Sin dalla scoperta del nucleo da parte di Robert Brown nel 1833 è noto che il nucleo è circondato da una struttura membranosa. La membrana nucleare è un doppio strato lipidico che racchiude il nucleo e lo isola fisicamente dal resto della cellula, il che consente importanti processi molecolari nel nucleo, senza interferenze dal citoplasma. Le immagini di esempio delle proteine localizzate alla membrana nucleare possono essere viste nella figura 1.,
Nell’Atlante cellulare, 277 geni (1% di tutti i geni umani codificanti proteine) hanno dimostrato di codificare proteine che si localizzano nella membrana nucleare (Figura 2). Un’analisi di arricchimento funzionale basata su Gene Ontology (GO) delle proteine di membrana nucleari mostra l’arricchimento dei termini per i processi biologici principalmente legati all’organizzazione strutturale del nucleo e al trasporto nucleocitoplasmatico., Circa l ‘ 85% (n=236) delle proteine di membrana nucleare si localizzano in altri compartimenti cellulari oltre alla membrana nucleare, con il 30% (n=82) che si localizza anche in altre sottostrutture all’interno del compartimento meta nucleare. La localizzazione aggiuntiva più comune ad eccezione del nucleoplasma è vescicole.
TPR – A-431
LMNB1 – MCF7
SUN2 – A-431
Figura 1. Esempi di proteine localizzate alla membrana nucleare. Il TPR fa parte del complesso dei pori nucleari richiesto nel traffico nucleare ed è specificamente coinvolto nell’esportazione nucleare di MRNA (rilevato in cellule A-431)., LMNB1 è una parte della lamina nucleare, ed è un tipo di proteina filamento intermedio (rilevato in cellule MCF7). SUN2 è noto per essere parte dei complessi proteici LINC che consente il collegamento del citoscheletro alla membrana nucleare (rilevato in cellule A-431).
- L ‘ 1% (277 proteine) di tutte le proteine umane è stato rilevato sperimentalmente nella membrana nucleare dall’Atlante proteico umano.
- 67 proteine nella membrana nucleare sono supportate da prove sperimentali e di queste 17 proteine sono potenziate dall’Atlante proteico umano.,
- 236 proteine nella membrana nucleare hanno più posizioni.
- 41 proteine nella membrana nucleare mostrano una variazione da cellula a cellula. Di questi 37 mostrano una variazione di intensità e 4 una variazione spaziale.
- Le proteine di membrana nucleari sono principalmente coinvolte nell’organizzazione del nucleo e nel trasporto nucleocitoplasmatico.
Figura 2. l ‘ 1% di tutti i geni codificanti proteine umane codificano proteine localizzate sulla membrana nucleare. Ogni barra è cliccabile e fornisce un risultato di ricerca di proteine che appartengono alla categoria selezionata.,
La struttura della membrana nucleare
La membrana nucleare, nota anche come involucro nucleare, è costituita da due doppi strati lipidici. La membrana più esterna è contigua al reticolo endoplasmatico (ER), mentre la membrana più interna è rivestita da una rete fibrillare costituita da proteine nucleari a filamento intermedio, note come lamine nucleari. La lamina nucleare fornisce supporto strutturale e funge da punto di ancoraggio per la cromatina, svolgendo così un ruolo importante nell’organizzazione nucleare., È stato suggerito che i lamini possono anche partecipare alla riparazione del DNA, così come alla regolazione della replicazione e della trascrizione del DNA (Dechat T et al. (2008)). I lamini sono classificati come A-o B-type e presentano diverse proprietà biochimiche e funzionali in termini di punti isoelettrici e comportamento durante la mitosi. Durante la fase mitotica della divisione cellulare, i lamine di tipo B rimarranno associati alle membrane, mentre i lamine di tipo A sono solubilizzati e dispersi (Gruenbaum Y et al. (2005); Stuurman N et al. (1998))., Una selezione di proteine adatte come marcatori per la lamina nucleare e la membrana nucleare può essere trovata nella Tabella 1. Un elenco di proteine di membrana nucleari altamente espresse, comprese le lamine, è riassunto nella tabella 2.
Tabella 1. Selezione di proteine adatte come marcatori per la membrana nucleare.,etin
Table 2., Proteine di membrana nucleari localizzate singole altamente espresse attraverso diverse linee cellulari.,td>LMNB1
The space between the inner and the outer membrane is called the perinuclear space., Le membrane sono collegate tra loro a grandi complessi proteici, noti come complessi di pori nucleari, formando un gran numero di canali che consente il trasporto dentro e fuori dal nucleo. Ogni complesso di pori nucleari è costituito da 100-200 proteine che formano una caratteristica simmetria ad anello di otto volte (Paine PL et al. (1975); Reichelt R et al. (1990); CALLAN HG et al. (1950)). Quando si immagina un’intersezione della cellula, la membrana nucleare è visibile come un cerchio sottile lungo il bordo esterno del nucleo, che è coerente tra le linee cellulari (Figura 3)., La membrana non è tuttavia perfettamente liscia e le cavità membranose possono apparire come piccoli cerchi o punti all’interno del nucleo, da non confondere con i corpi nucleari.
LBR – HEK 293
LBR – U-2 OS
LBR – RH-30
Figura 3. Esempi della morfologia della membrana nucleare in diverse linee cellulari, dove la morfologia è relativamente coerente. Le immagini mostrano macchie immunofluorescenti della proteina LBR nelle cellule HEK 293, U-2 OS e RH-30.
Figura 4. Vista 3D della membrana nucleare nel sistema operativo U-2, visualizzata mediante colorazione immunofluorescente di LMNB1., La morfologia della membrana nucleare nelle cellule staminali indotte dall’uomo può essere vista in Allen Cell Explorer.
La funzione della membrana nucleare
La membrana nucleare funge da barriera tra il nucleo e il citoplasma, separando la regolazione genica e la trascrizione nel nucleo dalla traduzione nel citoplasma (CALLAN HG et al. (1950); WATSON ML & periodo; (1955)). I pori nucleari consentono la diffusione di piccole molecole, ma anche il trasporto attivo di molecole più grandi come RNA e proteine, attraverso la membrana nucleare (Paine PL et al., (1975); BAHR GF et al. (1954)). In questo senso, la membrana nucleare crea sia una barriera, ma anche un legame, tra il nucleo e il resto della cellula. La membrana nucleare è una struttura altamente dinamica, con una composizione che viene alterata durante tutto il ciclo cellulare. Dopo la replicazione in fase S, la membrana nucleare si espande in G2, ma poi si rompe all’ingresso nella mitosi per consentire il collegamento dell’apparato del mandrino ai cromatidi fratelli., Il meccanismo di rottura comporta lo smontaggio dei complessi dei pori nucleari, la depolimerizzazione della lamina nucleare, la rimozione delle proteine associate alla membrana nucleare interna. Il riassemblaggio della membrana nucleare avviene dopo il completamento della mitosi (Terasaki M et al. (2001); Dultz E et al. (2008); Salina D et al. (2002); Beaudouin J et al. (2002); Gerace L et al. (1980); Ellenberg J et al. (1997); Yang L et al. (1997)). Le mutazioni nei geni che codificano le proteine associate alla lamina nucleare danno origine a diverse malattie, chiamate collettivamente laminopatie., Un esempio è l’emerina proteica che media l’ancoraggio della membrana nucleare al citoscheletro (Figura 6). Le mutazioni nel gene EMD causano la distrofia muscolare di Emery-Dreifuss (EDMD); una malattia legata al cromosoma X caratterizzata da contratture e in molti casi anche cardiomiopatia (Bione S et al. (1994)).
Gene Ontology (GO) l’analisi dei geni che codificano le proteine localizzate principalmente sulla membrana nucleare rivela l’arricchimento dei termini GO che descrivono funzioni che sono ben in linea con le funzioni note della membrana nucleare., I termini arricchiti per il processo biologico del dominio GO sono principalmente correlati al trasporto molecolare (Figura 5a). L’analisi di arricchimento della funzione molecolare del dominio GO fornisce risultati migliori per termini relativi a lamine, complessi di pori nucleari e traffico nucleare (Figura 5b).
Figura 5a. Gene Ontology-based enrichment analysis for the nuclear membrane proteome showing the significantly enriched terms for the GO domain Biological Process. Ogni barra è cliccabile e fornisce un risultato di ricerca di proteine che appartengono alla categoria selezionata.
Figura 5b., Gene Ontology-based enrichment analysis for the nuclear membrane proteome showing the significantly enriched terms for the GO domain Molecular Function. Ogni barra è cliccabile e fornisce un risultato di ricerca di proteine che appartengono alla categoria selezionata.
Proteine di membrana nucleari con posizioni multiple
Delle proteine di membrana nucleari identificate nell’Atlante cellulare, circa l ‘ 85% (n=236) si localizzano anche in altri compartimenti cellulari (Figura 6). il 30% (n=82) di tutte le proteine di membrana nucleare si localizza solo in altre strutture nucleari., La trama della rete mostra che le posizioni più comuni condivise con la membrana nucleare sono nucleoplasma, citosol e vescicole, con nucleoplasma e vescicole sovrarappresentate. La localizzazione sia alla membrana nucleare che al nucleoplasma potrebbe evidenziare proteine che si localizzano al nucleoplasma e sono arricchite sulla superficie interna della membrana nucleare o della lamina nucleare, forse a seconda del tipo o dello stato cellulare., La localizzazione alla membrana nucleare e alle vescicole potrebbe riflettere il fatto che la membrana nucleare è collegata alle vie secretorie attraverso la sua associazione con le proteine ER e/o highlight coinvolte nel trasporto nucleare. Esempi di proteine multilocalizzanti all’interno del proteoma di membrana nucleare possono essere visti in Figura 7.
Figura 6. Trama di rete interattiva di proteine di membrana nucleari con localizzazioni multiple. I numeri nei nodi di collegamento mostrano le proteine localizzate nella membrana nucleare e in una o più posizioni aggiuntive., Vengono mostrati solo nodi di collegamento contenenti più di una proteina e almeno lo 0,5% di proteine nel proteoma della membrana nucleare. Le dimensioni del cerchio sono correlate al numero di proteine. I nodi di colore ciano mostrano combinazioni che sono significativamente sovrarappresentate, mentre i nodi di colore magenta mostrano combinazioni che sono significativamente sottorappresentate rispetto alla probabilità di osservare quella combinazione in base alla frequenza di ogni annotazione e un test ipergeometrico (p?0.05). Si noti che questo calcolo viene eseguito solo per le proteine con doppia localizzazione., Ogni nodo è cliccabile e si traduce in un elenco di tutte le proteine che si trovano negli organelli collegati.
EMD – U-251 MG
MX1 – U-2 OS
TOR1A – MCF7
Figura 7. Esempi di proteine multilocalizzanti nel proteoma di membrana nucleare. Gli esempi mostrano combinazioni comuni o sovrarappresentate per proteine multilocalizzanti nel proteoma di membrana nucleare. EMD è noto per essere coinvolto in molteplici processi, per esempio la formazione di actina e la stabilizzazione. L’EMD è localizzato alla membrana nucleare e all’ER (rilevato nelle cellule U-251)., MX1 inibisce la replicazione del virus impedendo l’importazione nucleare dei compartimenti virali ed è una proteina periferica della membrana. MX1 è localizzato alla membrana nucleare e al citosol (rilevato nelle cellule U-2 OS). TOR1A svolge una varietà di compiti come il ripiegamento delle proteine e il controllo del movimento cellulare. È localizzato alla membrana nucleare e alle vescicole (rilevate nelle cellule MCF7).,
Livelli di espressione delle proteine di membrana nucleari nel tessuto
L’analisi del trascrittoma e la classificazione dei geni in categorie di distribuzione tissutale (Figura 8) mostra che i geni che codificano le proteine di membrana nucleari mostrano una distribuzione simile tra queste classi come tutti i geni presentati nell’Atlante cellulare.
Figura 8. Bar plot che mostra la percentuale di geni in diverse categorie di distribuzione tissutale per i geni nucleari di codifica delle proteine associati alla membrana rispetto a tutti i geni nell’Atlante cellulare., L’asterisco segna una deviazione statisticamente significativa (p≤0,05) nel numero di geni in una categoria basata su un test statistico binomiale. Ogni barra è cliccabile e fornisce un risultato di ricerca di proteine che appartengono alla categoria selezionata.
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