2.4 Laminas, a lâmina nuclear e a mecânica nuclear

Laminas e suas proteínas associadas formam uma densa malha (lâmina nuclear) ao longo da membrana nuclear interna. A lâmina interage com as proteínas da membrana nuclear interna, complexos de poros nucleares e o interior nuclear. As laminas são filamentos intermediários do tipo V que podem ser agrupados em duas classes: (1) laminas do tipo A, que são geradas pela emenda alternada do gene LMNA nas laminas A e C e algumas isoformas menos abundantes, e (2) laminas do tipo B, que são codificadas pelos genes LMNB1 e LMNB2, que produzem as laminas B1 e B2/B3, respectivamente.38 Enquanto as laminas do tipo A e as laminas B1 e B2 são expressas em quase todas as células somáticas, a expressão da lamina B3 é restrita às células germinativas. As laminas dos tipos A e B passam por um extenso processamento pós-tradicional no termo C, incluindo farnesilação e clivagem endoproteolítica. As laminas tipo B permanecem permanentemente farnesiladas e, portanto, ligadas à membrana nuclear interna, mesmo durante a mitose.46 Em contraste, a lamina A sofre uma modificação adicional, onde a proteína Zmpste24 remove a cauda farnesilada, resultando na lamina A madura. A lamina C, que tem um termo C distinto, não sofre o mesmo processamento e não é farnesilada.10 A lamina A madura e a lamina C, que não tem a cauda hidrofóbica de farnesilo, podem ser encontradas tanto no nucleoplasma quanto na lâmina nuclear.47

Laminas, que têm uma meia-vida de ≈ 13 h, montadas em filamentos estáveis.48 Eles formam dímeros paralelos através da interação entre bobinas de seus domínios centrais da haste.38 Os dímeros associam a cabeça à cauda e depois montam-se lateralmente de forma antiparalela em filamentos não-polares com diâmetro final de cerca de 10 nm. Nas micrografias eletrônicas de transmissão de células de mamíferos, a lâmina nuclear é visível como uma camada proteica densa de 25-50 nm de espessura sob a membrana nuclear interna.7,17 A estrutura de ordem mais alta das lâminas em células somáticas não é completamente compreendida devido à estreita associação da lâmina com a cromatina, o que torna a imagem de alta resolução desafiadora.49 Entretanto, os oócitos Xenopus não apresentam os mesmos desafios; as micrografias eletrônicas nessas células mostram uma estrutura de lâmina composta por uma malha quadrada de ≈ filamentos reticulados de 10 nm de espessura.49,50 Por causa disso, as interações laterais entre dímeros e protofilamentos são consideradas críticas para manter a correta estrutura de ordem mais alta. Com base na modelagem matemática, a direção correta da bobina dos heptads parece ser importante para permitir a “descompactação” e posterior fixação ao cordão adjacente.51 Mutações podem resultar em maior ou menor estabilidade devido à montagem e/ou ligação incorreta.52 É importante notar que estas idéias aguardam confirmação experimental. Intrigantemente, embora diferentes isoformas de lâminas possam interagir e formar heteropolímeros in vitro, elas tipicamente se segregam em homopolímeros e formam redes distintas, mas sobrepostas, in vivo.53-56

Embora ainda existam algumas questões sobre o filamento e a montagem estrutural da lâmina in vivo, a importância das laminas nucleares em contribuir para a rigidez e estabilidade nuclear foi inequivocamente estabelecida. Baseado em experimentos de aspiração de micropipetas em núcleos de oócitos Xenopus isolados, que podem ser osmoticamente inchados para separar a cromatina da lâmina nuclear, a rede de lâminas tem um módulo elástico de ≈ 25 mN/m.57 Para comparação, a membrana plasmática dos neutrófilos tem um módulo elástico de ≈ 0,03 mN/m e as membranas condrócitas e endoteliais têm um módulo de ≈ 0,5 mN/m.58 Usando uma variedade de abordagens experimentais, a rigidez do núcleo foi determinada como sendo 2-10 vezes mais rígida que o citoplasma circundante, dependendo do tipo celular específico e do método de medição.16,59,60 Ao comparar a deformação de lise do envelope nuclear (ou seja a lâmina nuclear e as membranas nucleares) com a de uma membrana dupla lipídica simples para distinguir a contribuição da lâmina nuclear, a cepa de lise do envelope nuclear foi 12 vezes maior que a do sistema padrão de dupla membrana, destacando o impacto estabilizador da lâmina nuclear.57 Da mesma forma, quando um corante fluorescente é injetado no núcleo das células vivas, as células que não possuem lâminas A/C apresentam taxas drasticamente maiores de ruptura nuclear em relação às células do tipo selvagem.61

Dado este importante papel das lâminas ao conferir integridade estrutural ao núcleo, qual é a contribuição dos diferentes tipos de lâminas para a mecânica nuclear? Enquanto as laminas do tipo B são quase ubíqua e uniformemente expressas entre diferentes tipos celulares e tecidos, a expressão da lamina A/C é altamente específica dos tecidos. Por exemplo, células musculares e outras células mesenquimais tipicamente estão entre as mais elevadas nos níveis de expressão das laminas tipo A.62,63 Um estudo recente descobriu que as proporções de laminas tipo A e tipo B em diferentes tecidos estão intimamente correlacionadas com a rigidez tecidual, sugerindo uma regulação mecanosensível dos níveis das laminas,62 o que poderia ajudar a proteger o núcleo do estresse mecânico, aumentando a estabilidade mecânica.61 Nas células que expressam tanto as laminas do tipo A quanto as do tipo B, as laminas A e C são as que mais contribuem para a estabilidade nuclear, com as laminas do tipo B tendo um papel menor na rigidez nuclear geral.64 No entanto, pode haver alguma redundância funcional entre as laminas quanto às propriedades mecânicas. Por exemplo, a introdução do laminado B nas células do tipo A pode resgatar parcialmente defeitos mecânicos.54,65 Além disso, os laminados do tipo B são importantes para a ancoragem nuclear ao citoesqueleto, particularmente durante a migração/desenvolvimento neuronal no cérebro, pois estas células não possuem laminados do tipo A.66-69

Similiarmente, as células-tronco embrionárias não expressam os laminados do tipo A até que comecem a se diferenciar. Uma vez que elas diminuem sua estaminalidade, sua rigidez nuclear aumenta até seis vezes em comparação com o estado indiferenciado. Isto se deve muito provavelmente ao aumento dos níveis de laminas A/C na nova linhagem e possíveis mudanças na configuração da cromatina.14,63 Algumas células diferenciadas especializadas, notadamente neutrófilos e neurônios, dificilmente expressam quaisquer laminas tipo A mesmo após a diferenciação.68,70 A falta de laminas tipo A em células-tronco embrionárias, neutrófilos e neurônios pode facilitar a migração, permitindo que estas células viajem através de tecidos densos e espaços intersticiais durante o desenvolvimento e inflamação.71 Por exemplo, a diminuição dos níveis da lâmina A/C juntamente com o aumento concomitante da expressão do receptor da lâmina B (LBR) durante a granulopoiese promove a distinta forma nuclear altamente lobulada dos neutrófilos maduros.15 Além disso, os baixos níveis da lâmina A resultam em um núcleo altamente deformável, permitindo que os neutrófilos se espremam facilmente através de pequenos espaços.15 Da mesma forma, a regulação dos níveis da lâmina A/C também pode regular o tráfico e a maturação da linhagem de outros tipos de células hematopoiéticas.72

Além das mudanças na expressão da lâmina, modificações pós-tradução das laminas podem afetar ainda mais a mecânica nuclear. As laminas são fosforiladas durante a mitose, o que as torna solúveis e dispersas no citoplasma.47,73 Como a farnesilação e a fosforilação das laminas altera sua solubilidade, interação e localização, essas modificações pós-tradução também podem oferecer às células uma forma de ajustar dinamicamente sua rigidez nuclear em resposta a estímulos mecânicos.62

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