Механика

Nucleoskeleton mechanics at a glance Kris Noel Dahl and Agnieszka Kalinowski 2011 J Cell Sci 124, 675-678.
Рис.1. \|	Ядро содержит генетическую информацию клетки и все регуляторные факторы, которые эффективно преобразуют геном. Геном заключен в оболочку из плотной, филаментозной сети, наз. нуклеоскелетом, который расположен на внутренней мембране ядра. Компоненты нуклеоскелета участвуют в передаче внутриклеточных сигналов (Wilson and Berk, 2010), но они также необходимы для поддержания структуры ядра, предупреждения разрыва ядра и возможно для передачи силовых воздействий (Wang et al., 2009). Здесь мы представляем интегрированные механические структуры ядерного скелета, включая lamin филаменты, мультисубъединичные белки, короткие актиновые филаменты и геном. Мы также обсудим интеграцию механических элементов цитоскелета в нуклеоскелет. Исходя из механического вклада индивидуальных элементов, мы продемонстрировали, как мутации ядерных структур могут влиять на этиологию зависимых от силовых воздействий болезней. Сопутствующий постер предоставит обзор событий между клеточной биологией ядра и биофизикой лежащих в его основе полимерных структур. Nucleoskeletal components Нуклеоскелет первоначально состоит из промежуточных типа V филамент, которые состоят из ламиновых белков, Клетки человека кодируют три гена для ламинов двух типов: A-type lamins, первоначально ламины A и C, которые являются продуктами альтернативного сплайсинга гена LMNA; и B-type lamins, ламин B1 и ламин B2, которые кодируются двумя отдельными генами (Gruenbaum et al., 2005). Ламиновые филаменты собираются в гомополимеры и в большей части в отдельные сети (Delbarre et al., 2006; Furukawa et al., 2009; Moir et al., 2000). B-type ламины экспрессируются повсеместно в клетках метазоа и важны для выживания клеток (Harborth et al., 2001) благодаря фундаментальной роли lamin B белков в транскрипции и др. клеточных сигнальных путях. Напр., lamin B1 важен для синтеза РНК и активности RNA polymerases I и II (Tang et al., 2008). Однако, потеря lamin B1 в эмбриональных фибробластах мыши не приводит к какому-либо ослаблению ядра или дефектам цитоскелета, которые наблюдаются, когда теряется lamin A (Lammerding et al., 2006). Показано, что ламин B2 необходим для миграции ядер в нейронах (Coffinier et al., 2010). Lamin A? как полагают, вносит существенный вклад в механические функции ядра, чем ламины B-type (Lammerding et al., 2006; Schape et al., 2009). Несмотря на это клетки способны выживать и пролиферировать без ламинов A-type, а lmna-нокаутные мыши жизнеспособны, но страдают от мышечной дистрофии (Raharjo et al., 2001). У человека описано большое число мутаций LMNA, которые вызывают, по крайней мере, 13 разных болезней, включая доминантную Emery-Dreifuss мышечную дистрофию (и нарушения др. поперечно исчерченных мышц), липодистрофии и синдромы преждевременного старения (Capell and Collins, 2006; Prokocimer et al., 2009). Большинство ламинов связаны с ядерной оболочкой посредством обширного набора белков внутренней ядерной мембраны (Schirmer and Foisner, 2007). Напр., LEM-доменовые белки emerin, MAN-1 и lamina-associated polypeptide 2 (LAP2), и вновь открытые LEM-доменовые белки (Lee and Wilson, 2004), все они связывают ламины и большинство из них закреплено на внутренней ядерной мембране (Wagner and Krohne, 2007). Эти белки помогают стабилизировать взаимодействия белок-мембрана, приводя к образованию стабильной оболочки цитоскелета. Они также имеют ряд др. партеров по связыванию, указывая тем самым, что они возможно играют роль в передаче сигналов, чувствительных к механическим воздействиям (Wilson and Berk, 2010). Ламиновые филаменты в первую очередь ответственны за жесткость нуклеоскелета, но др. добавочные структурные белки, обнаруживаемые в нуклеоскелете , влияют на the локальную пространственную организацию ламинов и др. механические свойства, такие как эластичность после растягивания. Недавно обнаружены белки с крупными повторяющимися доменами, такие как titin и αII-spectrin, которые, как было установлено, играют функциональную роль в организации ламинов и тем самым участвуют во всей ядерной структуре (Zhong et al., 2010b). Потеря titin ведет к существенным ядерным аномалиям, включая крупные пузыри (blebs) и расширения и гетерогенное мечение ламинов на ядерной оболочке (Zastrow et al., 2006). Потеря αII-spectrin ведет к изменениям организации нуклеоскелета и снижению способности к механическому восстановлению после растяжения и расширения (Z. Zhong, A. J. Ribeiro, D. Simon et al., unpublished) (Zhong et al., 2010b). Эти белки с крупными повторяющимися повторами имеют множественные или повторяющиеся сайты связывания для LEM-доменовых белков, ламинов и хроматин-связывающих белков. Благодаря множеству сайтов связывания высокие концентрации партнеров по связыванию могут быть локализованы в небольших областях в одном измерении, это усиливает стабильность крупных белковых комплексов. На ядерной оболочке обнаруживаются небольшие актиновые структуры и могут связывать emerin (Holaska et al., 2004; Lattanzi et al., 2003). Короткость этих актиновых структур указывает на то, что они не обладают сходной механической силой по сравнению с филаментами, присутствующими в цитоскелете; их механическая функция в ядерной оболочке, если таковая существует, пока неизвестна (Pederson and Aebi, 2002). Возможно, что эти короткие актиновые филаменты поддерживают общую структуру нуклеоскелета, предоставляя механические "раскосы" ('struts') или места связывания для стабилизации крупных комплексов, таких как ламиновые филаменты в нуклеоскелете. Connections between the nucleoskeleton and the cytoskeleton Существует функциональная связь между структурными элементами клетки, цитоскелетом и нуклеоскелетом. Цитоскелет состоит из актиновых филамент, микротрубочек и варьирующего количества промежуточных филамент. Эти три элемента цитоскелета взаимно соединены и связаны с нуклеоскелетом посредством белковых LINC (linkers of the nucleoskeleton to the cytoskeleton) комплексов (Crisp et al., 2006; Razafsky and Hodzic, 2009). Единственный субнабор цитоскелетных филамент непосредственно прикреплен к ядру (Khatau et al., 2009), но потеря этой связи через LINC комплексы может нарушать механическую функцию цитоскелета на периферии ядра (Hale et al., 2008; Lee et al., 2007). LINC комплексы состоят из ряда белков, которые соединяют цитоскелет с внутренностью ядра. Множественные изоформы крупных трансмембранных nesprins (также наз. SYNEs и MYNEs) идут от наружной ядерной мембраны и прикрепляются к филаментам цитоскелета. У млекопитающих имеется 4 известных nesprin белка, все они содержат spectrin-подобные повторяющиеся субъединицы и KASH домены (Zhong et al., 2010a). Эти разного типа nesprin имеют также множественные изоформы, базирующиеся на количестве субъединиц, обозначенные α,β δ γ и т.д. (Warren et al., 2005). Самые крупные изоформы nesprin-1, nesprin-2 и nesprin-3 расположены на наружной ядерной мембране и соединены или с актином (i.e. nesprin-1γ, nesprin-2γ) (Zhang et al., 2002) or plectin (i.e. nesprin-3α and nesprin-3β) (Wilhelmsen et al., 2005), тогда как nesprin 4 взаимодействует с микротрубочками в секреторных эпителиях (Roux et al., 2009). В околоядерном пространстве nesprins соединяются посредством своего KASH домена с SUN-доменовым белковым димером Sun1-Sun2, который распространяется через внутреннюю ядерную мембрану, где он связывает lamin A и ассоциированные с ламином белки, включая emerin (Haque et al., 2010). Самые маленькие изоформы nesprin, такие как nesprin-1α и nesprin-2β, располагаются на внутренней ядерной мембране и непосредственно соединены с lamins, emerin и SUN-доменовыми белками (Haque et al., 2010; Mislow et al., 2002). Внутри ядра ламины могут соединяться с ДНК или непосредственно (Stierle et al., 2003) или косвенно посредством ламин-связывающих белков, которые способны взаимодействовать с ДНК и хроматином посредством гистонов (Prokocimer et al., 2009). Barrier-to-autointegration factor (BAF), LEM-доменовые белки и др. ламин-связывающие белки, включая рецептор lamin B, также соединяются с ДНК и хроматиновыми белками (Mekhail and Moazed, 2010), генерируя тем самым избыточные соединения между нуклеоскелетом и ДНК. Функциональная избыточность этих соединений наблюдается у Caenorhabditis elegans, у которых потеря emerin является летальной только, когда теряется также MAN1 (также известный как LEM-domain-containing protein 3, LEMD3) (Liu et al., 2003). Ламины также присутствуют внутри ядра, где они служат в качестве каркасов для функциональных комплексов, необходимых для транскрипции генов (Neri et al., 1999). Однако, эти ламиновые филаменты прерывисты и не образуют ригидных, пронизывающих (непрерывных) трехмерных сетей по всей нуклеоплазме. Механическим следствием этого является то, что внутренность ядра преимущественно управляется с помощью тока вязкоэластичного хроматина, а функциональные механические сети ламинов, которые растягиваются эластично, обнаруживаются, прежде всего, в нуклеоскелете (Pajerowski et al., 2007). Nucleoskeleton mechanics and force transmission Плотная сеть ламинов в нуклеоскелете действует как эластическая оболочка, которая растягивается под действием сил; эластичность растяжения обычно моделируется с помощью пружины (Dahl et al., 2004; Pajerowski et al., 2007; Rowat et al., 2005). Внутренность ядра деформируется как вязко-упругое тело (Pajerowski et al., 2007). Вязкоэлестичные материалы деформируются как в результате растяжения, такого как эластическое растяжение, которое моделируется пружиной, так и в результате сходного с жидкостью тока, называемого вязким потоком, моделируется 'амортизатором'. Вязкоэластичная деформация является общей для большинства спутанных полугибких полимерных систем, как биологического, так и синтетического происхождения, это указывает на то, что механические характеристики внутренности ядра предопределяются сложной структурой ДНК. Более того, временная зависимость деформации вязкоэластичности, которая наблюдается в ядрах, указывает на то, что существует несколько временных и пространственных шкал деформации (Fabry et al., 2001; Stamenovic, 2008), это возможно отражает организацию высшего порядка ДНК в ядре в хроматин и хромосомы, а также в хромосомные территории. Хроматин может быть структурно и функционально подразделен на гетерохроматин и эухроматин (Delcuve et al., 2009; Kanger et al., 2008). Функционально гетерохроматин рассматривается как бедный генным содержанием и реплицируется последним (Joffe et al., 2010). Гетерохроматин сам по себе является механической структурой в виде весовой нагрузки в ядре. Устранение плотных гетерохроматиновых регионов в ядре с использованием лазера приводит к быстрому сжатию ядра, это ведет к реорганизации ядра и цитоскелета (Mazumder and Shivashankar, 2010). Напротив, эухроматин имеет более открытую структуру с более значительной текучестью. Большинство гетерохроматиновых регионов располагаются в нуклеоскелете на ядерной оболочке. Однако существуют карманы эухроматина на ядерной оболочке и по всему ядру и создаются регионы гетерогенной текучести в во всем остальном жестком ядре (Fedorova and Zink, 2008). Существует связь между вязкоэластичными скелетными элементами (Janmey, 1991) и ядром посредством LINC комплексов, так что предполагается, что силы, прикладываемые к клеткам, могут передаваться геному как глобально посредством целостной сети, так и локально посредством индивидуальных взаимных соединений (Hale et al., 2008; Lee et al., 2007). Эта связь может быть ответственна за изменения в конформации ядерных структур и измененные паттерны генной экспрессии после воздействия сил. Lamin alterations and force transmission Когда структуры в ядре теряются или меняются за счет мутаций или дисфункции, то они приводят к существенным изменениям в механических свойствах ядер, включая силу передачи через ядро. Наиболее тяжелые примеры включают изменения A-type ламинов. Механически, lmna^-/- фибробласты обнаруживают повышенную степень деформации ядра после механического растягивания клетки (Lammerding et al., 2004). Мышиные фибробласты, лишенные lmna, обнаруживают частые разрывы ядер после действия максимальной силы (Lammerding et al., 2004). Интересно, что реакция цитоскелета на силовые воздействия изменена в клетках, лишенных lmna, возможно из-за отсутствия цитоскелетных структур, стабилизирующих ядро, и измененной клеточной реакции, вызванной потерей LINC соединений между цитоскелетом и ядром (Hale et al., 2008; Lee et al., 2007). Изменения в цитоскелетной механике также наблюдались в клетках, лишенных белков LINC комплексов (Chancellor et al., 2010). Напротив, мутации в LMNA, которые вызывают Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS), результат усиления накопления lamin A в ядерной оболочке (Goldman et al., 2004), это ведет к жестким, укрепленным ядрам у пациентов, страдающих от HGPS (Dahl et al., 2006). Такие ядра более резистентны к высоким нагрузкам (Dahl et al., 2006), но обнаруживают образование пузырьков (blebbing) (Goldman et al., 2004; Verstraeten et al., 2008) и уникальную неспособность к разрывы ядерной ламины при высоких силовых воздействиях (Dahl et al., 2006). В этих ядрах реорганизация внутренности ядра под воздействием силы также снижена, указывая тем самым, что оптимальная степень соединений существует между цитосклететными и нуклеоскелнтными элементами внутри нормальных клеток (Philip and Dahl, 2008). Т.о., lamin A в нуклеоскелете, по-видимому, оказывает непосредственное влияние на жесткость ядра и его механическую целостность. The link between nucleoskeleton and gene expression or DNA processing Силовые воздействия, оказываемые на клетку изменяют экспрессию генов посредством активации химических импульсов, таких как фосфорилирование клеточных сигнальных путей (Chen, 2008). Однако элементы являются как несущими конструкциями, так влияющими на экспрессию генов, поэтому они могут выполнять более непосредственную роль для сил в регуляции генной экспрессии. Гены вблизи ядерной оболочки в основном репрессируются за счет гетерохроматинизации и присутствия больших количеств транскрипционных репрессоров, которые ассоциируют с ламинами и ламин-связыващими белками (Ahmed and Brickner, 2007; Towbin et al., 2009). Внутри ядра ламины участвуют в репрессии транскрипции (Lee et al., 2009). Здесь lamins A и C участвуют экспрессии генов, регулирующих клеточный цикл, путем создания каркаса для гиперфосфорилированного белка retinoblastoma (Rb), который репрессирует гены, необходимые для перехода от фазы G1 к S клеточного цикла (Boban et al., 2010). Некоторые доказательства указывают на то, что ламины A и C могут превращаться в нуклеоплазматический каркас, который необходим для фазы элонгации в репликации (Dechat et al., 2008). Ламины A и C также локализуются вместе с белками, связанными с пролиферацией, включая активаторный протеин AP-1 (Boban et al., 2010). Короткие ядерные актины также участвуют во многих аспектах ядерной функции, включая транскрипцию и репликацию (Castano et al., 2010), тогда как spectrins, расположенные вне внутренности ядра, участвуют в процессах репарации ДНК (Young and Kothary, 2005). Т.о., каждый важный аспект ядерной функции, такой как транскрипция, репликация, репарация ДНК и контроль этих процессов, испытывают влияние со стороны нуклеоскелетных белков, которые, по-видимому, служат в качестве каркасов или областей локальной жёсткости. Т.к. эти белки участвуют как в ядерной механике, так и процессинге ДНК, то очень возможно, что эти роли интегрированы внутри ядра, что проявляется в изменениях ядерной функции под влиянием силовых воздействий. Perspectives Recently, experiments with cells lacking proteins of the LINC complex have shown a reduction in force transmission from the cytoskeleton from one side of the nucleus to other side (Brosig et al., 2010; Chancellor et al., 2010) (Jan Lammerding, personal communication). This trans-nuclear cytoskeletal deformation demonstrates the role of the stiff nucleus in propagating forces from the actin cytoskeleton. It seems that all of the mechanical structures of the cell are connected. The cell might use these mechanical interconnections to maintain its overall mechanical integrity, which is required to preserve tissue mechanics and prevent rupture under high strain. These mechanical interconnections could also allow the exertion of force-induced changes in gene expression through an integrated mechanical network into the nuclear interior. Carefully controlled biophysical and biological experiments must be conducted to determine whether these mechanical interactions are relevant to gene expression. However, decoupling nuclear–cytoskeletal mechanical interactions from mechanically induced chemical signaling within the cell continues to be a major challenge in the field.

Ядро содержит генетическую информацию клетки и все регуляторные факторы, которые эффективно преобразуют геном. Геном заключен в оболочку из плотной, филаментозной сети, наз. нуклеоскелетом, который расположен на внутренней мембране ядра. Компоненты нуклеоскелета участвуют в передаче внутриклеточных сигналов (Wilson and Berk, 2010), но они также необходимы для поддержания структуры ядра, предупреждения разрыва ядра и возможно для передачи силовых воздействий (Wang et al., 2009). Здесь мы представляем интегрированные механические структуры ядерного скелета, включая lamin филаменты, мультисубъединичные белки, короткие актиновые филаменты и геном. Мы также обсудим интеграцию механических элементов цитоскелета в нуклеоскелет. Исходя из механического вклада индивидуальных элементов, мы продемонстрировали, как мутации ядерных структур могут влиять на этиологию зависимых от силовых воздействий болезней. Сопутствующий постер предоставит обзор событий между клеточной биологией ядра и биофизикой лежащих в его основе полимерных структур.

Nucleoskeletal components

Нуклеоскелет первоначально состоит из промежуточных типа V филамент, которые состоят из ламиновых белков, Клетки человека кодируют три гена для ламинов двух типов: A-type lamins, первоначально ламины A и C, которые являются продуктами альтернативного сплайсинга гена LMNA; и B-type lamins, ламин B1 и ламин B2, которые кодируются двумя отдельными генами (Gruenbaum et al., 2005). Ламиновые филаменты собираются в гомополимеры и в большей части в отдельные сети (Delbarre et al., 2006; Furukawa et al., 2009; Moir et al., 2000). B-type ламины экспрессируются повсеместно в клетках метазоа и важны для выживания клеток (Harborth et al., 2001) благодаря фундаментальной роли lamin B белков в транскрипции и др. клеточных сигнальных путях. Напр., lamin B1 важен для синтеза РНК и активности RNA polymerases I и II (Tang et al., 2008). Однако, потеря lamin B1 в эмбриональных фибробластах мыши не приводит к какому-либо ослаблению ядра или дефектам цитоскелета, которые наблюдаются, когда теряется lamin A (Lammerding et al., 2006). Показано, что ламин B2 необходим для миграции ядер в нейронах (Coffinier et al., 2010).

Lamin A? как полагают, вносит существенный вклад в механические функции ядра, чем ламины B-type (Lammerding et al., 2006; Schape et al., 2009). Несмотря на это клетки способны выживать и пролиферировать без ламинов A-type, а lmna-нокаутные мыши жизнеспособны, но страдают от мышечной дистрофии (Raharjo et al., 2001). У человека описано большое число мутаций LMNA, которые вызывают, по крайней мере, 13 разных болезней, включая доминантную Emery-Dreifuss мышечную дистрофию (и нарушения др. поперечно исчерченных мышц), липодистрофии и синдромы преждевременного старения (Capell and Collins, 2006; Prokocimer et al., 2009).

Большинство ламинов связаны с ядерной оболочкой посредством обширного набора белков внутренней ядерной мембраны (Schirmer and Foisner, 2007). Напр., LEM-доменовые белки emerin, MAN-1 и lamina-associated polypeptide 2 (LAP2), и вновь открытые LEM-доменовые белки (Lee and Wilson, 2004), все они связывают ламины и большинство из них закреплено на внутренней ядерной мембране (Wagner and Krohne, 2007). Эти белки помогают стабилизировать взаимодействия белок-мембрана, приводя к образованию стабильной оболочки цитоскелета. Они также имеют ряд др. партеров по связыванию, указывая тем самым, что они возможно играют роль в передаче сигналов, чувствительных к механическим воздействиям (Wilson and Berk, 2010).

Ламиновые филаменты в первую очередь ответственны за жесткость нуклеоскелета, но др. добавочные структурные белки, обнаруживаемые в нуклеоскелете , влияют на the локальную пространственную организацию ламинов и др. механические свойства, такие как эластичность после растягивания. Недавно обнаружены белки с крупными повторяющимися доменами, такие как titin и αII-spectrin, которые, как было установлено, играют функциональную роль в организации ламинов и тем самым участвуют во всей ядерной структуре (Zhong et al., 2010b). Потеря titin ведет к существенным ядерным аномалиям, включая крупные пузыри (blebs) и расширения и гетерогенное мечение ламинов на ядерной оболочке (Zastrow et al., 2006). Потеря αII-spectrin ведет к изменениям организации нуклеоскелета и снижению способности к механическому восстановлению после растяжения и расширения (Z. Zhong, A. J. Ribeiro, D. Simon et al., unpublished) (Zhong et al., 2010b). Эти белки с крупными повторяющимися повторами имеют множественные или повторяющиеся сайты связывания для LEM-доменовых белков, ламинов и хроматин-связывающих белков. Благодаря множеству сайтов связывания высокие концентрации партнеров по связыванию могут быть локализованы в небольших областях в одном измерении, это усиливает стабильность крупных белковых комплексов.

На ядерной оболочке обнаруживаются небольшие актиновые структуры и могут связывать emerin (Holaska et al., 2004; Lattanzi et al., 2003). Короткость этих актиновых структур указывает на то, что они не обладают сходной механической силой по сравнению с филаментами, присутствующими в цитоскелете; их механическая функция в ядерной оболочке, если таковая существует, пока неизвестна (Pederson and Aebi, 2002). Возможно, что эти короткие актиновые филаменты поддерживают общую структуру нуклеоскелета, предоставляя механические "раскосы" ('struts') или места связывания для стабилизации крупных комплексов, таких как ламиновые филаменты в нуклеоскелете.

Connections between the nucleoskeleton and the cytoskeleton

Существует функциональная связь между структурными элементами клетки, цитоскелетом и нуклеоскелетом. Цитоскелет состоит из актиновых филамент, микротрубочек и варьирующего количества промежуточных филамент. Эти три элемента цитоскелета взаимно соединены и связаны с нуклеоскелетом посредством белковых LINC (linkers of the nucleoskeleton to the cytoskeleton) комплексов (Crisp et al., 2006; Razafsky and Hodzic, 2009). Единственный субнабор цитоскелетных филамент непосредственно прикреплен к ядру (Khatau et al., 2009), но потеря этой связи через LINC комплексы может нарушать механическую функцию цитоскелета на периферии ядра (Hale et al., 2008; Lee et al., 2007).

LINC комплексы состоят из ряда белков, которые соединяют цитоскелет с внутренностью ядра. Множественные изоформы крупных трансмембранных nesprins (также наз. SYNEs и MYNEs) идут от наружной ядерной мембраны и прикрепляются к филаментам цитоскелета. У млекопитающих имеется 4 известных nesprin белка, все они содержат spectrin-подобные повторяющиеся субъединицы и KASH домены (Zhong et al., 2010a). Эти разного типа nesprin имеют также множественные изоформы, базирующиеся на количестве субъединиц, обозначенные α,β δ γ и т.д. (Warren et al., 2005). Самые крупные изоформы nesprin-1, nesprin-2 и nesprin-3 расположены на наружной ядерной мембране и соединены или с актином (i.e. nesprin-1γ, nesprin-2γ) (Zhang et al., 2002) or plectin (i.e. nesprin-3α and nesprin-3β) (Wilhelmsen et al., 2005), тогда как nesprin 4 взаимодействует с микротрубочками в секреторных эпителиях (Roux et al., 2009). В околоядерном пространстве nesprins соединяются посредством своего KASH домена с SUN-доменовым белковым димером Sun1-Sun2, который распространяется через внутреннюю ядерную мембрану, где он связывает lamin A и ассоциированные с ламином белки, включая emerin (Haque et al., 2010). Самые маленькие изоформы nesprin, такие как nesprin-1α и nesprin-2β, располагаются на внутренней ядерной мембране и непосредственно соединены с lamins, emerin и SUN-доменовыми белками (Haque et al., 2010; Mislow et al., 2002).

Внутри ядра ламины могут соединяться с ДНК или непосредственно (Stierle et al., 2003) или косвенно посредством ламин-связывающих белков, которые способны взаимодействовать с ДНК и хроматином посредством гистонов (Prokocimer et al., 2009). Barrier-to-autointegration factor (BAF), LEM-доменовые белки и др. ламин-связывающие белки, включая рецептор lamin B, также соединяются с ДНК и хроматиновыми белками (Mekhail and Moazed, 2010), генерируя тем самым избыточные соединения между нуклеоскелетом и ДНК. Функциональная избыточность этих соединений наблюдается у Caenorhabditis elegans, у которых потеря emerin является летальной только, когда теряется также MAN1 (также известный как LEM-domain-containing protein 3, LEMD3) (Liu et al., 2003). Ламины также присутствуют внутри ядра, где они служат в качестве каркасов для функциональных комплексов, необходимых для транскрипции генов (Neri et al., 1999). Однако, эти ламиновые филаменты прерывисты и не образуют ригидных, пронизывающих (непрерывных) трехмерных сетей по всей нуклеоплазме. Механическим следствием этого является то, что внутренность ядра преимущественно управляется с помощью тока вязкоэластичного хроматина, а функциональные механические сети ламинов, которые растягиваются эластично, обнаруживаются, прежде всего, в нуклеоскелете (Pajerowski et al., 2007).

Nucleoskeleton mechanics and force transmission

Плотная сеть ламинов в нуклеоскелете действует как эластическая оболочка, которая растягивается под действием сил; эластичность растяжения обычно моделируется с помощью пружины (Dahl et al., 2004; Pajerowski et al., 2007; Rowat et al., 2005). Внутренность ядра деформируется как вязко-упругое тело (Pajerowski et al., 2007). Вязкоэлестичные материалы деформируются как в результате растяжения, такого как эластическое растяжение, которое моделируется пружиной, так и в результате сходного с жидкостью тока, называемого вязким потоком, моделируется 'амортизатором'. Вязкоэластичная деформация является общей для большинства спутанных полугибких полимерных систем, как биологического, так и синтетического происхождения, это указывает на то, что механические характеристики внутренности ядра предопределяются сложной структурой ДНК. Более того, временная зависимость деформации вязкоэластичности, которая наблюдается в ядрах, указывает на то, что существует несколько временных и пространственных шкал деформации (Fabry et al., 2001; Stamenovic, 2008), это возможно отражает организацию высшего порядка ДНК в ядре в хроматин и хромосомы, а также в хромосомные территории. Хроматин может быть структурно и функционально подразделен на гетерохроматин и эухроматин (Delcuve et al., 2009; Kanger et al., 2008). Функционально гетерохроматин рассматривается как бедный генным содержанием и реплицируется последним (Joffe et al., 2010). Гетерохроматин сам по себе является механической структурой в виде весовой нагрузки в ядре. Устранение плотных гетерохроматиновых регионов в ядре с использованием лазера приводит к быстрому сжатию ядра, это ведет к реорганизации ядра и цитоскелета (Mazumder and Shivashankar, 2010). Напротив, эухроматин имеет более открытую структуру с более значительной текучестью. Большинство гетерохроматиновых регионов располагаются в нуклеоскелете на ядерной оболочке. Однако существуют карманы эухроматина на ядерной оболочке и по всему ядру и создаются регионы гетерогенной текучести в во всем остальном жестком ядре (Fedorova and Zink, 2008). Существует связь между вязкоэластичными скелетными элементами (Janmey, 1991) и ядром посредством LINC комплексов, так что предполагается, что силы, прикладываемые к клеткам, могут передаваться геному как глобально посредством целостной сети, так и локально посредством индивидуальных взаимных соединений (Hale et al., 2008; Lee et al., 2007). Эта связь может быть ответственна за изменения в конформации ядерных структур и измененные паттерны генной экспрессии после воздействия сил.

Lamin alterations and force transmission

Когда структуры в ядре теряются или меняются за счет мутаций или дисфункции, то они приводят к существенным изменениям в механических свойствах ядер, включая силу передачи через ядро. Наиболее тяжелые примеры включают изменения A-type ламинов. Механически, lmna^-/- фибробласты обнаруживают повышенную степень деформации ядра после механического растягивания клетки (Lammerding et al., 2004). Мышиные фибробласты, лишенные lmna, обнаруживают частые разрывы ядер после действия максимальной силы (Lammerding et al., 2004). Интересно, что реакция цитоскелета на силовые воздействия изменена в клетках, лишенных lmna, возможно из-за отсутствия цитоскелетных структур, стабилизирующих ядро, и измененной клеточной реакции, вызванной потерей LINC соединений между цитоскелетом и ядром (Hale et al., 2008; Lee et al., 2007). Изменения в цитоскелетной механике также наблюдались в клетках, лишенных белков LINC комплексов (Chancellor et al., 2010). Напротив, мутации в LMNA, которые вызывают Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS), результат усиления накопления lamin A в ядерной оболочке (Goldman et al., 2004), это ведет к жестким, укрепленным ядрам у пациентов, страдающих от HGPS (Dahl et al., 2006). Такие ядра более резистентны к высоким нагрузкам (Dahl et al., 2006), но обнаруживают образование пузырьков (blebbing) (Goldman et al., 2004; Verstraeten et al., 2008) и уникальную неспособность к разрывы ядерной ламины при высоких силовых воздействиях (Dahl et al., 2006). В этих ядрах реорганизация внутренности ядра под воздействием силы также снижена, указывая тем самым, что оптимальная степень соединений существует между цитосклететными и нуклеоскелнтными элементами внутри нормальных клеток (Philip and Dahl, 2008). Т.о., lamin A в нуклеоскелете, по-видимому, оказывает непосредственное влияние на жесткость ядра и его механическую целостность.

The link between nucleoskeleton and gene expression or DNA processing

Силовые воздействия, оказываемые на клетку изменяют экспрессию генов посредством активации химических импульсов, таких как фосфорилирование клеточных сигнальных путей (Chen, 2008). Однако элементы являются как несущими конструкциями, так влияющими на экспрессию генов, поэтому они могут выполнять более непосредственную роль для сил в регуляции генной экспрессии. Гены вблизи ядерной оболочки в основном репрессируются за счет гетерохроматинизации и присутствия больших количеств транскрипционных репрессоров, которые ассоциируют с ламинами и ламин-связыващими белками (Ahmed and Brickner, 2007; Towbin et al., 2009). Внутри ядра ламины участвуют в репрессии транскрипции (Lee et al., 2009). Здесь lamins A и C участвуют экспрессии генов, регулирующих клеточный цикл, путем создания каркаса для гиперфосфорилированного белка retinoblastoma (Rb), который репрессирует гены, необходимые для перехода от фазы G1 к S клеточного цикла (Boban et al., 2010). Некоторые доказательства указывают на то, что ламины A и C могут превращаться в нуклеоплазматический каркас, который необходим для фазы элонгации в репликации (Dechat et al., 2008). Ламины A и C также локализуются вместе с белками, связанными с пролиферацией, включая активаторный протеин AP-1 (Boban et al., 2010). Короткие ядерные актины также участвуют во многих аспектах ядерной функции, включая транскрипцию и репликацию (Castano et al., 2010), тогда как spectrins, расположенные вне внутренности ядра, участвуют в процессах репарации ДНК (Young and Kothary, 2005). Т.о., каждый важный аспект ядерной функции, такой как транскрипция, репликация, репарация ДНК и контроль этих процессов, испытывают влияние со стороны нуклеоскелетных белков, которые, по-видимому, служат в качестве каркасов или областей локальной жёсткости. Т.к. эти белки участвуют как в ядерной механике, так и процессинге ДНК, то очень возможно, что эти роли интегрированы внутри ядра, что проявляется в изменениях ядерной функции под влиянием силовых воздействий.

Perspectives

Recently, experiments with cells lacking proteins of the LINC complex have shown a reduction in force transmission from the cytoskeleton from one side of the nucleus to other side (Brosig et al., 2010; Chancellor et al., 2010) (Jan Lammerding, personal communication). This trans-nuclear cytoskeletal deformation demonstrates the role of the stiff nucleus in propagating forces from the actin cytoskeleton. It seems that all of the mechanical structures of the cell are connected. The cell might use these mechanical interconnections to maintain its overall mechanical integrity, which is required to preserve tissue mechanics and prevent rupture under high strain. These mechanical interconnections could also allow the exertion of force-induced changes in gene expression through an integrated mechanical network into the nuclear interior. Carefully controlled biophysical and biological experiments must be conducted to determine whether these mechanical interactions are relevant to gene expression. However, decoupling nuclear–cytoskeletal mechanical interactions from mechanically induced chemical signaling within the cell continues to be a major challenge in the field.

Nucleoskeleton mechanics at a glanceKris Noel Dahl and Agnieszka Kalinowski 2011 J Cell Sci 124, 675-678.

Nucleoskeleton mechanics at a glance
Kris Noel Dahl and Agnieszka Kalinowski
2011 J Cell Sci 124, 675-678.