Большое количество отличающихся, но взаимосвязанных сигнальных путей, обеспечивающих коммуникации между клетками и их окружением, важны для развития жизнеспособности многоклеточных организмов. Помимо сигнальной трансдукции с помощью внеклеточных сигнальных молекул и с помощью прямых межклеточных контактов, силы натяжения могут трансдуцировать механические стимулы от окружения (напр., внеклеточного матрикса [ECM] и кровотока) внутрь ядра, где они превращаются в биохимические сигналы, приводя к изменениям клеточной архитектуры, экспрессии генов и клеточных функций. Этот процесс наз. механоощущением (mechanosensing) (Fedorchak et al. 2014). Напротив, сигналы изнутри клетки существенны для регуляции и поддержания механических свойств ECM (Humphrey et al. 2014). Растут доказательства, подтверждающие, что ядерные ламины играют важную роль в обоих сигнальных процессах (Lammerding et al. 2004; Lee et al. 2007; Swift et al. 2013).

Ядерные ламины являются типа V белками промежуточных филамент (IF) и основными компонентами ядерной ламины, белковой сети, расположенной под внутренней ядерной мембраной (INM) (Dechat et al. 2010a). Поскольку белки IF, ламины обладают типичной, состоящей из трех частей структурой, содержащей α -спиральный палочковидный домен, окаймленный глобулярной N-терминальной головкой и C-терминальным хвостовым доменом. C конец содержит ядерной локализации сигнал (NLS) и структурный мотив, сходный с типом s иммуноглобулиновой складкой (Ig-fold), скорее всего, участвующей в межбелковых взаимодействиях (Dhe-Paganon et al. 2002; Krimm et al. 2002; Shumaker et al. 2008). Базируясь на структурных свойствах, гомологии последовательностей, паттерна экспрессии и биохимических свойствах, ламина расклассифицированы на типы A и B (Prokocimer et al. 2009). Поскольку главные B-типа ламины, lamins B1 и B2, кодируются разными генами (LMNB1 и LMNB2, соотв.), все A-типа ламины, из которых ламины A и C являются основными изоформами, кодируются единственным геном (LMNA) и являются результатом альтернативного сплайсинга. Ламины отсутствуют у одноклеточных организмов и растений, но все исследованные клетки метазоа экспрессируют, по крайней мере, один B-типа ламин (Cohen et al. 2001; Melcer et al. 2007; Dechat et al. 2010a). A-типа ламины были найдены только у Drosophila и позвоночных, где они в основном экспрессируются в дифференцирующихся клетках, тогда как они, по-видимому, отсутствуют в эмбриональных стволовых клетках (ESCs) и во время ранних стадий развития (Dechat et al. 2008, 2010a). Однако недавние исследования показали, что небольшие количества ламинов A и C также присутствуют и в ESCs мыши и у преимплантационных эмбрионов (Eckersley-Maslin et al. 2013; Kim et al. 2013).

Поскольку структурные компоненты ядерных ламинов создают форму и механическую стабильность ядру (Isermann and Lammerding 2013; Burke and Stewart 2014) и определяют механические свойства ядра (see below). Кроме того, ламины, как было установлено, играют важную роль во многих важных клеточных функциях, включая экспрессию генов, репликацию и репарацию ДНК, организацию хроматина, клеточную пролиферацию и дифференцировку, передачу клеточных сигналов и клеточные деления (Dechat et al. 2008; Zuela et al. 2012; Burke and Stewart 2013; Choi and Worman 2014; Collas et al. 2014; Kennedy and Pennypacker 2014; Shimi and Goldman 2014). Несмотря на все их важные функции, недавние результаты показали, что ламины не нужны для пролиферации и дифференцировки ESCs и пролиферации эмбриональных фибробластов и кератиноцитов мыши, но, по-видимому, важны для процесса более позднего развития, включая образование тканей, гомеостаз и органогенез (Kim et al. 2011, 2013; Jung et al. 2014). Поскольку A-типа ламины, по-видимому, играют важную роль в основном во время постнатального развития, а B-типа ламины участвуют также в клеточных процессах во время эмбриогенеза. Мыши, лишенные ламина B1, B2 или обоих B-типа ламинов, рождаются, но меньше собратьев дикого типа при рождении (Lmnb1^-/- and Lmnb1^-/- /Lmnb2^-/- ), имеют серьёзные дефекты в легких и головном мозге и погибают в течение нескольких мин. после рождения (Vergnes et al. 2004; Coffinier et al. 2010, 2011; Kim et al. 2011). Мыши, дефицитные по Lmna при рождении выглядят нормально, но обнаруживают задержку роста и тяжелые дефекты в скелетных и сердечной мышцах после рождения и погибают примерено спустя 16 дней (Sullivan et al. 1999; Kubben et al. 2011; Kim and Zheng 2013).

Более 400 мутаций описано в LMNA, ассоциированных с ~14 различными болезнями у человека, но лишь немногие болезнь-вызывающие мутации были идентифицированы в LMNB1 или LMNB2 (Zuela et al. 2012; Schreiber and Kennedy 2013). Это указывает на то, что мутации в ламинах B-типа в основном эмбриональные летали, тогда как фенотипы, ассоциированные с мутациями в LMNA проявляются только после рождения. Болезни, вызываемые мутациями в генах, кодирующих ядерные ламины, обычно наз. ламинопатиями (Worman 2012). В отношении LMNA, они представлены болезнями поперечнополосатых мышц, такие как Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD) и dilated cardiomyopathy (DCM); липодистрофическими синдромами, такими как familial partial lipodystrophy (FPLD); периферическими нейропатиями, такими как болезнь Charcot-Marie-Tooth; и нарушениями с ускорением старения, включая Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) (Schreiber and Kennedy 2013).

Среди большого числа разнообразных функций ламинов, потеря ламинов или экспрессии, связанных с болезнью мутантных ламинов, может приводить к нарушению разнообразных клеточных процессов, приводящих к клеточным и организменным фенотипам (Prokocimer et al. 2009; Zhavoronkov et al. 2012; Zuela et al. 2012; Carboni et al. 2013). Здесь мы сконцентрируемся на роли ядерных ламинов в механочувствительности и на их специфических функциях таких как "mechanostat", которые реагируют на изменения в ECM и в то же самое время регулируют ECM, чтобы обеспечить жесткость микроокружения ткани и механистические свойства клеток.

Assembly and mechanical properties of lamins: lamins as 'shock absorbers'

Одним из важных свойств ядерных ламинов, важным для большинства, если не всех их клеточных функций, является их способность собираться в структуры высшего порядка. Ансамбли ламинов интенсивно изучаются in vitro, но всё ещё остается открытым вопрос относительно организации их структуры высшего порядкаin vivo (Zwerger and Medalia 2013). Базовой субъединицей ансамбля ламинов является параллельно суперспирализованный димер (Aebi et al. 1986; Dessev et al. 1990; Gieffers and Krohne 1991; Heitlinger et al. 1991; Stuurman et al. 1996). In vitro эти димеры собираются в "head to tail", чтобы сформировать полярные филаменты, которые боками взаимодействуют антипараллельным способом, чтобы сформировать бесполюсные тетрамерные протофиламенты. Они собираются в паракристаллы (Stuurman et al. 1998; Zwerger and Medalia 2013) или в случае Caenorhabditis elegans, также в ~10-nm-толщиной филаментозные структуры (3 из 4-х протофиламент) (Karabinos et al. 2003; Foeger et al. 2006; Ben-Harush et al. 2009).

Напротив мало известно о сборке ламинов в ядерную ламину in vivo Ламины широко модифицируются и взаимодействуют с большим количеством белков (Simon and Wilson 2011; Korfali et al. 2012), ядерной мембраной и хроматином (Kalinowski et al. 2013; Simon and Wilson 2013), каждый из которых может повлиять на сборку ламинов.

Напр., lamin A и все B-типа ламины содержат -CAAX бокс на своем C-конце, это приводит к их экстенсивному пост-трансляционному процессингу. На первой ступени половинка farnesyl закрепляется на цитозиновом остатке с помощью farnesyltransferase, и затем -AAX трипептид расщепляется с помощью эндопептидазы, скорее всего, Ras-converting enzyme 1 (Rce1) и/или zinc metalloprotease, родственной Ste24p/FACE1 (Zmpste24); в последствие цистеиновый остаток carboxymethylated с помощью isoprenylcystein carboxyl methyltransferase (Icmt) (Young et al. 2005; Rusinol and Sinensky 2006). Поскольку процессинг B-типа ламинов на этом заканчивается, то дополнительные 15 аминокислот, включая farnesylated/carboxymethylated остаток цистеина, отщепляются от C конца ламина A на финальной ступени, приводя его к зрелой форме (Bergo et al. 2002; Pendas et al. 2002; Corrigan et al. 2005). Следовательно, зрелые B-типа ламины содержат farnesyl и carboxymethyl группу на своем C конце, тогда как зрелый ламин A и ламин C, которые не содержат -CAAX бокса, лишены такой модификации. Процессинг -CAAX происходит, скорее всего, в основном внутри ядра (Barrowman et al. 2008) и предполагается, что это используется для доставки ламинов на INM и для становления межбелковых взаимодействий (Rusinol and Sinensky 2006; Kalinowski et al. 2013). Хотя постоянное farnesylation/carboxymethylation ламинов приводит к их стабильной ассоциации с мембранами в ходе клеточного цикла, это не является предварительным условием для их включения в ядерную ламину (Dechat et al. 2007,2008).

Помимо farnesylation, ламины оказываются экстенсивно фосфорилированными во время клеточного цикла (Simon and Wilson 2013; Kochin et al. 2014). Фосфорилирование ламинов было первоначально описано в митозах, где они приводит к деполимеризации и растворимости структур ламина, необходимых для прорыва ядерной оболочки (NE) (Gerace and Blobel 1980; Heald and McKeon 1990; Collas 1999; Panorchan et al. 2004a; Mall et al. 2012). После разборки NE в конце митоза фосфорилирование ламина необходимо для образования ядерной ламины (Thompson et al. 1997; Steen et al. 2000; Ito et al. 2007). Поскольку B-типа ламины перемещаются исключительно на периферию вновь сформированных сестринских ядер, то A-типа ламины первоначально накапливаются внутри ядер во время телофазы и ранней G1 (Moir et al. 2000; Dechat et al. 2004). Помимо их митотического фосфорилирования ламины оказываются также фосфорилированы во время интерфазы, это, по-видимому, важно для регуляции их импорта в ядро и их растворимости (Hennekes et al. 1993; Schneider et al. 1999; Cenni et al. 2005; Kuga et al. 2010; Mitsuhashi et al. 2010; Zaremba-Czogalla et al. 2012; Buxboim et al. 2014; Kochin et al. 2014).

Молекулярная и структурная организация B- и A-типа ламинов в ядерную ламину всё ещё до конца не понята. Многие годы ламина считалась состоящей из ортогональной сети филамент в 10-nm, исходя из ранних ЭМ исследований ядер ооцитов Xenopus (Aebi et al. 1986). Однако, пока такая сеть не была обнаружена в соматических клетках. Исходя из способности ламинов формировать гетеродимеры in vitro (Schirmer et al. 2001), было предположено, что B- и A-типа ламины могут формировать гетерополимеры и in vivo. Однако некоторые недавние исследования, включая fluorescence resonance energy transfer и сверхразрешающий микроскопический анализ и экспрессия различных изоформ ламина в ядрах ооцитов Xenopus чётко выявили независимые, но взаимосвязанные сети ламинов A- и B-типа (Goldberg et al. 2008; Schermelleh et al. 2008; Shimi et al. 2008; Kolb et al. 2011; Grossman et al. 2012). Эти данные подтвердили модель, согласно которой farnesylated B-типа ламины, особенно ламин B1, формируют более регулярную сеть, тесно ассоциированную с INM и комплексами ядерных пор (NPCs), тогда как A-типа ламины образуют более нерегулярную сеть на верхушках структур из lamin B. Эта модель подкреплена находками, что нокдаун lamin B1 приводит к драматическому увеличению размера ячеек сети из lamin A/C и lamin B2 и приводит к образованию ядерных пузырьков (blebs), обогащенных A-типа ламинами и дефицитных по ламинам B-типа (Shimi et al. 2008). Более того, исследования в ESCs, лишенных разных комбинаций B- и A-типа ламинов и похожих на фибробласты клеток, происходящих из них, также показали, что ламиновые A/C и ламиновые B2 структуры зависят от ламина B1 (Guo et al. 2014), но в достаточно высоких концентрациях, все ламины могут формировать ламину самостоятельно.

A-типа ламины присутствуют также внутри ядра в интерфазных клетках, это, скорее всего, обусловлено отсутствием C-терминальной farnesyl группы. Эти ламины A/C нуклеоплазмы наиболее заметны в ранних G1 клетках, они более динамичны, чем ламина, находящиеся в ламине, и регулируются посредством фосфорилирования и взаимодействия с ассоциированными с ламиной полипептидом 2α (LAP2α) (Dechat et al. 2000, 2004; Moir et al. 2000; Naetar et al. 2008; Shimi et al. 2008; Naetar and Foisner 2009; Kolb et al. 2011; Kochin et al. 2014). Хотя мало известно о регуляции, динамике и сборке нуклоплазматических A-типа ламинов, они могут участвовать в разнообразных клеточных процессах, включая организацию хроматина, экспрессию генов и клеточную пролиферацию (Dechat et al. 2010b; Gesson et al. 2014).

Недавние исследования показали, что ламины могут формировать жесткую, но всё же эластичную, сжимающуюся сеть, которая, как полагают, функционирует как "molecular shock absorbers" (Dahl et al. 2004,2005; Panorchan et al. 2004b). Механические свойства ядра в значительной степени зависят от молекулярного и структурного состава ядерных ламинов. Напр., ядерная механика нарушается в клетках, дефицитных по lamin A/C и в клетках, лишенных emerin, интегрального белка в INM, который взаимодействует с ламинами (Broers et al. 2004; Lammerding et al. 2004, 2005; Rowat et al. 2006; Lee et al. 2007). Более того, очевидно, что механическая жесткость ядра и его вязкость зависят исключительно от A-типа, но не B-типа ламинов, тогда как B-типа ламины создают эластичность ядра и способность его к деформации. Т.о., клетки, экспрессирующие очень низкие уровни ламинов A и C, такие как ESCs обладают высокой степенью ядерной пластичности (Lammerding et al. 2006; Pajerowski et al. 2007). Соотв. клетки, экспрессирующие высокие уровни ламинов A и C обладают высокой жесткостью ядер, которая снижает способность клеток мигрировать через суженные микропоры (Rowat et al. 2013; Shin et al. 2013; Harada et al. 2014).

Lamins in signaling and gene expression

Ламины влияют на ряд сигнальных путей, некоторые из которых тканеспецифичны (Heessen and Fornerod 2007; Andres and Gonzalez 2009). Их способ действия может быть объяснен формированием поддерживающих структур, которые взаимодействуют с и регулируют сигнальные молекулы и транскрипционные факторы. С др. стороны, ламины могут ослаблять сигнальные пути, действуя как "peripheral nuclear trap" для регуляторов транскрипции, таких как c-Fos и ко-активатора транскрипции пути Notch (SKIP) (Ivorra et al. 2006; Scaffidi and Misteli 2008). С др. стороны, ламины могут служить в качестве платформы для сигнальных молекул, делающей возможной эффективные реакции. Напр., фосфорилирование c-Fos с помощью extracellular signal-regulated kinase (ERK), обе связаны с ламинами A/C, активирует транскрипцию, управляемую с помощью c-Fos/AP-1 (Gonzalez et al. 2008). Более того, ERK-обусловленное смещение ретинобластомного белка (pRb) с ламинов A/C способствует его cdk-зависимому фосфорилированию (Rodriguez et al. 2010). Ламиновый каркас может также рекрутировать ядерную фосфатазу PP2A, способствуя дефосфорилированию pRb (Van Berlo et al. 2005). Кроме того, ламины также косвенно влияют на передачу сигналов посредством соединения и регуляции интегральных белков в INM, таких как emerin и MAN1 (Vaughan et al. 2001; Liu et al. 2003), которые влияют на сигнальные пути. MAN1 соединяется с и деактивирует Smads, компоненты пути transforming growth factor β (TGFβ) (Lin et al. 2005), а emerin обеспечивает ядерный экспорт β -catenin, нижестоящего фактора передачи сигналов Wnt (Markiewicz et al. 2006; Tilgner et al. 2009).

Интересно, что emerin также участвует в передаче механических сигналов. Показано, что он осуществляет capping активность в направлении точечных концов актиновых филамент, увеличивая тем самым полимеризацию актина (Holaska et al. 2004), это в свою очередь регулирует транскрипционный фактор механочувствительности megakaryoblastic leukemia 1 (MKL1), особенно в сердечно-сосудистой системе (Ho et al. 2013). MKL1 является членом семейства myocardin, способствующего активации генов serum response factor (SRF), включая actin и vinculin (Miralles et al. 2003). Соединение MKL1 с G-actin ингибирует его импорт в ядро и способствует его экспорту из ядра, тем самым ослабляя SRF реакцию (Mouilleron et al. 2008).

Помимо ламинов, находящихся в ядерной ламине, нуклеоплазматические ламины A-типа (Dechat et al. 2010b) вместе с их партнерами по связыванию, LAP2α (Dechat et al. 2000), участвуют в передаче сигналов и в экспрессии генов. Ламиновый комплекс A/C-LAP2α как было установлено, регулирует передачу сигналов pRb/E2F (Markiewicz et al. 2002; Dorner et al. 2006; Pekovic et al. 2007) и ем самым служат в качестве ключевого детерминанта клеточной судьбы, удерживая хорошо сбалансированное состояние между пролиферацией и дифференцировкой клеток тканевых предшественников (Gesson et al. 2014). Потеря LAP2α сдвигает этот баланс в направлении увеличения пролиферации, усиливая характеристики стволовости (Naetar et al. 2008; Gotic et al. 2010). Истощение LAP2α у мыши вызывает избирательную потерю ламинов A-типа в нуклеоплазме, тогда как Lmna -дефицитные мышечные клетки мыши повышают уровни LAP2α (Naetar et al. 2008; Cohen et al. 2013). Хотя наше знание о регуляции и функции нуклоплазматических ламинов A/C всё ещё очень бедны, они предоставляют целиком новую перспективу нашей точке зрения на передачу сигналов, обеспечиваемую с помощью ламина A/C.

Наконец, помимо непосредственно регулирующих компонентов клеточных сигнальных путей, ламиновые комплексы могут также влиять на экспрессию генов путем организации хроматиновой структуры высокого порядка и регуляции эпигенетических путей. Комплексы A-типа ламинов и рецептора ламина B (LBR), интегрального белка INM, как было установлено, чрезмерно связывают гетерохроматин с ядерной ламиной (Solovei et al. 2013). Кроме того, устранение одиночного гена ламина у C. elegans или экспрессия мутантного связанного с мышечной дистрофией ламина приводили к нарушению тканеспецифической регуляции взаимодействия гетерохроматина с ламиной во время развития C. elegans (Mattout et al. 2011). Геномные регионы, ассоциированные с ламиной, наз. lamina-associated domains (LADs), были длиной более 10 Mb, обогащены гетерохроматиновыми эпигенетическими метками, бедные генами и транскрипционно неактивны (Guelen et al. 2008; Peric-Hupkes et al. 2010). предположено, что закрепление на ламине вносит вклад в стабильное замалчивание генов во время дифференцировки способом, специфическим для типа клетки (Shevelyov et al. 2009; Meister et al. 2010; Towbin et al. 2010; Kohwi et al. 2013). Недавнее исследование показало, что соединение ламина A с субрегионами способствует влиянию на экспрессию генов в зависимости от присутствия и локализации активных и репрессивных гистоновых меток в промоторе (Lund et al. 2013). Однако молекулярный механизм, лежащий в основе регуляции генной экспрессии за счет прикрепления хроматина к ядерной ламине всё ещё неясен. Интересно, что связывание ламина А с промоторами, по-видимому, не ограничено периферией ядра, но происходит по всей внутренности ядра, используя нуклеоплазмические комплексы ламина A (Lund et al. 2013).

The route and components of mechanosensing

Механочувствительность определяется как способность клеток реагировать на внешние силы, такие как растяжение, сдвиговое напряжение (shear stress) и сдавливание, позволяя им чувствовать и адаптироваться к механическим изменениям в их окружении. Первичные механосенсоры расположены на плазматической мембране и могут непосредственно опосредовать превращение механических сигналов в биохимические сигналы (Fig. 1). Такие сенсоры представлены интегринами, обеспечивающими присоединение клеток к ECM, к молекулам межклеточной адгезии, таким как platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM1), vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2), к механосенсорным комплексам на эндотелиальных клетках, таким как VE cadherin (Fig. 2), и к активируемым растяжением ионным каналам (Tzima et al. 2005; Davies 2009; Wolfenson et al. 2013; Janostiak et al. 2014; Leckband and de Rooij 2014; Yao et al. 2014). Механическое стимулирование обычно приводит к растяжению самих первичных механосенсоров, демаскируя скрытые сайты связывания для разных молекул. Напр., растяжение интегринов приводит к их приобретению "состояние высокого сродства," увеличивающего рекрутирование компонентов focal adhesion (FA), таких как vinculin, и активируя сигнальный каскад с участием FA kinase (FAK), Src, and ERK (Schwartz 2009). Длительное механостимулирование приводит к долговременным изменениям в экспрессии генов, таким как активация endothelial nitrite oxide synthase (eNOS) в эндотелиальных клетках после сдвиговых (shear) стрессов (Davis et al. 2004).

Figure 1. The route of mechanosensing and the tension-induced reinforcement response. (Toppanels) Cell-cell adhesion and FA complexes that sense tension are physically linked to the nucleus via the cytoskeleton, LINC complexes (SUN and KASH domain proteins) in the nuclear membrane, and the nuclear lamina. Tension forces from the ECM are transmitted into the nucleus via these components and affect mechanoresponsive gene expression. (Bottompanels) In response to a mechanostimulus, such as increase in ECM stiffness, adhesion complexes, the actin cytoskeleton, LINC complexes, and the lamina are reinforced by the assembly of actin filaments, increased recruitment of adhesion complex and LINC complex proteins, and stabilization and assembly of A-type lamins at the lamina, thereby counteracting forces exerted from outside. In addition, the INM protein emerin becomes phosphorylated and contributes to LINC complex reinforcement. Tension also induces the activation of signaling cascades on adhesion complexes, such as FAK signaling, which affects mechanoresponsive gene expression without direct force transmission into the nucleus. Panels at the right depict higher-magnification views of the boxed areas in the nucleus shown in the left panels.

Figure 2. Shear stress force induces rearrangement of the cytoskeleton and cell alignment. Lung endothelial cells were exposed to flow shear stress (12 dyn/cm2) for 3 h and processed for immunofluorescence microscopy using actin and VE-cadherin antibodies. Hoechst was used for DNA staining. Shear stress induces increased alignment of actin stress fibers and elongation of nuclei (arrows) in the flow direction. Note "reinforcement" of cell-cell junctions particularly at the posterior and anterior ends of polarized cells as revealed by increased accumulation and "zipper-like" morphology of VE-cadherin junctions and increased cortical actin at these sites (arrowheads). Bar, 20 µm.

Многие исследования подчеркивают необходимость интактного цитоскелета для механоактивации сигнальных молекул, таких как FAK и NFκ B (Wang et al. 2009b). Davies (2009) предположил, что эффективная передача сигналов натяжения нуждается в хорошо взаимосвязанном и интактном цитоскелете. В подтверждение этой модели, некоторые исследования показали существование дальнодействующих связанных с цитоскелетом сил для распространения в цитоплазме, которые могут также прямо передаваться в ядро (Fig. 1; Maniotis et al. 1997; Hu et al. 2005; Wang et al. 2005). Сходным образом, модель жесткой запрограммированности ("hardwired") предполагает прямую передачу силового воздействия на ядро посредством интегринов (Wang et al. 2009a). В соответствии с этой моделью, недавно было показано путем мониторинга движений, флуоресцентно меченных ядрышковых маркерных белков, которые под воздействием внеклеточных сил, таких как сжатие или сдирающие стрессы, могут стимулировать перемещения внутри ядра, которые после продолжительного воздействия непосредственно коррелируют с величиной и направлением приложенного стресса (Booth-Gauthier et al. 2012). Т.о., изменение механического окружения клетки может в конечном итоге приводить к долговременным изменениям в ядерной организации и в паттерне экспрессии генов. Хотя активация механочувствительных генов может быть достигнута с помощью двух основных способов: один с вовлечением вызываемой растяжением активации сигнальных молекул с помощью адгезивных комплексов и цитоскелета и транскрипционных регуляторов плазматической мембраны и второй с вовлечением непосредственно силы трансмиссии в ядро (Fig. 1).

Прямая сила трансмиссии в ядро нуждается в интактных физических соединениях ядра с цитоскелетом (Fig. 1). Такие соединения обеспечиваются с помощью членов т. наз. комплексов linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) (Crisp et al. 2006; Tapley and Starr 2013). LINC комплексы состоят из SUN доменовых белков, которые располагаются на INM и в околоядерном пространстве физически соединяются с nesprins, KASH доменовыми белками, располагающимися на внешней ядерной мембране (Sosa et al. 2012). Разные типы nesprins или соединятся непосредственно с actin или взаимодействуют посредством белков микротублярных моторов и plectin с микротрубочками и IFs, соотв. (Mejat and Misteli 2010). LINC компоненты является критическими детерминантами морфологии ядра, поскольку высота ядра увеличивается после деплеции nesprin-1 в эндотелиальных клетках, это преимущественно обусловлено отсутствием сил растяжения, оказываемых на ядро актиновыми кабелями (Chancellor et al. 2010). В подтверждение их роли в прямой передаче сил в ядро, было установлено по деформации ядер в ответ на устранение механического натяжения, обнаруживаемое после разрушения LINC с использованием доминатно-негативных SUN и nesprin конструкций (Lombardi et al. 2011). Кратковременная активация механочувствительных генов, однако, по-видимому, остается неизменной в этих клетках с нарушенным LINC. Напротив, активация реакции заживления ран, нуждающаяся в активации передачи сигналов механочувствительности была нарушена в клетках, дефицитных по nesprin-2 (Rashmi et al. 2012), подтверждая нарушение механотрансдукции в таких клетках. Т.о., всё ещё неясно до какой степени члены семейства LINC важны для активации путей механотрансдукции.

Члены семейства LINC концентрируются на специализированных апикальных регионах ядер, т. наз. transmembrane actin-associated nuclear (TAN) линиях (Luxton et al. 2010). Sun-2 и Nesprin-2 giant являются существенными компонентами TAN линий, которые ассоциируют с дорсальными актиновыми кабелями на цитоплазматической поверхности ядра и закреплены посредством ламинов внутри ядра. Белки INM Samp и emerin (Borrego-Pinto et al. 2012; Chang et al. 2013) также были найдены в этих комплексах. TAN линии на ядерной мембране напоминают по многим аспектам комплексы FA на плазматической мембране. Оба связаны с актиновыми волокнами и их образование усиливает реакцию на повышенную контрактильность системы в ответ на стимуляцию сывороткой или механическую стимуляцию, такую как воздействие shear стресса (Chambliss et al. 2013). Деплеция компонентов LINC комплекса приводит к неспособности клеток отвечать на shear стимулы и к дефектам поляризации и миграции клеток (Luxton et al. 2010; Chambliss et al. 2013). Т.о., TAN линии по аналогии с сайтами FA представляют собой основные ядерные механочувствительные структуры, которые, скорее всего, участвуют в ядерной механотрансдукции.

Большинство нижестоящих компонентов пути механочувствительности от ECM к ядру являются основными ядерными механосенсорами, A-типа ламинами (Fig. 1). Их каркасные свойства, как упоминалось выше, и их стратегическая позиция на интерфейсе между комплексами LINC в ядерной мембране и хроматином, это позиционирует их как ключевые молекулы аппарата ядерно-цитоскелетного соединения. Это мнение подкрепляется исследованиями, показавшими, что клетки, лишенные A-ламинов или экспрессирующие мутантные A ламины, неспособны непосредственно передавать усилия в ядро (Poh et al. 2012; Zwerger et al. 2013) и что ядра этих клеток не деформируются после воздействия механических стимулов (изотропная реакция) (Houben et al. 2007). Кроме того, локализация различных компонентов комплекса LINC серьезно нарушена в этих клетках (Hale et al. 2008; Chen et al. 2012, 2014), а связь ядер с TAN линиями ослаблена или потеряна (Folker et al. 2011). Важно, что такое дефектное соединения ядра с цитоскелетом, по-видимому, в конечном итоге приводит к дефектам механотрансдукции, как показывает нарушение активации NFκ B (Lammerding et al. 2004) и Yes-associated protein (YAP) и транскрипционного коактиватора с PDZ-связывающим мотивом (TAZ) (Swift et al. 2013; Bertrand et al. 2014) и передачи сигналов MKL/SRF (Ho et al. 2013).

Molecular mechanisms of lamins in mechanosensing/signaling

'Outside-in signaling'

Возникает интригующий вопрос, как ламины распространяют силы растяжения на ядро. Недавние данные из лаб. Disher (Swift et al. 2013), изучающей структурные изменения в ламине A после механической стимуляции пролили некоторый свет на этот вопрос (Fig. 3). Воздействие на ядра shear стресса, вызывающего растяжение филамент ламина А, обусловлено частично "расправлением" Ig-складки ламина. Интересно, что Ig-складка в ламине A, как недавно было установлено, определяет вязко-эластичные свойства ламина A и механическую упругость сети ламина А (Bera et al. 2014).

Figure 3. Lamin A in mechanosignaling. Increasing tension causes partial unfolding and dephosphorylation of lamin A as well as assembly of soluble lamin A into the lamina. These structural and biochemical changes of the protein may affect chromatin organization and cell signaling, thereby activating the reinforcement response, including increased lamin A expression and remodeling of the cytoskeleton and the ECM.

Дополнительные доказательства структурной и/или биохимической реакции ламина А на механические стимулы, продемонстрированы с помощью дефосфорилирования ламина А по Ser22 и Ser390 в ответ на увеличение жесткости матрикса и натяжения клеток (Buxboim et al. 2014). Фосфорилирование ламина по этим сайтам необходимо для митотической разборки ламины (Heald and McKeon 1990) и способствует диссоциации ламина А из ядерной ламины и распределению по всему ядру в интерфазных клетках (Kochin et al. 2014). Поэтому было предположено, вызываемые стрессами изменения в фосфорилировании ламина A/C по этим сайтам может регулировать сборку ламина А в ядерную ламину и её стабильность (Buxboim et al. 2014). В этой модели повышение натяжения д. способствовать дефосфорилированию ламинов, приводящему к их сборке в ламину и увеличению стабильности белка (Fig. 3). Как механическое натяжение влияет на фосфорилирование ламина А всё ещё неясно, но вполне возможно, что степень растяжения ламина может влиять на фосфорилирование и/или дефосфорилирование путем изменения доступа для киназ или фосфатаз. В согласии с этим, Swift et al. (2013) показали, что ламин А при мышечной дистрофии, вызываемой альтерациями в Ig-складке (R453W), менее фосфорилирован и что это коррелирует с очевидно более высокой степенью расправления белка. Следует подчеркнуть, что наше знание о тензионных изменениях в ламинах и последствиях таких альтераций для белков и клеток всё ещё неполны и нуждаются в дальнейших исследованиях.

Независимо от точного способа действия, "ламины" д. далее передавать тензионный сигнал во внутрь ядра с помощью следующих не исключающих др. др. механизмов (Fig. 3; Isermann and Lammerding 2013): Изменения механических свойств A-типа ламинов и ламины могут (1) изменять организацию хроматина и доступность регуляторов хроматина, (2) вызывать отсоединение хроматина от транскрипционно репрессивной периферии и (3) изменять взаимодействие сигнальных молекул с A-типа ламинами. Эта модель особенно интересна в свете возникшей концепции, что A-типа ламины ассоциируют с периферической ламиной, а A-типа ламины внутри ядра влияют на организацию хроматина, передачу сигналов и экспрессию генов (Dechat et al. 2010b). T.о., изменения соотношения, ассоциированных с ламиной по сравнению с нуклеоплазмическим пулом ламинов A/C может существенно повлиять на клеточный фенотип.

Недавние данные на изолированных ядрах показали, что ламин, А также опосредует натяжением обусловленную ядерную реакцию повышения прочности (Fig. 1). Использование магнитных щипчиков для создания усилия на nesprins в изолированных ядрах приводило к повышению жесткости ядер посредством увеличения поставки ламинов в комплексы INC (Guilluy et al. 2014). Эти силы также индуцировали фосфорилирование emerin, который, по-видимому, действует сенсор натяжения. В отсутствие ламинов ядра обнаруживали снижение резистентности к силовым воздействиям и не могли отвечать на натяжение повышением жесткости ядер. В соответствии с таким механизмом ядра, лишенные функциональных ламинов A/C или emerin были неспособны противостоять силам, оказываемым с помощью TAN линий, несмотря на неповрежденную сборку Sun и Nesprin-2 giant (Folker et al. 2011; Chang et al. 2013). В этих клетках TAN линии были найдены скользящими поверх ядер скорее, чем перемещающимися с ними.

Такие зависящие от натяжения механизмы подкрепления давно известны, как оперирующие на "цитоплазматическом" уровне. ECM-оказываемые силы на интегрины вызывают сборку и фосфорилирование компонентов FA и повышение актином-управляемой контрактильности, которая в свою очередь способствует сборке ECM с помощью петли обратной связи (Fig. 2; Galbraith et al. 2002; Icard-Arcizet et al. 2008; Schwartz 2009; Humphrey et al. 2014). Мы всё ещё далеки от того, чтобы выявить подобные FAs, "ядерные адгезии", также использующие большие количества др. компонентов помимо emerin, и чтобы понять, возможен ли непосредственный сигнал на актиновые филаменты. Это подтверждено наблюдениями, что клетки, экспрессирующие мутантный по фосфорилированию emerin обнаруживают существенное снижение актиновых стрессовых волокон (Guilluy et al. 2014).

'Inside-out' signaling

Недавние находки в лаб. Discher (Swift et al. 2013; Buxboim et al. 2014) показали, что клетки не только адаптируются к повышенным силам путем усиления сцепления ламинов с комплексами LINC, но и также путем увеличения уровней белка ламина, а в ответ на силовое воздействие. Напряжение, возникающее в результате миозином опосредованной сборки актиновых стрессовых волокон после помещения клеток на жесткий матрикс способствует дефосфорилированию и стабилизации ламина А в течение 30 мин. Долговременная реакция и адаптация к повышенной жесткости матрикса, напр. происходит во время остеогенной дифференцировки, требует несколько дней и использует повышенную экспрессию гена ламина А. Повышенное натяжение также приводит к усилению активности чувствительного к механическим стимулам SRF пути, который в свою очередь усиливает активность myosin IIA. Этот т. наз. "mechanobiological gene circuit" является петлей обратной связи для повышения напряжения в клетках. Это нуждается в интактном механическом сцеплении между ядром и цитоскелетом, т.к. разрушение комплексов LINC и активного цитоскелета разрушает подобный циркуит.

Очень мало известно о возбуждающих свойствах ламином А обусловленной передаче сигналов изнутри наружу, но выступают некоторые потенциальные механизмы: A-типа ламины необходимы для корректной локализации emerin на INM (Sullivan et al. 1999), это регулирует сборку актина (Holaska et al. 2004) и чувствительный к механическим стимулам путь MKL1-SRF (Ho et al. 2013). Кроме того, emerin, как известно, влияет на передачу сигналов wnt (Markiewicz et al. 2006), которые в свою очередь регулируют экспрессию компонентов ECM (Hernandez et al. 2010). В соответствии с этой моделью, растут данные, показывающие, что мутации A-типа ламинов затрагивают композицию ECM. Lamin A/C-дефицитные фибробласты обнаруживают повышенный синтез коллагена и важно, что повторная экспрессия ламинов A/C устраняет этот фенотип (Van Berlo et al. 2005). Кроме того, клетки HGPS пациентов, экспрессирующие progerin и ZMPSTE24 -дефицитные мыши, экспрессирующие prelamin A (Hernandez et al. 2010; de la Rosa et al. 2013) обнаруживают аберрантную продукцию ECM. В частности, proteoglycans (Beavan et al. 1993), glycoproteins и collagen XI, которые регулируют сборку коллагенов (Hernandez et al. 2010), и многие др. компоненты ECM (Csoka et al. 2004) оказывались затронутыми. Интересно, что эти изменения были связаны с отклонениями передачи сигналов TGF-β в Lmna^-/- клетках и передачи сигналов wnt/β-catenin в HGPS клетках (Van Berlo et al. 2005; Hernandez et al. 2010). Поскольку хорошо известно, что Rho-активированная клеточная контрактильность и напряжение модулируют экспрессию компонентов ECM зависимым от TGF-и способом (Chapados et al. 2006; Marenzana et al. 2006; Meyer-ter-Vehn et al. 2006), то роль A-типа ламинов в этом "mechanobiological gene circuit" всё ещё неясна (Buxboim et al. 2014).

Др. потенциальный механизм, такой как натяжением вызываемые изменения в уровнях белка ламина A и в его локализации, может затрагивать экспрессию генов, выявлен в недавнем исследовании, показавшим, что связь ламина A с промоторами может регулировать экспрессию генов во время дифференцировки адипоцитов (Lund et al. 2013).

Lamin A in cell migration

Активация Rho-GTPases является одной из первичных клеточных реакций на механические стимулы, это приводит к экстенсивной перестройке цитоскелета, поляризации клеток и миграции (Houben et al. 2007). Вовремя заживлением ран индуцированные миграция, ремоделирование цитоскелета сопровождаются усилением прикрепления актиновых стрессовых волокон к ядерным TAN линиям и дорсальными перемещениями актиновых кабелей, перемещающих ядра прочь от раневого края. В тоже самое время, изменяется положение центросом в направлении ведущего края. A-типа ламины, по-видимому, важны для этих процессов, поскольку в их отсутствии клетки неспособны к перемещению своих ядер и центросомы неспособны поляризоваться (Luxton et al. 2010; Folker et al. 2011). Однако изменение положения ядер не является, по-видимому, критическим для общей двумерной (2D) миграции клеток, т.к. дефицит ламина А приводит только к умеренному снижению скорости миграции (Hale et al. 2008). Напротив, миграция через сокращающиеся микромерной шкалы поры трехмерного (3D) окружения существенно задерживается в раковых клетках или нейтрофилах с высокими уровнями ламина А. Это понятно, поскольку A-типа ламины влияют на морфологию ядра и его вязко-эластичные свойства, увеличивая жесткость ядра и тем самым позволяя лишь ограниченное сжатие. В соответствие с этим HGPS клетки с повышенной жесткостью ядер (Dahl et al. 2006) обнаруживают замедление миграции через конструкции 6-µ m толщины (Booth-Gauthier et al. 2013), тогда как нокдаун ламина A увеличивает скорость миграции через конструкцию, но снижает общую резистентность клеток к стрессам (Harada et al. 2014).

Role of lamin-mediated mechanosensing in disease

Мутации в гене LMNA вызывают ~14 разных заболеваний, наз. ламинопатиями (Worman 2012). Большинство мутаций в LMNA, вызывающих болезнь, являются аутосомно доминантными миссенс мутациями, ведущими к изменениям одиночных аминокислот в ламинах A и C. В зависимости от локализации в гене эти мутации вмешиваются в упаковку белка (Bollati et al. 2012), стабильность и сборку (Wiesel et al. 2008; Bank et al. 2012) или изменяют биохимические свойства белка (Krimm et al. 2002). Большинство HGPS случаев обусловлены молчащими мутациями в LMNA, ведущими к неправильному сплайсингу транскрипта LMNA и продукции форм слегка меньшего размера ламина A которые в отличие от ламина А дикого типа, сохраняют свой farnesylated и carboxymethylated C-терминальный цитозин (Worman 2012).

В этом контексте механочувствительности мутации, затрагивающие ткани подверженные механическим нагрузкам, особенно интересны, такие как поперечнополосатые мышцы при EDMD и DCM и гладкомышечные клетки и хрящи, и кости при нарушениях с ускоренным старением. Интересно, что сходные болезненные фенотипы, похожие на LMNA-сцепленные EDMD и DCM могут также обнаруживаться мутациями при EMD (encoding emerin) и в генах, кодирующих комплексы LINC, у членов семей, таких как SYNE1 и SYNE2 (кодирующих nesprin-1 и nesprin-2) и SUN1 и SUN2 (кодирующих SUNs) (Schreiber and Kennedy 2013; Meinke et al. 2014). Эти данные строго подтверждают, что дефекты соединений между ядром и цитоскелетом являются основной прочной болезненных фенотипов в мышцах. В согласии с этой моделью клетки, обладающие этими миопическими мутациями ламина обладают нарушенной стабильностью ядер и дефектами трансмиссии сил в ядро (Folker et al. 2011; Zwerger et al. 2013). Миопические мутации ламинов, но не те, что вызывают фенотипы в адипозной ткани, вызывают также дефекты закрепления TAN линий (Folker et al. 2011). Более того, дефицитные по ламину A/C мыши, характеризующиеся, characterized by severe DCM, show absence of desmin attachments to the nucleus in cardiomyocytes and did not develop a "hypertrophic mechanoresponse" (Nikolova et al. 2004).

Сходным образом, HGPS-сцепленные дефекты в тканях, испытывающих механические нагрузки, таких как гладкие мышцы и кости, могут вызываться аберрантными соединениями ядра с цитоскелетом. В соответствии с этим, накопление progerin, как было установлено, вызывает нарушения в комплексах LINC. Напр., farnesylated ламин (prelamin и progerin) обнаруживают повышенное сродство к белкам SUNs, снижая тем самым их подвижность (Chen et al. 2014). Интересно, что делеция SUN1 как у Lmna -/- мышей, так и мышей, моделирующих прогерию ослабляла болезненные фенотипы (Chen et al. 2012; Suh and Kennedy 2012). Progerin/prelamin также обнаруживают повышенное связывание с emerin, а экспрессия prelamin строго зависит от локализации emerin (Capanni et al. 2009; Wu et al. 2014).

Как упоминалось выше одним из возможных последствий нарушения механических связей является изменение экспрессии компонентов ECM. Это особенно важно в свете того факта, что характерной особенностью многих ламинопатий является усиление фиброза (повышение продукции коллагенов) (Reichel and Garcia-Bunuel 1970; Van Berlo et al. 2005; Worman 2012). DCM очень часто ассоциирует с повышением экспрессии Tgfb1/Tgfb2 и Col1a генов (Margulies et al. 2009). Более того, сердечно-сосудистая патология при HGPS характеризуется очень выраженным накоплением коллагена, которое приводит к тяжелому атеросклерозу, инфарктам миокарда и инсультам в очень раннем возрасте (Olive et al. 2010). Вполне возможно, что процесс ускорения старения при HGPS частично обусловлен продукцией нефункционального ECM. Процесс старения сам по себе ассоциирован с дефектной продукцией ECM. Напр., пониженное самообновление и способность к формированию кости старых мезенхимных стволовых клеток (MSCs) может быть скорректирована культивированием их на ECM из молодых MSCs (Sun et al. 2011). Аналогично этому, пролиферативные дефекты мышиных взрослых фибробластов, обладающих HGPS-сцепленными Lmna мутациями, были восстановлены при выращивании на ECM, происходящем от клеток дикого типа (Hernandez et al. 2010). Сходные наблюдения описаны для Zmpste24 ^-/- клеток (de la Rosa et al. 2013). Это исследование также показало, что в противоположность сильному снижению продолжительности жизни у мышей с полным отсутствием ZMPSTE24, ZMPSTE24 мозаичные мыши содержат равные количества ZMPSTE-дефицитных (prelamin A-accumulating) и ZMPSTE-накапливающих (mature Lamin A-containing) клеток в этой ткани, развиваются нормально. Итак, "хорошо сбалансированные взаимоотношения" между ядерной ламиной и внеклеточным окружением может быть ключевым фактором в отношении задержки реакции старения.

Lamins at the crossroads of mechanosignaling Selma Osmanagic-Myers, Thomas Dechat and Roland Foisner Genes & Dev. 2015. 29: 225-237

Lamins at the crossroads of mechanosignaling
Selma Osmanagic-Myers, Thomas Dechat and Roland Foisner
Genes & Dev. 2015. 29: 225-237