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基因发育。2008年4月1日;22(7): 832–853.
数字对象标识:10.1101加仑1652708
预防性维修识别码:PMC2732390型
PMID:18381888

核层粘连蛋白:细胞核和染色质结构组织和功能的主要因素

摘要

在过去几年中,很明显,中间丝蛋白,即A型和B型核纤层蛋白,不仅为细胞核提供了一个结构框架,而且对正常核功能的许多方面也是必不可少的。对层粘连蛋白相关功能的深入研究源于对人类层粘连蛋白A基因中大量致病突变的研究。这篇综述提供了核层粘连蛋白功能的最新综述,强调了它们在表观遗传学、染色质组织、DNA复制、转录和DNA修复中的作用。此外,我们讨论了支持层粘连蛋白在病毒感染中重要性的最新证据。

[关键词:层粘连蛋白、染色质、表观遗传学、核结构、层粘连病、病毒]

在真核细胞中,染色质以高度有序的方式紧密包裹在由两个主要隔室组成的细胞核内:核质和核膜(NE)。细胞核中也有亚细胞,包含与DNA复制、转录和RNA剪接等基本核功能有关的因子(Prasanth和Spector 2006;Spector 2006年). NE将核功能与细胞质功能分开,在其内表面为染色质提供了一个对接位置。NE的主要结构元素是内核膜(INM)、外核膜(ONM)、核孔复合体(NPC)和核膜。叶片由与INM密切相关的蛋白质组成的复杂网络组成,并附着在NPC的外围和染色质上(福西特1966;Patrizi和Poger 1967年;Aaronson and Blobel 1975年). 叶片的主要成分是V型中间丝(IF)蛋白,即核层粘连。此外,还发现低浓度的层粘连蛋白分布在整个核质中。核外周和核质内的层粘连蛋白的组织受到许多层粘连蛋白质的影响(Dorner等人,2007年;Schirmer和Foisner 2007;瓦格纳和克罗恩2007).

本文综述了核层粘连蛋白在间期细胞核染色质组织和调节中的作用,层粘连分子参与转录、DNA复制、DNA修复等重要过程,以及调控常染色质-异染色质转换的各种表观遗传现象。重点还放在人类层粘连蛋白A基因中显著的致病突变阵列上,许多关于层粘连功能的最新见解都来自于此。此外,我们还讨论了关于层粘连蛋白在病毒感染中作用的新观点。

核层压板的一般性质

核层粘连蛋白最初被描述为大鼠肝脏和鸡红细胞细胞核中耐洗涤剂高盐“层粘连”部分的主要蛋白质成分(Aaronson and Blobel 1975年;Gerace等人,1978年). 随后发现它们是IF蛋白家族的成员(Aebi等人,1986年;Goldman等人,1986年;McKeon等人,1986年). 迄今为止,在所有检查过的后生动物中都发现了层粘连蛋白基因,但在植物和单细胞生物中不存在(迈尔2001;Melcer等人,2007年). 根据序列同源性将层压板分为A型和B型。在哺乳动物中,除了次要亚型层粘连蛋白AΔ10外,还发现了两种主要的A型层粘着蛋白(层粘连A和C)和两种主要B型层粘连蛋白(层黏连B1和B2)(Machels等人,1996年)和生殖细胞特异性层粘连蛋白C2(Furukawa等人,1994年)和B3(Furukawa和Hotta 1993). 而层粘连蛋白B1和B2-B3由不同的基因编码(LMNB1型LMNB2型A型核纤层蛋白分别来自一个基因(LMNA公司)通过交替拼接(Broers等人,2006年;舒马赫等人,2006年;Verstraeten等人,2007年).

作为核结构组成部分的层压板

层粘连由一个长的中央α-螺旋杆结构域组成,两侧是球状的N末端(头部)和C末端(尾部)结构域(图1A). 与大多数IF蛋白一样,层粘连蛋白自组装成高阶结构,其基本亚单位是由平行和注册相互作用形成的卷曲-卷曲二聚体(Stuurman等人,1998年;Herrmann和Foisner,2003年). 与细胞质IFs不同,层粘连二聚体在体外倾向于形成副晶体,而不是10-nm丝状物(Stuurman等人,1998年;Herrmann和Foisner,2003年;Melcer等人,2007年). 除了中央棒域(Schirmer等人,2001年;Strelkov等人,2004年)已经证明头部和尾部结构域也参与了层粘连的组装(Sasse等人,1998年;Stuurman等人,1998年;Herrmann和Foisner,2003年;Shumaker等人,2005年;Isobe等人,2007年). 尽管A型和B型层粘连蛋白在体外似乎相互作用(Georgatos等人,1988年;Ye和Worman 1995;Schirmer和Gerace 2004)目前对层压板内层压板聚合物的组成和结构知之甚少,对其核质结构知之更少。薄片内描述的结构包括10至15纳米纤维的正交网,如爪蟾卵母细胞生发泡(Aebi等人,1986年;Stewart和Whytock 1988年)哺乳动物细胞中的不规则丝状网(Capco等人,1982年;de Graaf等人,1991年;Belmont等人,1993年). 在间期细胞的层片中,A型和B型层片结构都相对稳定,这是因为它们在光漂白(FRAP)实验后荧光恢复中的恢复时间较长(Broers等人,1999年;Moir等人,2000c).

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核层粘连的结构。(A类)前层粘连多肽链示意图。显示了中心α-螺旋杆结构域(红色)、NLS(灰色)、Ig折叠(蓝色;其简化结构表示九个β-片)和C末端−CAAX框(绿色)。(B类)前层粘连蛋白A、B1和B2的翻译后处理:法尼基转移酶将法尼基连接到−CAAX盒的半胱氨酸残基上;最后三个残基(−AAX)被AAX内肽酶以蛋白质水解方式分解;C端半胱氨酸残基的羧酸基(−COOH)通过羧基甲基转移酶甲基化。这些步骤导致成熟的层粘连蛋白B1和B2。在法尼基化/羧甲基化前层粘连蛋白A的情况下,另外15个C末端残基,包括法尼基/羧甲酰化半胱氨酸,被Zmpste24/FACE1裂解掉。由于Zmpste24/FACE1的突变或缺陷(用红色X表示)或蛋白酶抑制剂(PI)对这一步骤的抑制可能会导致小鼠和人类出现严重的表型(有关详细信息,请参阅正文)。请注意,法尼基转移酶抑制剂(FTI)对法尼基化的抑制会导致加工完全丧失。(C类)成熟层粘连蛋白A、C、B1和B2的C末端尾部结构域示意图。显示了以下氨基酸位置:尾结构域的起始、NLS的第一个残基、免疫球蛋白折叠的起始和终止以及相应成熟层粘连的C末端残基。注意,层粘连蛋白B1和B2是法尼基化和羧甲基化的,而层粘连蛋白质A和C不是。

层粘连蛋白在其C末端尾结构域中包含一个类似于s型免疫球蛋白折叠(Ig-fold)的结构基序(Dhe-Paganon等人,2002年;Krimm等人,2002年)以及中心棒和免疫球蛋白之间的核定位信号(图1A)这是层粘连蛋白运输到细胞核所必需的(Loewinger和McKeon 1988年). 此外,一个−CAAX盒位于层粘连蛋白B1和B2以及层粘连蛋白质a的C末端,导致这些蛋白质的广泛翻译后处理(图1;Young等人,2005年;Rusinol和Sinensky 2006). 最初表达为前层粘连蛋白,经过几次修饰后成为成熟层粘连(图1B). 在第一步中,法尼基转移酶使−CAAX盒的半胱氨酸残基发生法尼基化,随后通过内肽酶,最有可能是Rce1(Ras-converting酶1)和/或Zmpste24(与Ste24p相关的锌金属蛋白酶)/FACE1去除−AAX(Rusinol和Sinensky 2006). 在第三步中,半胱氨酸残基被羧甲基化,这是一个由异戊烯基半胱氨酸羧基甲基转移酶(Icmt)催化的过程。而B型层粘连蛋白的成熟在这一步终止,导致其永久法尼基化和羧甲基化(图1C),层粘连蛋白A被Zmpste24/FACE1进一步加工形成成熟层粘连肽A(图1B). 后一步骤导致从层粘连蛋白A的C末端去除另外15个氨基酸,包括法尼酰化/羧甲基化半胱氨酸残基(图2B;Corrigan等人,2005年). 值得注意的是,这些处理步骤的时间顺序至关重要;即,如果法尼基化被阻断,则层粘连蛋白的翻译后处理被抑制(图1B;Rusinol和Sinensky 2006). −CAAX盒的修饰被认为在将层粘连靶向INM以及建立蛋白质-蛋白质相互作用中发挥作用(Rusinol和Sinensky 2006). 有趣的是,通过替换−CAAX盒的半胱氨酸残基或法尼基转移酶抑制剂(FTI)抑制层粘连-法尼基化(图1B)不抑制其并入核层(萨瑟维尔和雷蒙德1995;Broers等人,1999年;Pendas等人,2002年;Gruber等人,2005年). 拉明C缺乏前层粘连蛋白A中的98个C末端氨基酸,并且含有一个独特的C末端,由六个氨基酸组成,缺少−CAAX盒(图1C,,2A;2安培;Fisher等人,1986年;McKeon等人,1986年)也会并入核膜(Fong等人,2006b). 值得注意的是,层粘连最可变的区域,即C末端尾部结构域(图1C),包含大多数层粘连蛋白的结合位点(Goldman等人,2002年;Zastrow等人,2004年;Dorner等人,2007年;Schirmer和Foisner 2007;瓦格纳和克罗恩2007).

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层压板A、层压板C和LAΔ50结构的比较。(A类)编码层压板A的12个外显子和层压板C的1–566个残基(外显子1–10)及其相应的氨基酸残基都被标示出来。此外,还显示了与Hutchinson-Gilford早衰综合征(HGPS)相关的18个突变的位置(括号中显示了每个突变报告的事件数)(http://www.umd.be:2000网址;网址:http://www.dmd.nl):(蓝色菱形)29 C>T(1);(深蓝色钻石)412 G>A(1);(黄色菱形)428 C>T(1);(绿宝石)433 G>A(1);(紫钻石)899G>A(1);(橙色钻石)1411 C>T+1579 C>T(1);(深蓝色钻石)1454 C>G(1);(淡蓝色钻石)1583 C>T+1619 C>T(1);(浅绿色钻石)1626 G>C(4);(深紫色钻石)1733 A>T(1);(蓝星)1821 G>A(1);(红星)1822 G>A(1);(紫星)1824 C>T(37);(粉红钻石)1868 C>G(2);(深绿色钻石)1930 C>T(1);(棕色星)1968+1 G>A(1)。带有星形标记的突变导致第11外显子最后150个核苷酸的异常剪接,导致突变的层粘连蛋白a蛋白(前LAΔ50)的表达,该蛋白缺乏前层粘连a C末端的50个氨基酸(残基607–656)。这些残基包含参与层粘连蛋白A前处理的第二蛋白水解切割位点(品红色;残基646)。关于前层压板a、前LAΔ50和层压板C的示意图说明,请参见图1图中显示了六个层粘连蛋白C特异性残基(567–572)(浅蓝色)。请注意,虽然大多数突变同时影响层粘连蛋白A和C,但有些突变对层粘连蛋白质A具有特异性(B类)前层粘连蛋白A和前LAΔ50翻译后处理的差异。显示了前层粘连蛋白A(残基603–664)和前LAΔ50(残基60–614)的氨基酸序列。前层粘连蛋白A中的607–656残基在前LAΔ50中不存在,标记为蓝色,该区域内的Zmpste24/FACE1裂解位点(YL)标记为洋红色。前三个步骤,包括−CAAX盒(−CSIM)半胱氨酸残基的法尼基化和羧甲基化,对这两种蛋白质来说是相同的(有关详细信息,请参阅图1B). 在最后一步中,Zmpste24/FACE1将15个C末端残基(包括法尼基/羧甲基半胱氨酸残基)从前层粘连蛋白A中裂解出来,生成成熟的层粘连肽A(残基1-646)和15个氨基酸长的法尼基或羧甲基肽。由于突变蛋白中缺少Zmpste24/FACE1裂解位点,LAΔ50仍保持法尼基化和羧甲基化。

在有丝分裂开始时,A型和B型核纤层以磷酸化依赖的方式被分解(Fields and Thompson 1995年)在末期/G1期间,去磷酸化后并入新形成的子细胞核(Fields and Thompson 1995年;汤普森等人,1997年;Moir等人,2000b). 当B型层粘连蛋白仅重新定位到重组子核的外围时,A型层粘着蛋白在有丝分裂末期和G1早期积聚在核质中(Bridger等人,1993年;Moir等人,2000c;Dechat等人,2004年). 尽管在G1早期最常见,但核质层粘连蛋白A/C在整个间期都存在(Goldman等人,1992年;Broers等人,1999年;Moir等人,2000c)并被认为在视网膜母细胞瘤介导的细胞增殖中起作用(Johnson等人,2004年;Pekovic等人,2007年),启动DNA复制(Kennedy等人,2000年)和RNA剪接(Jagatheesan等人,1999年;Kumaran等人,2002年),尽管后一个函数存在争议(Vecerova等人,2004年). 根据洗涤剂可萃取性和FRAP分析,核质中的层蛋白A/C结构似乎比与层相关的结构更具动态性,与核骨架的结合更少(Broers等人,1999年;Moir等人,2000c;Muralikrishna等人,2004年). 层粘连蛋白B也存在于核质中,但与a型层粘连蛋白相比,它是一种更稳定的结构(Moir等人,2000c)和核内层粘连B病灶与S期中晚期复制部位相关(Moir等人,1994年). 此外,有超微结构证据表明,层粘连蛋白是核质中分布的核骨架的一部分(Hozak等人,1995年;Barboro等人,2002年).

作为IF结构蛋白,现已明确层粘连为细胞核提供形状和机械稳定性(Houben等人,2007年). 也有证据支持层压板在维持整个细胞的机械性能方面发挥作用。例如,层粘连蛋白A/C缺乏细胞表现出机械传导受损、机械刚度降低和细胞迁移缺陷(Houben等人,2007年;Lee等人,2007年). 细胞微观力学特性的这些变化最终可能由核骨架与细胞骨架之间联系的改变来解释。这种连接中的重要元素包括INM、Sun1和Sun2的完整蛋白质,以及ONM、nesprin-1、nesprisn-2和nesprin-3α的完整蛋白质。具体地说,人们认为细胞质和核质之间的连接是通过在INM和ONM之间的管腔空间中与Sun蛋白相互作用的nesprins介导的(Padmakumar等人,2005年;Crisp等人,2006年;Ketema等人,2007年). Sun1依次与层压板A相互作用,但不与层压板区域的层压板C、B1或B2相互作用(Haque等人,2006年). 而在细胞质中,nesprin-1和nesprin-2被认为与肌动蛋白结合(Warren等人,2005年)而nesprin-3α与细胞骨架IF-结合蛋白plectin结合(Wilhelmsen等人,2005年;Ketema等人,2007年)也与肌动蛋白和可能的微管结合(威奇1998).

核层粘连蛋白在发育和分化过程中的表达

早期发展研究爪蟾已经表明卵母细胞主要含有一种B型层粘连蛋白,即层粘连B3(XLB3)(Benavente等人,1985年;Stick and Hausen 1985年)以及少量XLB1和XLB2(Lourim等人,1996年). 在发育过程中,XLB3只持续到尾芽期(24期),随后在一些成体细胞中再次出现(Benavente等人,1985年;Stick and Hausen 1985年). 而XLB1和XLB2在中囊胚转变和原肠胚形成期间上调(8-12期)(Benavente等人1985;Stick and Hausen 1985年),XLA在早期尾芽胚胎(24期)中未发现,但在蝌蚪(45期)中存在(Wolin等人,1987年). 在早期发育过程中,也有类似的层粘连蛋白表达变化的报道果蝇属(Riemer等人,1995年)和鸡胚(Lehner等人,1987年). 在小鼠的整个早期发育过程中,B型层粘连蛋白都会表达,而层粘连A/C在胚胎第9天的滋养层细胞、第10天的胚胎母细胞以及第11天的成肌细胞和其他间充质组织中首次检测到(斯图尔特和伯克1987;Rober等人,1989年). 这些数据表明,层粘连蛋白A/C的表达与细胞分化密切相关。这在使用培养细胞的几项研究中得到了证实(例如,参见Guilly等人,1990年;Rober等人,1990年;Mattia等人,1992年;Lin和Worman 1997年). 最近有研究表明,层粘连蛋白B1和B2在未分化的小鼠和人类胚胎干细胞中表达,而不是层粘连蛋白质A/C(Constantinescu等人,2006年). 分化后,人类ES细胞在多能性标记物Oct-3/4下调之前,但在Tra-1-60、Tra-1-81和阶段特异性胚胎抗原-4(SSEA-4)下调之后,似乎表达层粘连蛋白A/C。在未分化的人类ES细胞中,层粘连蛋白A/C的缺失被认为是这些细胞细胞核高度变形的原因(Pajerowski等人,2007年). 成人组织中也显示出A型和B型层粘连蛋白的差异表达(Broers等人,1997年;Lin和Worman 1997年;Tilli等人,2003年)以及在成年大鼠大脑的神经发生过程中(Takamori等人,2007年).

对层粘连蛋白在发育过程中作用的理解来自于B型的突变果蝇属层粘连蛋白Dm0在不同的胚胎期或蛹晚期导致死亡,具体取决于突变位点(Gruenbaum等人,2003年;Osouda等人,2005年). 此外,当秀丽隐杆线虫层粘连蛋白LMN-1被敲除,胚胎停滞发生在100至300细胞阶段(Liu等人,2000年). 通过敲除其中一种,我们进一步了解了发育过程中对特定层粘连亚型的需求LMNA公司LMNB1型在小鼠中。层粘连蛋白A/C缺乏的动物在出生前发育正常,但出生后严重生长迟缓并发展为肌营养不良(Sullivan等人,1999年). LMNA公司-空白小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)常表现出不规则形状,B型层粘连的局部丢失,以及层粘连蛋白(一种层粘连a相关的INM整合蛋白)的重新分布(Clements等人,2000年)到内质网(ER)(Sullivan等人,1999年). 相反,对层粘连蛋白A无效但表达层粘连蛋白质C和B型层粘连的小鼠似乎是健康的。来自这些小鼠的细胞核表现出最小的形状变化,emerin在INM中正常定位(Fong等人,2006b). 另一方面,缺乏层粘连蛋白B1的小鼠在出生时死亡,肺部和骨骼也有缺陷(Vergnes等人,2004年). 来自这些小鼠的高百分比MEF具有畸形细胞核和异常的层粘连A/C分布。它们也是多倍体和过早衰老。在人类中,最近的一项案例研究描述了一种层粘连蛋白a/C缺乏症,胎儿在早期发育中存活下来,在30周时早产,并立即死亡(Muchir等人,2003年;van Engelen等人,2005年). 该患者因无义突变而纯合子LMNA公司发育严重迟缓,多处骨折,横纹肌发育不良。来自该患者的细胞具有形状异常的细胞核,其小叶缺乏层粘连蛋白B1、B2和Nup153(NPC蛋白),emerin分布于内质网(Muchir等人,2003年).

关于层粘连蛋白基因表达调控的信息很少。维甲酸可诱导小鼠胚胎癌细胞层粘连蛋白A/C的表达(Lebel等人,1987年)并且在低分子量核酸由转录因子c-Jun和Sp1/Sp3调节的启动子(Okumura等人,2004年). LMNA公司启动子结合转录因子Sp1/3、c-Jun和c-Fos,以及转录辅激活物CREB结合蛋白(Muralikrishna和Parnaik 2001;Janaki Ramaiah和Parnaik 2006年). 在的第一个简介中LMNA公司转录因子、肝细胞核因子-3β和维甲酸X受体β有结合位点(Arora等人,2004年). 最近,层粘连蛋白A/C已被鉴定为丝裂霉素C处理的HCT116结肠癌细胞中的p53靶点(Rahman-Rolick等人,2007年). 显然,为了了解A型和B型层粘连蛋白在发育和分化过程中的调节和功能,需要进行更广泛的研究。理解层粘连蛋白差异表达的重要性的方法包括在培养细胞中用RNAi沉默。这些研究表明,层粘连蛋白B1或B2的下调可诱导HeLa细胞凋亡(Harborth等人,2001年). 相反,层粘连A/C被沉默的HeLa细胞似乎生长正常。虽然这提供了一些关于A型和B型层粘连蛋白在细胞生长中的一般要求的有用信息,但还需要更多的工作来确定A型层粘着蛋白在分化中的具体功能。

核层粘连蛋白与疾病和衰老

在发现核层粘连蛋白的突变后,人们对核层粘着蛋白的兴趣急剧增加LMNA公司导致常染色体显性Emery-Dreifuss肌营养不良(AD-EDMD)(Bonne等人,1999年). 自从这一发现以来LMNA公司突变(其中绝大多数为杂合子)与许多疾病有关,包括X连锁EDMD、家族性部分脂肪营养不良(FPLD)、扩张型心肌病、肢体带状肌营养不良1B、先天性肌营养不良、早衰或进展综合征。后者包括Hutchinson-Gilford早衰综合征(HGPS)、非典型沃纳综合征(WS)、局限性皮肤病(RD)和下颌骨发育不良(MAD)(Broers等人,2006年;Kudlow等人,2007年;Worman和Bonne 2007). 这些疾病统称为椎板病。至少有11种不同的疾病(Worman和Bonne 2007)与300多种不同的突变相关LMNA公司产生约200个突变的层粘连蛋白A/C(有关详细信息,请参阅网址:http://www.umd.be:2000;网址:http://www.dmd.nl;网址:http://www.interfil.org). 值得注意的是LMNA公司突变及其相关疾病继续增加。

与…形成鲜明对比LMNA公司,很少有与基因突变相关的疾病LMNB1/B2型基因。这些包括由重复的LMNB1型以及由LMNB2型突变(Hegele等人,2006年;Padiath等人,2006年). 一些层粘连蛋白的突变也与疾病有关。例如,层粘连蛋白B受体(LBR)的突变导致Pelger-Huet异常和HEM/Greenberg骨骼发育不良(Worman和Bonne 2007). 层相关多肽(LAP)2α的突变可导致扩张型心肌病,emerin的突变可引起X连锁EDMD(Vlcek和Foisner 2007a;Worman和Bonne 2007). 有趣的是,LAP2α和emerin突变与以下疾病相关:LMNA公司突变。由于这两种层粘连相关蛋白都与层粘连A特异性结合(Zastrow等人,2004年),这些突变可能抑制LAP2α或emerin与层粘连蛋白A/C的关联,导致在相应疾病中观察到的至少一些表型。

由于其作为人类衰老模型的潜在作用,迄今为止,对层粘连病研究最深入的是早衰疾病HGPS。对这种罕见疾病的细胞和分子基础的研究为了解层粘连蛋白A/C的结构和功能以及导致这种毁灭性儿童疾病的机制提供了许多重要的见解。18例中最常见的(分析的57例HGPS病例中的65%)LMNA公司与HGPS相关的突变(图2A)是单核苷酸替换,1824 C>T(http://www.umd.be:2000网址;网址:http://www.dmd.nl). 这种突变激活了一个隐秘的剪接位点,导致C末端缺乏50个氨基酸的突变层粘连蛋白a的表达(LAΔ50/progrein)(图2;De Sandre-Giovannoli等人,2003年;Eriksson等人,2003年). 除了1824 C>T突变外,其他三个HGPS突变,1822 G>A、1821 G>A和1968+1 G>A,也会导致相同的异常剪接事件(图2A;Eriksson等人,2003年;Moulson等人,2007年). 由于被删除的氨基酸正好位于−CAAX盒的上游,并且含有第二个Zmpste24/FACE1裂解位点,因此LAΔ50/progrein是永久性法尼基化和羧甲基化的(图2B;Glynn and Glover 2005年;Dechat等人,2007年). 这导致突变蛋白在整个细胞周期中的异常膜结合(曹等人,2007;Dechat等人,2007年). 研究还表明,LAΔ50/progrein与核膜异常相关(Goldman等人2004;Scaffidi和Misteli 2005;达尔等人,2006年). 这些异常有助于与HGPS相关的其他几种表型,包括细胞核分叶、叶片增厚、外周异染色质丢失和特定异染色素标记的改变(图3,,4;4;De Sandre-Giovannoli等人,2003年;埃里克森等人,2003年;Goldman等人,2004年;Scaffidi和Misteli 2005;Shumaker等人,2006年). 此外,LAΔ50/progrein的表达导致有丝分裂缺陷,包括胞质分裂和核重组延迟、染色体异常分离和双核化(曹等人,2007;Dechat等人,2007年). 在HGPS患者培养的成纤维细胞中观察到的许多(但不是全部)这些表型在传代后期最为明显。后一项发现很可能归因于在较老的细胞培养物中报告的LAΔ50/progrein浓度较高(Goldman等人,2004年;McClintock等人,2006年).

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正常和HGPS成纤维细胞的电镜观察。低倍视野显示正常细胞核中的外周异染色质和核质异染色斑(A类)在高度分叶状的HGPS核中均不存在(B类). HGPS核的核膜的高倍视图(D类)与正常细胞核相比,外周异染色质丢失,核膜增厚(C类). (C) 细胞质;(N) 核心。酒吧:A类,B类,5μM;C类,D类,300纳米。

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HGPS成纤维细胞组蛋白甲基化模式的改变。来自女性供体的正常和HGPS成纤维细胞用抗层粘连蛋白A/C(红色)和抗组蛋白H3(H3K9me3;A类,B类)组蛋白H3(H3K27me3;C类,D类)或组蛋白H4(H4K20me3;E类,F类)(全部为绿色)。注意H3K9me3的减少(B类)和H3K27me3(D类)H4K20me3的增加(F类)分叶HGPS核与正常核的比较(A类,C类,E类). H3K27me3的减少最好在不活动的X染色体上观察到,该染色体通常在组蛋白修饰中富集(参见C类). 棒,10μM。

LAΔ50/progrein可能直接导致血管疾病的证据来自于HGPS患者皮肤活检中发现其在血管平滑肌和内皮细胞核中积聚(McClintock等人,2006年). 此外,在HGPS小鼠模型中发现血管平滑肌细胞进行性丢失(Varga等人,2006年). 为了在小鼠中模拟HGPS,还开发了其他模型,这些模型在不同程度上显示了类进行性表型(Stewart等人,2007年). 其中两种动物模型为疾病机制提供了新的见解(Yang等人,2006年,2008). 仅在表达层粘连蛋白C和LAΔ50/前体蛋白的小鼠中(LMNA公司HG/LCO公司)与同样表达层粘连蛋白A的小鼠相比,突变蛋白的稳态水平似乎更低(LMNA公司HG公司/+). 虽然后一种动物表现出严重的进展型疾病表型,但野生型层粘连蛋白A的消除会导致动物整体健康状况的改善。Zmpste24/FACE1突变导致法尼基化和羧甲基化前层蛋白A的积累(图1B)也与HGPS、RD和MAD关联(Young等人,2005年;Worman和Bonne 2007)和缺乏Zmpste24的小鼠类似于前体表型(Stewart等人,2007年). 由于LAΔ50/前体蛋白或法尼化前层胺A的永久法尼化被认为是导致这些疾病中出现的病理生理学变化的原因,因此已经进行了一些尝试,通过用FTI抑制法尼化来拯救细胞表型(Glynn and Glover 2005年;Toth等人,2005年;曹等人,2007;Dechat等人,2007年). 此外,LAΔ50/progerin的特异性沉默已被用于“拯救”表达该突变蛋白的细胞(Huang等人,2005年;Scaffidi和Misteli 2005). 尽管这些方法似乎可以将HGPS患者细胞的细胞核形状和一些异染色质标记恢复到正常外观,但尚不清楚是否存在疾病表型的完全逆转。什么时候?LMNA公司HG公司/+老鼠或ZMPSTE24型−/−老鼠接受了FTI治疗,与未经治疗的同窝老鼠相比,它们的整体健康状况有所改善(Fong等人,2006年a;Yang等人,2006年). 由于目前还没有其他可能的治疗方法,目前正在HGPS患者中测试FTI(有关详细信息,请参阅http://www.progeriaresearch.org). 然而,这些药物对野生型层粘连蛋白的加工和功能的影响(包括未受影响者表达的层粘连B1和B2以及层粘连A低分子量核酸等位基因)也必须考虑(图1B). 最近支持这一观点的发现是,在接受FTI治疗的细胞中,B型层粘连蛋白的分布在细胞周期的G1期发生改变(Dechat等人,2007年).

非常有趣的是,早衰患者中表达的改变的层粘连蛋白可能不仅与早衰有关,也与正常衰老有关,因为LAΔ50/progrein在健康人培养物中的少量细胞中被发现,特别是在来自老年供体的细胞中(Scaffidi和Misteli 2006;曹等人,2007). 最近,也有研究表明,LAΔ50/progrein在从新生儿到97岁的健康人的皮肤活检中以低水平表达,突变蛋白似乎随着年龄的增长而积累(McClintock等人,2007年). 此外,老年人皮肤成纤维细胞的细胞核形状和结构发生了类似于早衰的变化(Scaffidi和Misteli 2006)在正常人成纤维细胞中,随着传代数的增加(曹等人,2007),在老年人中秀丽线虫(Haithcock等人,2005年).

核层粘连蛋白在染色质组织和相关功能中的作用

异染色质是高度组织化的,在哺乳动物细胞中主要与核仁和叶片区域相关(图3A、C). 虽然这些叶片区域被认为提供了转录抑制环境,但叶片的其他区域与异染色质无关(图3A、C)可能与基因表达有关。为了支持这一点,以前的研究表明,一个被层粘连蛋白B1靶向核外周的基因位点保持其转录诱导能力(Kumaran和Spector 2008). 除了异染色质外,哺乳动物细胞核内的整个染色体也被组织成定义明确的区域或区域(Cremer等人,2006年). 这些区域以非随机的方式排列,基因丰富的染色体,如人类19号染色体,优先位于细胞核的深处,基因贫乏的染色体,例如人类18号染色体,更可能位于叶片的区域(Croft等人,1999年). 这不仅适用于整个染色体区域,也适用于染色体的较小区域(Kupper等人,2007年). 这些区域内的位置似乎与控制基因表达和其他核活动有关(弗雷泽和比克莫尔2007;Lanctot等人,2007年). 最近的核结构模型将层粘连蛋白及其相关蛋白描述为染色体在细胞核内定位的决定因素(Goldman等人,2002年;Dorner等人,2007年;Vlcek和Foisner 2007b). 因此,层粘连可能直接或间接参与将染色质锚定到核层,也可能充当核质支架,用于组织细胞核其他部位的染色质。此外,层粘连蛋白似乎在几个需要染色质重塑的核功能中发挥作用,包括DNA复制、DNA修复和转录。

核层粘连蛋白与染色质之间的相互作用

支持层粘连蛋白/染色质相互作用的早期生化证据来自HeLa核层粘连膜制剂的生化分析(Bouvier等人,1985年)以及使用小牛胸腺或埃利希腹水肿瘤细胞核“基质”进行的紫外线交联实验(Boulikas 1986年;Galcheva-Gargova和Dessev 1987). 此外,层粘连蛋白A/C与有丝分裂染色体结合(伯克1990;Glass and Gerace 1990年)和体外多核小体颗粒(袁等.1991). 此外,A型层粘连蛋白已被鉴定为人类中期染色体的保守外周蛋白(Takata等人,2007年). 层粘连蛋白和染色质之间的相互作用似乎涉及其非α螺旋C端尾结构域和核心组蛋白的N端和C端尾区域(Hoger等人,1991年;袁等.1991;施密特和克罗恩1995;Taniura等人,1995年;Goldberg等人,1999年;Mattout等人,2007年). 有趣的是,这种相互作用也可能涉及层粘连的NLS(Mattout等人,2007年). 也有报道称,层粘连蛋白可以直接与DNA结合(Shoeman和Traub 1990年;Baricheva等人,1996年;Rzepecki等人,1998年;Stierle等人,2003年)并且这可能涉及基质附着/支架相关区域(MARs/ARS)中的特定序列(Luderus等人,1994年;赵等.1996). 发现lamin-Dm0与转录不活跃的DNA序列相互作用进一步支持了这种可能性果蝇属(Pickersgill等人,2006年).

还有其他证据表明,层粘连蛋白通过层粘连蛋白质与染色质和DNA相互作用(Mattout-Drubezki和Gruenbaum,2003年;Dorner等人,2007年;Schirmer和Foisner 2007). 这种交叉桥联蛋白的一个例子是LBR,它是INM的一个整体蛋白,与层粘连B、DNA和人类异染色质蛋白1(HP1)相互作用(Worman等人,1990年;Ye和Worman 1994年,1996). 与层粘连蛋白和染色质相互作用的其他蛋白质是LAP2α和LAP2β(Foisner和Gerace 1993;Furukawa等人,1997年;Dechat等人,1998年,2000). 而LAP2α与层粘连蛋白A/C特异结合(Dechat等人,2000年),LAP2β只与B型层粘连蛋白相互作用(Foisner和Gerace 1993). 另一个被提议连接核层粘连蛋白和染色质的是DNA桥接蛋白,即屏障-自整合因子(BAF)(Segura-Totten和Wilson 2004年;Margalit等人,2007年),据报道与dsDNA结合(Zheng等人,2000年)、组蛋白(Montes de Oca等人,2005年),到含有LEM(LAP2s、emerin和MAN1)结构域的层粘连蛋白(Shumaker等人,2001年)和A型椎板(Holaska等人,2003年). 层粘连蛋白、层粘连蛋白质和DNA/染色质之间的相互作用数量正以极快的速度增长。然而,这些复杂相互作用的功能意义和进一步的生化验证仍有待确定。

层粘连蛋白在间期染色质和表观遗传学组织中的作用

层粘连蛋白在染色质组织中的重要性在患有各种层粘连病的患者的细胞和LMNA公司-空鼠标(表1). 成纤维细胞和心肌细胞来源于低分子量核酸-无效小鼠细胞核外围的某些区域存在异染色质的解离(Sullivan等人,1999年;Nikolova等人,2004年). 据报道,在患有慢性粒细胞白血病的患者的细胞中,外周异染色质也发生了类似的变化,或异染色素更普遍的丢失LMNA公司导致AD-EDMD的突变(Sabatelli等人,2001年),FPLD(Capanni等人,2003年),摩洛哥迪拉姆(Filesi等人,2005年;Lombardi等人,2007年)和HGPS(图3B、D;Goldman等人,2004年;Columbaro等人,2005年). 在HGPS患者的细胞中,已经证明染色质组织的这些异常与表观遗传变化有关,特别是与已知定义异染色质的特定组蛋白甲基化的变化有关。这些组蛋白甲基化包括组蛋白H3在Lys 9(H3K9me3)和组蛋白H4在Lys 20(H4K20me3)的三甲基化,这定义了组成性异染色质,H3K27me3定义了兼性异染色质(Martin和Zhang 2005;Sarma和Reinberg,2005年). 关于这些表观遗传标记,HGPS成纤维细胞中观察到H3K9me3和H3K27me3的下调和H4K20me3的上调(图4;Columbaro等人,2005年;Scaffidi和Misteli 2005;Shumaker等人,2006年). MAD成纤维细胞中也观察到H3K9me3模式的变化(Filesi等人,2005年)以及来自表达LAΔ50/progrein的老年健康人的细胞(Scaffidi和Misteli 2006). 除了组蛋白甲基化的变化外,HP1α(通常与H3K9me3相关)被发现下调,并且部分与HGPS成纤维细胞中的H3K9 me3位点分离(Scaffidi和Misteli 2005;Shumaker等人,2006年). 总之,这些发现清楚地表明,突变层粘连蛋白的表达导致染色质表观遗传组织的整体变化,这无疑有助于不同层粘连病中观察到的表型,包括DNA修复缺陷和基因表达改变(见下文)。

表1。

层粘连蛋白A/C突变或缺陷引起的异染色质组织变化

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DNA碱基对变化和氨基酸变化(括号内)如图所示。

b条表型如下:常染色体显性Emery-Dreifuss肌营养不良(AD-EDMD)、家族性部分脂肪营养不良(FPLD)、下颌骨发育不良(MAD)和Hutchinson-Gilford早衰综合征(HGPS)。

c(c)列出了检查的细胞类型或组织。

d日染色质组织的改变。(H3K9me3)在Lys 9处三甲基化的组蛋白H3;(HP1)异染色质相关蛋白1;(H3K9me1)组蛋白H3在Lys 9处单甲基化;(H3K27me3)组蛋白H3在Lys 27处三甲基化;(H4K20me3)组蛋白H4在Lys 20处三甲基化。

e(电子)使用显微镜方法。

(f)这种突变不会引起氨基酸变化,但会导致选择性剪接(有关详细信息,请参阅正文)。

染色体区域的定位也可能涉及层粘连。例如,有一些证据表明,一些类型的椎板病患者的染色体区域13和18,通常位于细胞核外围,被转移到细胞核内部(Meaburn等人,2007年). 此外,无论是层粘连B1还是层粘连B1-加工酶Rce1缺陷的MEF都显示出基因表达的整体变化以及基因缺陷染色体18远离层粘连区域的运动(Malhas等人,2007年). 后者伴随着该染色体上基因簇的上调。支持层粘连蛋白在染色体定位中作用的进一步证据来自于以下发现:与面肩肱型肌营养不良症(FSHD)相关的人类4号染色体遗传位点的核外周正常定位在人类层粘连a/C阴性细胞中发生了改变(Masny等人,2004年).

对细胞凋亡过程中层粘连降解的研究也支持层粘连在染色质组织中的作用。在诱导凋亡后,细胞死亡和DNA凝集在表达层粘连蛋白A或B突变体的细胞中大大延迟,这些突变体使其无法被半胱氨酸蛋白酶分解(Rao等人,1996年). 此外,抑制caspase-6介导的层粘连蛋白A/C裂解阻止染色质凝集和凋亡小体的形成(Ruchaud等人,2002年). 此外,间充质干细胞中caspase-8的表达改变了层粘连组织,导致NE变形。这些变化伴随着端粒聚集和着丝粒向更多外围位置的移位(Raz等人,2006年).

染色质表观遗传调控中的层压板:后果和潜在机制

尽管对层粘连和染色质组织之间的具体相互作用的详细机制知之甚少,但在人类层粘连病的研究中已经揭示了一些见解。例如,携带1824C>T突变的HGPS细胞中心周围区域异染色质标记H3K9me3的减少伴随着中心周围9号染色体sat III转录物的上调(Shumaker等人,2006年). 这表明LAΔ50/前体蛋白引起的组蛋白甲基化变化与正常异色区的转录激活之间存在联系。此外,LAΔ50/前体蛋白的表达还导致失活X染色体(Xi)上H3K27me3的丢失,从而导致Xi的某些去凝聚(Shumaker等人,2006年). 这些变化通常发生在核形状改变之前,不会导致XIST公司来自Xi的RNA。然而,HGPS中是否存在Xi的转录激活尚不清楚。H3K27me3的减少可能是组蛋白甲基转移酶(HMT)表达显著降低的直接结果,HMT是玉米淀粉同系物(EZH2)的增强子,已在HGPS成纤维细胞中报道(Shumaker等人,2006年). 突变层粘连蛋白表达引起的组蛋白甲基化变化也可以解释HGPS和WS患者细胞中报告的端粒缩短(Hofer等人,2005年)和在过表达HGPS层粘连蛋白A突变体的正常细胞中(Huang等人2008). 端粒通常富含异色标记H3K9me3和H4K20me3(布拉斯科2007). 此外,H4K20me3的减少与端粒伸长有关(Benetti等人,2007年). 因此,H4K20me3增加,H3K9me3减少(Shumaker等人,2006年)可能是HGPS中端粒缩短的原因。

视网膜母细胞瘤基因产物(pRb)是各种层压板病组蛋白甲基化变化的潜在媒介(图5)与A型层粘连蛋白结合,在表达突变层粘连蛋白质A/C或层粘连物质A/C缺乏的细胞中发生改变(详情见下文)。例如,pRb调节EZH2的表达,并且是H3K27三甲基化所必需的(Bracken等人,2003年;Kotake等人,2007年). 此外,pRb分别与负责H3K9甲基化和H4K20me3的HMTs SUV39H1和Suv4-20h相关并对其进行调节(尼尔森等人,2001年;Gonzalo等人,2005年;Isaac等人,2006年). 此外,层粘连蛋白还可以直接与HMT和组蛋白去甲基化酶相互作用,和/或通过与组蛋白的直接相互作用调节组蛋白甲基化状态。这些相互作用可能由于突变层粘连蛋白的表达而受损,导致组蛋白甲基化模式的改变。

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描绘层粘连蛋白A/C表观遗传调控染色质的潜在途径的示意图。红色箭头表示直接调控和/或相互作用,而黑色箭头表示层粘连蛋白质A/C在各自因子调控中作用的间接证据。视网膜母细胞瘤蛋白可能是这些过程中的一个重要环节(有关详细信息,请参阅正文)。

DNA复制中的层蛋白

后生动物细胞含有约30000个复制子(Keller等人,2002年)它们在S期DNA复制过程中受到时空调控。大量数据表明,层粘连蛋白在这一复杂过程的调节中发挥着重要作用。例如,在3T3细胞S期晚期的复制工厂中,层粘连蛋白B1与复制因子增殖细胞核抗原(PCNA)共定位(Moir等人,1994年)层粘连蛋白A与原代成纤维细胞的早期复制位点相关(Kennedy等人,2000年). 层粘连蛋白在DNA复制中的作用已经在体外组装的细胞核中进行了最广泛的研究爪蟾鸡蛋间期提取物。如果主要层粘连爪蟾卵子XLB3在核组装之前从这些提取物中被免疫耗尽,或者它的组装状态被引入一个显性阴性的N末端缺失的突变层粘连蛋白破坏,DNA复制被抑制(Newport等人,1990年;Meier等人,1991年;Ellis等人1997;斯潘等人1997;Moir等人,2000a). 这种显性负突变体的加入导致内源性层粘连蛋白与DNA复制延伸因子PCNA和复制因子C(RFC)一起重新分布到核内病灶。在这些条件下,DNA复制起始因子、DNA聚合酶α、微染色体维持蛋白3(MCM3)和起源识别复合体(ORC)蛋白Orc2似乎正常工作,这得到了与冈崎片段相对应的短DNA片段合成的支持(Span等人,1997年;Moir等人,2000a). 当这些层粘连断裂的细胞核转移到新鲜的未经处理的提取物中时,随着异常层粘连病灶的消失和正常层粘连组织的重建,复制的链延长期迅速重新启动(Moir等人,2000a). 在复制过程中,层粘连蛋白和PCNA之间的联系得到了进一步的支持,这一发现表明PCNA更容易从层粘连不完全提取物中组装的细胞核中提取(Jenkins等人,1993年). 这些数据表明,核层粘连蛋白在组织复制延长期所必需的核质支架中发挥作用。对这一假设的支持来自于组装在爪蟾含锌提取物2+/铁2+螯合剂。这些细胞核聚集了NE和NPC,但缺乏层粘连,无法复制其DNA(Shumaker等人,1998年).

转录中的层粘连蛋白

层粘连蛋白在转录中作用的证据来自于使用N-末端缺失层粘连的研究,该研究破坏了层粘连二聚体的头尾组装和高阶层粘连结构。当这些突变的层粘连蛋白被引入BHK 21细胞或爪蟾胚胎中,它们驱动内源性层粘连网络的分解,导致转录障碍,如BrUTP掺入减少所监测的(Span等人,2002年). 具体而言,发现RNA聚合酶II(pol II)的活性受到抑制,但pol I或pol III的活性没有受到抑制。这些突变体还诱导形成层粘连蛋白聚集体,层粘连蛋白质聚集体招募TATA-结合蛋白(TBP),这是一种已知在转录起始中起重要作用的因子(Span等人,2002年). 然而,突变层粘连蛋白对pol II活性的特异性抑制不能归因于TBP对层粘连聚集体的补充,因为TBP与所有三种RNA聚合酶相关(Gill和Tjian 1992年). 因此,未来必须调查pol II本身或pol II特定的结合伙伴也被招募到这些集合中的可能性。与上述发现一致,层粘连蛋白A或C的过度表达导致HeLa细胞中pol II转录的显著降低(Kumaran等人,2002年). 层粘连蛋白a/C与锌指转录因子MOK2相互作用的发现进一步证明了层粘连肽在转录中的作用(Dreuillet等人,2002年)MOK2在致病性层粘连蛋白A/C突变体的表达上错误定位为异常核聚集体(Dreuillet等人,2008年).

细胞增殖中的层粘连蛋白

也有证据表明,层粘连蛋白A/C参与与细胞周期调控相关的基因表达。最显著的是,A型层粘连蛋白在体外似乎与pRb相互作用(Ozaki等人,1994年;Markiewicz等人,2005年). pRb是一种肿瘤抑制因子和主要的细胞周期调节因子,在其低磷酸化状态下结合并抑制细胞周期进展所需的E2因子家族(Giacinti和Giordano 2006). 当pRb被细胞周期蛋白/细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)复合物过度磷酸化时,E2F被释放以启动S期。发现低磷酸化pRb与早期G1细胞富含层粘连A/C的核骨架制剂紧密相关,进一步表明了层粘连蛋白在这一过程中的作用(Mancini等人,1994年). 此外,从G1早期到S期早期,原代培养的成纤维细胞含有与层粘连A/C和pRb相关的核内病灶(Kennedy等人,2000年). 此外,形成核聚集体的层粘连突变体的过度表达也招募pRb(Markiewicz等人,2002年;Hubner等人2006).

层粘连蛋白似乎也参与调节pRb磷酸化状态。这一点得到了层粘连蛋白A/C缺陷细胞对生长因子-β1(TGF-β1)反应中pRb去磷酸化减少的支持,也得到了PP2A磷酸酶与层粘连蛋白A/C和pRb形成复合物的证据的支持(Van Berlo等人,2005年). 此外,有证据表明HGPS成纤维细胞中高磷酸化pRb显著降低,尽管总pRb水平似乎没有改变(Dechat等人,2007年).

免疫沉淀、体外结合和差异提取试验表明,pRb在含有层粘连蛋白a/C和LAP2α的复合物中保留在细胞核中(Markiewicz等人,2002年;Johnson等人,2004年). 此外,pRb水平在LMNA公司−/−成纤维细胞,表明层粘连蛋白参与调节pRb的周转和蛋白酶体降解(Johnson等人,2004年). pRb水平的类似降低也见于ZMPSTE24型−/−小鼠,很可能与异常法尼基化和羧甲基化层粘连蛋白A的积累有关(Varela等人,2005年). 基于这些发现,有人认为,层粘连蛋白A/C缺乏细胞增殖速度的增加和细胞周期阻滞能力的降低归因于pRb的不稳定(Johnson等人,2004年;Van Berlo等人,2005年). 这种不稳定作用独立于甘氨酸和MDM2,这两种参与pRb降解的癌蛋白(Nitta等人,2007年). 为了进一步支持层粘连蛋白a/C/LAP2α/pRb复合物在细胞周期控制中的作用,研究表明,LAP2β的下调伴随着细胞生长的加速和血清饥饿时细胞周期退出的受损(Dorner等人,2006年). 与这些结果相反,也有研究表明,层粘连蛋白A/C或LAP2α的下调可导致人类皮肤成纤维细胞G1细胞周期阻滞(Pekovic等人,2007年). 后一结果与其他显示层粘连蛋白A或Lap2α缺陷细胞加速增殖的研究相冲突。这种冲突可能归因于个别研究中使用的不同细胞类型。显然,解决这些分歧是未来调查的一个重要课题。

根据这些发现,有意思的推测是低分子量核酸突变可能损害层粘连蛋白A/C和pRb之间的相互作用。这种突变可能改变pRb的抑瘤功能,导致肿瘤发生。事实上,层粘连蛋白似乎在癌症中起作用(Prokocimer等人,2006年)尽管目前尚不清楚它们是否直接参与了癌症的发展和进展,或者是否在各种癌症中发现了层粘连蛋白表达水平的变化(例如,参见Gaedtke等人,2007年;Hudson等人,2007年)是细胞转化的间接结果。

分化中的层压板

层粘连蛋白表达的发育调控已导致各种实验室提出这些IF蛋白在分化中发挥作用。如上所述,B型层粘连蛋白是组成性表达的,而层粘连蛋白A/C是在早期发育过程中开始分化时首次表达的。更具体地说,就肌肉而言,在成肌细胞分化期间,层粘连A/C组织和溶解度中存在pRb和cyclin D3依赖性变化(Muralikrishna等人,2001年;Mariappan和Parnaik 2005年;Markiewicz等人,2005年). 细胞周期蛋白D3是CDK4、CDK6和CDK2的一个调节亚单位,对G1进展至关重要,也有报道称其与层粘连蛋白a/C直接相互作用(Mariappan等人,2007年). 此外,C2C12成肌细胞中EDMD层粘连蛋白A突变体的表达可诱导高水平的超磷酸化pRb,从而抑制成肌细胞向肌管的分化(Favreau等人,2003年). 拉明A似乎也与肌肉特异性转录因子MyoD形成复合物(Bakay等人,2006年)抑制骨骼肌再生的层粘连蛋白A和emerin中的肌营养不良突变与pRb–MyoD通路的中断有关(Bakay等人,2006年;Frock等人,2006年;Melcon等人,2006年). 在基因工程小鼠中表达纯合突变LMNA公司丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路与人类AD-EDMD或emerin缺乏有关,似乎被异常激活(Muchir等人2007a,b条). 这些发现以及来自其他椎板病研究的发现(例如,HGPS、MAD、FPLD)(Capanni等人,2003年;Robinson等人,2003年;阿马蒂等人,2004年;Csoka等人,2004年;Scaffidi和Misteli 2005)表明导致细胞分化抑制的基因表达的整体变化是椎板病的共同特征。关于这一点,最近基于参与组织再生的成人干细胞分化受损,提出了两种类似的层粘连症发展模型(Gotzmann和Foisner 2006;Halaschek-Wiener和Brooks-Wilson 2007年).

一些人的协会LMNA公司脂肪营养不良症发展过程中的突变提示层粘连蛋白在脂肪细胞分化中起作用。这方面的进一步证据来自以下发现:脂肪细胞分化因子、固醇反应元件结合蛋白1(SREBP1)与层粘连蛋白A/C的C末端相互作用,层粘连A的FPLD突变不同程度地损害了这种相互作用(Lloyd等人,2002年;Hubner等人,2006年). 另一项研究显示,野生型层粘连蛋白A或FPLD突变型层粘着蛋白A过表达的3T3细胞脂肪细胞分化受损,而层粘连A/C缺陷的MEF较对照细胞更容易分化为脂肪细胞(Boguslavsky等人,2006年). 综上所述,这些发现表明,正常脂肪细胞分化需要层粘连蛋白A和SREBP1之间的比率以及它们之间的适当相互作用,这种相互作用的改变有助于脂肪营养不良的发生。

DNA修复中的层粘连蛋白

核层粘连蛋白在DNA修复中发挥作用的证据主要来自早衰疾病的研究,因为已经表明HGPS突变蛋白、LAΔ50/progrein或法尼化前层粘连a会导致DNA修复缺陷。例如,修复因子p53结合蛋白(53BP1)向DNA损伤部位的募集受到损害,照射后HGPS成纤维细胞和ZMPSTE24型−/−MEF公司(Liu等人,2005年). 此外,对引起双链断裂(DSB)的各种DNA损伤剂、紫外线辐射和γ辐射的敏感性在ZMPSTE24型−/−老鼠(Liu等人,2005年). 这些小鼠在正常条件下也表现出p53应激信号通路的激活,很可能是由于DNA受损(Vergnes等人,2004年). 此外,磷酸化组蛋白H2AX(γ-H2AX)是DSB的一个标志,在HGPS患者成纤维细胞中增加,在RD患者的成纤维细胞内携带突变ZMPSTE24型,以及ZMPSTE24型−/−老鼠(Liu等人,2005年,2006;Varela等人,2005年). 所有这些发现都表明,由于修复机械的缺陷,过早老化疾病中存在受损DNA的积累。

有趣的是,正常老年供体皮肤成纤维细胞亚群的细胞核表达LAΔ50/progrein增加,与年轻人成纤维细胞相比,γ-H2AX病灶的百分比也较高(Scaffidi和Misteli 2006). 此外,HGPS突变体层粘连蛋白A在HeLa细胞中的表达增加了γ-H2AX的水平(Liu等人,2006年)这与DNA修复病灶的缺陷有关(Manju等人,2006年). 这些突变体还影响ATR(针对共济失调-扩张症-突变[ATM]和Rad3-相关)激酶的定位和表达水平,该激酶是DNA损伤信号通路的关键调节器(Manju等人,2006年). 在HGPS和RD成纤维细胞中也观察到ATM和ATR激酶正常定位的变化,反映了这些酶的激活(Liu等人,2006年). 有趣的是,siRNA对ATR和ATM激酶的敲除挽救了HGPS和RD成纤维细胞中的早期复制阻滞表型(Liu等人,2006年). 另一方面,用FTI治疗这些细胞,可以恢复正常的核形状,但似乎无法逆转DNA修复系统中的异常(Liu等人,2006年).

对HGPS和RD成纤维细胞中DNA损伤积累机制的其他见解来自于发现DSB修复因子Rad50和Rad51不与γ这些细胞中存在H2AX病灶(Liu等人,2007年). 这表明,当存在突变的层粘连蛋白A时,这些基本因子对DSB修复机制的靶向性受到抑制。有趣的是,在这些异常γH2AX病灶,似乎抑制正常DNA修复(Liu等人,2007年).

综上所述,这些发现支持进展综合征患者的DNA修复机制因LAΔ50/progrein的表达或法尼化前层蛋白A的异常水平而存在缺陷。在正常衰老中,也有类似的DNA修复缺陷的报道。尽管所有这些研究都明确表明核层粘连蛋白参与DNA修复,但其在这一过程中的确切作用仍有待阐明。

层粘连蛋白在病毒感染中的新作用

越来越多的证据表明,层粘连蛋白在病毒的感染周期中发挥作用。大多数支持这一观点的信息来自对巨细胞病毒(CMV)和单纯疱疹病毒1型(HSV-1)复制周期的研究,这两种病毒都是疱疹病毒科家庭。这些病毒在细胞核中组装衣壳并包裹复制的病毒DNA,而病毒粒子成熟的最后步骤发生在细胞质中(Mettenleiter等人,2006年). 核衣壳以两步过程离开细胞核,包括在INM处的初级包膜和其初级膜与ONM的融合,以促进其进入细胞质。为了获得进入INM的通道,必须使核膜失稳。有证据表明,这种不稳定作用包括特定于病毒进入INM的位置的层粘连蛋白的磷酸化和分解(Radsak等人,1991年).

病毒与层粘连的分解

在寻找在层粘连分解过程中起作用的候选病毒蛋白的过程中,已鉴定出两种小鼠CMV蛋白,M50/p35和M53/p38(Muranyi等人,2002年). 当M50/p35(一种II型跨膜蛋白)在CV-1细胞中表达时,它定位于NE。层蛋白a、B和C似乎被排除在M50/p35-聚集区之外。M50/p35和M53/p38的共表达以及CMV感染导致钙依赖性蛋白激酶C(PKCs)从细胞质向NE募集,导致层粘连蛋白A、B和C的磷酸化增加,这由32P-合并(Muranyi等人,2002年). 与这些发现一致,有证据表明pUL50,小鼠M50/p35的人类CMV对应物,直接与PKCε和PKCζ相互作用,并能将PKCα招募到NE(Milbradt等人,2007年). 这些发现表明,M50/p35对PKC的募集导致了椎板内的层粘连蛋白的局部磷酸化和分解。除PKC外,人巨细胞病毒激酶pUL97已被证明在体外磷酸化层粘连蛋白A、C和B1,并在细胞中过度表达时导致层粘连蛋白质A/C从NE重新分布到核内病灶(Marschall等人,2005年). pUL97定位到NE是通过与LBR-结合蛋白p32的直接相互作用介导的(Marschall等人,2005年).

在HSV-1感染的细胞中也观察到核膜层的层粘连蛋白A/C的局部丢失(斯科特和奥黑尔2001). HSV-1蛋白pUL31和pUL34是M50/p35和M53/p38的同源物,已被证明参与了NE层粘连蛋白在感染细胞中的再分配(Reynolds等人,2004年;Simpson-Holley等人,2005年). 在这些研究中,这两种蛋白都被证明定位于核层,并在体外直接与层粘连蛋白A/C结合。此外,pUL31和pUL32将PKCδ和PKCα募集到NE(帕克和贝恩斯2006). 这导致由以下因素决定的层粘连蛋白B的磷酸化32P合并。PKC沿NE的均匀分布似乎依赖于HSV-1激酶US公司3.U型S公司3也可以在体外磷酸化层粘连蛋白A/C,其过度表达导致核形状的改变和层粘连区域层粘连蛋白质A、B和C的破坏(Bjerke and Roller 2006年;Mou等人,2007年). 此外,两种EB病毒(EBV)蛋白BFRF1和BFLF2(pUL31和pUL34的同源物)位于NE区域,它们被认为与层粘连蛋白B形成复合物,这两种蛋白是包被和从细胞核流出所必需的(Gonnella等人,2005年). 综上所述,宿主细胞或病毒激酶向NE的募集,在NE中磷酸化和分解层粘连结构,是细胞初级包被和迁移过程中的主要步骤疱疹病毒科病毒从细胞核进入细胞质。未来,确定磷酸化的特定位点及其对层粘连结构和组装状态的影响将是非常有趣的。

拉明也参与了人类免疫缺陷病毒1(HIV1)感染。HIV1 Vpr是一种病毒相关蛋白,它的表达导致NE疝气,而NE缺乏a型和B型层粘连和NPC(de Noronha等人,2001年). 这些疝气经常破裂,允许Wee1激酶从细胞核移动到细胞质,Cdc25C磷酸酶和细胞周期蛋白B1反向移动。这三种蛋白都是有丝分裂激酶CDK1的调节器,它们的亚细胞分布的改变似乎是G2/M期转变所必需的(法拉利2006;Trinkle-Mulcahy和Lamond,2006年). 因此,有人认为核层粘连的破坏与HIV1感染细胞G2细胞周期阻滞的机制有关(de Noronha等人,2001年).

拉明结合伙伴与病毒感染

层粘连蛋白A结合蛋白BAF、LAP2α和emerin也与病毒感染有关。BAF最初被描述为参与逆转录病毒cDNA并入宿主哺乳动物细胞基因组的前整合复合体(PIC)的促进剂(Segura-Totten和Wilson 2004年). 最近,有研究表明,LAP2α稳定了BAF与Moloney小鼠白血病病毒(MMLV)PIC的关联,并且LAP2的敲低会损害NIH3T3细胞中的病毒复制(铃木等人,2004). 在HIV1感染的原代巨噬细胞中,Emerin似乎是病毒cDNA有效整合到宿主基因组所必需的(雅克和史蒂文森2006). 然而,在因emerin、BAF或LAP2α而沉默的HeLa细胞中,或在emerin缺乏的MEF中,HIV1和MMLV感染性似乎是正常的(Shun等人,2007年). 不同观察结果的差异可以用不同的代偿系统或与所用不同类型细胞的核膜相关的因素来解释。然而,很明显,层粘连蛋白及其结合伙伴参与了各种病毒感染周期的不同过程。

病毒疗法和层粘连蛋白

考虑可能归因于病毒感染治疗方案的层粘连功能变化也很有趣。例如,接受高活性抗逆转录病毒治疗(HAART)的HIV感染患者通常会发生脂肪营养不良,类似于由基因突变引起的脂肪营养不良低分子量核酸(例如,请参阅Behrens等人,2000年). 在HAART中,HIV患者使用多种药物联合治疗,包括特定的HIV蛋白酶抑制剂(PI)(霍夫曼和马尔卡希2006). 最近的研究表明,HAART治疗中使用的一些PI导致前层粘连蛋白A加工缺陷(图1B)导致脂肪营养不良表型(克拉克2007). HAART-PIs治疗的3T3前脂肪细胞中均报告了层粘连蛋白A/C和B的分布改变、前层粘连膜A的积累、核变形以及脂肪细胞分化因子SREBP1在NE的下调和异常积累(Caron等人,2003年). 这些改变伴随着这些细胞向脂肪细胞分化过程中的缺陷。

最近的两项研究提供了证据,支持在HIV患者脂肪营养不良的发展过程中,前层蛋白a处理中PI诱导的缺陷更直接地参与。首先,脂肪营养不良患者的成纤维细胞和用PI治疗的对照成纤维细胞表现出相似的表型(Caron等人,2007年). 这些表型包括前层蛋白A的积累、NE的改变和过早的复制性衰老,所有这些都可以用FTI逆转。其次,HAART治疗中使用的PI抑制Zmpste24(图1B)导致前层粘连蛋白A在人和小鼠成纤维细胞中的积累,类似于在ZMPSTE24型−/−成纤维细胞(Coffinier等人,2007年). 最近的一份报告显示,HAART治疗的HIV阳性患者腹部皮下脂肪组织中的层粘连蛋白A mRNA水平降低,但层粘连素C mRNA水平没有降低,无论这些患者是否有脂肪营养不良的临床指征(Miranda等人,2007年). 这些发现表明,HAART治疗在转录和翻译后水平上都会影响层粘连蛋白A的加工,并可能涉及连接这两个层粘连蛋白质A调控水平的反馈控制机制。尽管这些数据非常有趣,但没有直接证据表明层粘连蛋白A加工缺陷与接受HAART治疗的HIV患者脂肪营养不良的发生有关。事实上,最近的一项研究表明,层粘连蛋白a/C的下调似乎不会改变PI对脂肪细胞分化的抑制作用(Kudlow等人,2005年).

总结和结论

总之,在过去几年中,人们对核层压板的兴趣发生了爆炸。对正常细胞和多个层粘连病患者的细胞的研究表明,这些V型IF蛋白在广泛的核功能中发挥着重要作用,在某些情况下甚至是必不可少的作用,包括转录、DNA复制、DNA修复以及细胞增殖和分化。然而,具体机制尚不清楚,必须在未来的研究中确定。此外,层粘连蛋白还可能参与染色质的结构组织和表观遗传调控。虽然很明显,染色质组织和组蛋白甲基化在由突变层粘连蛋白引起的疾病中发生改变,但在正常生理条件下,层粘连在这些过程中的具体功能几乎一无所知。由于层粘连蛋白以发育调控的方式表达,它们可能参与调控负责细胞分化的表观遗传变化(Surani等人,2007年)特别是在胚胎(缺乏层粘连蛋白A/C)和成体干细胞的分化步骤中。

现有的大多数数据使我们提出了一个模型,其中层粘连蛋白作为染色质和染色质相互作用/修饰整个细胞核蛋白质的动态分子支架(Goldman等人,2002年;Shumaker等人,2003年). 这种支架可能因细胞类型而异,取决于不同层粘连亚型的表达水平。通过这种方式,它可能有助于确定各个单元的特定功能。此外,不同的致病突变在体外和原位的结构特性似乎不同(Wiesel等人2008)这表明它们以不同的方式影响细胞核中的各种层粘连结构。综上所述,层粘连支架中的细胞型和突变依赖性改变可能归因于在各种疾病中观察到的表型和受影响组织的变化,这些疾病是由层粘连中大量的突变引起的LMNA公司到目前为止所描述的。

致谢

我们感谢Stephen Adam博士(伊利诺伊州芝加哥西北大学医学院)批判性地阅读了这份手稿。我们的研究项目得到了国家癌症研究所(编号:CA031760)、国家老龄化研究所(代码:AG023776)和埃里森医学研究基金会高级学者奖(编号:AG-SS-1344-04)的支持。

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文章来自基因与发育由以下人员提供冷泉港实验室出版社