Посещений:
Механобиология ядра



Механочувствительность, механотрансдукция

A Special Topic on Nuclear Mechanobiology
Kris Noel Dahl, G. W. Gant Luxton
Cellular and Molecular Bioengineering June 2016, Volume 9, Issue 2, pp 203-206

С недавних пор проявляется интерес к механизмам прогрессирования болезней, связанным с изменениями морфологического состояния региона клетки, где сохраняется геном. Существуют многочисленные болезни человека, ассоциированные с мутациями структурных белков ядра, включая lamins и lamin-связывающие белки. Эти болезни затрагивают разные типы тканей, даже если мутации возникают внутри одного и того же белка. Изучение механобиологии клеточного ядра становится активным и плодотворным в попытке понять, какие силы и передачи биохимических сигналов координируются, чтобы модулировать активность и гомеостаз генома и какие дефекты этого процесса влияют на патогенез болезней человека.

Nuclear-Cytoskeletal Coupling Via the LINC Complex and Nuclear Pore Complexes


Комплекс, связывающий скелет ядра и цитоскелет (LINC), рассматривается как основаная структурная связь, осуществляемая через ядерную оболочку.1,14,17 Впервые идентифицированный в 2005 Crisp et al., комплекс LINC состоит из серии белков, содержащих KASH-доменовые и SUN-доменовые белки, которые располагаются на наружной и внутренней мембранах ядра, соотв. 7,18 Этот эволюционно законсервированный мост, как известно, передает пространственную, структурную и механическую информацию от цитосклета к нуклеоскелету.6,10,16 Многочисленные болезни, как известно, ассоциируют с мутациями белков комплекса LINC, обычно в структурных и механических тканях, таких как мышцы.11,17,19 При "LINCing defective nuclear-cytoskeletal coupling и DYT1 dystonia", Saunders and Luxton рассматривают, как патогенез нарушения нейрологического перемещения DYT1 дистонии может быть результатом нарушения функциональной регуляции комплекса LINC. DYT1 дистония вызывается мутациями потери функции в ATPases, ассоциированных с различными клеточными активностями (AAA+) белка, torsinA, который располагается в общем объеме эндоплазматического ретикулума и ядерной оболочке. Это подчеркивает важность изучения сложности регуляторной биологии, связанной с живыми системами, а также с биофизикой распространения сил через интегрированные клеточные структуры. Оба эти обзора и Irianto et al. по раку, суммированные ниже, представляют примеры "nuclear mechanopathies", болезней человека, связанных с дефектами ядерной механотрансдукции.
В статье "On the nuclear pore complex and its roles in nucleo-cytoskeletal coupling and mechanobiology" Soheilypour с колл. высказывают предположение, что подобно LINC комплексу, комплексы ядерных пор (NPCs), которые также связывают цитоплазму и нуклеоплазму, играют структурную роль во взаимном соединении цитоскелета и нуклеоскелета.15,20 Авт. исследовали известную роль разных белков ядерных пор,13 их расположение внутри комплексов ядерных пор и их известных партнеров по связыванию, чтобы предложить возможное картирование структурных взаимодействий посредством NPC. Они предоставили доказательства, подтверждающие требования, чтобы NPC действовали как комплементарные механические структуры по отношению к комплексам LINC и могли бы также влиять на пост-митотическую сборку ядра. Поскольку анализ многих аспектов ядерной структуры ограничен интерфазными клетками, было бы важным впоследствии проследить роль этих структурных элементов во время др. событий, специфичных для клеточного цикла, таких как разрыв ядерной оболочки и повторная сборка во время прометафазы и телофазы, соотв.
В статье "O-GlcNAc-ylation in the Nuclear Pore Complex", Ruba and Yang исследовали роль ферментативных модификаций белков ядерных пор и как эти альтерации воздействуют на структуру и функцию NPC. Остатки серина и треонина, присутствующие в большом количестве цитоплазматических и ядерных белков, могут быть модифицированы путем добавления специфических углеводов, O-сцепленного гликана O-GlcNac, в ходе процесса, известного как "O-GlcNA-cylation".3 В отличие от классического гликозилирования белков O-GlcNAc-ylation более сходно с фосфорилированием белков, обе модификации являются динамичными и происходят бинарным способом.12 Итак, Ruba and Yang критически перепроверили недавнюю литературу, которая показала, что более половины из 30 Nup белков, которые формируют NPC, модифицированы с помощью этого O-сцепленнрого гликана. Из этих белков большинство рассматриваются как прирожденно беспорядочные и содержащие множественные phenylalanine-glycine (FG) повторы. Хорошо известно, что содержащие FG повторы белки Nups осуществляют барьерную функцию, которая служит для контроля избирательной диффузии малых (менее 40 kDa) грузов, не связанных с передачей сигналов посредством NPC. Авт. выдвигают предположение, что O-linked glycan-модифицированные Nups не могут осуществлять специфическую молекулярную функцию в NPC per se. Скорее присутствие этого O-сцепленного гликана может изменять физическое поведение содержащих FG-повторы белков Nups, которые могут увеличивать свою текучесть и, следовательно, снижать свою тенденцию к сгущению с помощью гидрофобных сил. Ruba and Yang далее предложили интересную модель "баланса" для объяснения эффекта O-сцепленным гликаном модифицированных Nups на избирательную проницаемость NPC. Поскольку основная функция этой пост-трансляционной модификации заключается в предупреждении доступа киназам и фосфорилированию остатков серина и треонина в белках, 3,12 было бы интересно в будущем исследовать потенциал регуляторной модуляции с помощью взаимного влияния между Nup O-GlcNAc-ylation и фосфорилированием.

More than Just a Barrier: The Membranes of the Nuclear Envelope


Подобно многим др. клеточным органеллам, ядро связано с мембраной. Однако, уникальный аспект его структуры - непрерывная двойная мембрана, крупные комплексы ядерных пор и соединение с эндоплазматическим ретикулумом - строго подтверждают существование разных функций и регуляторных механизмов, не найденных в др. органеллах. 21 В этом отношении механохимические аспекты, которые являются уникальными для ядерных мембран обсуждаются детально. Статья "Roles of cross-membrane transport and signaling in the maintenance of cellular homeostasis" by Cho и коллег рассматривает сходства и различия в механизмах транспорта материалов через плазматическую мембрану, ER, и ядерные мембраны во время клеточного гомеостаза. Этот обзор сравнивает и противопоставляет перемещения ионов и др. химических сигналов через мембраны с трансдукцией информации посредством механических сил. Различия в скорости и специфичности между этими химическими и механическими сигналами показывают, что механотрансдукция сил может усиливать или дополнять химические пути, которые передают информацию от внеклеточного окружения через цитоплазму в ядро.
Помимо уникальных транспортных свойства ядерной мембраны, механические функции этих мембран изучены плохо. Поскольку механочувствительность и обеспечиваемая натяжением регуляция (посредством эндоцитоза и экзоцитоза, а также регуляции цитоскелета) плазматической мембраны хорошо известна, ядерные мембраны в основном игнорировались. В работе "A case for the nuclear membrane as a mechanotransducer" Enyedi и Niethammer представлены новые доказательства их гипотезы, что ядерные мембраны являются механо-чувствительными. Они рассмотрели недавно опубликованные доказательства способности ядерных мембран ощущать и передавать механические сигналы способом, аналогичным у плазматических мембран. Такая механо-чувствительность была косвенно идентифицирована с помощью патофизиологии и теперь оказались идентифицированы механизмы. Кроме того, авт. идентифицировали кандидатов на роль медиаторов механо-чувствительности ядерной мембраны.
В обзоре Torbati с колл. "An unresolved LINC in the nuclear envelope" представлена уникальная перспектива в отношении расстояния между внутренней и наружной ядерными мембранами ядерной оболочки. Авт. критически оценивают имеющиеся экспериментальные доказательства поддержания расстояния в 40-50 nm между этими мембранами. Они также высказывают предположение о необходимости баланса сил между биофизическими свойствами мембран и структур обеспечивающих поддержание пространства с помощью LINC комплекса и NPCs. Базируясь на теории термодинамики и присутствии сил, генерируемых молекулярными моторами, д. существовать движущие силы, ответственные за флюктуации мембран, изгибы и слияния, которые д. удерживать это пространство в 40-50 nm между мембранами ядерной оболочки во время интерфазы. Torbatiс колл. предполагают механическую стабильность LINC комплексов и NPCs , распространяющими по всей ядерной оболочке баланс сил, продуцируемых механикой ядерных мембран. Т.о., LINC комплексы и NPCs не только осуществляют функцию связи ядром и цитоскелетом, но и также действуют совместно, чтобы стабилизировать ядерные мембраны. Этот механизм двумерной планарной стабилизации может оказаться особенно важным для поддержания клеточных функций, особенно в контексте механо-чувствительности и транспорта ядерных мембран. Эти идеи интересны, если их рассматривать в свете недавно опубликованной работы из лаб. Starr, в которой было продемонстрировано, что у Caenorhabditis elegans необходимы только LINC комплексы для поддержания пространства между ядерными мембранами в клетках, подвергаемых повышенному воздействию механических сил, таких как мышцы.5

What Lies Beneath?


Нуклеоскелет, который находится под внутренней ядерной мембраной, в основном представлен ядерными ламинами и ассоциированными с ними белками.4 В статье "Nuclear lamins in cancer", Irianto и колл. рассмотрели роль изменений нуклеоскелета, которые ассоциируют с некоторыми раковыми опухолями. Альтерации размера и морфологии ядра, а также аномальная организация и распределение хроматина являются основными микроскопическими критериями, используемыми патологами для диагностики многочисленных раков.8,9 В соответствии с корреляцией между альтерациями нуклеоскелета и раком, раковые клетки обнаруживают изменения в уровнях экспрессии ламинов и/или их стабильности, в соотношении A-типа и B-типа ламинов, отклонения в количестве и типе пост-трансляционных модификаций ламинов, а также разнообразные сходные изменения в белках, ассоциированных с ламинами. Эти модификации, ассоциированные с изменениями путей передачи химических сигналов, нарушениями регуляции структуры генома и нарушениями клеточной механики. Интересно, что такие отклонения в ядерной механике могут вносить вклад в метастатический и инвазивный потенциал раковых клеток. Наконец, авт. привлекают внимание к тому, как выдерживающие нагрузки структуры клетки, работающие на гомеостатический баланс, при этом как внеклеточный матрикс воспринимает жесткость матрикса, это также может быть дополнительным фактором во время канцерогенеза.
В ядре находится геном, который представлен гипер-организованной структурой ДНК, включая все необходимые энзиматические и регуляторные компоненты для контроля фенотипа.2 В статье "Mechanobiology of chromatin and the nuclear interior", Spagnol с колл. вносят разные уровни организации само-сборки внутри ядра, включая структуру ДНК и ядерных тел. В частности, авт. обсуждают, как эти элементы реорганизованы функционально с помощью сил механотрансдукции, генерируемых в цитоплазме с помощью цитоскелета. Spagnol et al. также исследовали эффект химической стимуляции на структуру и функцию ядра, как это описывается в недавней литературе. Кроме того, они подчеркивают удивительные пересечения между ядерной механикой и регулируемой экспрессией генов. Авт. сообщают, что комбинация клеточной биологии, механики и физики полимеров необходима, чтобы выявлять механизмы, лежащие в основе механотрансдукции химических и физических стимулов через ядерную оболочку и в нуклеоплазму, это существенно увеличит наше понимание механической модуляции экспрессии генов.

Conclusions, Common Themes and Moving Forward


While the concept of the nucleus is no longer that of a lone, isolated organelle floating freely within the cytoplasm, it is clear that we have only just begun to appreciate the mechanobiology of the nucleus and its dynamic integration with the remainder of the mechanical cell. Recurrent themes throughout this special topic include complex mechanical and chemical regulation of nuclear structures: the chromatin, nuclear membranes, nuclear envelope-spanning protein complexes, and nucleoskeleton. Another common theme is the balance of seemingly opposing entropic driving forces imposed by physical fluctuations of biomacromolecules and self-assembly with the order imposed by the biology of the system. These antagonistic aspects lead to the evolution of a pseudo-stable structure that allows for the proper functioning of this important organelle while allowing for sufficient levels of instability, which is critical for the ability of the nucleus to respond and adapt when necessary. Taken together the extent of these daunting levels of complexity demand that researchers apply an interdisciplinary approach in order to even attempt to fully understand the amazing machinery of the cell.