2.4 Laminy, lamina jądrowa i mechanika jądrowa

Laminy i związane z nimi białka tworzą gęstą siatkę (lamina jądrowa) wzdłuż wewnętrznej błony jądrowej. Lamina oddziałuje z białkami wewnętrznej błony jądrowej, kompleksami porów jądrowych i wnętrzem jądra. Laminy są filamentami pośrednimi typu V, które można podzielić na dwie klasy: (1) laminy typu A, które powstają w wyniku alternatywnego splicingu genu LMNA do lamin A i C oraz kilku mniej obfitych izoform, oraz (2) laminy typu B, które są kodowane przez geny LMNB1 i LMNB2, które wytwarzają odpowiednio laminę B1 i B2/B3.38 Podczas gdy laminy typu A oraz laminy B1 i B2 ulegają ekspresji w prawie wszystkich komórkach somatycznych, ekspresja lamin B3 jest ograniczona do komórek zarodkowych. Laminy typu A i B ulegają rozległej obróbce potranslacyjnej na C-końcu, w tym farnezylacji i rozszczepieniu endoproteolitycznemu. Witaminy typu B pozostają trwale farnezylowane i w ten sposób przyłączone do wewnętrznej błony jądrowej, nawet podczas mitozy.46 Natomiast laminę A poddaje się dodatkowej modyfikacji, w której białko Zmpste24 usuwa farnezylowany ogon, w wyniku czego powstaje dojrzała lamin A. Laminę C, która ma odrębny C-terminus, nie poddaje się takiemu samemu przetwarzaniu i nie ulega farnezylacji.10 Dojrzałe lamin A i lamin C, którym brakuje hydrofobowego ogona farnezylowego, można znaleźć zarówno w nukleoplazmie, jak i w laminie jądrowej.47

Laminy, których okres półtrwania wynosi ≈ 13 h, łączą się w stabilne filamenty.48 Tworzą one równoległe dimery poprzez oddziaływanie cewkowe ich centralnych domen pręcikowych.38 Dimery łączą się od głowy do ogona, a następnie łączą się poprzecznie w sposób antyrównoległy w niepolarne włókna o ostatecznej średnicy około 10 nm. Na transmisyjnych mikrografach elektronowych komórek ssaków lamina jądrowa jest widoczna jako gęsta warstwa białkowa o grubości 25-50 nm, znajdująca się pod wewnętrzną błoną jądrową.7,17 Struktura wyższego rzędu laminy w komórkach somatycznych nie jest w pełni poznana ze względu na ścisłe połączenie laminy z chromatyną, co utrudnia obrazowanie w wysokiej rozdzielczości.49 Jednak oocyty Xenopus nie stanowią takiego samego wyzwania; mikrografy elektronowe w tych komórkach pokazują strukturę laminy składającą się z kwadratowej siatki ≈ 10-nm grubości usieciowanych filamentów.49,50 Z tego powodu uważa się, że boczne interakcje między dimerami i protofilamentami są krytyczne dla utrzymania prawidłowej struktury wyższego rzędu. Na podstawie modelowania matematycznego wydaje się, że prawidłowy kierunek zwijania heptad jest ważny dla umożliwienia „rozpakowania” i późniejszego przyłączenia do sąsiedniej nici.51 Mutacje mogą powodować zwiększoną lub zmniejszoną stabilność z powodu nieprawidłowego montażu i/lub wiązania.52 Należy zauważyć, że te pomysły czekają na eksperymentalne potwierdzenie. Co ciekawe, chociaż różne izoformy lamin mogą oddziaływać ze sobą i tworzyć heteropolimery in vitro, zazwyczaj rozdzielają się na homopolimery i tworzą odrębne, ale nakładające się na siebie sieci in vivo.53-56

Pomimo że nadal istnieją pewne pytania dotyczące filamentów i strukturalnego składania laminy in vivo, znaczenie lamin jądrowych w przyczynianiu się do sztywności i stabilności jądra zostało jednoznacznie ustalone. Na podstawie eksperymentów aspiracji mikropipetą izolowanych jąder oocytów Xenopus, które mogą być osmotycznie spęcznione w celu oddzielenia chromatyny od lamin jądrowych, sieć lamin ma moduł sprężystości ≈ 25 mN/m.57 Dla porównania, błona plazmatyczna neutrofilów ma moduł sprężystości ≈ 0,03 mN/m, a błony chondrocytów i komórek śródbłonka mają moduł ≈ 0,5 mN/m.58 Stosując różne podejścia eksperymentalne, określono, że sztywność jądra jest 2-10 razy większa niż otaczającej je cytoplazmy, w zależności od konkretnego typu komórki i metody pomiaru.16,59,60 Porównując naprężenie lizy otoczki jądrowej (tj, laminy jądrowej i błony jądrowej) z prostą podwójną błoną lipidową, aby odróżnić udział laminy jądrowej, odkształcenie lizy otoczki jądrowej było 12-krotnie wyższe niż standardowego systemu podwójnej błony, co podkreśla stabilizujący wpływ laminy jądrowej.57 Podobnie, gdy barwnik fluorescencyjny jest wstrzykiwany do jądra żywych komórek, komórki, którym brakuje laminy A/C wykazują dramatycznie zwiększone tempo pękania jądra w porównaniu z komórkami typu dzikiego.61

Zważywszy na tak ważną rolę laminy w nadawaniu integralności strukturalnej jądru, jaki jest udział różnych typów laminy w mechanice jądrowej? Podczas gdy laminy typu B s± niemal wszechobecne i jednakowo wyrażone w różnych typach komórek i tkanek, ekspresja lamin A/C jest wysoce specyficzna tkankowo. Na przykład komórki mięśniowe i inne komórki mezenchymalne zwykle charakteryzują się najwyższym poziomem ekspresji lamin typu A.62,63 W jednym z ostatnich badań wykazano, że stosunek ilościowy lamin typu A do typu B w różnych tkankach ściśle koreluje ze sztywnością tkanki, co sugeruje mechanowrażliwą regulację poziomu lamin,62 która mogłaby pomóc w ochronie jądra przed stresem mechanicznym poprzez zwiększenie stabilności mechanicznej.61 W komórkach, które wykazują ekspresję zarówno lamin typu A, jak i typu B, laminy A i C są głównymi czynnikami wpływającymi na stabilność jądra, przy czym laminy typu B odgrywają mniejszą rolę w ogólnej sztywności jądra.64 Niemniej jednak, może istnieć pewna funkcjonalna redundancja pomiędzy laminami w odniesieniu do właściwości mechanicznych. Na przykład, wprowadzenie lamin B do komórek pozbawionych lamin A może częściowo uratować defekty mechaniczne.54,65 Ponadto, laminy typu B są ważne dla zakotwiczenia jądra w cytoszkielecie, szczególnie podczas migracji/rozwoju neuronów w mózgu, ponieważ w tych komórkach brakuje lamin typu A.66-69

Podobnie, embrionalne komórki macierzyste nie wykazują ekspresji lamin typu A, dopóki nie zaczną się różnicować. Po zmniejszeniu ich macierzystości, ich sztywność jądrowa wzrasta nawet sześciokrotnie w porównaniu do stanu niezróżnicowanego. Jest to najprawdopodobniej spowodowane zwiększonym poziomem laminy A/C w nowej linii i prawdopodobnie zmianami w konfiguracji chromatyny.14,63 Kilka wyspecjalizowanych komórek zróżnicowanych, zwłaszcza neutrofile i neurony, prawie nie wykazuje ekspresji laminy typu A nawet po zróżnicowaniu.68,70 Brak laminy typu A w embrionalnych komórkach macierzystych, neutrofilach i neuronach może ułatwiać migrację, umożliwiając tym komórkom przemieszczanie się przez gęste tkanki i przestrzenie śródmiąższowe podczas rozwoju i zapalenia.71 Na przykład, obniżenie poziomu lamin A/C wraz z jednoczesnym wzrostem ekspresji receptora lamin B (LBR) podczas granulopoezy promuje wyraźny, wysoce zrazikowy kształt jądra dojrzałych neutrofili.15 Ponadto, niski poziom lamin A skutkuje wysoce odkształcalnym jądrem umożliwiającym neutrofilom łatwe przeciskanie się przez małe przestrzenie.15 Podobnie, regulacja poziomu lamin A/C może również regulować trafficking i dojrzewanie linii innych typów komórek krwiotwórczych.72

Oprócz zmian w ekspresji lamin, potranslacyjne modyfikacje lamin mogą dodatkowo wpływać na mechanikę jądra. Laminy są fosforylowane podczas mitozy, co powoduje, że stają się rozpuszczalne i rozpraszają się w cytoplazmie.47,73 Ponieważ farnezylacja i fosforylacja lamin zmienia ich rozpuszczalność, interakcję i lokalizację, te potranslacyjne modyfikacje mogą również oferować komórkom sposób na dynamiczne dostosowanie ich sztywności jądrowej w odpowiedzi na bodźce mechaniczne.62

.