2.4 Laminas, la lámina nuclear y la mecánica nuclear

Las laminas y sus proteínas asociadas forman una malla densa (lámina nuclear) a lo largo de la membrana nuclear interna. La lámina interactúa con las proteínas de la membrana nuclear interna, los complejos de poros nucleares y el interior nuclear. Las láminas son filamentos intermedios de tipo V que pueden agruparse en dos clases (1) las láminas de tipo A, que se generan por empalme alternativo del gen LMNA en láminas A y C y algunas isoformas menos abundantes, y (2) las láminas de tipo B, codificadas por los genes LMNB1 y LMNB2, que producen las láminas B1 y B2/B3, respectivamente.38 Mientras que las láminas de tipo A y las láminas B1 y B2 se expresan en casi todas las células somáticas, la expresión de la lámina B3 está restringida a las células germinales. Las láminas de tipo A y B se someten a un extenso procesamiento postraduccional en el extremo C, que incluye la farnesilación y la escisión endoproteolítica. Las láminas de tipo B permanecen permanentemente farnesiladas y, por tanto, unidas a la membrana nuclear interna, incluso durante la mitosis.46 En cambio, la lámina A sufre una modificación adicional, en la que la proteína Zmpste24 elimina la cola farnesilada, dando lugar a la lámina A madura. Las láminas A y C maduras, que carecen de la cola hidrofóbica de farnesilo, pueden encontrarse tanto en el nucleoplasma como en la lámina nuclear.47

Las láminas, que tienen una vida media de ≈ 13 h, se ensamblan en filamentos estables.48 Forman dímeros paralelos a través de la interacción coiled-coil de sus dominios de varilla central.38 Los dímeros se asocian cabeza con cola y luego se ensamblan lateralmente de forma antiparalela en filamentos no polares con un diámetro final de unos 10 nm. En las micrografías electrónicas de transmisión de las células de mamíferos, la lámina nuclear es visible como una capa de proteína densa de 25-50 nm de grosor debajo de la membrana nuclear interna.7,17 La estructura de orden superior de las láminas en las células somáticas no se conoce por completo debido a la estrecha asociación de la lámina con la cromatina, lo que dificulta la obtención de imágenes de alta resolución.49 Sin embargo, los ovocitos de Xenopus no plantean los mismos retos; las micrografías electrónicas de estas células muestran una estructura de láminas compuesta por un entramado cuadrado de filamentos reticulados de ≈ 10 nm de grosor.49,50 Debido a esto, se cree que las interacciones laterales entre los dímeros y los protofilamentos son fundamentales para mantener la estructura de orden superior correcta. Basándose en modelos matemáticos, la dirección correcta de enrollamiento de las heptadrenas parece ser importante para permitir el «desprendimiento» y la posterior unión al filamento adyacente.51 Las mutaciones podrían dar lugar a un aumento o a una disminución de la estabilidad debido a un ensamblaje y/o unión incorrectos.52 Es importante señalar que estas ideas están pendientes de confirmación experimental. Curiosamente, aunque las diferentes isoformas de las láminas pueden interactuar y formar heteropolímeros in vitro, normalmente se segregan en homopolímeros y forman redes distintas, pero superpuestas, in vivo.53-56

Aunque todavía hay algunos interrogantes sobre el ensamblaje de los filamentos y la estructura de la lámina in vivo, se ha establecido inequívocamente la importancia de las láminas nucleares para contribuir a la rigidez y estabilidad nuclear. Basándose en experimentos de aspiración con micropipeta en núcleos aislados de ovocitos de Xenopus, que pueden hincharse osmóticamente para separar la cromatina de la lámina nuclear, la red de láminas tiene un módulo elástico de ≈ 25 mN/m.57 A modo de comparación, la membrana plasmática de los neutrófilos tiene un módulo elástico de ≈ 0,03 mN/m y las membranas de condrocitos y células endoteliales tienen un módulo de ≈ 0,5 mN/m.58 Utilizando una variedad de enfoques experimentales, se ha determinado que la rigidez del núcleo es de 2 a 10 veces más rígida que el citoplasma circundante, dependiendo del tipo de célula particular y del método de medición.16,59,60 Al comparar la tensión de lisis de la envoltura nuclear (es decir, la lámina nuclear y las membranas nucleares) con la de una simple membrana doble de lípidos para distinguir la contribución de la lámina nuclear, la tensión de lisis de la envoltura nuclear fue 12 veces mayor que la del sistema de doble membrana estándar, destacando el impacto estabilizador de la lámina nuclear.57 Del mismo modo, cuando se inyecta un colorante fluorescente en el núcleo de células vivas, las células que carecen de láminas A/C muestran tasas de ruptura nuclear dramáticamente mayores en comparación con las células de tipo salvaje.61

Dado este importante papel de las láminas para conferir integridad estructural al núcleo, ¿cuál es la contribución de los diferentes tipos de láminas a la mecánica nuclear? Mientras que las láminas de tipo B se expresan de forma casi ubicua y uniforme entre los distintos tipos de células y tejidos, la expresión de la lámina A/C es muy específica de los tejidos. Por ejemplo, las células musculares y otras células mesenquimales suelen estar entre los niveles más altos de expresión de láminas de tipo A.62,63 Un estudio reciente descubrió que las proporciones de láminas de tipo A y de tipo B en diferentes tejidos se correlacionan estrechamente con la rigidez del tejido, lo que sugiere una regulación mecanosensible de los niveles de láminas,62 que podría ayudar a proteger el núcleo del estrés mecánico aumentando la estabilidad mecánica.61 En las células que expresan tanto láminas de tipo A como de tipo B, las láminas A y C son las que más contribuyen a la estabilidad nuclear, y las láminas de tipo B tienen un papel menor en la rigidez nuclear general.64 No obstante, puede haber cierta redundancia funcional entre las láminas en cuanto a las propiedades mecánicas. Por ejemplo, la introducción de la lámina B en células nulas para la lámina A puede rescatar parcialmente los defectos mecánicos.54,65 Además, las láminas de tipo B son importantes para el anclaje nuclear al citoesqueleto, especialmente durante la migración/desarrollo neuronal en el cerebro, ya que estas células carecen de láminas de tipo A.66-69

De forma similar, las células madre embrionarias no expresan láminas de tipo A hasta que comienzan a diferenciarse. Una vez que disminuyen su condición de madre, su rigidez nuclear aumenta hasta seis veces en comparación con el estado indiferenciado. Esto se debe probablemente al aumento de los niveles de láminas A/C en el nuevo linaje y posiblemente a los cambios en la configuración de la cromatina.14,63 Unas pocas células diferenciadas especializadas, en particular los neutrófilos y las neuronas, apenas expresan láminas de tipo A incluso después de la diferenciación.68,70 La falta de láminas de tipo A en las células madre embrionarias, los neutrófilos y las neuronas puede facilitar la migración, permitiendo a estas células desplazarse a través de tejidos densos y espacios intersticiales durante el desarrollo y la inflamación.71 Por ejemplo, la disminución de los niveles de lamina A/C junto con el aumento concomitante de la expresión del receptor de lamina B (LBR) durante la granulopoyesis promueve la forma nuclear distintiva y altamente lobulada de los neutrófilos maduros.15 Además, los bajos niveles de lamina A dan lugar a un núcleo altamente deformable que permite a los neutrófilos escurrirse fácilmente por espacios pequeños.15 Del mismo modo, la regulación de los niveles de lámina A/C también puede regular el tráfico y la maduración del linaje de otros tipos de células hematopoyéticas.72

Además de los cambios en la expresión de las láminas, las modificaciones postraduccionales de las mismas pueden afectar a la mecánica nuclear. Las láminas se fosforilan durante la mitosis, lo que hace que se vuelvan solubles y se dispersen en el citoplasma.47,73 Dado que la farnesilación y la fosforilación de las láminas cambian su solubilidad, interacción y localización, estas modificaciones postraduccionales también pueden ofrecer a las células una forma de ajustar dinámicamente su rigidez nuclear en respuesta a estímulos mecánicos.62