LAMINS

LAMINS: BUILDING BLOCKS OR REGULATORS OF GENE EXPRESSION?
Christopher J. Hutchison (c.j.hutchison@durham.ac.uk)
Nature Reviews Molecular Cell Biology 3, No 11, 848-858 (2002);


Intermediate filament (IF) proteins are the building blocks of cytoskeletal filaments, the main function of which is to maintain cell shape and integrity. The lamins are thought to be the evolutionary progenitors of IF proteins and they have profound influences on both nuclear structure and function. These influences require the lamins to have dynamic properties and dual identities — as building blocks and transcriptional regulators. Which one of these identities underlies a myriad of genetic diseases is a topic of intense debate.


(Рис.1.)  |  Organization of lamina filaments at the inner nuclear envelope.


(Рис.2.)  |  Generalized structure of cytoplasmic intermediate filament proteins compared with lamins.


(Рис.3.)  |  Model for a possible interaction between Nup153 and the lamins that anchor nuclear pore complexes in the nuclear membrane.


(Рис.4.)  |  Lamin interactions at the inner nuclear membrane.

(Табл.1)  | The cytoplasmic intermediate filament proteins

(Табл.2)  |  Lamin polypeptides in different phylogenies

(Табл.3)  | The laminopathies

Boxes

Box 1 | Why are lamins not found in plants and fungi?

B-type lamins are essential genes in metazoans, and their deletion in Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans and cultured human cells leads to death. This is not true of the cytoplasmic intermediate filament (IF) proteins, as there are none in arthropods, and many cytoplasmic IF knockout mice are viable. Although it has been reported that plants and fungi both express lamins, these findings have not been substantiated. Recent analysis of the genomes of Saccharomyces cerevisiae and Arabidopsis thaliana indicate that direct orthologues of the lamins are not present
The lack of lamin orthologues indicates that lamins might have functions that are not required in plants and fungi. But this is hard to believe, as lamins are involved in processes as fundamental as DNA replication. Moreover, chicken lamins assemble as a nuclear rim-like structure when expressed in Schizosaccharomyces pombe, which indicates that proteins needed for the targeting of lamins to the nuclear envelope and the assembly of lamina filaments must be present in this organism. So, proteins with homologous functions to the lamins will probably be found in plants and yeast.

Box 2 | Did cytoplasmic intermediate filament proteins evolve from lamins?

Cytoplasmic intermediate filament (IF) gene and protein sequences from molluscs have a distinct evolutionary relationship to the vertebrate lamins. The molluscan sequences contain the extra 42 amino-acid residues in coiled-coil 1B, and a 120-amino-acid-residue lamin homology domain in the carboxyl terminus. These observations indicate that cytoplasmic IF proteins might have evolved from lamins through a combination of exon shuffling and mutation. A wider analysis of the molecular phyologeny of metazoan IF proteins indicates that divergence of vertebrate cytoplasmic IF proteins from the lamins might have occurred in two steps. Deletion of the lamin homology domain in the carboxy-terminal tail occurred before the emergence of the chordates. However, only the chordate cytoplasmic IF proteins lack the lamin homology domain in coil 1B, which argues strongly that the diversification of the vertebrate cytoplasmic family into four groups occurred after the emergence of the chordates.


(Рис.1.)  |  | The lamina as a tensegrity element for the nucleus?

Links

DATABASES
FlyBase: lamin Dm0
InterPro: CaaX box | IF
LocusLink: Face1/Ste24 | LMNA | Lmna
OMIM: Charcot–Marie–Tooth disorder | dilated cardiomyopathy | Emery–Dreifuss muscular dystrophy | familial partial lipodystrophy | mandibuloacral dysplasia
Swiss-Prot: emerin | Gcl | GFP | lamins A/C | lamin B1 | lamin B3 | Lamin C | Lamin Dm0 | Liii | MAN1 | Nup153 | Oct1 | Tpα | Tpβ>
WormBase: lmn-1 | LMN-1 | UNC-84
Ламины являются основным архитектурным компонентом клетко-подобной структуры, называемой ламиной, расположенной непосредственно под inner nuclear membrane (INM). В зародышевом пузырьке ооцита Xenopus laevis ламина представляет собой двухмерную решетку из преплетенных филамент, которая соединяет между собой nuclear pore complexes (NPCs) (Рис. 1), хотя в некоторых соматических клетках она кажется трехмерной структурой. Ламина усиливает и поддерживает INM и отличается существенно как архитектурное устройство от цитоскелетной сети, которая обычно трехмерна и сильно разветвлена.
Ламины обнаруживаются также в местах репликации ДНК и процессинга РНК и в ассоциации с репликационными белками и РНК полимеразами. Это ведет к предположению, что ламины влияют на удвоение и экспрессию генов. Если это предположение верно, то встает вопрос о способе, с помощью которого 'nucleoskeletal' белки — которые экспрессируются только у ветви METAZOAN — затрагивают ядерный метаболизм (Box 1).

Lamin genes and evolution


Lamins принадлежат к сверхсемейству генов intermediate filament (IF). IF экспрессируются почти во всех клетках metazoan, где они формируют часть цитоскелета, но они отсутствуют в клетках растений и грибов. У млекопитающих, сверхсемейство IFимеет около 60 членов; большинство из которых распадается на 5 групп, 4 из которых являются цитоплазматическими (I–IV) (Табл. 1). Остальные ламины составляют type V IF семейство, члены которого, как полагают, являются эволюционными предшественниками сверхсемейства IF.У млекопитающих type V семейство состоит из трех генов, которые кодируют 7 белков (Табл. 2). Эти белки классифицированы как A-type и B-type; ламины A-типа экспрессируются в основном в дифференцированных тканях, тогда как экспрессия одного ли более ламинов B-типа является важной для жизнеспособности клеток. Млекопитающие, амфибии и рыбы экспрессируют специфичные для зародышевой линии ламины (Табл. 2). Беспозвоночные обычно имеют меньше ламинов. Напр., Drosophila melanogaster экспрессирует два ламина, названые Lamin Dm0 ( B-типа ламин) и Lamin C ( A-типа ламин), тогда как Caenorhabditis elegans экспрессирует одиночный, B-типа ламин, LMN-1 (известный также как Ce-lamin) (Табл. 2).
У позвоночных, первичные последовательности ламинов отличаются от таковых у цитоплазматических IF белков. Все IF белки организуются вокруг центрального палочного домена — известного также как α-спиральный coiled-coil домен димеризации — который представлен четырьмя суперскрученными доменами, которые разделены гибкими линкерными областями, и глобулярным головным и хвостовым доменами (Рис. 2). Суперскрученные домены организованы вокруг heptad повторов, а ламины содержат дополнительно 42 остатка (6 heptads) в спирали 1B, если сравнивать с цитоплазматическими IF белками позвоночных. Кроме того хвостовой домен ламинов несет nuclear-localization signal (NLS) последовательности и в большинстве случаев С-терминальный CaaX box, который является мишенью для isoprenylation и carboxyl methylation. Оба эти мотива отсутствуют в цитоплазматических IF белках позвоночных; однако, они присутсвуют в IF белках моллюсков, это подтверждает идею, что цитоплазматические IFs произошли из ламинов (Box 2).

Lamins determine nuclear shape and size


Nuclear shape.
Установлена роль ламины в предопределении формы ядра. В сперматоцитах мышей, ядра скорее крюкообразной формы, чем сферические и специфический для сперматоцитов ламин — lamin B3 — экспрессируется в этих клетках. На самом деле, экзогенная экспрессия lamin B3 в соматических клетках приводит к тому, что их ядра приобретают крюко-образную морфологию. Получена доминантно-негативная мутация lamin B1, у которой отсутствует four-fifths палочковый домен (B1ΔRod). Эти мутанты все еще способны к само-сборке в филаменты in vitro и, если трансфицируются в кульивируемые клетки, то инкорпорирюутся в ламину. Однако, их включение в ламину вызывает массивные деформации ядерной оболочки (nuclear envelope (NE)).
Более слабые изменения морфологии ядра обнаружены в фибробластах у lamin A (Lmna) нокаутных мышей м в фибробластахот пациентов, несущих редкую мутацию lamin A/C (LMNA). Когда RNA INTERFERENCE (RNAi) используется для 'knock down' lmn-1 экспрессии у C. elegans, то возникающие в результате фенотип характеризуется измененной морфологией ядер. Наконец, human immunodeficiency virus (HIV) VPR белок индуцирует локальную разборку ядерной ламины, это ведет к регионализованному выпячиванию (blebbing) NE.

Nuclear size. Некоторые исследователи, использующие бесклеточные ядерные assembly экст ракты из яиц Xenopus, показали, что ламина также контролирует и размер ядра. Когда ламины иммуноистощены из экстракотов, то сборка NE све еще происходит, но возникающие при этом ядра очень малы. Комплементарные эксперименты, использующие доминантно-негативные мутации ламинов для предупреждения сборки ламины в тех же самых экстрактах, также выявили образование маленьких ядрер. Наконец, когда определенные мутации INM белков, lamina-associated protein 2-β (LAP2β; впервые идентифицированного у людей в как TPβ) — который соединяется с ламинами B-типа in vivo и in vitro — добавляли к экстрактам яиц, то сборка ламины и рост ядре были подавлены.

Resisting deformation.

Недвано green fluorescent protein (GFP)–lamin химеры были использованы для исследования сборки ламины в живых клетках. В результате было установлено, что поверхность NE подвергается постоянной деформации. Однако, резистентность к такой деформации очевидна; в любой области, где появляется деформация, исходная форма быстро восстанавливается. Идея, что ламина ответственна за резистентность к такого рода деформациям подтверждена с помощью time-lapse исследований, проведенных на ядрах lmn-1 knockdown червей. У этих животных, имеется, по-видимому, незначительная резистентность к деформациям NE, которые возникают и сохраняются в течение оставшегося клеточного цикла. Тот факт, что композиция ламинов или присутствие мутантных ламинов в ламине м. изменять форму и размеры ядра и силу NE указывает на то, что ламина м. действовать как TENSEGRITY ELEMENT для ядра (Box 3).

Organization of the nuclear envelope


Ламина выполняет важные функции в закреплении (anchoring) элементов NE в их правильном положении, a ламины являются критическими для этого процесса. Функции закрепления ламинов включают и правильное положение NPCs и рекрутирование белков в INM.

Positioning of nuclear pore complexes.
В ультраструктурных исследованиях, филаменты ламины, по-видимому, взаимодействуют с ядерными кольцами (Рис. 3) NPCs и соединяют др. сдр. соседние NPCs. У мутантов Drosophila, которые являются нулевыми по lamin Dm0, NPCs , по-видимому, не имеют фиксированной позиции в NE — они, по-видимому, плавают вокруг, прежде чем соединятся случайно в кластер. Сходным образом, когда RNAi используется для knock down экспрессии lmn-1 у C. elegans, то NPCs также плавают вокруг и собираются вместе в кластер. Итак, филаменты ламины, по-видимому, позиционируют NPCs правильно за счет удерживания их на расстоянии др от др.
Установлено, что белок ядерных пор nucleoporin 153 (Nup153) взаимодействует посредством своего С-терминального домена с ламинами В-типа. Более того, когда сборке ламины в экстрактах яиц Xenopus мешает доминантно-негативная мутация ламина, то Nup153 не включается в NPCs. Во-первых, это наблюдение трудно объяснить, т.к. Nup153, как полагают, локализуется исклютельно на терминальном кольце корзинки (basket) ядерной поры (Рис. 3). Однако, новые данные показали, что Nup153 локализуется также в нуклеоплазматическом кольце NPCs, в положении, в котором он м. взаимодействовать непосредственно с филаментами ламины. Более того, когда Nup153 удален из экстрактов яиц Xenopus, то NPCs обнаружи df.n повышеннцю подвижность в NE и, по-видимому, соединяются в кластер.
Модель, показанная на Рис. 3, м. б. использована для объяснения как филаменты ламины позиционируют NPCs в NE. В модели, Nup153 является компонентом нуклеоплазматического кольца NPCs. Его присутствие в этой структуре позволяет напрямую взаимодейтвовать с филаментами ламины через специфические ассоциации с ламинами В-типа. Это взаимодействие м. поддерживать полиеризацию филамент ламины между соседними NPCs, и в результате филаменты будут закреплять NPCs в относительно фиксированной позиции и держать ближайшие NPCs на расстоянии. В отсутствие Nup153, филаменты ламины не м. взаимодействовать с нуклеоплазмтическим кольцом и NPCs плавают в NE. В отсутствие филамент ламины Nup153 не ассоциирует с цитоплазматическим кольцом и снова NPCs плавают. Согласно этой моедели ригидные ламиновые филаменты необходимы для разделения NPCs. Однако, на закрытой поверхности, такой как NE, и ригидные и гибкие филаменты должны, в принципе, поддерживать разделение NPC.

Recruitment of proteins to the inner nuclear membrane.
Члены семейства LAP2 белков INM, как полагают, закреплены на INM благодаря взаимодействиям с rod доменом В ламина. Однако, LAP1 и emerin, как полагают, закреплены на INM посредством взаимодействий с lamins A/C. Новые доказательства подчеркивают важность ламинов в рекрутировании и закреплении белков на INM. Инкорпорация доминантно-негативной мутации B1ΔRod в ламину вызывает изменение локализации многих NE белков и NPCs. Измененная локализация NE белков включает и частичное исключение lamins A/C из областей, которые содержат B1ΔRod, и частичную релокацию INM белков LAP2 и LAP1 в endoplasmic reticulum (ER). Было предположено, что ламин B1 rod играет доминирующую роль в организации др. NE белков в INM. Известно, что rod домен ламина B1 взаимодействует с LAP2β. Следовательно, альтернативной интерпретацией является то, что релокация LAP2β в ER м. возникать из-за того, что B1ΔRod не имеет домена для взаимодействия с LAP2β. Кроме того, элиминация ламинов A-type из NE вызывает перемещение emerin и LAP1 из INM в ER во многих типах клеток. Итак, перемещение LAP1 в ER в присутсвии B1ΔRod v/ происходить из-за того, что этот мутантный белок нарушает нормальное распределени ламинов A/C. У C. elegans, рекрутирование интегральных мембранных белков UNC-84 и emerin в INM также происходит посредством ассоциации с LMN-1. Также и закрепление др. мембранных белков на INM, включая MAN1, lamin B receptor (LBR), и семейство Nesprin, по-видимому, происходит благодаря взаимодействиям с разными ламинами.

Recruitment of lamins to the lamina


Показано, что м. существовать иерархия lamin–lamin ассоциаций в INM. В этой иерархии ламины В-типа собираются в филмаменты ламины первыми, затем следует ламин А и затем ламин С. В яйцевых экстрактах Xenopus рекомбинантный ламин A образует ансамбли на NE in-vitro-собираемых пронуклеусов спермиев только в присутствии эндогенного ламина B3, указывая тем самым, что ламин А м.б. включен в существующие уже филаменты из ламина В-типа. В клетках тканевой культуры ламин A остается в нуклеоплазме до тех пор, пока филаменты из ламина B-type не сформируются в телофазных ядрах. Наконец, доминантно-негативные ламиновые мутации, которые нарушают сборку ламинов, обнаруживают определено различные эффекты на ламины A-type и B-type, указывая тем самым, что два типа ламино м.б. включены с ламину разными путями.
Ламин A и ламин C также обнаруживают разные свойства сборки. Экспрессия или инъекции меченных ламинов в клетках мышей показывают, что ламин А инкорпорируется в ламину быстрее, чем ламин С. Показано также, что ламин А направляет ламин С в ламину. В большинстве линий опухолевых клеток, которые не экспрессируют лимин А, ламин C оказывается локализованным в нуклеоплазме или ядрышках. однако, если GFP–lamin A экспрессируется в репрезентативной линии клеток, то он инкорпорируется в ламину с эндогенным ламином С, снова указывая на то, что ламин А м. направлять ламин С в NE.
Исследование свойств сборки ламинов А-типа, которые несут точковые мутации или в rod домене, или в хвостовом домене, показали, что эти мутации м. часто затрагивать сборку ламина С сильнее, чем ламина А. Все это указывает на то, что огромное большинство межбелковых взаимодействий м.б. необходимо для инкорпорации ламина С в NE, чем это м. понадобиться для ламина А. Все эти взаимодействия показаны на Рис. 4.

Association of lamins with nuclear bodies


Оказалось, что ламины не являются компонентами исключительно INM. Установлено, что филаменты ядерного скелета обладают характеристиками филамент типа IF и что в клетках человека и мышей имеются внутренние ламиновые структуры, это привело к предположению, что ламины занимают определенные места и в нуклеоплазме. Подтверждено, что ламины не только перемещаются между NE и нуклеоплазмой, но и ассоциируют с дискретными сайтами синтеза ДНК или процессинга РНК, названными NUCLEAR BODIES.

Association with centres of DNA replication


Считается, что ламины играют роль в репликации ДНК, но данные противоречивы. Если ламины B-type удаляются или функционально или физически из экстрактов яиц Xenopus, то образуются маленькие ядра, неспособные инициировать репликацию ДНК. Когда очищенный ламин B (но не lamin A) повторно добавляется к истощенным экстрактам, то ядра увеличиваются в размерах и инициируется репликация ДНК, указывая тем самым, что ламины м. играть непосредственную роль в синтезе ДНК. Это подтверждается и наблюдением, что в соматических клетках фракция ламина B1 перераспределяется из NE к центрам репликации ДНК во время S фазы.
Проведены эксперименты с использованием мутаций ламина А или ламина B1, которые связаны с отсутствием N- и/или С-терминальных полследовательностей и образованием внутриядерных агрегатов в любых in-vitro-собираемых ядрах. В некоторых случаях, мутанты рекрутируют эндогенные ламины B-type в агрегаты и рекрутируют также белки, которые участвуют в фазе элонгации репликации ДНК. Если ламины B-type присутствуют в агрегатах, то накапливаются остановившиеся вилки репликации, это указывает на то, что ламины м.б. вовлечены в фазу элонгации репликации ДНК.
В др. случаях, сходные мутанты все еще формируют внутриядерные агрегаты. Однако, в то время как ламины A-type рекрутируются в агрегаты, ламины В-типа - нет. В таких случаях, репликационные белки не рекрутируются в агрегат или если и рекрутируются, то это связано с неспецифической ассоциацией. В обоих примерах, остановившиеся репликационные вилки собственно м. выполнять свою функцию даже в присутствии ламиновых агрегатов, это указывает на то, что ламины м.б. необходимы для инициации репликации ДНК, но возможно не нужны для фазы элонгации.
Хотя ясно, что B-type ламины ассоциируют с сайтами репликации ДНК и репликации белков, необходимы дальнейшие исследования. Перспектива использования RNAi для нокдауна (knock down) экспрессии специфических ламинов в культивируемых клетках наилучшая для решения этого вопроса.

Involvement in RNA synthesis and processing


Имеются доказательства того, что ламины участвуют и в транскрипции и в процессинге РНК. Однако, A-type ламины и B-type ламины, по-видимому, по-разному влияют на экспрессию генов. Ламины B-type имеют довольно фиксированное положение в NE, где они ассоциируют с PERIPHERAL HETEROCHROMATIN и возможно участвуют в молчании генов. Напротив, ламины типа-А м. перемещаться между NE и ядерными телами и м. позитивно и негативно влиять на экспрессию генов.
Различия паттернов экспрессии ламинов во время эмбриогенеза ведут к предположению, что ламины играют непосредственную роль в регуляции генов. Ламины В-типа экспрессируются во время всего развития и присутствует один или более ламинов В-типа в клетках всех типов. RNAi knockdown или ламина B1 или ламина B2 в культивируемых клетках ингибирует клеточный рост и способствует апоптозу, это указывает на то, что оба гена важны. И в ядрах соматических клеток, и генетически активных ядрах эмбрионов Xenopus разрушение ламины с помощью доминантно-негативных мутаций ламинов ингибирует активность RNA POLYMERASE II и предоставляет прямые доказательства участия ламинов в транскрипции. Т.к. эмбриональные ядра Xenopusэкспрессируют только ламины В-типа, то вполне возможно, что этот эффект на активность RNA polymerase II обеспечивается ламинами В-типа. Более того, POU DOMAIN octamer-binding transcription factor 1 (Oct1), который участвует в репрессии генов collagenase, ассоциирует в NE с ламином B. INM белок Lap2β, который ассоциирует с мышиными Germ cell-less (Gcl) и E2f-associated protein (Dp) белками в комплексе с ламином B1 на NE, ингибирует активность E2f, снова подтверждая, что ламины В-типа м. формировать часть репрессорного комплекса.
Поскольку ламины А-типа онтогенетически регулируются и паттерны их экспрессии в разных тканях коррелирудт с органогенезом, то предполагается их участие в дифференцировке. Однако, мыши Lmna-/- развиваются нормально и RNAi нокдаун в культивируемых клетках Lmna не обнаруживает эффекта, это указывает на то, что ламины А-типа не являются китическими для регуляции генов. Ламин А in vitro является партнером по связыванию с транскрипционным регулятором retinoblastoma protein (RB). Кроме того, ламин A ассоциирует с RNA SPLICING-FACTOR SPECKLES в интерфазных клетках. Ассоциация ламина А с сплайсинг-фактором speckles безусловно динамическая, так в культурах скелетных мышц ламин А ассоциирует с speckles в делящихся клетках, но не в клетках, которые дифференцируются. Интересна эктопическая экспрессия ламина А в миобластах обеспечивает экспрессию мышце-специфических генов. Может ли в общем ассоциация ламина А с сайтами сплайсинга в недифференцированных миобластах супрессировать экспрессию определенных скелетно-мышечных на пост-транскрипционном уровне? Тот факт, что ламин А является RB связывающим партнером также подтверждает роль этого белка в активности RB — опять же в аспектах специфической регуляции генов, ассоциированных с мезенхимными клетками, которые, как известно, испытывают влияние со стороны RB. Ламины А-типа ассоциируют с speckles, также как и с нуклескелетным белком LAP2α (идентифицированным сначала как TPα у людей), который располагается в нуклеоплазме. Итак, в противопложность ламинам В-типа ламины А-типа м. влиять на транскрипцию в местах, которые удалены от NE.
Итак, ламины А-типа ассоциируют с сплайсинг-фактором speckles и м. находиться в нуклеоплазме так, что м. влиять на экспрессию генов на транскрипционном или пост-транскрипционном уровне. Ламины А-типа м. также участвовать в молчании (silencing) на NE, т.к. периферический гетерохроматин разрушается в скелетномышечных клетках, несущих мутации в LMNA. Напротив, ламины В-типа и B-type-lamin связывающие белки, по-видимому, формируют репрессорные комплексы на NE. Как ламины м. позитивно влиять на активность RNA polymerase II неясно

Involvement in disease


Установлено, что ламины А-типа и и их свзяывающие партнеры ассоциированы с рядом генертических нарушений (Табл. 3). Существует множество предположений относительно того, как мцтации генов ламинов способствуют этим определенным болезнененым фенотипам и почему определенные мутации м. обнаруживать ткане-специфические эффекты. Предложнены две гипотезы. Согласно 'structural hypothesis' мутации, которые вызывают слабость ламины ведут к ломкости NE и ее разрывам. Согласно 'gene-expression hypothesis' ткане-специфические изменения в экспрессии генов, которые ассоциируют с некоторыми мутациями, способствуют болезням.

EDMD and dilated cardiomyopathy.
Emery–Dreifuss muscular dystrophy (EDMD) обусловливается мутациями или гена LMNA или гена, который кодирует emerin. Мутации в LMNA распределяются по всей кодирующей области и м. давать доминантные точковые мутации или нулевые фенотипы. Lmna-/- мыши (в противоположность Lmna+/- мышам) обнаруживают признаки EDMD, но не др. lamin заболеваний. Мутации в гене emerin также ведут к EDMD и обычно дают нулевой фенотип, хотя некоторые мутации ведут к аберрантному направлению emerin в ER. Отсутствие ламина А в NE также ведет к неправильной локализации emerin в ER и ламина C в ядрышках. Т.к. EDMD м.б. результатом нулевого фенотипа по emerin или по ламинам A/C, то EDMD м. возникать в результате отсутствия lamin A, lamin C или emerin из NE. Систематическая экспрессия epitope-tagged ламинов, содержащих EDMD- или dilated cardiomyopathy-вызывающими мутации, показывает, что ламин С постоянно неправильно локализован в нуклеоплазме. Напротив, некоторые мутантные ламины А остаются в NE. Следовательно, отсутствие ламина С в NE м.б. постоянным признаком как EDMD, так и dilated cardiomyopathy. Этот дефект м. вызывать ломкость. Альтернативно, тот же самый дефект м. вызывать аномальную организацию периферического гетерохроматина, и приводить к потере молчкания (silencing).

Familial partial lipodystrophy (FPLD).
Мутации, которые вызывают familial partial lipodystrophy (FPLD), появляются как recurrent миссенс-мутации в экзоне 10 или, очень редко, в экзоне 11 гена LMNA. Эти мутации не перекрываются с мутациями. которые вызывают др ламинопатии.
Структура глобулярного хвостового домена ламина А недавно установлена, и описана как новый член IMMUNOGLOBULIN DOMAIN FAMILY. Он состоит целиком изβ нитей с двумя большими β-листками (представленными five and four β-sheets, соотв.)образуя β-sandwich. Наложение мутаций LMNA, вызывающих болезни, на предсказанную структуру хвоста Ламина А показало, что мутации, которые вызывают EDMD и dilated cardiomyopathy м.б. распределены по всему стрежню белка и, по-видимому. дестабилизируют его структуру. Напротивt, мутации, которые вызывают FPLD образуют кластеры в небольшой области поверхности и вряд ли сильно нарушают структуру. Это указывет на то, что FPLD-вызывающие мутации вряд ли ведут к ломкости. Установлено, что мутации, вызывающие FPLD, не обусловливают неправильное направление или инкорпорацию затронутых ламинов в NE. Это указывает также на то, что домен в хвосте ламинов A/C, который перекрывается мутациями, вызывающими FPLD, не является существенным для поставки или сборки ламины. Существует ли домен, необходимый для взаимодействия ламина А или С с адипоцит-специфическим компонентом INM? При изучении фибрбластов кожи было показано, что FPLD-вызывающие мутации м. давать серьезные структурные дефекты в NE и это согласуется с гипотезой, что эти мутации м. влиять на структуру ламины.

Charcot–Marie–Tooth disorders.
Charcot–Marie–Tooth (CMT) это группа наслественных моторныйх и сесорных нейропатий, которые характеризуются мышечной слабостью, деформациями стоп и дегенерацией аксонов. Редкая аутосомно-рецессивная форма болезни обусловливается специфической мутацией в LMNA гене, она ведет к аминокислотной замене R298C. Эта замена не описана при других заболеваниях, связанных с ламином А-типа, это позволяет предполагать, что частично выявляет отдельный функциональный домен ламинов A/C, который важен для жизнеспособности аксонов. Предполагается, что ламины A/C подразделены на отдельные функциональные домены, каждый из которых имеет разное относительное значение для поддержания определенной ткани.
Получены мыши, нокаутные по Face1/Ste24 генному продукту, который участвует в протеолитическом процессинге isoprenylated белков. У Face1/Ste24-/- мышей, не подвергшийся процессингу пре-ламин А накапливается в NE — мыши обнаруживают признаки поздно-начинающихся типичных EDMD и FPLD. Мыши также обнаруживают и др. фенотипы, включая атрофию волсяных фолликулов, гипоплащию тимуса и потерю кортико-медуллярной демаркации у молодых мышей.
Эти данные указывают на то, что аномальное накопление lamin A способствует ряду болезней и подтверждают мнение, что ламины типа-А содержат несколько функциональных доменов. Это подтверждается также и тем. что мутации ламины вызывают также mandibuloacral dysplasia (MAD). Могут ли эти домены быть подразделены на те, что участвуют в транскрипции и те, что участвуют в закреплении и те, которые усчаствуют в поддержании структуры ядра, остается еще определить. Мультисистемные дистрофии указывают на то, что картина м.б. очень сложной.

Lamins in development


Generation of germ cells.
Использование RNAi для нокдауна экспрессии у lmn-1 C. elegans иногда генерирует животных, которыя являются гаплонедостаточными (haploinsufficient) скорее. чем нулевыми по этому ламину. Животные развиваются до взрослой стадии, единственным проявлением у них является стерильность самок. Не выявлено отклонений в др. тканях и в частности в сердце или скелетных мышцах. У всех проверенных позвоночных, обнаружена экспрессия ламинов, специфичных для зародышевой линии, это указывает на важность ламинов для развития организмов. Итак, низкие количества ламинов м. выполнять фундаментальную роль в развитии зародышевой линии, но не в развитии др. типов тканей. В самом деле, данные по нокаутным мышам указывают на то, что ламины А-типа м.б. необходимы для поддержания определенных тканей у взрослых животных, но что они не нужны во время развития. Итак, ламины позвоночных м.б. потенциально расклассифицированы на три группы на базе их функции. Ламины B1 и B2 выполняют важные функции и необходимы для делений всех клеток. Мышиный ламин B3 и ламин лягушек и рыб Liii потенциально участвуют в развитии зародышевой линии. A-type ламины помогают поддерживать мезенхимные ткани (и возможно др.) во взрослых организмах и вообще поддерживают продолжительность жизни.

Conclusions


There is now good evidence that lamins are involved in important cellular functions. These include key architectural roles, such as determination of the dimensions, shape and physical strength of the nucleus, and in anchoring proteins, NPCs and chromatin at, or in, the NE. Other functions are metabolic and include roles in DNA replication and transcription. The emerging picture is that lamins have a sophisticated domain structure that allows multifunctionality in different contexts. This is implied by conservation of ancient domains in vertebrate lamins that are dispensable in vertebrate cytoplasmic IFs. In the lamin diseases, the domain in which a mutation occurs to some extent defines the tissue specificity of the disease. This again supports the idea of a sophisticated domain structure that allows lamins to interact with different binding partners in different nuclear locations and in different cell types. A systematic investigation of lamin binding partners using a combination of proteomic technologies and genetic methods, such as the mammalian two-hybrid system, is now required to identify these binding partners, and is a prerequisite to fully understanding domain organization.
In lower metazoan organisms, all of the basic functions of the lamins are carried out by a single lamin polypeptide, whereas in vertebrates these functions are shared between seven lamins. In C. elegans, the only tissue defect that results from haploinsufficiency of LMN-1 is in the testes. By contrast, in mammals, several mesenchymal tissues are affected to various degrees by the failure to express A-type lamins, or through domain-specific mutations in these proteins. All A-type lamin phenotypes are late onset and show variable penetrance. Therefore, the increased complexity of the lamin family in vertebrates is perhaps required to separate germline development from more basic B-type lamin functions, and to help maintain tissues in long-lived animals.
Although lamins are essential genes in metazoans, they are absent from plants and fungi. This finding implies that plants and fungi express distinct proteins with homologous functions. For example, silencing in yeast is carried out by 'silent information regulatory' (SIR) proteins, which have a structural organization that is homologous to the rod and tail domains of the lamins, but lack the head sequences and do not form filaments. Presumably, other proteins, with structural similarity to the lamins, have architectural functions, such as holding NPCs in position. In this context, it would be of interest to discover the main binding partners of yeast Nup153. With a better understanding of the domain structures of the lamins, which support their various functions, it will become easier to search yeast and plant genome databases for genes that will probably have corresponding functions.


Сайт создан в системе uCoz