2.4 Lamine, die Kernlamina und die Kernmechanik

Lamine und ihre assoziierten Proteine bilden ein dichtes Geflecht (Kernlamina) entlang der inneren Kernmembran. Die Lamina interagiert mit Proteinen der inneren Kernmembran, mit Kernporenkomplexen und mit dem Kerninneren. Lamine sind Intermediärfilamente vom Typ V, die in zwei Klassen eingeteilt werden können: (1) Lamine vom A-Typ, die durch alternatives Spleißen des LMNA-Gens in Lamin A und C und einige weniger häufig vorkommende Isoformen entstehen, und (2) Lamine vom B-Typ, die von den Genen LMNB1 und LMNB2 kodiert werden, die Lamin B1 bzw. B2/B3 produzieren.38 Während die Lamine vom A-Typ und die Lamine B1 und B2 in fast allen somatischen Zellen exprimiert werden, ist die Expression von Lamin B3 auf Keimzellen beschränkt. Lamin A- und B-Typ-Lamine werden am C-Terminus einer umfangreichen posttranslationalen Verarbeitung unterzogen, einschließlich Farnesylierung und endoproteolytischer Spaltung. Lamine des B-Typs bleiben permanent farnesyliert und somit an die innere Kernmembran gebunden, sogar während der Mitose.46 Im Gegensatz dazu wird Lamin A einer zusätzlichen Modifikation unterzogen, bei der das Protein Zmpste24 den farnesylierten Schwanz entfernt, was zu reifem Lamin A führt. Lamin C, das einen ausgeprägten C-Terminus hat, unterliegt nicht der gleichen Verarbeitung und wird nicht farnesyliert.10 Reifes Lamin A und Lamin C, denen der hydrophobe Farnesylschwanz fehlt, sind sowohl im Nukleoplasma als auch in der Kernlamina zu finden.47

Lamine, die eine Halbwertszeit von ≈ 13 h haben, setzen sich zu stabilen Filamenten zusammen.48 Sie bilden parallele Dimere durch Coiled-Coil-Interaktion ihrer zentralen Stabdomänen.38 Die Dimere assoziieren Kopf an Schwanz und fügen sich dann seitlich antiparallel zu unpolaren Filamenten mit einem Enddurchmesser von etwa 10 nm zusammen. In transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen von Säugetierzellen ist die Kernlamina als 25-50 nm dicke dichte Proteinschicht unter der inneren Kernmembran sichtbar.7,17 Die übergeordnete Struktur der Lamine in somatischen Zellen ist aufgrund der engen Verbindung der Lamina mit dem Chromatin nicht vollständig geklärt, was eine hochauflösende Bildgebung schwierig macht.49 Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Xenopus-Oozyten zeigen eine Laminstruktur, die aus einem quadratischen Gitter von ≈ 10 nm dicken, vernetzten Filamenten besteht.49,50 Aus diesem Grund wird angenommen, dass laterale Interaktionen zwischen Dimeren und Protofilamenten für die Aufrechterhaltung der korrekten Struktur höherer Ordnung entscheidend sind. Auf der Grundlage mathematischer Modellierung scheint die korrekte Wickelrichtung der Heptaden wichtig zu sein, um das „Entpacken“ und die anschließende Befestigung an einem benachbarten Strang zu ermöglichen.51 Mutationen könnten zu einer erhöhten oder verringerten Stabilität aufgrund eines fehlerhaften Zusammenbaus und/oder einer fehlerhaften Bindung führen.52 Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese Ideen noch experimentell bestätigt werden müssen. Interessanterweise können zwar verschiedene Lamin-Isoformen in vitro miteinander interagieren und Heteropolymere bilden, aber in vivo trennen sie sich typischerweise in Homopolymere und bilden unterschiedliche, aber sich überlappende Netzwerke.53-56

Obwohl es noch einige Fragen zum Filament- und Strukturaufbau der Lamina in vivo gibt, ist die Bedeutung der Kernlamine für die Steifigkeit und Stabilität des Kerns eindeutig nachgewiesen. Auf der Grundlage von Mikropipetten-Aspirationsexperimenten an isolierten Xenopus-Oozytenkernen, die osmotisch gequollen werden können, um das Chromatin vom Kernlamin zu trennen, hat das Lamin-Netzwerk einen Elastizitätsmodul von ≈ 25 mN/m.57 Zum Vergleich: Die Plasmamembran von Neutrophilen hat einen Elastizitätsmodul von ≈ 0,03 mN/m und Chondrozyten- und Endothelzellmembranen haben einen Modul von ≈ 0,5 mN/m.58 Unter Verwendung verschiedener experimenteller Ansätze wurde die Steifigkeit des Zellkerns je nach Zelltyp und Messmethode als 2-10 mal steifer als das umgebende Zytoplasma ermittelt.16,59,60 Beim Vergleich der Lysebelastung der Kernhülle (d.h., Beim Vergleich der Lysebelastung der Kernhülle (d. h. der Kernlamina und der Kernmembranen) mit der einer einfachen Doppellipidmembran, um den Beitrag der Kernlamina zu unterscheiden, war die Lysebelastung der Kernhülle 12-mal höher als die des Standard-Doppelmembransystems, was die stabilisierende Wirkung der Kernlamina unterstreicht.57 Wenn ein Fluoreszenzfarbstoff in den Kern lebender Zellen injiziert wird, zeigen Zellen, denen die Vitamine A/C fehlen, im Vergleich zu Wildtyp-Zellen dramatisch erhöhte Raten des Kernbruchs.61

Angesichts dieser wichtigen Rolle der Vitamine bei der Verleihung der strukturellen Integrität des Kerns stellt sich die Frage, welchen Beitrag die verschiedenen Arten von Vitaminen zur Kernmechanik leisten. Während Vitamine des Typs B in den verschiedenen Zelltypen und Geweben nahezu ubiquitär und gleichmäßig exprimiert werden, ist die Expression von Lamin A/C sehr gewebespezifisch. So weisen Muskelzellen und andere mesenchymale Zellen in der Regel die höchste Expressionsrate von Lamin A auf.62,63 Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass das Verhältnis von A- zu B-Laminen in verschiedenen Geweben eng mit der Gewebesteifigkeit korreliert, was auf eine mechanosensitive Regulierung der Lamin-Konzentration hindeutet.62 Dies könnte dazu beitragen, den Zellkern vor mechanischem Stress zu schützen, indem es die mechanische Stabilität erhöht.61 In Zellen, die sowohl A-Typ- als auch B-Typ-Lamine exprimieren, tragen die Vitamine A und C am meisten zur Kernstabilität bei, während die B-Typ-Lamine eine geringere Rolle bei der Gesamtkernsteifigkeit spielen.64 Dennoch kann es eine gewisse funktionelle Redundanz zwischen den Vitaminen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften geben. So kann beispielsweise die Einführung von Lamin B in Lamin-A-null-Zellen mechanische Defekte teilweise beheben.54,65 Darüber hinaus sind Lamine vom B-Typ wichtig für die Verankerung des Zellkerns im Zytoskelett, insbesondere während der neuronalen Migration/Entwicklung im Gehirn, da diesen Zellen die Lamine vom A-Typ fehlen.66-69

Auch embryonale Stammzellen exprimieren keine Lamine vom A-Typ, bis sie zu differenzieren beginnen. Sobald sie ihre Stammzelleneigenschaft verlieren, nimmt ihre Kernsteifigkeit im Vergleich zum undifferenzierten Zustand um das bis zu Sechsfache zu. Dies ist höchstwahrscheinlich auf den erhöhten Gehalt an Laminen A/C in der neuen Zelllinie und möglicherweise auf Veränderungen in der Chromatinkonfiguration zurückzuführen.14,63 Einige wenige spezialisierte differenzierte Zellen, insbesondere neutrophile Zellen und Neuronen, exprimieren selbst nach der Differenzierung kaum Lamine des Typs A.68,70 Das Fehlen von Laminen des Typs A in embryonalen Stammzellen, neutrophilen Zellen und Neuronen könnte die Migration erleichtern und es diesen Zellen ermöglichen, während der Entwicklung und bei Entzündungen durch dichtes Gewebe und Zwischenräume zu wandern.71 So fördert beispielsweise die Abnahme der Lamin A/C-Konzentration zusammen mit der gleichzeitigen Zunahme der Expression des Lamin B-Rezeptors (LBR) während der Granulopoese die ausgeprägte, stark gelappte Kernform reifer Neutrophiler.15 Darüber hinaus führt die geringe Lamin A-Konzentration zu einem stark verformbaren Kern, der es Neutrophilen ermöglicht, sich leicht durch kleine Räume zu zwängen.15 In ähnlicher Weise kann die Regulierung des Lamin A/C-Spiegels auch den Transport und die Reifung anderer hämatopoetischer Zelltypen regulieren.72

Neben Veränderungen der Lamin-Expression können posttranslationale Modifikationen der Lamine die Kernmechanik weiter beeinflussen. Lamine werden während der Mitose phosphoryliert, wodurch sie löslich werden und sich im Zytoplasma verteilen.47,73 Da die Farnesylierung und Phosphorylierung von Laminen ihre Löslichkeit, Interaktion und Lokalisierung verändert, bieten diese posttranslationalen Modifikationen den Zellen möglicherweise auch eine Möglichkeit, ihre Kernsteifigkeit als Reaktion auf mechanische Reize dynamisch anzupassen.62