2.4 Lamines, lamina nucléaire et mécanique nucléaire

Les lamines et leurs protéines associées forment un maillage dense (lamina nucléaire) le long de la membrane nucléaire interne. La lamina interagit avec les protéines de la membrane nucléaire interne, les complexes de pores nucléaires et l’intérieur du noyau. Les lamines sont des filaments intermédiaires de type V qui peuvent être regroupés en deux classes : (1) les lamines de type A, qui sont générées par épissage alternatif du gène LMNA en lamines A et C et quelques isoformes moins abondantes, et (2) les lamines de type B, qui sont codées par les gènes LMNB1 et LMNB2, qui produisent respectivement les lamines B1 et B2/B3.38 Alors que les lamines de type A et les lamines B1 et B2 sont exprimées dans presque toutes les cellules somatiques, l’expression de la lamina B3 est limitée aux cellules germinales. Les lamines de type A et B subissent un traitement post-traductionnel important à l’extrémité C-terminale, y compris la farnésylation et le clivage endoprotéolytique. Les lamines de type B restent en permanence farnésylées et donc attachées à la membrane nucléaire interne, même pendant la mitose.46 En revanche, la lamina A subit une modification supplémentaire, où la protéine Zmpste24 élimine la queue farnésylée, ce qui donne la lamina A mature. La lamina C, qui a une extrémité C-terminale distincte, ne subit pas le même traitement et n’est pas farnésylée.10 Les lamines A et C matures, qui sont dépourvues de la queue farnésylée hydrophobe, peuvent être trouvées à la fois dans le nucléoplasme et dans la lamelle nucléaire.47

Les lamines, qui ont une demi-vie de ≈ 13 h, s’assemblent en filaments stables48. Elles forment des dimères parallèles grâce à l’interaction en bobine de leurs domaines centraux en bâtonnet.38 Les dimères s’associent tête-bêche puis s’assemblent latéralement de manière antiparallèle en filaments non polaires d’un diamètre final d’environ 10 nm. Dans les micrographies électroniques à transmission des cellules de mammifères, la lamelle nucléaire est visible comme une couche protéique dense de 25 à 50 nm d’épaisseur sous la membrane nucléaire interne.7,17 La structure d’ordre supérieur des lamines dans les cellules somatiques n’est pas complètement comprise en raison de l’association étroite de la lamelle avec la chromatine, ce qui rend l’imagerie à haute résolution difficile.49 Cependant, les ovocytes de Xenopus ne posent pas les mêmes défis ; les micrographies électroniques de ces cellules montrent une structure de lamines composée d’un réseau carré de filaments réticulés de ≈ 10-nm d’épaisseur.49,50 Pour cette raison, on pense que les interactions latérales entre les dimères et les protofilaments sont essentielles pour maintenir la structure d’ordre supérieur correcte. D’après la modélisation mathématique, le sens d’enroulement correct des heptades semble être important pour permettre le  » dézippage  » et la fixation ultérieure au brin adjacent.51 Des mutations pourraient entraîner une augmentation ou une diminution de la stabilité en raison d’un assemblage et/ou d’une liaison incorrects.52 Il est important de noter que ces idées attendent une confirmation expérimentale. De manière intrigante, bien que les différentes isoformes de lamines puissent toutes interagir et former des hétéropolymères in vitro, elles se séparent généralement en homopolymères et forment des réseaux distincts, mais qui se chevauchent, in vivo.53-56

Bien qu’il y ait encore des questions sur l’assemblage filamentaire et structurel de la lamina in vivo, l’importance des lamines nucléaires dans la contribution à la rigidité et à la stabilité nucléaires a été établie sans équivoque. Sur la base d’expériences d’aspiration par micropipette sur des noyaux isolés d’ovocytes de Xenopus, qui peuvent être gonflés par osmose pour séparer la chromatine de la lamelle nucléaire, le réseau de lamelles a un module élastique de ≈ 25 mN/m.57 À titre de comparaison, la membrane plasmique des neutrophiles a un module élastique de ≈ 0,03 mN/m et les membranes des chondrocytes et des cellules endothéliales ont un module de ≈ 0,5 mN/m.58 En utilisant une variété d’approches expérimentales, la rigidité du noyau a été déterminée comme étant 2 à 10 fois plus rigide que le cytoplasme environnant, selon le type de cellule particulier et la méthode de mesure.16,59,60 En comparant la déformation de lyse de l’enveloppe nucléaire (c’est-à-dire, En comparant la contrainte de lyse de l’enveloppe nucléaire (c’est-à-dire la lamelle nucléaire et les membranes nucléaires) à celle d’une simple double membrane lipidique pour distinguer la contribution de la lamelle nucléaire, la contrainte de lyse de l’enveloppe nucléaire était 12 fois plus élevée que celle du système standard à double membrane, ce qui met en évidence l’impact stabilisateur de la lamelle nucléaire57. De même, lorsqu’un colorant fluorescent est injecté dans le noyau de cellules vivantes, les cellules dépourvues de lamines A/C présentent des taux de rupture nucléaire considérablement accrus par rapport aux cellules de type sauvage.61

Compte tenu de ce rôle important des lamines pour conférer une intégrité structurelle au noyau, quelle est la contribution des différents types de lamines à la mécanique nucléaire ? Alors que les lamines de type B sont presque ubiquitaires et uniformément exprimées parmi les différents types de cellules et de tissus, l’expression des lamines A/C est hautement spécifique aux tissus. Par exemple, les cellules musculaires et d’autres cellules mésenchymateuses présentent généralement des niveaux d’expression de lamelles de type A parmi les plus élevés.62,63 Une étude récente a révélé que les rapports entre les lamelles de type A et de type B dans différents tissus sont en étroite corrélation avec la rigidité des tissus, ce qui suggère une régulation mécanosensible des niveaux de lamelles,62 qui pourrait contribuer à protéger le noyau des contraintes mécaniques en augmentant la stabilité mécanique.61 Dans les cellules qui expriment à la fois des lamines de type A et de type B, les lamines A et C sont les principaux contributeurs à la stabilité nucléaire, les lamines de type B ayant un rôle plus faible dans la rigidité nucléaire globale.64 Néanmoins, il peut y avoir une certaine redondance fonctionnelle entre les lamines concernant les propriétés mécaniques. Par exemple, l’introduction de la lamine B dans des cellules dépourvues de lamine A peut partiellement corriger les défauts mécaniques.54,65 En outre, les lamines de type B sont importantes pour l’ancrage nucléaire au cytosquelette, en particulier pendant la migration/le développement neuronal dans le cerveau, car ces cellules sont dépourvues de lamines de type A.66-69

De même, les cellules souches embryonnaires n’expriment pas les lamines de type A jusqu’à ce qu’elles commencent à se différencier. Une fois qu’elles diminuent leur caractère souche, leur rigidité nucléaire augmente jusqu’à six fois par rapport à l’état indifférencié. Cela est très probablement dû à l’augmentation des niveaux de lamines A/C dans la nouvelle lignée et peut-être à des changements dans la configuration de la chromatine.14,63 Quelques cellules différenciées spécialisées, notamment les neutrophiles et les neurones, n’expriment pratiquement pas de lamines de type A, même après différenciation.68,70 L’absence de lamines de type A dans les cellules souches embryonnaires, les neutrophiles et les neurones peut faciliter la migration, permettant à ces cellules de se déplacer dans les tissus denses et les espaces interstitiels pendant le développement et l’inflammation.71 Par exemple, la diminution des niveaux de lamine A/C et l’augmentation concomitante de l’expression du récepteur de la lamine B (LBR) au cours de la granulopoïèse favorisent la forme nucléaire distincte et hautement lobulée des neutrophiles matures.15 En outre, les faibles niveaux de lamine A entraînent un noyau hautement déformable permettant aux neutrophiles de se faufiler facilement dans de petits espaces.15 De même, la régulation des niveaux de lamines A/C peut également réguler le trafic et la maturation des lignées d’autres types de cellules hématopoïétiques.72

En plus des changements dans l’expression des lamines, les modifications post-traductionnelles des lamines peuvent encore affecter la mécanique nucléaire. Les lamines sont phosphorylées au cours de la mitose, ce qui les rend solubles et les disperse dans le cytoplasme.47,73 Comme la farnésylation et la phosphorylation des lamines modifient leur solubilité, leur interaction et leur localisation, ces modifications post-traductionnelles peuvent également offrir aux cellules un moyen d’ajuster dynamiquement leur rigidité nucléaire en réponse à des stimuli mécaniques.62