Lámina nuclear

En 1940 se observó que la extracción con soluciones de alta concentración salina para eliminar la cromatina, dejaba una estructura proteica residual.
En la década de 1970 surgió como hipótesis, la posible existencia de un esqueleto nuclear (nucleoesqueleto), que podría proporcionar soporte mecánico y organización funcional al núcleo.
Se postuló también el concepto de "matriz nuclear", la cual, según se sugirió, sería responsable de organizar el genoma en todo volumen nuclear, densa y altamente ramificada en el nucleoplasma.

En 1952 una estructura similar a una lámina nuclear fue descrita por primera vez en el protozoo Amoeba proteus mediante microscopio electrónico, que apareció como una capa de "panal" de ~300 nm de espesor adyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear.(Harris y James, 1952).^[3]

En 1966 una "lámina fibrosa" análoga, en algunas células de vertebrados y otros eucariotas superiores, se observó como una zona de densidad electrónica intermedia de hasta 40-60 nm de espesor intercalada entre la membrana nuclear y la capa de heterocromatina nuclear periférica. (Fawcett, 1966)^[3]

En 1976 se visualizó a los NPC unidos en su base nucleoplasmática a una fina estructura fibrosa en forma de lámina de toda la circunferencia del núcleo. Cuando las membranas nucleares aisladas se despojaban de la cromatina, la lámina era claramente visible como una capa fibrilar de ~15 nm yuxtapuesta a la membrana interna (Aaronson y Blobel, 1975 ; Dwyer y Blobel, 1976 ; Dwyer y Blobel, 1976).^[3]

En 1978 en la microscopía de inmunofluorescencia de núcleos hepáticos, se localizaron proteínas específicamente en la lámina y no en los NPC (Gerace et al., 1978), y por lo tanto llegaron a ser conocidas como laminas A, B y C.^[3]

En 1985 trabajando con ovocitos de Xenopus laevis, se podía aislar el enorme núcleo (400 µm de diámetro) mediante micromanipulación y las membranas de la envoltura nuclear podían separarse limpiamente del contenido nuclear porque los cromosomas en esta célula en profase meiótica están separados de la NE. En lugar de tener simplemente un carácter "fibroso", se descubrió que la lámina del ovocito estaba compuesta por una red cuasi-ortogonal de filamentos de ~10 nm. (Buhle et al., 1985).^[3]
En 1986 ya se había establecido la lámina nuclear como: una red de proteínas que recubría la superficie nucleoplásmica de la membrana nuclear interna, que era un marco para la estructura de la envoltura nuclear y un sitio de anclaje en la periferia nuclear para la cromatina en interfase.^[4]

En 1991 la lámina nuclear no era capaz de resolverse en todas las células, como una estructura distinta que separaba la cromatina de la envoltura nuclear, una lámina nuclear demostrable de 30 a 300 nm de espesor, interpuesta entre la membrana nuclear interna y la cromatina periférica, es característica de ciertos tipos de células de vertebrados e invertebrados.^[5]

En 1995 se postuló que las laminas también formaban parte de un esqueleto difuso que se ramificaba por todo el interior del núcleo. A diferencia de sus homólogas periféricas, estas láminas internas estaban enterradas en una densa cromatina, "Los nódulos y protuberancias de este esqueleto interno pueden entonces inmunomarcarse utilizando anticuerpos anti-lámina A conjugados con fluoresceína.".^[6]

En 2015 Una red sinusoidal interconectada, cuyos límites están definidos por la propia cromatina denominada espacio intercromático, está repleta de ribonucleoproteínas y otros complejos proteicos (que forman los cuerpos nucleares).
El único nucleoesqueleto propiamente dicho presente en las células animales, se encuentra en la periferia del núcleo, en el límite externo de la masa de cromatina.^[7]
En 2015 se describía la envoltura nuclear como una asombrosa obra de ingeniería: "... está construida como una fortaleza medieval, con sistemas de filamentos que refuerzan sus paredes membranosas y una estructura de doble membrana que forma un lumen similar al foso de un castillo. Como una fortaleza, cuenta con puentes levadizos protegidos en los complejos de poros nucleares, pero también posee otros medios mecánicos de comunicación".^[8] Mediante microscopía de iluminación estructurada tridimensional y análisis computacional de imágenes, se caracterizaron las estructuras supra-moleculares de las laminas A, C, B1 y B2. Se estableció que las isoformas individuales de laminas se ensamblan en redes complejas dentro de la lámina nuclear y que las laminas de tipo A y tipo B desempeñan funciones distintas en el mantenimiento de la organización de la lámina nuclear.^[9]

Estudios que utilizaron PALM y dSTORM, con una resolución (~20 nm) ligeramente superior al grosor de la red de lamina, o 3D-SIM, con una resolución ~100 nm, demostraron redes distintas de lamina A y B.

Se observaron fibras que son forman una estructura reticular de lámina nuclear a escala de micrométros. La criotomografía electrónica reveló que la lámina nuclear está compuesta por filamentos de lamin de 3,5 nm. El diámetro de los tetrámeros de lamina, que pueden estar formados por distintos tipos de moléculas de lamina, es incluso menor (~3,5 nm). Si bien estas estructuras no son directamente resolubles mediante microscopía óptica, conjuntos más grandes y orientados de manera similar de estos filamentos aparecen como

Esto sugirió la formación de homotetrámeros de lamina y no de heterotetrámeros. Por lo tanto, la colocalización encontrada, respondía a localización de laminas A y B1 cerca una de la otra, debido a interacciones entre los dos tipos.(Stiekema) La utilización de MIET-FLIM, propuso un modelo de la lámina nuclear en el que la capa de lamina-B1 tenía un grosor de ~5 nm y la capa de lamina-A/C de ~10 nm.

Lámina Nuclear en forma de red/malla, luego de retirar
la EN y la MNI, (profundidad ~50 nm).
NPC= Poros nucleares, orificios citoplasmáticos.
Ovocito de Xenopus laevis. Microscopía de fuerza atómica.

Con el microscopio electrónico la lámina nuclear (LN) se describió inicialmente como una capa delgada y electrodensa que subyacía a las membranas nucleares. Luego se demostró que en la cara del nucleoplasma las proteínas forman estructuras reticulares.
La LN y la membrana nuclear interna (MNI) son estructuras interdependientes, mantenidas unidas por interacciones moleculares mutuas, entre una enormidad de proteínas de la MNI y la red de laminas subyacente.

La lámina nuclear, es una red filamentosa (meshwork) de 10-30 nm de espesor, cuyo grosor varía entre los distintos tipos de células.^[10]

Según estudios de tomografía crioelectrónica el espesor de la lámina es de aproximadamente 14 nm.^[11]

El área ocupada por los filamentos fue calculada en 50 ± 10 % de la superficie nuclear total, lo que indica una red densa en general, por debajo a la membrana nuclear interna. Los filamentos ocupan aproximadamente el 12 % del volumen total de la lámina (LN).^[12]

Mediante criotomogramas electrónicos la disposición molecular de la lámina nuclear (LN) revela una morfología fibrosa de redes de laminas decoradas con glóbulos, formando filamentos. Estos filamentos se empaquetan en una capa de ~14 nm de espesor (la lámina, LN), pero forman solamente ~12% del volumen de la LN. Los espacios libres entre laminas son grandes e irregulares, y están ocupados por otras proteínas y por cromatina, demostrando que la LN posee una estructura heterogénea.

La composición de la red de lámina nuclear (LN) se basa en las proteínas denominadas laminas. Se describen tres tipos de laminas denominadas A, B y C.
La LN interactúa con la MNI y la cromatina, uniendo la heterocromatina a la periferia nuclear. Las laminas A y C también se asocian con las subunidades del complejo del poro (CPN). Las laminas de tipo A y B, al interactuar con distintos componentes de la MNI y la cromatina, desempeñan funciones distintas en la organización de la lámina nuclear.^[11]

El marcaje diferencial de las laminas de tipo A y tipo B indica, que difieren en sus densidades y su distribuciones espaciales, lo que respalda su separación en la lámina nuclear (LN).^[11]

Tanto las laminas tipo A como laminas-C se encuentran en la estructura de lámina nuclear y en el nucleoplasma donde interactúan con la cromatina y regulan la movilidad de la cromatina. Las laminas-A en el interior del núcleo y en el nucleoplasma son bastante móviles, o no forman estructuras de polímeros extensas, o bien las estructuras existentes son mucho más transitorias.
Las laminas de tipo B en el interior del núcleo, tienen una movilidad muy lenta.^[7]

El ensamblaje de LN ocurre a través de la polimerización que implica la formación de homodimeros, el ensamblaje cabeza-cola de homodímeros de laminas y el ensamblaje antiparalelo de los polímeros cabeza-cola en filamentos.

La fosforilación de las laminas provoca la disgregación de la lámina nuclear, causando la ruptura de la envoltura al inicio de la división celular. Si bien la formación de la lámina no se requiere durante los pasos iniciales, la organización de la envoltura es indispensable para el crecimiento posterior y el mantenimiento de su integridad. Las laminas se incorporan luego que la cisterna o espacio perinuclear rodea al ADN y se inicia el transporte entre el núcleo y el citoplasma.

La lámina nuclear (LN) formada por laminas desempeña funciones centrales en: el ensamblaje, la estructura, el posicionamiento y la mecánica del núcleo celular.
Las laminas modulan la señalización celular e influyen en: el desarrollo, la diferenciación. Los filamentos de lamina son vínculos entre el cito-esqueleto y el núcleo-esqueleto.^[15]

En la periferia del núcleo, las interacciones entre la lámina nuclear y la cromatina, forman "dominios asociados a la lámina" (LAD), que muestran características de heterocromatina y desempeñan un papel en la organización funcional del genoma al silenciar genes.^[16]

LAD "dominios asociados a la lámina".
Chromatin-Lamina Affinity. Lámina nuclear en gris

En la mayoría de los núcleos de mamíferos, gran parte de la heterocromatina se localiza cerca de la envoltura nuclear (EN), lo que se conoce como organización radial. Debido a su proximidad a la EN y a las redes de proteínas de la membrana nuclear interna (MNI), filamentos intermedios nucleares (laminas) y proteínas de unión a laminas, estos dominios de cromatina se conocen como "dominios asociados a la lámina" (LAD en inglés).^[17]

Los cromosomas individuales ocupan territorios con una disposición nuclear radial, posibilitada por el "secuestro" de dominios cromosómicos específicos en la envoltura nuclear, que proporcionan puntos de anclaje para la cromatina.
Las interacciones de regiones activas del genoma con los CPN y de partes silenciosas del genoma con la lámina nuclear a través de los "dominios asociados a la lámina" (LAD) son estructurales y funcionales.^[11]

Los llamados LAD son regiones grandes (>100 kb), mayormente heterocromáticas y que se sobreponen con el compartimento B inactivo.^[10] La longitud LAD que oscila entre 0,1 y 10 Mb, pueden comprender una gran porción del genoma (30-50%, dependiendo del tipo de célula).

Estos dominios de anclaje de loci genéticos a la LAD constituyen casi el 40% del genoma del ratón.^[18] Diferentes tipos de células mostraron tres grupos diferentes de LAD:

• los LAD constitutivos (cLADs) como regiones que son regiones asociadas a la lámina,
• los inter-LAD constitutivos (ciLADs) que son regiones de cromatina entre los LAD y
• los LAD facultativos (fLADs) que son regiones asociadas a la lámina dependientes del tipo de célula.

Estos dominios son relativamente pobres en genes, transcripcionalmente inactivos y de replicación tardía. La compartimentalización A/B ahora se refina en cinco subcompartimentos primarios: A1, A2, B1, B2 y B3, con los LAD que corresponden en mayor medida a los compartimentos B2 y B3.^[17]

Las laminas tienen un orden definido de reclutamiento a la NE en reformación, con las laminas de tipo B asociadas a la membrana llegando primero, seguidas de la importación dependiente de NPC y ensamblaje de las laminas de tipo A, en el 'ensamblaje' de LAD durante la salida de la mitosis.^[17]

La matriz nuclear (nucleoplasma) transcripcionalmente activa está compuesta por laminas de tipo A solubilizadas mediante modificaciones postraduccionales que actúan con proteínas asociadas a las láminas

La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos genéticos principales, como la autorreplicación del ADN o la síntesis de ARN, de la síntesis de proteínas, que ocurre fuera del núcleo. Además esto posibilitó que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en los ribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a medida que la ARN polimerasa sintetiza el ARN, simultáneamente el extremo 5' se une al ribosoma y comienza la traducción.^{[cita requerida]}

Los fibroblastos de pacientes sanos tienen una envoltura nuclear de forma redondeada y uniforme, mientras que en pacientes con progeria, presentan formas más irregulares.^[19]