Lámina nuclear

Non se debe confundir coa proteína lamina

A lámina nuclear é unha rede fibrilar densa (de ~30 a 100 nm de grosor) situada na cara interna da envoltura nuclear do núcleo das células eucariotas. Está composta por filamentos intermedios e proteínas asociadas a membranas. Ademais de proporcionar soporte mecánico, a lámina nuclear regula importantes procesos celulares como a replicación do ADN e a división celular. Adicionalmente, participa na organización da cromatina e serve como punto de fixación dos complexos dos poros nucleares da envoltura nuclear.

A lámina nuclear está asociada coa cara interna da membrana nuclear interna (unha das dúas membranas da envoltura nuclear), mentres que que a membrana nuclear externa, pola súa cara citoplasmática, continúase coas cisternas do retículo endoplasmático.

Estrutura e composición

A lámina nuclear consta de dous compoñentes: proteínas laminas (sic) e proteínas de membrana nucleares asociadas a laminas. As laminas son filamentos intermedios de clase V, que se poden clasificar en laminas tipo A (que inclúe ás laminas A e C) e laminas de tipo B (que inclúe as laminas B₁, B₂) tendo en conta a súa homoloxía de secuencias, propiedades bioquímicas e localización durante o ciclo celular. Os filamentos intermedios de tipo V difiren dos filamentos intermedios citoplasmáticos no modo en que teñen un dominio con forma de bastón estendido de 42 aminoácidos de longo, e en que todos levan un sinal de localización nuclear no seu extremo C-terminal e mais en que mostran estruturas terciarias características. Os polipéptidos de laminas teñen unha conformación en hélice α case en toda a molécula con múltiples dominios en hélice α separados por tramos non en hélice α que están moi conservados evolutivamente en lonxitude e secuencia de aminoácidos. Tanto os extremos C-terminal coma N-terminal non son en hélice α, e o C-terminal mostra unha estrutura globular. O seu peso molecular varía entre 60 a 80 quilodaltons (kDa). Na secuencia de aminoácidos das laminas nucleares, hai tamén dous sitios fosfoaceptores, flanqueando o dominio central en bastón. A fosforilación das laminas ao comezo da mitose orixina un cambio conformacional que causa a desensamblaxe da lámina nuclear (explicada máis abaixo).

No xenoma dos vertebrados as laminas están codificadas por tres xenes. Debido a un corte ou splicing alternativo do ARNm poden formarse sete diferentes polipéptidos, algúns dos cales son específicos das células xerminais e xogan un importante papel na reorganización da cromatina durante a meiose. Non todos os organismos teñen o mesmo número de xenes codificantes de laminas. Drosophila melanogaster, por exemplo, ten só dous destes xenes, mentres que o verme Caenorhabditis elegans ten só un. A presenza de polipéptidos de laminas é unha propiedade exclusiva dos metazoos. As plantas ou os organismos eucariotas unicelulares como o lévedo Saccharomyces cerevisiae non teñen laminas.

As proteínas de membrana nucleares asociadas a laminas son tanto intrínsecas coma extrínsecas. As máis importantes son os polipéptidos 1 e 2 asociados a laminas (LAP₁, LAP₂), emerina, receptor da lamina B (LBR), otefina e MAN₁. Debido á súa posición dentro da membrana ou á súa asociación coa membrana interna, median na unión da lámina nuclear á envoltura nuclear.

Estrutura e función da lámina nuclear. A lámina nuclear repousa sobre a cara interna da membrana nuclear interna (INM), onde serve para manter a estabilidade nuclear, organizar a cromatina e fixar os complexos dos poros nucleares (NPCs) e unha lista constantemente crecente de proteínas da envoltura nuclear (en púrpura) e factores de transcrición (en rosa). As proteínas da envoltura nuclear que están unidas á lámina inclúen nesprina, emerina, proteínas 1 e 2 asociadas a laminas (LAP1 e LAP2), o receptor da lamina B (LBR) e MAN1. Factores de transcrición que se unen á lámina inclúen o regulador transcricional do retinoblastoma (RB), (GCL), a proteína de unión ao elemento de resposta do colesterol (SREBP1), FOS e MOK2. O factor barreira de autointegración (BAF) é unha proteína asociada á cromatina que tamén se une á lámina nuclear e a varias das xa mencionadas proteínas da envoltura nuclear. A proteína 1 da heterocromatina (HP1) une a cromatina co LBR. Na figura ONM significa membrana nuclear externa. Coutinho et al. Immunity & Ageing 2009

Ensamblaxe

A lámina nuclear constrúese por medio da interacción de dous polipéptidos do tipo das laminas cuxas rexións en hálice α se enrolan unha sobre a outra para formar unha estrutura dímera de dúas cadeas en hélice α enroladas en espiral, seguida dunha asociación cabeza-cola dos múltiples dímeros. Este polímero alongado lonxitudinalmente esténdese cara aos lados por unha asociación de máis polímeros acaroados nas súas partes laterais, orixinando unha estrutura bidimensional subxacente á envoltura nuclear.

Funcións

Ademais de dar un soporte mecánico ao núcleo, a lámina nuclear xoga un papel esencial na organización da cromatina, regulación do ciclo celular, replicación do ADN, diferenciación celular e apoptose.

Organización da cromatina

A organización non aleatoria do material xenético no núcleo suxire que a lámina nuclear intervén na organiación da cromatina. De feito, está demostrado que as laminas teñen unha afinidade para ligarse á cromatina a través dos seus dominios en hélice α (con forma de bastón) a secuencias específicas de ADN chamadas rexións de unión da matriz (MAR). A MAR ten unha lonxitude de aproximadamente 300–1000 pares de bases e ten un alto contido en A/T. As laminas A e B poden unirse tamén ás histonas do octámero do nucleosoma por medio dunha secuencia do seu dominio de cola.

Regulación do ciclo celular

Ao comezo da mitose, (profase, prometafase) a maquinaria celular dedícase a desensamblar varios compoñentes celulares incluíndo estruturas tales como a envoltura nuclear, a lámina nuclear e os complexos dos poros nucleares. Esta desensamblaxe é necesaria para permitir que o fuso mitótico interaccione cos cromosomas condensados e se una a eles polos seus cinetocoros.

Este proceso de desensamblaxe é iniciado polo complexo proteína quinase ciclina B/Cdk1 (MPF). Unha vez que este complexo está activado, a célula vese forzada a iniciar a mitose pola subseguinte activación e regulación doutras proteín quinases ou pola fosforilación directa de proteínas estruturais implicadas nesta reorganización celular. Despois da fosforilación pola ciclina B/Cdk₁, a lámina nuclear despolimerízase e as laminas de tipo B permanecen asociadas cos fragmentos da envoltura nuclear, entanto que as laminas de tipo A continúan en estado soluble durante todo o resto da fase mitótica.

A importancía da disgregación da lámina nuclear neste estadio é subliñada por diversos experimentos nos que a inhibición do procceso de desensamblaxe orixina unha parada total do ciclo celular.

Ao final da mitose, (anafase, telofase) prodúcese unha reensamblaxe dos compoñentes nucleares, que está moi ben regulada no tempo, empezando coa asociación de proteínas 'esqueléticas' na superficie dos aínda só parcialmente condensados cromosomas, seguida da ensamblaxe da envoltura nuclear. Fórmanse novos complexos dos poros nucleares a través dos cales as proteínas laminas nucleares poden ser importadas activamente grazas aos seus sinais de localización nuclear. Esta xerarquía típica de acontecementos fai que nos formulemos a pregunta de se a lámina nuclear neste estadio ten un papel estabilizador ou algunha función regulatoria, pois está claro que o seu papel non é esencial para a formación da membrana nuclear arredor da cromatina.

Desenvolvemento embrionario e diferenciación celular

A presenza das laminas no desenvolvemento embrionario pode observarse doadamente en varios organismos modelo tales como o anfibio Xenopus laevis, o polo e os mamíferos. En Xenopus laevis, foron identificados cinco tipos deferentes, que están presentes con diferentes patróns de expresión durante distintas fases do desenvolvemento embrionario. Os tipos principais son LI e LII, os cales son considerados homólogos das laminas B₁ e B₂. O tipo LA considérase homólogo da lamina A, e LIII dunha lamina de tipo B. Existe un cuarto tipo que é específico das células xerminais.

Nas fases embrionarias iniciais do polo, as únicas laminas presentes son laminas tipo B. En fases posteriores, os patróns de expresión da lamina B₁ decrecen e hai un gradual incremento da expresión da lamina A. O desenvolvemento dos mamíferos parece progresar do mesmo xeito. Neste último caso tamén son as laminas de tipo B as que se expresan nas fases iniciais. A lamina B1 acada o seu máximo nivel de expresión, pero a expresión da B2 é relativamente constante nas fases iniciais e comeza a incrementarse despois da diferenciación celular. Durante o desenvolvemento dos distintos tecidos en fases relativamente máis avanzadas do desenvolvemento, hai un incremento nos niveis das laminas A e C.

Estes resultados indicarían que na súa forma máis básica, unha lámina nuclear funcional requiriría só laminas de tipo B.

Replicación do ADN

Varios experimentos mostraron que a lámina nuclear xoga un papel na fase de elongación da replicación do ADN. Suxeriuse que as laminas proporcionan un armazón, esencial para a ensamblaxe dos complexos de elongación, ou que fornecen un punto de iniciación para a ensamblaxe do armazón nuclear.

Durante a replicación non só están presentes as proteínas laminas asociadas á lámina nuclear, senón tamén proteínas laminas libres, que parecen ter algún papel regulatorio no proceso de replicación.

Apoptose

A apoptose, considerada basicamente como un suicidio celular, é de máxima importancia na homeostase do tecido e na defensa do organismo contra a entrada invasiva de virus ou outros patóxenos. A apoptose é un proceso moi regulado no cal a lámina nuclear se disgrega nos momentos iniciais da mesma.

A diferenza da disgregación da lámina nuclear inducida por fosforilación durante a mitose, na apoptose a lámina nuclear degrádase por escisión proteolítica, e vense afectadas tanto as laminas coma as proteínas nucleares de membrana asociadas a laminas. Esta actividade proteolítica está protagonizada por membros da familia de proteínas das caspases, as cales cortan as laminas xusto despois dos residuos de ácido aspártico (Asp).

Laminopatías

Defectos nos xenes que codifican as laminas nucleares (como as laminas A e B₁) están implicados en varias doenzas chamadas laminopatías, tales como:

• Distrofia muscular de Emery-Dreifuss - Unha doenza debilitante dos músculos.
• Proxeria - Envellecemento prematuro.
• Dermopatía restritiva - Unha enfermidade asociada con ter unha pel extemadamente tirante e outras anormalidades neonatais graves.

Notas

• Ayelet Margalit, Sylvia Vlcek, Yozef Gruenbaum, Roland Foisner (2005). Breaking and Making of the Nuclear Envelope. Journal of Cellular Biochemistry 95, 454-465
• Bruce Alberts, et al. Molecular Biology of the Cell (4th edition). Garland Science 676-677
• Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell, A Molecular Approach (4th edition). Sinauer Associates 356-360
• Goldman et al.(2002). "Nuclear lamins: building blocks of nuclear architecture". Genes and Development 16,533-547
• Joanna M. Bridger, Nicole Foeger, Ian R. Kill, Harald Herrmann (2007). The Nuclear Lamina: both a structural framework and a platform for genome organization. FEBS Journal 274, 1354-1361
• Nico Stuurman, Susanne Heins, Ueli Aebi (1998). Nuclear Lamins: Their Structure, Assembly and Interactions. Journal of Structural Biology 122, 42-46
• Tripathi K, Muralikrishna B and Parnaik VK (2009) Differential dynamics and stability of lamin A rod domain mutants IJIB , 5(1), 1-8
• Yozef Gruenbaum, Katherine L. Wilson, Amnon Harel, Michal Goldberg, Merav Cohen (2000). Nuclear Lamins – Structural Proteins with fundamental functions. Journal of Structural Biology 129, 313-323

Véxase tamén

Outros artigos

• Núcleo celular
• Envoltura nuclear
• Poro nuclear
• Lamina (proteína)
• Nucleoplasma

Ligazóns externas

• Nuclear Lamina Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.