Lámina nuclear

La lámina nuclear es una red fibrilar densa (~30 a 100 nm de espesor) dentro del núcleo de las células eucariotas. Está compuesto por filamentos intermedios y proteínas asociadas a la membrana. Además de brindar soporte mecánico, la lámina nuclear regula eventos celulares importantes como la replicación del ADN y la división celular. Además, participa en la organización de la cromatina y ancla los complejos de poros nucleares incrustados en la envoltura nuclear.

La lámina nuclear está asociada con la cara interna de la membrana nuclear interna de la envoltura nuclear, mientras que la cara externa de la membrana nuclear externa se continúa con el retículo endoplásmico. La lámina nuclear es similar en estructura a la matriz nuclear, que se extiende por todo el nucleoplasma.

Estructura y composición

La lámina nuclear consta de dos componentes, láminas y proteínas de membrana asociadas a la lámina nuclear. Las láminas son filamentos intermedios de tipo V que pueden clasificarse como tipo A (láminas A, C) o tipo B (láminas B ₁, B ₂) según la homología de sus secuencias de ADN, propiedades bioquímicas y localización celular durante el ciclo celular. Los filamentos intermedios de tipo V se diferencian de los filamentos intermedios citoplasmáticos en que tienen un dominio de barra extendido (42 aminoácidos más largo), que todos llevan una señal de localización nuclear (NLS) en su extremo C y que muestran estructuras terciarias típicas. Los polipéptidos de lamina tienen una conformación α-helicoidal casi completa con múltiples dominios α-helicoidales separados por enlazadores no α-helicoidales que están altamente conservados en longitud y secuencia de aminoácidos. Tanto el extremo C-terminal como el extremo N-terminal no son α-helicoidales, mostrando el extremo C-terminal una estructura globular con un motivo plegado de tipo inmunoglobulina. Su peso molecular oscila entre 60 y 80 kilodaltons (kDa). En la secuencia de aminoácidos de una lámina nuclear, también hay dos sitios fosfoaceptores presentes, que flanquean el dominio de barra central. Un evento de fosforilación al inicio de la mitosis conduce a un cambio conformacional que provoca el desmontaje de la lámina nuclear. (discutido más adelante en el artículo)

En el genoma de los vertebrados, las laminas están codificadas por tres genes. Mediante splicing alternativo se obtienen al menos siete polipéptidos diferentes (variantes de splicing), algunos de los cuales son específicos de las células germinales y juegan un papel importante en la reorganización de la cromatina durante la meiosis. No todos los organismos tienen el mismo número de genes que codifican láminas; Drosophila melanogaster, por ejemplo, tiene solo 2 genes, mientras que Caenorhabditis elegans tiene solo uno.

La presencia de polipéptidos laminosos es una propiedad de todos los animales.

Las proteínas de membrana asociadas a láminas nucleares son proteínas de membrana integrales o periféricas. Los más importantes son los polipéptidos 1 y 2 asociados a la lámina (LAP1, LAP2), emerina, receptor de lámina B (LBR), otefina y MAN1. Debido a su posicionamiento dentro oa su asociación con la membrana interna, median la unión de la lámina nuclear a la envoltura nuclear.

Estructura y función de la lámina nuclear. La lámina nuclear se encuentra en la superficie interna de la membrana nuclear interna (INM), donde sirve para mantener la estabilidad nuclear, organizar la cromatina y unir complejos de poros nucleares (NPC) y una lista cada vez mayor de proteínas de la envoltura nuclear (púrpura) y factores de transcripción. (rosa). Las proteínas de la envoltura nuclear que se unen a la lámina incluyen nesprin, emerin, proteínas asociadas a la lámina 1 y 2 (LAP1 y LAP2), el receptor de lamin B (LBR) y MAN1. Los factores de transcripción que se unen a la lámina incluyen el regulador transcripcional (RB) del retinoblastoma, sin células germinales (GCL), la proteína de unión al elemento de respuesta a esteroles (SREBP1), FOS y MOK2. El factor de barrera a la autointegración (BAF) es una proteína asociada a la cromatina que también se une a la lámina nuclear y a varias de las proteínas de la envoltura nuclear antes mencionadas. La proteína heterocromatina 1 (HP1) se une tanto a la cromatina como al LBR. ONM, membrana nuclear externa.

Aspectos de rol e interacción

La lámina nuclear se ensambla mediante interacciones de dos polipéptidos de lámina en los que las regiones de hélice α se enrollan entre sí para formar una estructura de bobina enrollada de hélice α de dos hebras, seguida de una asociación de cabeza a cola de los múltiples dímeros. El polímero alargado linealmente se extiende lateralmente mediante una asociación de polímeros uno al lado del otro, lo que da como resultado una estructura 2D subyacente a la envoltura nuclear. Además de brindar soporte mecánico al núcleo, la lámina nuclear desempeña un papel esencial en la organización de la cromatina, la regulación del ciclo celular, la replicación y reparación del ADN, la diferenciación celular y la apoptosis.

Organización de la cromatina

La organización no aleatoria del genoma sugiere fuertemente que la lámina nuclear juega un papel en la organización de la cromatina. Se ha demostrado que los polipéptidos de lamina tienen afinidad por unirse a la cromatina a través de sus dominios α-helicoidales (similares a varillas) en secuencias de ADN específicas denominadas regiones de unión a la matriz (MAR). Un MAR tiene una longitud de aproximadamente 300 a 1000 pb y tiene un alto contenido de A/T. Lamin A y B también pueden unirse a histonas centrales a través de un elemento de secuencia en su dominio de cola.

La cromatina que interactúa con la lámina forma dominios asociados a la lámina (LAD). La longitud promedio de los LAD humanos es de 0,1 a 10 MBp. Los LAD están flanqueados por sitios de unión a CTCF.

Regulación del ciclo celular

Al comienzo de la mitosis (profase, prometafase), la maquinaria celular participa en el desmontaje de diversos componentes celulares, incluidas estructuras como la envoltura nuclear, la lámina nuclear y los complejos de poros nucleares. Esta descomposición nuclear es necesaria para permitir que el huso mitótico interactúe con los cromosomas (condensados) y los una a sus cinetocoros.

Estos diferentes eventos de desensamblaje son iniciados por el complejo proteína quinasa ciclina B/Cdk1 (MPF). Una vez activado este complejo, la célula es forzada a la mitosis, por la posterior activación y regulación de otras proteína quinasas o por fosforilación directa de proteínas estructurales implicadas en esta reorganización celular. Después de la fosforilación por ciclina B/Cdk ₁, la lámina nuclear se despolimeriza y las láminas de tipo B quedan asociadas a los fragmentos de la envoltura nuclear mientras que las láminas de tipo A permanecen completamente solubles durante el resto de la fase mitótica.

La importancia de la ruptura de la lámina nuclear en esta etapa está subrayada por experimentos en los que la inhibición del evento de desensamblaje conduce a una detención completa del ciclo celular.

Al final de la mitosis (anafase, telofase) hay un reensamblaje nuclear altamente regulado en el tiempo, comenzando con la asociación de proteínas 'esqueléticas' en la superficie de los cromosomas aún parcialmente condensados, seguido por el ensamblaje de la envoltura nuclear. Se forman nuevos complejos de poros nucleares a través de los cuales se importan activamente láminas nucleares mediante el uso de su NLS. Esta jerarquía típica plantea la cuestión de si la lámina nuclear en esta etapa tiene un papel estabilizador o alguna función reguladora, ya que está claro que no juega un papel esencial en el ensamblaje de la membrana nuclear alrededor de la cromatina.

Desarrollo embrionario y diferenciación celular

La presencia de láminas en el desarrollo embrionario se observa fácilmente en varios organismos modelo como Xenopus laevis, el pollo y los mamíferos. En Xenopus laevis, se identificaron cinco tipos diferentes que están presentes en diferentes patrones de expresión durante las diferentes etapas del desarrollo embrionario. Los tipos principales son LI y LII, que se consideran homólogos de lamina B ₁ y B2. Los LA se consideran homólogos a la lámina A y LIII como una lámina de tipo B. Existe un cuarto tipo y es específico de células germinales.

En las primeras etapas embrionarias del pollito, las únicas láminas presentes son las láminas de tipo B. En etapas posteriores, el patrón de expresión de la lamina B ₁ disminuye y hay un aumento gradual en la expresión de la lamina A. El desarrollo de los mamíferos parece progresar de manera similar. En el último caso también son las láminas de tipo B las que se expresan en las primeras etapas. Lamin B1 alcanza el nivel de expresión más alto, mientras que la expresión de B2 es relativamente constante en las primeras etapas y comienza a aumentar después de la diferenciación celular. Con el desarrollo de los diferentes tipos de tejido en una etapa de desarrollo relativamente avanzada, hay un aumento en los niveles de lamina A y lamina C.

Estos hallazgos indicarían que, en su forma más básica, una lámina nuclear funcional requiere solo láminas de tipo B.

Replicación del ADN

Varios experimentos muestran que la lámina nuclear juega un papel en la fase de elongación de la replicación del ADN. Se ha sugerido que las láminas proporcionan un andamiaje, esencial para el ensamblaje de los complejos de elongación, o que proporcionan un punto de iniciación para el ensamblaje de este andamiaje nuclear.

No sólo están presentes las láminas asociadas a la lámina nuclear durante la replicación, sino que también están presentes los polipéptidos de la lámina libre y parece que tienen alguna parte reguladora en el proceso de replicación.

Reparación de ADN

La reparación de roturas de doble cadena de ADN puede ocurrir mediante cualquiera de dos procesos, unión de extremos no homólogos (NHEJ) o recombinación homóloga (HR). Las laminas de tipo A promueven la estabilidad genética al mantener los niveles de proteínas que tienen funciones clave en NHEJ y HR. Las células de ratón deficientes para la maduración de la prelamina A muestran un mayor daño en el ADN y aberraciones cromosómicas y son más sensibles a los agentes que dañan el ADN.

Apoptosis

La apoptosis es una forma de muerte celular programada que es crítica en la homeostasis de los tejidos y en la defensa del organismo contra la entrada invasiva de patógenos. La apoptosis es un proceso altamente regulado en el que la lámina nuclear se desmonta en una etapa temprana.

En contraste con el desensamblaje inducido por la fosforilación durante la mitosis, la lámina nuclear se degrada por escisión proteolítica, y tanto las láminas como las proteínas de membrana asociadas a la lámina nuclear son el objetivo. Esta actividad proteolítica es realizada por miembros de la familia de proteínas caspasas que escinden las láminas después de los residuos de ácido aspártico (Asp).

Laminopatías

Los defectos en los genes que codifican la lamina nuclear (como la lamina A y la lamina B ₁ ) se han implicado en una variedad de enfermedades (laminopatías) como:

• Distrofia muscular de Emery-Dreifuss - Una enfermedad de desgaste muscular
• Progeria - Envejecimiento prematuro
• Dermopatía restrictiva: una enfermedad asociada con una piel extremadamente tirante y otras anomalías neonatales graves.