2.4 Laminok, a nukleáris lamina és a nukleáris mechanika

A laminok és a hozzájuk kapcsolódó fehérjék sűrű hálót (nukleáris lamina) alkotnak a belső magmembrán mentén. A lamina kölcsönhatásba lép a belső magmembrán fehérjéivel, a nukleáris póruskomplexekkel és a mag belsejével. A laminoidok V. típusú intermedier filamentumok, amelyek két osztályba sorolhatók: (1) A-típusú laminok, amelyek az LMNA gén alternatív splicingjével jönnek létre lamin A és C, valamint néhány kevésbé gyakori izoforma formájában, és (2) B-típusú laminok, amelyeket az LMNB1 és LMNB2 gének kódolnak, amelyek a B1 és B2/B3 laminokat termelik.38 Míg az A-típusú laminok, valamint a B1 és B2 laminok szinte minden szomatikus sejtben kifejeződnek, a B3 lamin kifejeződése a csírasejtekre korlátozódik. Az A- és B-típusú laminok a C-terminuson kiterjedt poszttranszlációs feldolgozáson mennek keresztül, beleértve a farnezilációt és az endoproteolitikus hasítást. A B-típusú laminok állandóan farneziláltak maradnak, és így a belső magmembránhoz kapcsolódnak, még a mitózis során is.46 Ezzel szemben a lamin A további módosításon megy keresztül, ahol a Zmpste24 fehérje eltávolítja a farnezilált farkat, és így érett lamin A-t kapunk. A lamin C, amelynek külön C-terminusa van, nem megy keresztül ugyanezen a feldolgozáson, és nem farnezilálódik.10 Az érett lamin A és lamin C, amelyekből hiányzik a hidrofób farnezil farok, egyaránt megtalálható a nukleoplazmában és a nukleáris lamina-ban.47

A laminok, amelyek felezési ideje ≈ 13 óra, stabil filamentumokká állnak össze.48 Központi rúddoménjeik tekercses-tekercses kölcsönhatása révén párhuzamos dimereket alkotnak.38 A dimerek fejjel a farokhoz társulnak, majd oldalirányban antiparallel módon nem poláris filamentumokká állnak össze, amelyek végső átmérője kb. 10 nm. Az emlőssejtek transzmissziós elektronmikroszkópos felvételein a nukleáris lamina egy 25-50 nm vastag, sűrű fehérjerétegként látható a belső magmembrán alatt.7,17 A laminok magasabb rendű szerkezete a szomatikus sejtekben nem teljesen ismert, mivel a lamina szorosan kapcsolódik a kromatinhoz, ami kihívást jelent a nagy felbontású képalkotásban.49 A Xenopus oociták azonban nem jelentenek ugyanilyen kihívást; az elektronmikroszkópos felvételek ezeken a sejteken egy ≈ 10 nm vastagságú, keresztkötésű filamentumokból álló négyzetes rácsból álló laminin szerkezetet mutatnak.49,50 Emiatt a dimerek és protofilamentumok közötti laterális kölcsönhatások feltételezhetően kritikusak a megfelelő magasabb rendű szerkezet fenntartásában. A matematikai modellezés alapján úgy tűnik, hogy a heptádok helyes tekeredési iránya fontos, hogy lehetővé tegye a “kibontakozást” és a szomszédos szálhoz való későbbi kapcsolódást.51 Mutációk a hibás összeszerelés és/vagy kötődés miatt fokozott vagy csökkent stabilitást eredményezhetnek.52 Fontos megjegyezni, hogy ezek az elképzelések kísérleti megerősítésre várnak. Érdekes módon, bár a különböző lamin izoformák mind kölcsönhatásba léphetnek és heteropolimereket képezhetnek in vitro, in vivo jellemzően homopolimerekre válnak szét és különálló, de átfedő hálózatokat alkotnak.53-56

Noha még mindig van néhány kérdés a lamina in vivo filamentumával és szerkezeti felépítésével kapcsolatban, a nukleáris laminek fontossága a nukleáris merevséghez és stabilitáshoz való hozzájárulásban egyértelműen bizonyított. Izolált Xenopus oocita magokon végzett mikropipettás aspirációs kísérletek alapján, amelyek ozmotikusan duzzaszthatók, hogy a kromatin elváljon a nukleáris laminintől, a lamininhálózat rugalmassági modulusa ≈ 25 mN/m.57 Összehasonlításképpen, a neutrofilek plazmamembránjának rugalmassági modulusa ≈ 0,03 mN/m, a kondrociták és endotélsejtek membránjának modulusa ≈ 0,5 mN/m.58 . Különböző kísérleti módszerek alkalmazásával a sejtmag merevségét az adott sejttípustól és mérési módszertől függően 2-10-szer merevebbnek határozták meg, mint a környező citoplazmát.16,59,60 A magburkolat lízisfeszültségének összehasonlításakor (ill, a nukleáris lamina és a nukleáris membránok) és egy egyszerű kettős lipidmembrán lízisfeszültségét, hogy megkülönböztessük a nukleáris lamina hozzájárulását, a nukleáris burok lízisfeszültsége 12-szer nagyobb volt, mint a standard kettős membránrendszeré, ami kiemeli a nukleáris lamina stabilizáló hatását.57 Hasonlóképpen, amikor fluoreszcens festéket fecskendezünk élő sejtek magjába, az A/C lamint nélkülöző sejtek a vad típusú sejtekhez képest drámaian megnövekedett magszakadási arányt mutatnak.61

A laminnak a sejtmag szerkezeti integritásának biztosításában betöltött ilyen fontos szerepe miatt, vajon milyen a különböző lamintípusok hozzájárulása a nukleáris mechanikához? Míg a B-típusú laminok szinte ubiquitikusan és egységesen expresszálódnak a különböző sejttípusok és szövetek között, addig a lamin A/C expressziója erősen szövetspecifikus. Például az izomsejtek és más mesenchymális sejtek expressziós szintje jellemzően az A-típusú laminok között a legmagasabb.62,63 Egy nemrégiben végzett tanulmány szerint az A-típusú és a B-típusú laminok aránya a különböző szövetekben szorosan korrelál a szövetek merevségével, ami a laminok szintjének mechanoszenzitív szabályozására utal,62 ami a mechanikai stabilitás növelésével segíthet megvédeni a sejtmagot a mechanikai stressztől.61 Az A-típusú és B-típusú laminokat egyaránt expresszáló sejtekben az A és C típusú laminok járulnak hozzá leginkább a mag stabilitásához, a B-típusú laminok kisebb szerepet játszanak a mag általános merevségében.64 Mindazonáltal a mechanikai tulajdonságok tekintetében a laminok között lehet némi funkcionális redundancia. Például a lamin B bevitele a lamin A-null sejtekbe részben megmentheti a mechanikai hibákat.54,65 Továbbá a B-típusú laminok fontosak a sejtmag citoszkeletonhoz való rögzítéséhez, különösen az agyban a neuronális migráció/fejlődés során, mivel ezek a sejtek nem rendelkeznek A-típusú laminokkal.66-69

Hasonlóképpen, az embrionális őssejtek nem expresszálnak A-típusú laminokat, amíg meg nem kezdenek differenciálódni. Amint csökkennek az őssejtek, a sejtmagjuk merevsége akár hatszorosára nő a differenciálatlan állapothoz képest. Ez valószínűleg az új vonalban megnövekedett A/C lamintartalomnak és valószínűleg a kromatin konfigurációjában bekövetkezett változásoknak köszönhető.14,63 Néhány specializált differenciált sejt, nevezetesen a neutrofilek és a neuronok még differenciálódás után is alig fejeznek ki A-típusú lamint.68,70 Az A-típusú lamintartalom hiánya az embrionális őssejtekben, neutrofilekben és neuronokban megkönnyítheti a migrációt, lehetővé téve e sejtek számára, hogy a fejlődés és gyulladás során a sűrű szöveteken és intersticiális tereken keresztül közlekedjenek.71 Például a lamin A/C szintjének csökkenése a lamin B receptor (LBR) expressziójának egyidejű növekedésével együtt a granulopoiesis során elősegíti az érett neutrofilek jellegzetes, erősen lobulált magformáját.15 Emellett a lamin A alacsony szintje erősen deformálható magot eredményez, ami lehetővé teszi a neutrofilek számára, hogy könnyen átpréselődjenek a kis tereken.15 Hasonlóképpen, a lamin A/C szintjének szabályozása más vérképzősejt-típusok forgalmát és vonalérését is szabályozhatja.72

A laminok expressziójának változásai mellett a laminok poszttranszlációs módosításai tovább befolyásolhatják a nukleáris mechanikát. A laminok foszforilálódnak a mitózis során, aminek hatására oldhatóvá válnak és szétszóródnak a citoplazmában.47,73 Mivel a laminok farnezilációja és foszforilációja megváltoztatja oldhatóságukat, kölcsönhatásukat és lokalizációjukat, ezek a poszttranszlációs módosítások lehetőséget adhatnak a sejteknek arra is, hogy mechanikai ingerekre reagálva dinamikusan szabályozzák a mag merevségét.62