2.4 Lamiinit, ydinlamina ja ytimen mekaniikka

Lamiinit ja niihin assosioituneet proteiinit muodostavat tiheän verkoston (ydinlamina) pitkin sisäistä ydinkalvoa. Lamina on vuorovaikutuksessa sisäisen ydinkalvon proteiinien, ydinhuokoskompleksien ja ytimen sisäosan kanssa. Lamiinit ovat tyypin V välifilamentteja, jotka voidaan ryhmitellä kahteen luokkaan: (1) A-tyypin lamiinit, jotka syntyvät LMNA-geenin vaihtoehtoisella splikoitumisella laminaaleiksi A ja C sekä joihinkin harvinaisempiin isomuotoihin, ja (2) B-tyypin lamiinit, joita koodaavat LMNB1- ja LMNB2-geenit, jotka tuottavat lamiini B1:n ja B2/B3:n.38 A-tyypin lamiinit sekä B1- ja B2-lamiinit ilmentyvät melkein kaikissa somaattisissa soluisssa, mutta lamiini B3:n ilmentyminen rajoittuu sukusoluihin. A- ja B-tyypin lamiinit käyvät läpi laajan posttranslationaalisen prosessoinnin C-terminaalissa, mukaan lukien farnesylaatio ja endoproteolyyttinen pilkkominen. B-tyypin lamiinit pysyvät pysyvästi farnesyloituneina ja siten kiinnittyneinä sisempään ydinmembraaniin jopa mitoosin aikana.46 Sitä vastoin lamiini A käy läpi lisämodifikaation, jossa proteiini Zmpste24 poistaa farnesyloituneen hännän, jolloin tuloksena on kypsä lamiini A. Lamiini C:llä, jolla on erillinen C-terminaali, ei tapahdu samanlaista prosessointia eikä sitä farnesyloiteta10 . Kypsät lamiini A ja lamiini C, joista puuttuu hydrofobinen farnesyylihäntä, löytyvät sekä nukleoplasmasta että ydinlaminasta.47

Lamiinit, joiden puoliintumisaika on ≈ 13 tuntia, kasaantuvat stabiileiksi filamenteiksi.48 Ne muodostavat yhdensuuntaisia dimeerejä niiden keskeisten sauvadomeenien kierukkavuorovaikutuksen kautta.38 Dimeerit assosioituvat päästä päähän ja sitten sivusuunnassa kerääntyvät antiparalleelisesti poolittomiksi filamenteiksi, joiden lopullinen halkaisija on noin 10 nm. Nisäkässolujen läpäisyelektronimikroskooppikuvissa ydinlamina näkyy 25-50 nm:n paksuisena tiiviinä proteiinikerroksena sisemmän ydinkalvon alla.7,17 Lamiinien korkeamman asteen rakennetta somaattisissa soluissa ei täysin tunneta, koska lamina on tiiviisti yhteydessä kromatiiniin, mikä tekee korkearesoluutioisesta kuvantamisesta haastavaa.49 Xenopusin munasoluissa ei kuitenkaan ole samoja haasteita; näiden solujen elektronimikroskooppikuvat osoittavat lamiinirakenteen koostuvan ≈ 10 nm:n paksuisten ristiinkytkettyjen filamenttien neliömäisestä ristikkorakenteesta.49,50 Tämän vuoksi dimeerien ja protofilamenttien välisten lateraalisten vuorovaikutusten uskotaan olevan kriittisiä oikean korkeamman järjestyksen rakenteen ylläpitämisessä. Matemaattisen mallinnuksen perusteella heptadien oikea kelautumissuunta näyttää olevan tärkeä, jotta ne voivat ”purkautua” ja kiinnittyä viereiseen säikeeseen.51 Mutaatiot voivat lisätä tai vähentää stabiliteettia virheellisen kokoonpanon ja/tai sitoutumisen vuoksi.52 On tärkeää huomata, että nämä ajatukset odottavat vielä kokeellista vahvistusta. Kiehtovaa on, että vaikka eri lamiini-isomuodot voivat kaikki olla vuorovaikutuksessa ja muodostaa heteropolymeerejä in vitro, ne tyypillisesti erottuvat homopolymeereiksi ja muodostavat erillisiä, mutta päällekkäisiä verkostoja in vivo.53-56

Vaikka lamiinien filamentti- ja rakennekokoonpanoon in vivo liittyy vielä joitakin kysymyksiä, on ydinalueen lamiinien merkitys ydinalueen jäykkyyden ja vakauden edistämisessä osoitettu yksiselitteisesti. Eristetyillä Xenopusin munasolujen ytimillä, jotka voidaan paisuttaa osmoottisesti kromatiinin erottamiseksi ydinlamiinista, tehtyjen mikropipettien aspiraatiokokeiden perusteella lamiiniverkoston kimmomoduuli on ≈ 25 mN/m.57 Vertailun vuoksi mainittakoon, että neutrofiilien plasmamembraanin kimmomoduuli on ≈ 0,03 mN/m ja kondrosyytti- ja endoteelisolujen solukalvojen kimmomoduuli on ≈ 0,5 mN/m.58 . Käyttämällä erilaisia kokeellisia lähestymistapoja on todettu, että ytimen jäykkyys on 2-10 kertaa jäykempi kuin ympäröivä sytoplasma, riippuen tietystä solutyypistä ja mittausmenetelmästä.16,59,60 Kun verrataan ydinkuoren lyysijännitystä (ts, ydinkalvon ja ydinkalvojen) ja yksinkertaisen kaksoislipidikalvon lyysijännitystä ydinkalvon osuuden erottamiseksi, ydinkalvon lyysijännitys oli 12-kertainen tavanomaiseen kaksoiskalvojärjestelmään verrattuna, mikä korostaa ydinkalvon stabiloivaa vaikutusta.57 Vastaavasti, kun fluoresoivaa väriainetta ruiskutetaan elävien solujen ytimeen, solut, joista puuttuu lamiini A/C, osoittavat dramaattisesti lisääntynyttä ytimen repeytymisnopeutta verrattuna villityyppisiin soluihin.61

Kun otetaan huomioon tämä lamiinien tärkeä rooli ytimen rakenteellisen eheyden luomisessa, mikä on eri lamiinityyppien osuus ytimen mekaniikassa? B-tyypin lamiinit ilmentyvät lähes kaikkialla ja tasaisesti eri solutyypeissä ja kudoksissa, mutta lamiini A/C:n ilmentyminen on hyvin kudosspesifistä. Esimerkiksi lihassoluissa ja muissa mesenkyymisoluissa A-tyypin lamiinien ilmentymistasot ovat tyypillisesti korkeimpia.62,63 Tuoreessa tutkimuksessa havaittiin, että A-tyypin ja B-tyypin lamiinien suhde eri kudoksissa korreloi läheisesti kudoksen jäykkyyden kanssa, mikä viittaa lamiinien tasojen mekanosensitiiviseen säätelyyn,62 mikä voisi auttaa suojaamaan ydintä mekaaniselta rasitukselta lisäämällä mekaanista stabiilisuutta.61 Soluissa, jotka ilmentävät sekä A- että B-tyypin lamineja, lamiinit A ja C vaikuttavat eniten ytimen vakauteen, kun taas B-tyypin lamiinien merkitys ytimen kokonaisjäykkyyteen on pienempi.64 Lamiinien välillä saattaa kuitenkin olla jonkin verran toiminnallista redundanssia mekaanisten ominaisuuksien suhteen. Esimerkiksi lamiini B:n lisääminen lamiini A:nullasoluihin voi osittain pelastaa mekaaniset puutteet.54,65 Lisäksi B-tyypin lamiinit ovat tärkeitä ytimen kiinnittymisessä sytoskelettiin erityisesti aivojen hermosolujen migraation/kehityksen aikana, koska näiltä soluilta puuttuvat A-tyypin lamiinit.66-69

Vastaavasti alkion kantasolut eivät ilmentäisi A-tyypin lamiineja, ennen kuin ne alkavat erilaistua. Kun ne vähentävät kantasolujaan, niiden ydinjäykkyys kasvaa jopa kuusinkertaiseksi verrattuna erilaistumattomaan tilaan. Tämä johtuu todennäköisesti A/C-lamiinien lisääntyneestä määrästä uudessa linjassa ja mahdollisesti muutoksista kromatiinin konfiguraatiossa.14,63 Muutamat erikoistuneet erilaistuneet solut, erityisesti neutrofiilit ja neuronit, eivät juurikaan ilmentäisi A-tyypin lamiineja edes erilaistumisen jälkeen.68,70 A-tyypin lamiinien puute alkion kantasoluissa, neutrofiileissä ja neuroneissa saattaa helpottaa migraatiota, jolloin nämä solut voivat kulkea tiheiden kudosten ja interstitiaalisten tilojen halki kehityksessä ja tulehduksen aikana.71 Esimerkiksi lamiini A/C:n määrän väheneminen ja samanaikainen lamiini B -reseptorin (LBR) ilmentymisen lisääntyminen granulopoieesin aikana edistävät kypsien neutrofiilien selvästi erottuvaa, voimakkaasti lohkottunutta ydinkerroksen muotoa.15 Lisäksi lamiini A:n alhainen määrä johtaa erittäin epämuodostuvaan ydinkerrokseen, jonka ansiosta neutrofiilit pystyvät helposti puristumaan pienten tilojen läpi.15 Vastaavasti lamiini A/C:n tasojen säätely voi säädellä myös muiden hematopoieettisten solutyyppien kulkeutumista ja linjakypsymistä.72

Lamiinien ilmentymismuutosten lisäksi lamiinien posttranslationaaliset modifikaatiot voivat edelleen vaikuttaa ydinmekaniikkaan. Lamiinit fosforyloidaan mitoosin aikana, jolloin niistä tulee liukoisia ja ne hajaantuvat sytoplasmaan.47,73 Koska lamiinien farnesylaatio ja fosforylaatio muuttavat niiden liukoisuutta, vuorovaikutusta ja lokalisaatiota, nämä posttranslationaaliset modifikaatiot voivat myös tarjota soluille keinon säätää dynaamisesti ydinkerroksensa jäykkyyttä vasteena mekaanisiin ärsykkeisiin.62