Ядерна пластинка
Ядерна пластинка або ядерна ламіна — це щільна волокниста сітка білків, яка вистилає внутрішню поверхню ядерної мембрани клітинних ядер еукаріотичних клітин. Це мережа волокон товщиною від 30 до 100 нм, що складається з проміжних філаментів і мембранних білків, і відіграє вирішальну роль у підтримці структурної цілісності ядра.[1][2]
Крім структурної функції, ядерна пластинка бере участь у реплікації ДНК і поділі клітин, в організації хроматину та регуляції експресії генів, а також закріплює ядерні порові комплекси, вбудовані в ядерну оболонку.[3][4]
Ядерна пластинка пов'язана з внутрішньою стороною внутрішньої ядерної мембрани ядерної оболонки. Ядерна пластинка схожа за структурою на ядерний матрикс, який простягається по всій нуклеоплазмі.
Ядерна пластинка – це складна мережа білків, яка забезпечує опорний каркас для ядерної оболонки. Її основні компоненти включають ламіни та асоційовані з ламінами білки.
Наявність ламінових поліпептидів є властивістю всіх тварин. У геномі хребетних ламіни кодуються трьома генами. Шляхом альтернативного сплайсингу отримують принаймні сім різних поліпептидів (варіантів сплайсингу), деякі з яких є специфічними для статевих клітин і відіграють важливу роль у реорганізації хроматину під час мейозу. Не всі організми мають однакову кількість генів, що кодують ламін; Drosophila melanogaster, наприклад, має лише 2 гени, тоді як Caenorhabditis elegans має лише один.
Первинними компонентами ядерної пластинки є ламіни, сімейство білків проміжних філаментів. Вони утворюють паралельні розташовані в шаховому порядку димери, які асоціюються латерально, створюючи структури вищого порядку, такі як нитки та мережі.
Ламіни мають характерну молекулярну структуру, що складається з центрального альфа-спірального стрижневого домену з спіральною спіраллю, фланкованого глобулярними головним і хвостовим доменами. Стрижневий домен сприяє димеризації та утворенню структур вищого порядку. Глобулярні домени забезпечують взаємодію з іншими білками та складання ламінів у щільну сітку.
Ламіни можна класифікувати на два основних типи: тип А і тип В. Кожен тип має різні властивості та функції в клітині:
Ламіни А-типу: ламіни А-типу кодуються геном LMNA і включають ламін А та ламін С, які утворюються шляхом альтернативного сплайсингу. Ламіни А-типу в основному експресуються в диференційованих клітинах і відіграють важливу роль у підтримці ядерної структури, організації хроматину та регуляції генів.
Ламіни B-типу: ламіни B-типу кодуються окремими генами, LMNB1 і LMNB2, які утворюють ламін B1 і ламін B2 відповідно. Ламіни B-типу експресуються в усіх типах клітин, і вони необхідні для клітинної проліферації та правильної збірки ядерної оболонки під час клітинного поділу.
Крім ламінів, кілька інших білків взаємодіють з ядерною пластинкою, сприяючи її загальній функції та організації. Ці білки включають інтегральні білки внутрішньої ядерної мембрани (наприклад, емерин, рецептор ламіну В), а також периферичні мембранні білки, що беруть участь в організації хроматину, регуляції генів і передачі сигналу. Завдяки своєму розташуванню всередині внутрішньої мембрани або асоціації з нею вони опосередковують прикріплення ядерної пластинки до ядерної оболонки.
Ядерна пластинка збирається шляхом взаємодії двох поліпептидів ламіну, в яких α-спіральні ділянки накручені одна навколо одної, щоб утворити дволанцюгову α-спіральну структуру зі згорнутою спіраллю, за якою слідує асоціація численних димерів «голова до хвоста».[6] Лінійно витягнутий полімер витягнутий убік за рахунок асоціації полімерів, яка розташована поруч, у результаті чого утворюється двовимірна структура, що лежить в основі ядерної оболонки. Окрім забезпечення механічної підтримки ядра, ядерна пластинка відіграє важливу роль в організації хроматину, регуляції клітинного циклу, реплікації ДНК, відновленні ДНК, диференціації клітин і апоптозі.
Невипадкова організація геному переконливо свідчить про те, що ядерна пластинка відіграє певну роль в організації хроматину. Було показано, що поліпептиди ламіну мають спорідненість до зв’язування хроматину через їхні α-спіральні (стрижнеподібні) домени в специфічних послідовностях ДНК, які називаються областями приєднання матриці (MAR). MAR має довжину приблизно 300–1000 bp і має високий вміст A/T. Ламіни A і B також можуть зв'язувати гістони через елемент послідовності в їх хвостовому домені.
Хроматин, який взаємодіє з пластинкою, утворює асоційовані з пластинкою домени (LAD). Середня довжина LAD людини становить 0,1–10 MBp. LAD фланковані CTCF-зв'язуючими сайтами.[7]
На початку мітозу (профази, прометафази) клітинний механізм бере участь у розбиранні різних клітинних компонентів, включаючи такі структури, як ядерна оболонка, ядерна пластинка та комплекси ядерних пор. Цей ядерний розпад необхідний для того, щоб мітотичне веретено могло взаємодіяти з (конденсованими) хромосомами та зв’язувати їх у своїх кінетохорах.
Ці різні події розбирання ініціюються протеїнкіназним комплексом циклін B/Cdk1 (MPF). Як тільки цей комплекс активується, клітина примушується до мітозу шляхом наступної активації та регуляції інших протеїнкіназ або прямого фосфорилювання структурних білків, які беруть участь у цій клітинній реорганізації. Після фосфорилювання цикліном B/Cdk1, ядерна пластинка деполімеризується, і ламіни B-типу залишаються пов’язаними з фрагментами ядерної оболонки, тоді як ламіни A-типу залишаються повністю розчинними протягом решти мітотичної фази.
Важливість розпаду ядерної пластинки на цьому етапі підкреслюється експериментами, де інгібування події розкладання призводить до повної зупинки клітинного циклу.
Наприкінці мітозу (анафаза, телофаза) відбувається ядерна повторна збірка, яка сильно регулюється в часі, починаючи з асоціації «скелетних» білків на поверхні ще частково конденсованих хромосом, після чого відбувається збірка ядерної оболонки. Утворюються нові комплекси ядерних пор, через які ядерні ламіни активно імпортуються за допомогою їх NLS. Ця типова ієрархія ставить питання про те, чи виконує ядерна пластинка на цій стадії стабілізуючу роль чи якусь регулятивну функцію, оскільки ясно, що вона не відіграє істотної ролі в зборі ядерної мембрани навколо хроматину.
Наявність ламінів в ембріональному розвитку легко спостерігається в різних модельних організмах, таких як Xenopus laevis, курча та ссавці. У Xenopus laevis ідентифіковано п'ять різних типів, які присутні в різних моделях експресії на різних стадіях ембріонального розвитку. Основними типами є LI і LII, які вважаються гомологами ламіну B1 і B2. LA вважаються гомологічними ламіну A та LIII як ламін B-типу. Існує четвертий тип, специфічний для статевих клітин.
На ранніх ембріональних стадіях курчати наявні лише ламіни В-типу. На наступних стадіях експресія ламіну B 1 знижується, і спостерігається поступове збільшення експресії ламіну A. Здається, розвиток ссавців прогресує подібним чином. В останньому випадку також на ранніх стадіях експресуються ламіни В-типу. Ламін B1 досягає найвищого рівня експресії, тоді як експресія B2 є відносно постійною на ранніх стадіях і починає збільшуватися після диференціювання клітин. З розвитком різних типів тканин на відносно просунутій стадії розвитку відбувається збільшення рівнів ламіну А та ламіну С.
Ці знахідки вказують на те, що у своїй основній формі функціональна ядерна пластинка потребує лише пластин B-типу.
Різні експерименти показують, що ядерна пластинка відіграє роль у фазі подовження реплікації ДНК. Було припущено, що ламіни забезпечують каркас, необхідний для складання комплексів елонгації, або що вони забезпечують точку ініціації для складання цього ядерного каркасу.
Під час реплікації присутні не тільки ламіни, пов’язані з ядерною пластинкою, але також присутні вільні поліпептиди ламіну, які, здається, відіграють деяку регулятивну роль у процесі реплікації.
Репарація (відновлення) дволанцюгових розривів ДНК може відбуватися за допомогою одного з двох процесів: негомологічного з’єднання кінців (NHEJ) або гомологічної рекомбінації (HR). Ламіни А-типу сприяють генетичній стабільності, підтримуючи рівні білків, які відіграють ключову роль у NHEJ та HR.[8] Мишачі клітини, дефіцитні для дозрівання преламіну А, демонструють підвищене пошкодження ДНК та хромосомні аберації та є більш чутливими до агентів, що пошкоджують ДНК.[9]
Апоптоз є формою запрограмованої клітинної смерті, яка має вирішальне значення для гомеостазу тканин і захисту організму від інвазивного проникнення патогенів. Апоптоз — це чітко регульований процес, під час якого ядерна пластинка розбирається на ранній стадії.
На відміну від індукованого фосфорилюванням розбирання під час мітозу, ядерна пластинка руйнується шляхом протеолітичного розщеплення, і цільовими є як ламіни, так і асоційовані з ядерною пластинкою мембранні білки. Ця протеолітична активність здійснюється членами сімейства каспаз-білків, які розщеплюють ламіни після залишків аспарагінової кислоти (Asp).
Дефекти в генах, що кодують ядерний ламін (таких як ламін А і ламін B1), були причетні до різноманітних захворювань (ламінопатій), таких як[10][11][12][13]:
- М'язова дистрофія Емері-Дрейфуса - хвороба виснаження м'язів.
- Прогерія - передчасне старіння.
- Рестриктивна дермопатія - захворювання, пов'язане з надзвичайно напруженою шкірою та іншими важкими аномаліями новонародженого.
Вивчення ядерної пластинки вимагає поєднання передових методів дослідження, які дозволяють візуалізувати, маніпулювати та аналізувати її структуру, функції та взаємодію з іншими клітинними компонентами. Деякі з найбільш часто використовуваних методів включають:
- Імунофлуоресценція є широко використовуваним методом, який передбачає використання флуоресцентно мічених антитіл для виявлення специфічних білків у клітинах. Цей метод дозволяє візуалізувати ламіни[14] та білки, пов’язані з ламіном[15], усередині ядерної пластинки, забезпечуючи уявлення про їх субклітинну локалізацію, розподіл та організацію.
- Електронна мікроскопія, включаючи трансмісійну електронну мікроскопію (ТЕМ) і скануючу електронну мікроскопію (СЕМ), забезпечує зображення клітинних структур з високою роздільною здатністю, наприклад ядерної пластинки. Ці методи можуть виявити ультраструктурні деталі мережі ламіни та її взаємодію з іншими компонентами ядерної оболонки, такими як внутрішня ядерна мембрана та хроматин.[16][17][2]
- Біохімічні аналізи: для вивчення властивостей і функцій ламінів і білків, пов’язаних з ламінами, можна використовувати різні біохімічні методи. Ці методи включають очищення білка, аналізи зв’язування in vitro та ферментативні аналізи, які допомагають охарактеризувати взаємодію, діяльність і регуляторні механізми компонентів ядерної пластинки.[18][19][20]
- Системи моделей in vitro: моделі на основі культури клітин, такі як первинні клітини або безсмертні клітинні лінії, пропонують контрольоване середовище для вивчення ролі ядерної пластинки в різних клітинних процесах. Маніпуляції з експресією або функцією ламінів і білків, асоційованих з ламінами, можна досягти за допомогою таких методів, як РНК-інтерференція (RNAi), редагування генома CRISPR/Cas9 і системи надмірної експресії. Ці підходи допомагають дослідникам аналізувати функціональні наслідки специфічних змін у ядерній пластинці.[21]
- Системи моделей in vivo: Моделі на тваринах, наприклад миші з нокаутом, дають цінну інформацію про роль ядерної пластинки в контексті інтактного організму. Створюючи мишей із цілеспрямованими делеціями чи мутаціями в генах lamin або їх взаємодіючих партнерів, дослідники можуть вивчати отримані фенотипи та отримати краще розуміння фізіологічної значущості та наслідків змін у ядерній пластинці.[21]
Разом ці методи дозволяють дослідникам досліджувати складну структуру та функцію ядерної пластинки, надаючи цінну інформацію про її роль у клітинних процесах та її участь у різних захворюваннях.
- The Nucleus: Volume 1: Nuclei and Subnuclear Components. / Hancock, R., & Robinson, D. G. Humana Press, 2008. ISBN 978-1588299772
- Гістологія. Цитологія. Ембріологія: підруч. для студентів / за ред.: О. Д. Луцика, Ю. Б. Чайковського . - Вінниця : Нова Книга, 2020. - 496 с. ISBN 978-966-382-698-1
- Медична біологія / За ред. В. П. Пішака, Ю. І. Бажори. Підручник. - М-42 Вінниця: Нова Книга, 2004. - 656 с: іл. ISBN 966-7890-35-X
- Molecular Biology of the Cell, 4th ed. / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, and P. Walter. New York: Garland Science; 2002. ISBN 0-8153-3218-1
- de Leeuw Rebecca; Gruenbaum Yosef; Medalia Ohad (2018). Nuclear Lamins: Thin Filaments with Major Functions. Trends in Cell Biology 28 (1). с. 34–45. ISSN 0962-8924. doi:10.1016/j.tcb.2017.08.004.
- ↑ Gruenbaum, Yosef; Wilson, Katherine L.; Harel, Amnon; Goldberg, Michal; Cohen, Merav (1 квітня 2000). Review: Nuclear Lamins—Structural Proteins with Fundamental Functions. Journal of Structural Biology (англ.). Т. 129, № 2. с. 313—323. doi:10.1006/jsbi.2000.4216. ISSN 1047-8477. Процитовано 19 квітня 2023.
- ↑ а б Goldberg, Martin W. (2016). Shackleton, Sue; Collas, Philippe; Schirmer, Eric C. (ред.). High-Resolution Scanning Electron Microscopy and Immuno-Gold Labeling of the Nuclear Lamina and Nuclear Pore Complex. The Nuclear Envelope: Methods and Protocols (англ.). New York, NY: Springer. с. 441—459. doi:10.1007/978-1-4939-3530-7_27. ISBN 978-1-4939-3530-7.
- ↑ Dechat, Thomas; Adam, Stephen A.; Taimen, Pekka; Shimi, Takeshi; Goldman, Robert D. (1 листопада 2010). Nuclear Lamins. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology (англ.). Т. 2, № 11. с. a000547. doi:10.1101/cshperspect.a000547. ISSN 1943-0264. PMC 2964183. PMID 20826548. Процитовано 19 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Shah, Parisha P.; Keough, Kathleen C.; Gjoni, Ketrin; Santini, Garrett T.; Abdill, Richard J.; Wickramasinghe, Nadeera M.; Dundes, Carolyn E.; Karnay, Ashley; Chen, Angela (23 січня 2023). An atlas of lamina-associated chromatin across twelve human cell types reveals an intermediate chromatin subtype. Genome Biology. Т. 24, № 1. с. 16. doi:10.1186/s13059-023-02849-5. ISSN 1474-760X. PMC 9869549. PMID 36691074. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ Capell, Brian M; Collins, Francis S (December 2006). Human laminopathies: nuclei gone genetically awry. Nature Reviews. Genetics. 7 (12): 940—952. doi:10.1038/nrg1906. PMID 17139325.
- ↑ Tripathi K, Muralikrishna B and Parnaik VK (2009) Differential dynamics and stability of lamin A rod domain mutants IJIB, 5(1), 1-8
- ↑ Gonzalez-Sandoval, Adriana; Gasser, Susan M. (August 2016). On TADs and LADs: Spatial Control Over Gene Expression. Trends in Genetics. 32 (8): 485—495. doi:10.1016/j.tig.2016.05.004. ISSN 0168-9525. PMID 27312344.
- ↑ Redwood AB, Perkins SM, Vanderwaal RP, Feng Z, Biehl KJ, Gonzalez-Suarez I, Morgado-Palacin L, Shi W, Sage J, Roti-Roti JL, Stewart CL, Zhang J, Gonzalo S (2011). A dual role for A-type lamins in DNA double-strand break repair. Cell Cycle. 10 (15): 2549—60. doi:10.4161/cc.10.15.16531. PMC 3180193. PMID 21701264.
- ↑ Liu B, Wang J, Chan KM, Tjia WM, Deng W, Guan X, Huang JD, Li KM, Chau PY, Chen DJ, Pei D, Pendas AM, Cadiñanos J, López-Otín C, Tse HF, Hutchison C, Chen J, Cao Y, Cheah KS, Tryggvason K, Zhou Z (2005). Genomic instability in laminopathy-based premature aging. Nat. Med. 11 (7): 780—5. doi:10.1038/nm1266. PMID 15980864.
- ↑ Almendáriz-Palacios, Carla; Gillespie, Zoe E.; Janzen, Matthew; Martinez, Valeria; Bridger, Joanna M.; Harkness, Troy A. A.; Mousseau, Darrell D.; Eskiw, Christopher H. (2020-07). The Nuclear Lamina: Protein Accumulation and Disease. Biomedicines (англ.). Т. 8, № 7. с. 188. doi:10.3390/biomedicines8070188. ISSN 2227-9059. PMC 7400325. PMID 32630170. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ Worman, Howard J.; Östlund, Cecilia; Wang, Yuexia (1 лютого 2010). Diseases of the Nuclear Envelope. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology (англ.). Т. 2, № 2. с. a000760. doi:10.1101/cshperspect.a000760. ISSN 1943-0264. PMC 2828284. PMID 20182615. Процитовано 19 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Östlund, Cecilia; Chang, Wakam; Gundersen, Gregg G; Worman, Howard J (2019-11). Pathogenic mutations in genes encoding nuclear envelope proteins and defective nucleocytoplasmic connections. Experimental Biology and Medicine (англ.). Т. 244, № 15. с. 1333—1344. doi:10.1177/1535370219862243. ISSN 1535-3702. PMC 6880145. PMID 31299860. Процитовано 19 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Coutinho, Henrique Douglas M.; Falcão-Silva, Vivyanne S.; Gonçalves, Gregório Fernandes; da Nóbrega, Raphael Batista (20 квітня 2009). Molecular ageing in progeroid syndromes: Hutchinson-Gilford progeria syndrome as a model. Immunity & Ageing. Т. 6, № 1. с. 4. doi:10.1186/1742-4933-6-4. ISSN 1742-4933. PMC 2674425. PMID 19379495. Процитовано 19 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ Stiekema, Merel; Ramaekers, Frans C. S.; Kapsokalyvas, Dimitrios; van Zandvoort, Marc A. M. J.; Veltrop, Rogier J. A.; Broers, Jos L. V. (2021-01). Super-Resolution Imaging of the A- and B-Type Lamin Networks: A Comparative Study of Different Fluorescence Labeling Procedures. International Journal of Molecular Sciences (англ.). Т. 22, № 19. с. 10194. doi:10.3390/ijms221910194. ISSN 1422-0067. PMC 8508656. PMID 34638534. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ Mehus, Aaron A.; Anderson, Ruthellen H.; Roux, Kyle J. (1 січня 2016). Wilson, Katherine L.; Sonnenberg, Arnoud (ред.). Chapter One - BioID Identification of Lamin-Associated Proteins. Methods in Enzymology (англ.). Т. 569. Academic Press. с. 3—22. doi:10.1016/bs.mie.2015.08.008. PMC 4821506. PMID 26778550.
{{cite book}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Goldberg, M W; Allen, T D (15 грудня 1992). High resolution scanning electron microscopy of the nuclear envelope: demonstration of a new, regular, fibrous lattice attached to the baskets of the nucleoplasmic face of the nuclear pores. Journal of Cell Biology. Т. 119, № 6. с. 1429—1440. doi:10.1083/jcb.119.6.1429. ISSN 0021-9525. PMC 2289746. PMID 1469043. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Cohen, Merav; Santarella, Rachel; Wiesel, Naama; Mattaj, Iain; Gruenbaum, Yosef (1 січня 2008). Chapter 21 Electron Microscopy of Lamin and the Nuclear Lamina in Caenorhabditis elegans. Methods in Cell Biology (англ.). Т. 88. Academic Press. с. 411—429. doi:10.1016/s0091-679x(08)00421-4.
- ↑ Kubben, Nard; Voncken, Jan Willem; Demmers, Jeroen; Calis, Chantal; van Almen, Geert; Pinto, Yigal M.; Misteli, Tom (1 листопада 2010). Identification of differential protein interactors of lamin A and progerin. Nucleus. Т. 1, № 6. с. 513—525. doi:10.4161/nucl.1.6.13512. ISSN 1949-1034. PMC 3027055. PMID 21327095. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Kubben, Nard; Voncken, Jan Willem; Misteli, Tom (1 листопада 2010). Mapping of protein- and chromatin-interactions at the nuclear lamina. Nucleus. Т. 1, № 6. с. 460—471. doi:10.4161/nucl.1.6.13513. ISSN 1949-1034. PMC 3027047. PMID 21327087. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ Ricci, Anastasia; Orazi, Sara; Biancucci, Federica; Magnani, Mauro; Menotta, Michele (12 травня 2021). The nucleoplasmic interactions among Lamin A/C-pRB-LAP2α-E2F1 are modulated by dexamethasone. Scientific Reports (англ.). Т. 11, № 1. с. 10099. doi:10.1038/s41598-021-89608-3. ISSN 2045-2322. PMC 8115688. PMID 33980953. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) - ↑ а б Nicolas, Hannah A.; Akimenko, Marie-Andrée; Tesson, Frédérique (2019-04). Cellular and Animal Models of Striated Muscle Laminopathies. Cells (англ.). Т. 8, № 4. с. 291. doi:10.3390/cells8040291. ISSN 2073-4409. PMC 6523539. PMID 30934932. Процитовано 20 квітня 2023.
{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)