Ламины , также известные как ядерные ламины , представляют собой фибриллярные белки в промежуточных филаментах типа V , обеспечивающие структурную функцию и транскрипционную регуляцию в ядре клетки . Ядерные ламины взаимодействуют с белками внутренней ядерной мембраны , образуя ядерную ламину на внутренней стороне ядерной оболочки . Ламины обладают эластичными и механочувствительными свойствами и могут изменять регуляцию генов в ответ на механические сигналы по принципу обратной связи. [1] Ламины присутствуют у всех животных, но не обнаружены у микроорганизмов , растений или грибов . [2] [3] Белки ламинов участвуют в разборке и реформировании ядерной оболочки во время митоза , позиционировании ядерных пор и запрограммированной гибели клеток . Мутации в генах ламинов 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 ядерной структурной поддержки до 1975 года. [4] В этот период исследования ядер печени крысы показали, что ламины имеют архитектурную связь с хроматином и ядерными порами. [5] Позже, в 1978 году, методы иммуномаркирования показали, что ламины локализуются в ядерной оболочке под внутренней ядерной мембраной. Только в 1986 году анализ клонов кДНК ламинов у различных видов подтвердил, что ламины принадлежат к семейству белков промежуточных филаментов (IF). [4] Дальнейшие исследования нашли доказательства, подтверждающие, что все белки IF произошли от общего ламиноподобного предка. Эта теория основана на наблюдении, что организмы, содержащие белки IF, обязательно содержат также ламины; однако присутствие ламинов не является обязательным условием для одновременного содержания белков IF. Более того, сравнение последовательностей между ламинами и белками IF подтверждает, что аминокислотная последовательность, характерная для ламинов, обнаружена в ранних формах белков IF. Эта последовательность утрачена в более поздних формах белков IF, что позволяет предположить, что структура более поздних промежуточных филаментов расходится. [6] [7] 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. [8] [9] В настоящее время проводятся исследования с целью разработки методов лечения вышеупомянутых ламинопатий и изучения роли ламинов в процессе старения.
Структура ламинов состоит из трех единиц, которые являются общими для промежуточных филаментов: центральный домен α-спирального стержня, содержащий гептадные повторы, окруженный глобулярными N- и C-концевыми доменами. N-конец короче и расположен наверху (голова), в то время как C-конец длиннее и расположен на конце (хвост). [2] [10] Ламины имеют уникальную структуру гептадных повторов, которая является непрерывной по своей природе и содержит дополнительные шесть гептад. [11] В то время как головной домен ламинов довольно постоянен, состав хвостового домена варьируется в зависимости от типа ламина. Однако все C-концевые домены содержат последовательность ядерной локализации (NLS). Подобно другим белкам IF, ламины самоорганизуются в более сложные структуры. Основной единицей этих структур является димер с двойной спиралью. Димеры выстраиваются в порядке голова к хвосту, что позволяет формировать протофиламент. По мере того, как эти протофиламенты объединяются, они образуют ламиновые нити. Ламины организмов более высокого уровня, таких как позвоночные, продолжают собираться в паракристаллические массивы. [2] 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: типы A и B. Эти подразделения основаны на сходстве последовательностей ДНК, структурных особенностях, изоэлектрических точках и тенденциях экспрессии. [2] [5]
Ламины типа А характеризуются нейтральной изоэлектрической точкой и обычно проявляются на более поздних стадиях эмбрионального развития. Экспрессируемые в дифференцированных клетках, ламины типа А происходят из гена LMNA . [12] Из этого гена могут быть созданы две изоформы, ламины A и C, посредством альтернативного сплайсинга . Это создает высокую степень гомологии между изоформами. [4] 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 нет у ламина C. Кроме того, ламин C содержит шесть уникальных аминокислотных остатков, в то время как преламин A содержит девяносто восемь остатков, не обнаруженных в другой изоформе. [9] Мотив CaaX обнаружен в уникальных остатках в преламине A. Из-за наличия мотива CaaX преламин A претерпевает ряд посттрансляционных модификаций , чтобы стать зрелым ламином A. Эти шаги включают фарнезилирование карбоксильного концевого цистеина, эндопротеолитическое высвобождение концевых аминокислот, карбоксиметалирование доступного фарнезилцистеина и удаление последних пятнадцати остатков цинковой металлопротеазой. Самая первая модификация, включающая фарнезилирование преламина A, имеет решающее значение для развития зрелого ламина A. Изоформа ламина C не претерпевает посттрансляционных модификаций. [9] [13] Некоторые исследования показали, что ламины A и C не требуются для формирования ядерной пластинки, однако нарушения в гене LMNA могут способствовать физическим и умственным ограничениям. [14]
Ламины типа B характеризуются кислой изоэлектрической точкой и обычно экспрессируются в каждой клетке. [12] [15] Как и в случае с ламинами типа A, существует несколько изоформ ламинов типа B, наиболее распространенными из которых являются ламин B1 и ламин B2 . Они производятся из двух отдельных генов, LMNB1 и LMNB2 . [9] Подобно преламину A, ламины типа B также содержат мотив CaaX на карбоксильном конце. Этот маркер запускает ту же последовательность посттрансляционных модификаций, которая ранее была описана для преламина A, за исключением конечного этапа расщепления с участием цинковой металлопротеазы. [9] [13] Дальнейшие исследования ламинов типа B у разных видов обнаружили доказательства, подтверждающие, что ламины типа B существовали до ламинов типа A. Это вытекает из сходства структуры ламинов типа B у беспозвоночных и позвоночных. Кроме того, организмы, которые содержат только один ламин, содержат ламин типа B. [6] Другие исследования, которые изучали структурные сходства и различия между ламинами типа A и B, обнаружили, что позиции интронов/экзонов в ламинах типа B были сохранены в ламинах типа A, с большим количеством вариаций в ламинах типа A. Это говорит о том, что общим предком этих типов ламинов был ламин типа B.
Благодаря своим свойствам как типа белка IF, ламины обеспечивают поддержку для поддержания формы ядра. Они также играют косвенную роль в закреплении ядра на эндоплазматическом ретикулуме , образуя непрерывную единицу внутри клетки. Это достигается за счет ламина и взаимодействующих с ламином белков (SUN1/SUN2), соединяющихся с белками на внешней ядерной мембране. Эти белки, в свою очередь, взаимодействуют с цитоскелетными элементами эндоплазматического ретикулума, образуя прочный комплекс, который может выдерживать механическое напряжение. [6] Ядра, в которых отсутствуют ламины или которые имеют мутировавшие версии, имеют деформированную форму и не функционируют должным образом. [2]
Во время митоза ламины фосфорилируются фактором митоза (MPF), который запускает разборку ламины и ядерной оболочки. Это позволяет хроматину конденсироваться и ДНК реплицироваться. После сегрегации хромосом дефосфорилирование ядерных ламинов фосфатазой способствует повторной сборке ядерной оболочки.
Апоптоз — это высокоорганизованный процесс запрограммированной гибели клеток. Ламины являются важнейшими мишенями для этого процесса из-за их тесной связи с хроматином и ядерной оболочкой. Апоптотические ферменты, называемые каспазами, нацелены на ламины и расщепляют как A-, так и B-типы. [15] Это позволяет хроматину отделиться от ядерной ламины, чтобы уплотниться. По мере продолжения апоптоза клеточные структуры медленно сжимаются в компартментализированные «пузырьки». Наконец, эти апоптотические тельца перевариваются фагоцитами . [3] Исследования апоптоза с участием мутантных ламинов A- и B-типов, которые устойчивы к расщеплению каспазами, показывают снижение конденсации ДНК и образование апоптотических «пузырьков», тем самым подчеркивая важную роль ламинов в апоптозе. [10]
Мутации в гене LMNA, кодирующем ламины A и C, могут вызывать ряд расстройств, начиная от мышечных дистрофий , невропатий , кардиомиопатий и синдромов 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, выглядят нормальными при рождении, но по мере развития проявляют признаки преждевременного старения, включая потерю волос, худобу, аномалии суставов и слабые двигательные навыки. Кроме того, проблемы со здоровьем, обычно наблюдаемые у пожилых людей, такие как атеросклероз и высокое кровяное давление, возникают в гораздо более молодом возрасте. Те, кто страдает HGPS, обычно умирают в раннем подростковом возрасте, как правило, после сердечного приступа или инсульта. [3] [16]
HGPS вызван точечной мутацией в гене LMNA , который кодирует ламин A. Генетическое изменение приводит к альтернативному сплайсингу, создавая мутированную форму преламина A, которая намного короче и не имеет сайта расщепления для цинковой металлопротеазы. Поскольку преламин A 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. [3] Текущие исследования изучают эффекты ингибиторов фарнезилтрансферазы (FTI), чтобы выяснить, можно ли ингибировать присоединение фарнезила во время посттрансляционной модификации преламина A с целью лечения пациентов с HGPS. [8]
Некоторые ламинопатии поражают сердечную мышцу . Эти мутации вызывают спектр заболеваний сердца, начиная от отсутствия видимых эффектов до тяжелой дилатационной кардиомиопатии, приводящей к сердечной недостаточности . Ламинопатии часто вызывают проблемы с сердечным ритмом на ранней стадии процесса заболевания, включая аномально медленные сердечные ритмы, такие как дисфункция синусового узла и атриовентрикулярная блокада , и аномально быстрые сердечные ритмы, такие как желудочковая тахикардия . В результате, люди с болезнью сердца Lamin A/C часто лечатся с помощью кардиостимуляторов или имплантируемых дефибрилляторов в дополнение к лекарствам. [17]