader zralých neutrofilů.15 Nízké hladiny laminu A mají navíc za následek vysoce deformovatelné jádro umožňující neutrofilům snadno se protlačit malými prostory.76 Podobně může regulace hladin laminu A/C regulovat také obchodování a lineární zrání dalších typů hematopoetických buněk.72

Kromě změn v expresi laminů mohou jadernou mechaniku dále ovlivňovat posttranslační modifikace laminů. Laminy jsou během mitózy fosforylovány, což způsobuje, že se stávají rozpustnými a rozptylují se do cytoplazmy.47,73 Protože farnesylace a fosforylace laminů mění jejich rozpustnost, interakci a lokalizaci, mohou tyto posttranslační modifikace také nabízet buňkám způsob, jak dynamicky upravovat svou jadernou tuhost v reakci na mechanické podněty.62