2.4 Lamine, la lamina nucleare e la meccanica nucleare

Le vitamine e le loro proteine associate formano una fitta rete (lamina nucleare) lungo la membrana nucleare interna. La lamina interagisce con le proteine della membrana nucleare interna, i complessi dei pori nucleari e l’interno nucleare. Le lamine sono filamenti intermedi di tipo V che possono essere raggruppati in due classi: (1) lamine di tipo A, che sono generate dallo splicing alternativo del gene LMNA in lamina A e C e alcune isoforme meno abbondanti, e (2) lamine di tipo B, che sono codificate dai geni LMNB1 e LMNB2, che producono rispettivamente lamina B1 e B2/B3.38 Mentre le lamine di tipo A e le lamine B1 e B2 sono espresse in quasi tutte le cellule somatiche, l’espressione della lamina B3 è limitata alle cellule germinali. Le lamine di tipo A e B subiscono un’ampia elaborazione post-traslazionale al C-terminale, compresa la farnesilazione e la scissione endoproteolitica. Le lamine di tipo B rimangono permanentemente farnesilate e quindi attaccate alla membrana nucleare interna, anche durante la mitosi.46 Al contrario, la lamina A subisce un’ulteriore modifica, dove la proteina Zmpste24 rimuove la coda farnesilata, ottenendo la lamina A matura. La lamina C, che ha un C-terminale distinto, non subisce la stessa elaborazione e non è farnesilata.10 Le lamine A e C mature, che mancano della coda idrofoba del farnesile, si trovano sia nel nucleoplasma che nella lamina nucleare.47

Le lamine, che hanno un’emivita di ≈ 13 ore, si assemblano in filamenti stabili.48 Formano dimeri paralleli attraverso l’interazione a spirale dei loro domini centrali.38 I dimeri si associano testa a coda e poi si assemblano lateralmente in modo antiparallelo in filamenti non polari con un diametro finale di circa 10 nm. Nelle micrografie elettroniche a trasmissione di cellule di mammifero, la lamina nucleare è visibile come uno strato proteico denso spesso 25-50 nm sotto la membrana nucleare interna.7,17 La struttura di ordine superiore delle lamine nelle cellule somatiche non è completamente compresa a causa della stretta associazione della lamina con la cromatina, che rende impegnativo l’imaging ad alta risoluzione.49 Tuttavia, gli oociti di Xenopus non pongono le stesse sfide; le micrografie elettroniche di queste cellule mostrano una struttura della lamina composta da un reticolo quadrato di filamenti reticolati spessi 10-nm.49,50 Per questo motivo, si pensa che le interazioni laterali tra i dimeri e i protofilamenti siano fondamentali per mantenere la corretta struttura di ordine superiore. Sulla base della modellazione matematica, la corretta direzione di avvolgimento degli eptadi sembra essere importante per consentire lo “svuotamento” e il successivo attaccamento al filamento adiacente.51 Le mutazioni potrebbero comportare una maggiore o minore stabilità a causa di un assemblaggio e/o un legame errato.52 È importante notare che queste idee attendono una conferma sperimentale. È interessante notare che, sebbene diverse isoforme di lamine possano interagire e formare eteropolimeri in vitro, in vivo si dividono tipicamente in omopolimeri e formano reti distinte, ma sovrapposte.53-56

Anche se ci sono ancora alcune domande sul filamento e sull’assemblaggio strutturale della lamina in vivo, l’importanza delle lamine nucleari nel contribuire alla rigidità e alla stabilità nucleare è stata inequivocabilmente stabilita. Sulla base di esperimenti di aspirazione con micropipetta su nuclei isolati di ovociti Xenopus, che possono essere gonfiati osmoticamente per separare la cromatina dalla lamina nucleare, la rete di lamine ha un modulo elastico di ≈ 25 mN/m.57 Per confronto, la membrana plasmatica dei neutrofili ha un modulo elastico di ≈ 0,03 mN/m e le membrane di condrociti e cellule endoteliali hanno un modulo di ≈ 0,5 mN/m.58 Utilizzando una varietà di approcci sperimentali, la rigidità del nucleo è stata determinata essere 2-10 volte più rigida del citoplasma circostante, a seconda del particolare tipo di cellula e del metodo di misurazione.16,59,60 Quando si confronta lo sforzo di lisi dell’involucro nucleare (es, la lamina nucleare e le membrane nucleari) con quella di una semplice doppia membrana lipidica per distinguere il contributo della lamina nucleare, lo sforzo di lisi dell’involucro nucleare era 12 volte superiore a quello del sistema standard a doppia membrana, evidenziando l’impatto stabilizzante della lamina nucleare.57 Allo stesso modo, quando un colorante fluorescente viene iniettato nel nucleo di cellule viventi, le cellule che mancano di lamine A/C mostrano tassi di rottura nucleare drammaticamente aumentati rispetto alle cellule wild-type.61

Dato questo importante ruolo delle lamine nel conferire integrità strutturale al nucleo, qual è il contributo dei diversi tipi di lamine alla meccanica nucleare? Mentre le lamine di tipo B sono quasi ubiquitarie e uniformemente espresse tra diversi tipi di cellule e tessuti, l’espressione della lamina A/C è altamente specifica del tessuto. Per esempio, le cellule muscolari e altre cellule mesenchimali sono tipicamente tra le più alte nei livelli di espressione delle lamine di tipo A.62,63 Uno studio recente ha scoperto che il rapporto tra le lamine di tipo A e quelle di tipo B in diversi tessuti è strettamente correlato alla rigidità del tessuto, suggerendo una regolazione meccanosensibile dei livelli di lamine,62 che potrebbe aiutare a proteggere il nucleo dallo stress meccanico aumentando la stabilità meccanica.61 Nelle cellule che esprimono sia lamine di tipo A che di tipo B, le lamine A e C sono quelle che contribuiscono maggiormente alla stabilità nucleare, mentre le lamine di tipo B hanno un ruolo minore nella rigidità nucleare complessiva.64 Tuttavia, potrebbe esserci una ridondanza funzionale tra le lamine per quanto riguarda le proprietà meccaniche. Per esempio, l’introduzione della lamina B in cellule prive di lamina A può salvare parzialmente i difetti meccanici.54,65 Inoltre, le lamine di tipo B sono importanti per l’ancoraggio nucleare al citoscheletro, in particolare durante la migrazione/sviluppo neuronale nel cervello, poiché queste cellule mancano di lamine di tipo A.66-69

Similmente, le cellule staminali embrionali non esprimono lamine di tipo A finché non iniziano a differenziarsi. Una volta che diminuiscono la loro staminalità, la loro rigidità nucleare aumenta fino a sei volte rispetto allo stato indifferenziato. Ciò è molto probabilmente dovuto all’aumento dei livelli di lamine A/C nel nuovo lignaggio e forse ai cambiamenti nella configurazione della cromatina.14,63 Alcune cellule differenziate specializzate, in particolare neutrofili e neuroni, non esprimono quasi nessuna lamina di tipo A anche dopo la differenziazione.68,70 La mancanza di lamine di tipo A nelle cellule staminali embrionali, nei neutrofili e nei neuroni può facilitare la migrazione, permettendo a queste cellule di viaggiare attraverso tessuti densi e spazi interstiziali durante lo sviluppo e l’infiammazione.71 Per esempio, la diminuzione dei livelli di lamina A/C insieme al concomitante aumento dell’espressione del recettore della lamina B (LBR) durante la granulopoiesi promuove la distinta forma nucleare altamente lobulata dei neutrofili maturi.15 Inoltre, i bassi livelli di lamina A determinano un nucleo altamente deformabile che permette ai neutrofili di infilarsi facilmente in piccoli spazi.15 Allo stesso modo, la regolazione dei livelli di lamina A/C può anche regolare il traffico e la maturazione del lineage di altri tipi di cellule ematopoietiche.72

Oltre ai cambiamenti nell’espressione delle lamine, le modifiche posttraslazionali delle lamine possono influenzare ulteriormente la meccanica nucleare. Le lamine sono fosforilate durante la mitosi, il che fa sì che diventino solubili e si disperdano nel citoplasma.47,73 Poiché la farnesilazione e la fosforilazione delle lamine cambiano la loro solubilità, interazione e localizzazione, queste modifiche posttraslazionali possono anche offrire alle cellule un modo per regolare dinamicamente la loro rigidità nucleare in risposta a stimoli meccanici.62

Si tratta di un’evoluzione della meccanica nucleare.