2.4 Laminer, kärnlamina och kärnmekanik

Laminer och deras associerade proteiner bildar ett tätt nät (kärnlamina) längs det inre kärnmembranet. Laminerna interagerar med proteiner från det inre kärnmembranet, kärnporerkomplex och kärnans inre. Laminer är intermediära filament av typ V som kan delas in i två klasser: (1) Laminer av A-typ, som genereras genom alternativ splicing av LMNA-genen till lamin A och C och några mindre rikliga isoformer, och (2) Laminer av B-typ, som kodas av LMNB1- och LMNB2-generna, som producerar lamin B1 respektive B2/B3.38 Medan laminer av A-typ och laminer B1 och B2 uttrycks i nästan alla somatiska celler, är uttrycket av lamin B3 begränsat till könsceller. Laminer av A- och B-typ genomgår omfattande posttranslationell bearbetning vid C-terminalen, inklusive farnesylering och endoproteolytisk klyvning. Laminer av B-typ förblir permanent farnesylerade och därmed fästa vid det inre kärnmembranet, även under mitos.46 Däremot genomgår lamin A en ytterligare modifiering, där proteinet Zmpste24 tar bort den farnesylerade svansen, vilket resulterar i moget lamin A. Lamin C, som har en distinkt C-terminus, genomgår inte samma bearbetning och farnesyleras inte.10 Moget lamin A och lamin C, som saknar den hydrofoba farnesylsvansen, finns både i nukleoplasman och i kärnlamina.47

Laminer, som har en halveringstid på ≈ 13 h, samlas till stabila filament.48 De bildar parallella dimerer genom spolspoleinteraktion mellan deras centrala stavdomäner.38 Dimererna associeras med huvudet mot svansen och monteras sedan lateralt på ett antiparallellt sätt till opolära filament med en slutdiameter på cirka 10 nm. I transmissionselektronmikrografer av däggdjursceller syns kärnlaminan som ett 25-50 nm tjockt tätt proteinskikt under det inre kärnmembranet.7,17 Den högre ordningens struktur av laminer i somatiska celler är inte helt klarlagd på grund av laminans täta förening med kromatin, vilket gör högupplösande avbildning till en utmaning.49 Xenopus oocyter innebär dock inte samma utmaningar; elektronmikrografer i dessa celler visar en laminstruktur som består av ett kvadratiskt nät av ≈ 10 nm tjocka tvärbundna filament.49,50 På grund av detta tros laterala interaktioner mellan dimerer och protofilament vara kritiska för att upprätthålla den korrekta strukturen av högre ordning. Baserat på matematisk modellering tycks korrekt spolningsriktning för heptaderna vara viktig för att möjliggöra ”zipning” och efterföljande fastsättning på intilliggande strängar.51 Mutationer skulle kunna resultera i ökad eller minskad stabilitet på grund av felaktig sammansättning och/eller bindning.52 Det är viktigt att notera att dessa idéer väntar på experimentell bekräftelse. Intressant nog, även om olika laminisoformer alla kan interagera och bilda heteropolymerer in vitro, separeras de vanligtvis till homopolymerer och bildar distinkta, men överlappande, nätverk in vivo.53-56

Och även om det fortfarande finns en del frågor om filamentet och den strukturella sammansättningen av lamina in vivo, så har betydelsen av nukleära laminer för att bidra till kärnans styvhet och stabilitet otvetydigt fastställts. Baserat på mikropipettaspirationsexperiment på isolerade kärnor från Xenopus oocyter, som kan svullna osmotiskt för att separera kromatinet från kärnlaminen, har laminnätverket en elasticitetsmodul på ≈ 25 mN/m.57 Som jämförelse kan nämnas att neutrofilernas plasmamembran har en elasticitetsmodul på ≈ 0,03 mN/m och att kondrocyt- och endotelcellmembranen har en modul på ≈ 0,5 mN/m.58 Med hjälp av olika experimentella metoder har man fastställt att kärnans styvhet är 2-10 gånger styvare än den omgivande cytoplasman, beroende på den aktuella celltypen och mätmetoden.16,59,60 När man jämför kärnhöljets lysisstöjning (dvs, kärnlamina och kärnmembranen) med den för ett enkelt dubbelt lipidmembran för att särskilja kärnlaminas bidrag, var kärnhöljets lysisbelastning 12 gånger högre än den för det vanliga dubbelmembransystemet, vilket belyser kärnlaminas stabiliserande inverkan.57 På samma sätt, när ett fluorescerande färgämne injiceras i kärnan i levande celler, visar celler som saknar laminer A/C dramatiskt ökade hastigheter av kärnbristning jämfört med celler av vildtyp.61

Med tanke på denna viktiga roll som laminer spelar när det gäller att ge kärnan strukturell integritet, vad är bidraget från de olika typerna av laminer till kärnmekaniken? Medan laminer av B-typ är nästan ubiquitärt och enhetligt uttryckta bland olika celltyper och vävnader är uttrycket av lamin A/C mycket vävnadsspecifikt. Till exempel är muskelceller och andra mesenkymala celler typiskt sett bland de högsta uttrycksnivåerna för laminer av A-typ.62,63 I en nyligen genomförd studie fann man att förhållandet mellan laminer av A-typ och B-typ i olika vävnader nära korrelerar med vävnadernas styvhet, vilket tyder på att det finns en mekanisk känslig reglering av laminnivåerna,62 vilket skulle kunna bidra till att skydda kärnan från mekanisk påfrestning genom att öka den mekaniska stabiliteten.61 I celler som uttrycker både laminer av A- och B-typ är det främst laminerna A och C som bidrar till kärnans stabilitet, medan laminer av B-typ har en mindre roll för kärnans totala styvhet.64 Trots detta kan det finnas en viss funktionell redundans mellan laminer när det gäller mekaniska egenskaper. Till exempel kan introduktion av lamin B i celler med lamin A-null delvis rädda mekaniska defekter.54,65 Vidare är laminer av B-typ viktiga för kärnans förankring i cytoskelettet, särskilt under neuronal migration/utveckling i hjärnan, eftersom dessa celler saknar laminer av A-typ.66-69

Samma sak gäller för embryonala stamceller som inte uttrycker laminer av A-typ förrän de börjar differentiera. När de väl minskar sin stamning ökar deras kärnstyvhet upp till sex gånger jämfört med det odifferentierade tillståndet. Detta beror sannolikt på de ökade nivåerna av laminer A/C i den nya stamtavlan och möjligen på förändringar i kromatinkonfigurationen.14,63 Några få specialiserade differentierade celler, särskilt neutrofiler och neuroner, uttrycker knappt några laminer av A-typ även efter differentiering.68,70 Avsaknaden av laminer av A-typ i embryonala stamceller, neutrofiler och neuroner kan underlätta migrationen, vilket gör det möjligt för dessa celler att färdas genom täta vävnader och interstitiella utrymmen under utveckling och inflammation.71 Till exempel främjar minskningen av nivåerna av lamin A/C tillsammans med den samtidiga ökningen av uttrycket av lamin B-receptorn (LBR) under granulopoiesen den distinkta mycket lobulära kärnformen hos mogna neutrofiler.15 Dessutom resulterar de låga nivåerna av lamin A i en mycket deformerbar kärna som gör det möjligt för neutrofiler att lätt klämma sig igenom små utrymmen.15 På liknande sätt kan reglering av nivåerna av lamin A/C också reglera trafikering och könsmognad av andra hematopoetiska celltyper.72

Förutom förändringar i laminuttrycket kan posttranslationella modifieringar av laminer ytterligare påverka kärnmekaniken. Laminer fosforyleras under mitos, vilket gör att de blir lösliga och sprids i cytoplasman.47,73 Eftersom farnesylering och fosforylering av laminer förändrar deras löslighet, interaktion och lokalisering, kan dessa posttranslationella modifieringar också erbjuda cellerna ett sätt att dynamiskt justera sin nukleära styvhet som svar på mekaniska stimuli.62