Die Kernlamina ist ein Netzwerk von Filamenten, das der Kernmembran zugrunde liegt und aus Proteinen besteht, die als Lamine bezeichnet werden. Die Kernlamina spielt eine wesentliche Rolle in der Kernarchitektur, der Positionierung der Kernporen, der Regulation der Genexpression, der Chromatinorganisation, der DNA-Replikation und der DNA-Reparatur 1,2,3. Mutationen in Genen, die eine Rolle bei der Expression der Laminproteine spielen, führen zu genetischen Störungen, die als Laminopathien bezeichnetwerden 3.
Die restriktive Dermopathie (RD) ist eine schwere laminopathische Erkrankung, die hauptsächlich durch compound-heterozygote Mutationen verursacht wird, die vorzeitige Terminationscodons im ZMPSTE24 Gen4 erzeugen, was zu einem Fehlen der Metalloprotease ZMPSTE24 führt. Diese Laminopathie ist gekennzeichnet durch intrauterine Wachstumsverzögerung, straffe, starre Haut, kleinen Mund, dünnes Haar und Knochenmineralisationsdefekte1. RD-Patienten leben aufgrund der Lungeninsuffizienz1 in der Regel nicht über die erste Lebenswoche hinaus. Zwei weitere Laminopathie-Erkrankungen, die als atypisches Hutchinson-Gilford-Progerie-Syndrom (AT-HGPS) und mandibuloakakrale Dysplasie Typ B (MAD-B) bekannt sind, beinhalten eine verminderte ZMPSTE24 Expression und sind mit einer verkürzten Lebensdauer verbunden und weisen Ähnlichkeiten mit vorzeitigen Alterungsstörungen auf5. Die ZMPSTE24 Protease, die bei diesen Laminopathien betroffen ist, ist für die posttranslationale Modifikation von Lamin A, einer kritischen Komponente der Kernlamina, von entscheidender Bedeutung. ZMPSTE24 Mangel führt zur Akkumulation einer unvollständig verarbeiteten farnesylierten Form von Lamin A, die als Prelamin A2 bekannt ist.

Abbildung 1: Lamin A-Verarbeitung in normaler vs. RD-Zellen. Lamin A-Prozessierungsweg in normalen Zellen (links) und veränderte Lamin-A-Prozessierung in RD- oder ZMPSTE-defizienten Zellen (rechts). Farnesyl (Fa) und Methyl (Me) Gruppen sind angegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, wird bei normaler Lamin-A-Verarbeitung eine Farnesylgruppe (Lipid) an einen Cysteinrest in der Nähe des C-Terminus gebunden, gefolgt von einer proteolytischen Spaltung von drei C-terminalen Aminosäuren 3,6. Der Cysteinrest wird dann methyliert. Diese beiden Modifikationen ermöglichen es, Prelamin A auf die innere Kernmembran2 zu richten. ZMPSTE24 führt dann eine Spaltungsreaktion durch, bei der die letzten 15 C-terminalen Aminosäuren zusammen mit der Farnesyl- und der Methylgruppe entfernt werden, um reifes Lamin A-Protein zu erzeugen, das an die Kernlamina 6,7,8 abgegeben wird. Bei RD, AT-HGPS und MAD-B erfolgt der letzte Schritt der Verarbeitung nicht effektiv, da die ZMPSTE24 Metalloproteinase fehlt oder nicht voll funktionsfähigist 8,9. Dies führt zur Akkumulation von Prelamin A, das dauerhaft farnesyliert und methyliertbleibt 9. Diese letzteren Gruppen führen dazu, dass das Prälamin A an der inneren Kernmembran haftet, anstatt sich an der Kernlamina zu lokalisieren, wo sich das reife Lamin A letztendlich befinden sollte, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Somit hat der ZMPSTE-Mangel tiefgreifende Auswirkungen auf eine Vielzahl von Kernfunktionen, zusammen mit der Kernstruktur 10,11,12,13,14,15. Diese Veränderungen der Kernstruktur können Kernblasen und sogar Kernbrüche umfassen, die zum Austreten von DNA in das Zytosol sowie zum Eindringen von Zytosol in den Zellkern führen können. Fehlerhaft geformte Zellkerne sind in der Tat ein Kennzeichen von Laminopathie-Erkrankungen, zusammen mit zahlreichen anderen Phänotypen, die durch eine fehlerhafte Prälamin-A-Verarbeitung verursacht werden16,17. Defekte in der Kernlamina führen zu einer Vielzahl von nachteiligen Auswirkungen, einschließlich der Fehllokalisierung der Qualitätskontrolle von Kernproteinen und DNA-Reparaturproteinen im Nukleoplasma, was wiederum zu zahlreichen Defekten in der Kernfunktion führt18. Es ist wichtig, eine einfache Technik zu haben, die helfen kann, diese Kennzeichen von Laminopathien zu identifizieren und zu überwachen, um die Forschung zur Entwicklung therapeutischer Ansätze zur Verbesserung der Laminopathie-Phänotypen zu erleichtern. Bei Mäusen mit Laminopathien konnte gezeigt werden, dass die Eliminierung des nukleären Blabbings mit der generalisierten Eliminierung der Laminopathie-Phänotypen korreliert16. Eine Technik, die die Überwachung der nuklearen Integrität in menschlichen Zellen ermöglicht, könnte die Erforschung potenzieller Behandlungen zur Eliminierung oder signifikanten Verbesserung von Krankheitsphänotypen verbessern.
Die indirekte Immunfluoreszenz (IF) ist eine empfindliche und weit verbreitete Technik, bei der sowohl ein primärer unmarkierter Antikörper als auch ein Fluorophor-markierter Sekundärantikörper verwendet werden, der den primären Antikörper erkennt, um ein Ziel von Interesse zu erkennen19. IF-Methoden können ein leistungsfähiges Mittel zur Visualisierung spezifischer intrazellulärer Komponenten und Strukturen darstellen. Es ist auch möglich, dass mehr als ein sekundäres Antikörpermolekül mit dem primären Antikörper interagiert, was zu einer Verstärkung des Signalsführt 19. Die indirekte IF ist eine vielseitige Technik, die auch den Nachweis mehrerer Primärantikörper mit einer relativ kleinen Anzahl von Sekundärantikörpern ermöglicht, da Sekundärantikörper gegen die Fc-Domäne des Primärantikörpers erhoben werden, die in Spezies19 konserviert ist.
Dieser Artikel beschreibt eine indirekte (IF) Methode zur Beurteilung von Kernblebbing und DNA-Leckage in Zellen mit ZMPSTE24-Mangel, wobei Antikörper gegen doppelsträngige DNA (dsDNA) und Lamin B1 zum Nachweis der DNA bzw. der Kernlamina verwendet werden. Um die Nützlichkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren, wurde das Verfahren auf eine HeLa-Zelllinie mit Knocked-out-ZMPSTE24-Expression sowie auf eine HeLa-Zelllinie, die ZMPSTE24 exprimiert, angewendet und die Ergebnisse für die beiden Zelllinien verglichen.