Войти
Конфокальный микроскопический анализ дермального фибробласта в первичной культуре из контроля (a и b) и субъекта с HGPS (c и d). Мечение проводилось антителами против ламина A / C. Обратите внимание на наличие ядерных оболочек неправильной формы во многих фибробластах субъекта Ламины, также известные как ядерные ламины, являются волокнистыми белками в промежуточных филаментах типа V, обеспечивая структурную функцию и транскрипционную регуляцию в клеточном ядре. Ядерные ламины взаимодействуют с белками внутренней ядерной мембраны с образованием ядерной пластинки внутри ядерной оболочки. Ламины обладают эластичными и механочувствительными свойствами и могут изменять генную регуляцию в ответ на механические сигналы. Ламины присутствуют у всех животных, но не обнаруживаются в микроорганизмах, растениях или грибах. Белки ламина участвуют в разборке и преобразовании ядерной оболочки во время митоза, позиционировании ядерных пор и запрограммированной гибели клеток. Мутации в генах ламина могут привести к нескольким генетическим ламинопатиям, которые могут быть опасными для жизни.
Ламины были впервые идентифицированы в ядре клетки с помощью электронной микроскопии. Однако они не были признаны жизненно важными компонентами структурной поддержки ядра до 1975 года. В течение этого периода исследования ядер печени крысы показали, что ламины имеют архитектурную взаимосвязь с хроматином и ядерными порами. Позже, в 1978 году, методы иммуномечения показали, что ламины локализуются в ядерной оболочке под внутренней ядерной мембраной. Лишь в 1986 году анализ клонов ламина кДНК у разных видов подтвердил, что ламины принадлежат к семейству белков промежуточных филаментов (IF). Дальнейшие исследования обнаружили доказательства, подтверждающие, что все белки IF произошли от общего ламиноподобного предка. Эта теория основана на наблюдении, что организмы, содержащие белки ПФ, обязательно также содержат ламины; однако присутствие ламинов не является требованием для одновременного содержания белков ПФ. Более того, сравнение последовательностей между ламинами и белками IF подтверждает, что аминокислотная последовательность, характерная для ламинов, обнаруживается в ранних формах белков IF. Эта последовательность теряется в более поздних формах белков IF, указывая на то, что структура более поздних промежуточных филаментов расходилась. После этого исследования исследования ламинов замедлились. Исследования ламинов стали более популярными в 1990-х годах, когда было обнаружено, что мутации в генах, кодирующих ламины, могут быть связаны с мышечными дистрофиями, кардиомиопатиями и невропатиями. Текущие исследования проводятся с целью разработки методов лечения вышеупомянутых ламинопатий и изучения роли ламинов в процессе старения.
Структура ламинов состоит из трех единиц, общих для промежуточных филаментов: центрального домена α-спирального стержня, содержащего гептад повторы, окруженные глобулярным N и С-концевые домены. N-конец короче и расположен вверху (голова), а С-конец длиннее и расположен на конце (хвосте). Ламины имеют уникальную структуру гептадных повторов, которая носит непрерывный характер и содержит еще шесть гептад. В то время как головная область ламинов довольно последовательна, состав хвостовой области варьируется в зависимости от типа ламинов. Однако все С-концевые домены содержат последовательность ядерной локализации (NLS). Подобно другим белкам ПФ, ламины самоорганизуются в более сложные структуры. Основным элементом этих структур является димер типа coiled-coil. Димеры располагаются по типу «голова к хвосту», что позволяет образовывать протофиламент. Когда эти протофиламенты объединяются, они образуют ламинаты. Ламины организмов более высокого уровня, таких как позвоночные, продолжают собираться в паракристаллические массивы. Эти сложные структуры позволяют ядерным ламинам выполнять свои специализированные функции по поддержанию формы ядра, а также роли во время митоза и апоптоза.
Ламины делятся на две основные категории: A- и B-типы. Эти подразделения основаны на сходстве последовательностей кДНК, структурных особенностях, изоэлектрических точках и тенденциях экспрессии.
ламины A-типа характеризуются нейтральной изоэлектрической точкой, и они обычно появляются на более поздних стадиях эмбрионального развития. Экспрессируемые в дифференцированных клетках ламины А-типа происходят из гена LMNA. Две изоформы, ламины A и C, могут быть созданы из этого гена посредством альтернативного сплайсинга. Это создает высокую степень гомологии между изоформами. В отличие от ламина C, ламин A образуется в форме предшественника, называемой преламином A. Преламин A и ламин C различаются по структуре только на карбоксильном конце. Здесь преламин A содержит два дополнительных экзона, которых не хватает ламин C. Кроме того, ламин C содержит шесть уникальных аминокислотных остатков, в то время как преламин A содержит девяносто восемь остатков, которых нет в другой изоформе. Мотив CaaX обнаружен в уникальных остатках в преламине A. Из-за присутствия мотива CaaX преламин A претерпевает серию посттрансляционных модификаций, чтобы стать зрелым ламином A. Эти стадии включают фарнезилирование карбоксил концевой цистеин, эндопротеолитическое высвобождение концевых аминокислот, карбоксиметалирование доступного фарнезилцистеина и удаление последних пятнадцати остатков металлопротеазой цинка. Самая первая модификация, включающая фарнезилирование преламина A, имеет решающее значение для развития зрелого ламина A. Изоформа ламина C не подвергается посттрансляционным модификациям. Некоторые исследования продемонстрировали, что ламины А и С не требуются для образования ядерной пластинки, однако нарушения в гене LMNA могут способствовать физическим и умственным ограничениям.
Ламины B-типа характеризуются кислой изоэлектрической точкой, и они обычно экспрессируются в каждой клетке. Как и в случае ламинов A-типа, существует несколько изоформ ламинов B-типа, наиболее распространенными из которых являются ламин B1 и ламин B2. Они производятся из двух отдельных генов, LMNB1 и LMNB2. Подобно преламину A, ламины B-типа также содержат мотив CaaX на карбоксильном конце. Этот маркер запускает ту же последовательность посттрансляционных модификаций, ранее описанную для преламина A, за исключением последней стадии расщепления, в которой участвует металлопротеиназа цинка. Дальнейшие исследования ламинов B-типа у нескольких видов обнаружили доказательства, подтверждающие, что ламины B-типа существовали до ламинов A-типа. Это происходит из-за сходства в структуре ламинов B-типа у беспозвоночных и позвоночных. Кроме того, организмы, которые содержат только один ламин, содержат ламин B-типа. Другие исследования, в которых изучались структурные сходства и различия между ламинами A- и B-типа, показали, что положения интронов / экзонов в ламинах B-типа сохранены в ламинах A-типа, с большим количеством вариаций в ламинах A-типа.. Это говорит о том, что общим предком этих типов ламината был ламин B-типа.
Благодаря своим свойствам типа IF-протеина ламины поддерживают сохранение формы ядра. Они также играют косвенную роль в прикреплении ядра к эндоплазматической сети, образуя непрерывную единицу внутри клетки. Это достигается за счет соединения с ламинами и взаимодействующими с лами белками (SUN1 / SUN2) с белками внешней ядерной мембраны. Эти белки, в свою очередь, взаимодействуют с цитоскелетными элементами эндоплазматического ретикулума, образуя прочный комплекс, способный выдерживать механическое воздействие. Ядра, в которых отсутствуют ламины или имеют видоизмененные версии, имеют деформированную форму и не функционируют должным образом.
Во время митоза ламины фосфорилируются фактором, способствующим митозу (MPF), что приводит к разборке пластинки и ядерной оболочки. Это позволяет хроматину конденсироваться, а ДНК реплицируется. После сегрегации хромосом дефосфорилирование ядерных ламинов фосфатазой способствует повторной сборке ядерной оболочки.
Апоптоз - это высокоорганизованный процесс запрограммированной гибели клеток. Ламины являются ключевыми мишенями для этого процесса из-за их тесной связи с хроматином и ядерной оболочкой. Ферменты апоптоза, называемые каспазами, нацелены на ламины и расщепляют как A-, так и B-типы. Это позволяет хроматину отделиться от ядерной пластинки и конденсироваться. По мере продолжения апоптоза клеточные структуры медленно сжимаются в отдельные «пузырьки». Наконец, эти апоптотические тельца перевариваются фагоцитами. Исследования апоптоза с участием мутантных ламинов A- и B-типа, устойчивых к расщеплению каспазами, показывают снижение конденсации ДНК и образование «пузырей» апоптоза, тем самым подчеркивая важную роль ламинов в апоптозе.
Мутации в гене LMNA, кодирующем ламины A и C, могут вызывать ряд нарушений, начиная от мышечной дистрофии, невропатии, кардиомиопатии и синдромы преждевременного старения. В совокупности эти состояния известны как ламинопатии.
Одной из специфических ламинопатий является синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда (HGPS), характеризующийся преждевременным старением. Те, кто страдает этим заболеванием, кажутся нормальными при рождении, но проявляют признаки преждевременного старения, включая выпадение волос, худобу, аномалии суставов и замедленную моторику по мере развития. Кроме того, проблемы со здоровьем, обычно наблюдаемые у пожилых людей, такие как атеросклероз и высокое кровяное давление, возникают в гораздо более молодом возрасте. Люди с HGPS обычно умирают в раннем подростковом возрасте, обычно после сердечного приступа или инсульта.
HGPS вызывается точечной мутацией в гене LMNA, который кодирует ламин A. Генетическое изменение приводит к альтернативному сплайсингу, создавая мутированную форму преламина А, которая намного короче и лишена сайта расщепления металлопротеиназы цинка. Поскольку преламин А не может быть должным образом обработан во время посттрансляционных модификаций, он сохраняет свою липидную модификацию (фарнезилирование) и остается во внутренней ядерной мембране. Это нарушает механическую стабильность ядра, что приводит к более высокой скорости гибели клеток и, следовательно, более высокой скорости старения. Текущие исследования изучают эффекты ингибиторов фарнезилтрансферазы (FTI), чтобы выяснить, можно ли ингибировать прикрепление фарнезила во время посттрансляционной модификации преламина A для лечения пациентов с HGPS.
Некоторые ламинопатии поражают сердечную мышцу. Эти мутации вызывают целый спектр сердечных заболеваний, от отсутствия очевидного эффекта до тяжелой дилатационной кардиомиопатии, приводящей к сердечной недостаточности. Ламинопатии часто вызывают проблемы с сердечным ритмом на ранней стадии заболевания, включая аномально медленные сердечные ритмы, такие как дисфункция синусового узла и атриовентрикулярная блокада, а также аномально учащенное сердце ритмы, такие как желудочковая тахикардия. В результате пациенты с сердечными заболеваниями, вызванными ламинами A / C, в дополнение к лекарствам часто лечатся кардиостимуляторами или имплантируемыми дефибрилляторами.
