2.4 Lamins, de nucleaire lamina, en nucleaire mechanica

Laminen en hun geassocieerde eiwitten vormen een dicht netwerk (nucleaire lamina) langs de binnenste kernmembraan. De lamina interageert met binnenste kernmembraaneiwitten, nucleaire poriecomplexen, en het kerninterieur. Lamines zijn intermediaire filamenten van type V die in twee klassen kunnen worden ingedeeld: (1) A-type lamins, die worden gegenereerd door alternatieve splicing van het LMNA-gen in lamin A en C en enkele minder overvloedige isovormen, en (2) B-type lamins, die worden gecodeerd door de LMNB1 en LMNB2 genen, die respectievelijk lamin B1 en B2/B3 produceren.38 Terwijl A-type lamins en lamins B1 en B2 in bijna alle somatische cellen tot expressie komen, is de expressie van lamin B3 beperkt tot de kiemcellen. Lamin A en B-type lamines ondergaan uitgebreide posttranslationele verwerking aan de C-terminus, waaronder farnesylering en endoproteolytische splitsing. B-type lamines blijven permanent gefarnesyleerd en blijven daardoor vastzitten aan de binnenste kernmembraan, zelfs tijdens mitose.46 Lamin A daarentegen ondergaat een extra modificatie, waarbij het eiwit Zmpste24 de gefarnesyleerde staart verwijdert, wat resulteert in rijp lamin A. Lamin C, dat een aparte C-terminus heeft, ondergaat niet dezelfde verwerking en wordt niet gefarnesyleerd.10 Volgroeid lamin A en lamin C, die de hydrofobe farnesylstaart missen, kunnen zowel in het nucleoplasma als in de nucleaire lamina worden aangetroffen.47

Laminen, die een halfwaardetijd van ≈ 13 uur hebben, assembleren tot stabiele filamenten.48 Zij vormen parallelle dimeren door coiled-coil interactie van hun centrale staafdomeinen.38 De dimeren associëren kop aan staart en assembleren dan lateraal op een antiparallelle wijze tot apolaire filamenten met een uiteindelijke diameter van ongeveer 10 nm. In transmissie-elektronenmicrofoto’s van zoogdiercellen is de kernlamina zichtbaar als een 25-50 nm dikke dichte eiwitlaag onder het binnenste kernmembraan.7,17 De hogere-orde structuur van lamines in somatische cellen is niet volledig begrepen als gevolg van de nauwe associatie van de lamina met chromatine, die hoge-resolutie beeldvorming uitdagend maakt.49 Xenopus oocyten vormen echter niet dezelfde uitdagingen; elektronenmicrofoto’s in deze cellen laten een laminestructuur zien die bestaat uit een vierkant rooster van ≈ 10-nm dikke vernette filamenten.49,50 Hierdoor wordt gedacht dat laterale interacties tussen dimeren en protofilamenten cruciaal zijn voor het handhaven van de juiste hogere-orde structuur. Op basis van wiskundige modellen lijkt de juiste oprolrichting van de heptaden belangrijk te zijn om “uitpakken” en vervolgens aanhechting aan de aangrenzende streng mogelijk te maken.51 Mutaties zouden kunnen leiden tot verhoogde of verlaagde stabiliteit als gevolg van onjuiste assemblage en/of binding.52 Het is belangrijk op te merken dat deze ideeën wachten op experimentele bevestiging. Intrigerend is dat, hoewel verschillende lamina-isovormen met elkaar kunnen interageren en heteropolymeren vormen in vitro, zij typisch segregeren in homopolymeren en verschillende, maar overlappende, netwerken vormen in vivo.53-56

Hoewel er nog steeds vragen zijn over het filament en de structurele assemblage van de lamina in vivo, is het belang van nucleaire lamines in het bijdragen aan nucleaire stijfheid en stabiliteit ondubbelzinnig vastgesteld. Gebaseerd op micropipet aspiratie experimenten op geïsoleerde Xenopus oocyte kernen, die osmotisch kunnen worden opgezwollen om het chromatine van het kernlaminaat te scheiden, heeft het laminennetwerk een elastische modulus van ≈ 25 mN/m.57 Ter vergelijking, het plasmamembraan van neutrofielen heeft een elastische modulus van ≈ 0,03 mN/m en chondrocyten en endotheelcelmembranen hebben een modulus van ≈ 0,5 mN/m.58 Met behulp van een verscheidenheid aan experimentele benaderingen, is de stijfheid van de kern vastgesteld op 2-10 keer stijver dan het omliggende cytoplasma, afhankelijk van het specifieke celtype en de meetmethode.16,59,60 Bij het vergelijken van de lysis stam van de nucleaire envelop (dat wil zeggen, de nucleaire lamina en de kernmembranen) met die van een eenvoudig dubbel lipidemembraan om de bijdrage van de nucleaire lamina te onderscheiden, was de lysisstrek van de nucleaire envelop 12-maal hoger dan die van het standaard dubbelmembraan systeem, wat de stabiliserende invloed van de nucleaire lamina benadrukt.57 Evenzo, wanneer een fluorescerende kleurstof wordt geïnjecteerd in de kern van levende cellen, vertonen cellen die lamines A/C missen dramatisch verhoogde percentages van nucleaire breuk vergeleken met wild-type cellen.61

Gezien deze belangrijke rol van lamines bij het verlenen van structurele integriteit aan de kern, wat is dan de bijdrage van de verschillende typen lamines aan de nucleaire mechanica? Terwijl lamines van het B-type bijna alomtegenwoordig en uniform tot expressie komen in verschillende celtypen en weefsels, is de expressie van lamin A/C zeer weefselspecifiek. Zo behoren spiercellen en andere mesenchymale cellen tot de cellen met de hoogste expressie van A-laminaat.62,63 Een recente studie heeft aangetoond dat de verhouding tussen A- en B-laminaat in verschillende weefsels nauw samenhangt met de weefselstijfheid, wat wijst op een mechanosensitieve regulatie van het laminenniveau,62 wat de kern zou kunnen helpen beschermen tegen mechanische belasting door de mechanische stabiliteit te vergroten.61 In cellen die zowel A- als B-type lamines tot expressie brengen, leveren de lamines A en C de belangrijkste bijdrage aan de stabiliteit van de kern, waarbij de B-type lamines een kleinere rol spelen in de algehele stijfheid van de kern.64 Desalniettemin kan er enige functionele redundantie tussen de lamines bestaan met betrekking tot de mechanische eigenschappen. Bijvoorbeeld, het introduceren van lamin B in lamin A-nulle cellen kan mechanische defecten gedeeltelijk redden.54,65 Bovendien zijn B-type lamines belangrijk voor nucleaire verankering aan het cytoskelet, met name tijdens neuronale migratie / ontwikkeling in de hersenen, omdat deze cellen geen A-type lamines hebben.66-69

Zo ook brengen embryonale stamcellen geen A-type lamines tot expressie totdat ze beginnen te differentiëren. Zodra zij hun stenigheid afnemen, neemt hun kernstijfheid tot het zesvoudige toe in vergelijking met de ongedifferentieerde toestand. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de verhoogde niveaus van lamines A/C in de nieuwe lijn en mogelijk veranderingen in de chromatine configuratie.14,63 Enkele gespecialiseerde gedifferentieerde cellen, met name neutrofielen en neuronen, brengen zelfs na differentiatie nauwelijks A-type lamines tot expressie.68,70 Het gebrek aan A-type lamines in embryonale stamcellen, neutrofielen en neuronen kan migratie vergemakkelijken, waardoor deze cellen zich door dichte weefsels en interstitiële ruimten kunnen bewegen tijdens ontwikkeling en ontsteking.71 Bijvoorbeeld, de afname van lamin A / C niveaus samen met de gelijktijdige toename van expressie van lamin B receptor (LBR) tijdens de granulopoiese bevordert de verschillende sterk gelobuleerde kernvorm van volwassen neutrofielen.15 Bovendien, de lage niveaus van lamin A resulteren in een zeer vervormbaar kern waardoor neutrofielen gemakkelijk te persen door kleine ruimtes.15 Op dezelfde manier kan de regulatie van het niveau van lamin A/C ook de trafficking en de maturatie van andere hematopoietische celtypes reguleren.72

Naast veranderingen in de expressie van lamin, kunnen posttranslationele modificaties van lamines de nucleaire mechanica verder beïnvloeden. Lamines worden tijdens mitose gefosforyleerd, waardoor ze oplosbaar worden en zich in het cytoplasma verspreiden.47,73 Omdat farnesylering en fosforylering van lamines hun oplosbaarheid, interactie en lokalisatie veranderen, kunnen deze posttranslationele modificaties cellen ook een manier bieden om hun nucleaire stijfheid dynamisch aan te passen in reactie op mechanische stimuli.62