2.4 Lamine, lamina nucleară și mecanica nucleară

Laminile și proteinele asociate acestora formează o plasă densă (lamina nucleară) de-a lungul membranei nucleare interne. Lamina interacționează cu proteinele membranei nucleare interne, cu complexele de pori nucleari și cu interiorul nuclear. Laminele sunt filamente intermediare de tip V care pot fi grupate în două clase: (1) laminele de tip A, care sunt generate prin splicarea alternativă a genei LMNA în laminele A și C și unele izoforme mai puțin abundente, și (2) laminele de tip B, care sunt codificate de genele LMNB1 și LMNB2, care produc lamina B1 și, respectiv, B2/B3.38 În timp ce laminele de tip A și laminele B1 și B2 sunt exprimate în aproape toate celulele somatice, expresia laminei B3 este limitată la celulele germinale. Laminele de tip A și B sunt supuse unei procesări posttranslaționale extinse la extremitatea C-terminală, inclusiv farnesilarea și clivarea endoproteolitică. Laminele de tip B rămân permanent farnesilate și, astfel, atașate la membrana nucleară internă, chiar și în timpul mitozei.46 În schimb, lamina A suferă o modificare suplimentară, în care proteina Zmpste24 îndepărtează coada farnesilată, rezultând lamina A matură. Lamina C, care are o extremitate C-terminală distinctă, nu suferă aceeași procesare și nu este farnesilată.10 Lamina A și Lamina C mature, cărora le lipsește coada hidrofobă farnesilată, se găsesc atât în nucleoplasmă, cât și în lamina nucleară.47

Laminile, care au un timp de înjumătățire de ≈ 13 h, se asamblează în filamente stabile.48 Ele formează dimeri paraleli prin interacțiunea spiralată a domeniilor lor de tijă centrală.38 Dimerii se asociază cap-coadă și apoi se asamblează lateral în mod antiparalel în filamente nepolare cu un diametru final de aproximativ 10 nm. În micrografiile electronice de transmisie ale celulelor de mamifere, lamina nucleară este vizibilă ca un strat proteic dens cu grosimea de 25-50 nm sub membrana nucleară interioară.7,17 Structura de ordin superior a laminelor în celulele somatice nu este complet înțeleasă din cauza asocierii strânse a laminei cu cromatina, ceea ce face ca imagistica de înaltă rezoluție să fie dificilă.49 Cu toate acestea, ovocitele Xenopus nu prezintă aceleași provocări; micrografiile electronice din aceste celule arată o structură laminară compusă dintr-o rețea pătrată de filamente reticulate cu o grosime de ≈ 10-nm.49,50 Din acest motiv, se crede că interacțiunile laterale dintre dimeri și protofilamente sunt esențiale pentru menținerea structurii corecte de ordin superior. Pe baza modelării matematice, direcția corectă de înfășurare a heptadezilor pare a fi importantă pentru a permite „desfacerea” și atașarea ulterioară la filamentul adiacent.51 Mutațiile ar putea duce la creșterea sau scăderea stabilității din cauza asamblării și/sau legării incorecte.52 Este important de remarcat faptul că aceste idei așteaptă confirmarea experimentală. În mod intrigant, deși diferitele izoforme de lamină pot interacționa toate și pot forma heteropolimeri in vitro, acestea se segregă de obicei în homopolimeri și formează rețele distincte, dar care se suprapun, in vivo.53-56

Deși există încă unele întrebări cu privire la filamentul și asamblarea structurală a laminei in vivo, importanța laminelor nucleare în contribuția la rigiditatea și stabilitatea nucleară a fost stabilită fără echivoc. Pe baza experimentelor de aspirație cu micropipeta pe nuclee izolate de ovocite Xenopus, care pot fi umflate osmotic pentru a separa cromatina de lamina nucleară, rețeaua de lamine are un modul de elasticitate de ≈ 25 mN/m.57 Pentru comparație, membrana plasmatică a neutrofilelor are un modul de elasticitate de ≈ 0,03 mN/m, iar membranele condrocitelor și ale celulelor endoteliale au un modul de ≈ 0,5 mN/m.58 Utilizând o varietate de abordări experimentale, s-a determinat că rigiditatea nucleului este de 2-10 ori mai rigidă decât citoplasma înconjurătoare, în funcție de tipul de celulă și de metoda de măsurare.16,59,60 Atunci când se compară tensiunea de liză a învelișului nuclear (de ex, lamina nucleară și membranele nucleare) cu cea a unei membrane lipidice duble simple pentru a distinge contribuția laminei nucleare, tulpina de liză a învelișului nuclear a fost de 12 ori mai mare decât cea a sistemului standard cu membrană dublă, evidențiind impactul stabilizator al laminei nucleare.57 În mod similar, atunci când un colorant fluorescent este injectat în nucleul celulelor vii, celulele cărora le lipsește lamina A/C prezintă rate de rupere nucleară dramatic crescute în comparație cu celulele de tip sălbatic.61

După acest rol important al laminelor în conferirea integrității structurale a nucleului, care este contribuția diferitelor tipuri de lamine la mecanica nucleară? În timp ce laminele de tip B sunt exprimate aproape omniprezent și uniform între diferite tipuri de celule și țesuturi, expresia laminelor A/C este foarte specifică pentru fiecare țesut. De exemplu, celulele musculare și alte celule mezenchimale se numără, de obicei, printre cele mai ridicate niveluri de expresie a laminelor de tip A.62,63 Un studiu recent a constatat că raportul dintre laminele de tip A și cele de tip B în diferite țesuturi se corelează îndeaproape cu rigiditatea țesutului, sugerând o reglare mecanosensibilă a nivelurilor laminelor,62 care ar putea contribui la protejarea nucleului de stresul mecanic prin creșterea stabilității mecanice.61 În celulele care exprimă atât lamine de tip A, cât și lamine de tip B, laminele A și C sunt cele care contribuie cel mai mult la stabilitatea nucleară, laminele de tip B având un rol mai mic în rigiditatea nucleară generală.64 Cu toate acestea, este posibil să existe o anumită redundanță funcțională între lamine în ceea ce privește proprietățile mecanice. De exemplu, introducerea de lamină B în celulele lipsite de lamină A poate salva parțial defectele mecanice.54,65 Mai mult, laminele de tip B sunt importante pentru ancorarea nucleară la citoschelet, în special în timpul migrației/dezvoltării neuronale în creier, deoarece aceste celule nu au lamine de tip A.66-69

În mod similar, celulele stem embrionare nu exprimă laminele de tip A până când nu încep să se diferențieze. Odată ce acestea își diminuează starea stem, rigiditatea lor nucleară crește de până la șase ori față de starea nediferențiată. Acest lucru se datorează, cel mai probabil, nivelurilor crescute ale laminelor A/C în noua linie și, posibil, modificărilor în configurația cromatinei.14,63 Câteva celule specializate diferențiate, în special neutrofilele și neuronii, nu exprimă aproape deloc laminele de tip A, chiar și după diferențiere.68,70 Lipsa laminelor de tip A în celulele stem embrionare, neutrofilele și neuronii poate facilita migrația, permițând acestor celule să se deplaseze prin țesuturile dense și spațiile interstițiale în timpul dezvoltării și inflamației.71 De exemplu, scăderea nivelurilor de lamină A/C împreună cu creșterea concomitentă a expresiei receptorului de lamină B (LBR) în timpul granulopoiezei promovează forma nucleară distinctă foarte lobulată a neutrofilelor mature.15 În plus, nivelurile scăzute de lamină A au ca rezultat un nucleu foarte deformabil care permite neutrofilelor să se strecoare cu ușurință prin spații mici.15 În mod similar, reglarea nivelurilor de lamină A/C poate, de asemenea, să reglementeze traficul și maturizarea liniei altor tipuri de celule hematopoietice.72

În plus față de schimbările în expresia laminelor, modificările posttranslaționale ale laminelor pot afecta și mai mult mecanica nucleară. Laminele sunt fosforilate în timpul mitozei, ceea ce face ca acestea să devină solubile și să se disperseze în citoplasmă.47,73 Deoarece farnesilarea și fosforilarea laminelor schimbă solubilitatea, interacțiunea și localizarea acestora, aceste modificări posttranslaționale pot, de asemenea, să ofere celulelor o modalitate de a-și ajusta în mod dinamic rigiditatea nucleară ca răspuns la stimuli mecanici.62

>.