De nucleaire lamina is een netwerk van filamenten dat ten grondslag ligt aan het kernmembraan en bestaat uit eiwitten die lamines worden genoemd. De nucleaire lamina speelt een essentiële rol in de nucleaire architectuur, de positionering van nucleaire poriën, de regulatie van genexpressie, de organisatie van chromatine, DNA-replicatie en DNA-reparatie 1,2,3. Mutaties in genen die een rol spelen bij de expressie van de lamin-eiwitten leiden tot genetische aandoeningen die laminopathieën worden genoemd3.
Restrictieve dermopathie (RD) is een ernstige laminopathieaandoening die voornamelijk wordt veroorzaakt door samengestelde heterozygote mutaties die voortijdige terminatiecodons creëren in het ZMPSTE24 gen4, wat leidt tot afwezigheid van het metalloprotease-ZMPSTE24. Deze laminopathie wordt gekenmerkt door intra-uteriene groeiachterstand, strakke, stijve huid, kleine mond, dun haar en botmineralisatiedefecten1. RD-patiënten leven meestal niet langer dan hun eerste levensweek als gevolg van longinsufficiëntie1. Twee andere laminopathiestoornissen die bekend staan als atypisch Hutchinson-Gilford Progeria-syndroom (AT-HGPS) en mandibuloacrale dysplasie type B (MAD-B) hebben betrekking op verminderde ZMPSTE24-expressie en worden geassocieerd met een kortere levensduur en vertonen overeenkomsten met vroegtijdige verouderingsstoornissen5. De ZMPSTE24 protease die bij deze laminopathieën wordt beïnvloed, is van vitaal belang bij de posttranslationele modificatie van lamin A, dat een cruciaal onderdeel is van de nucleaire lamina. ZMPSTE24 deficiëntie resulteert in de accumulatie van een onvolledig verwerkte gefarnesyleerde vorm van lamin A, bekend als prelamine A2.

Figuur 1: Lamin A-verwerking in normaal vs. RD-cellen. Lamin A-verwerkingsroute in normale cellen (links) en gewijzigde lamin A-verwerking in RD- of ZMPSTE-deficiënte cellen (rechts). Farnesyl (Fa) en methyl (Me) groepen zijn geïndiceerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Zoals te zien is in figuur 1, wordt bij normale lamin A-verwerking een farnesyl (lipide) groep gehecht aan een cysteïneresidu nabij de C-terminus, gevolgd door proteolytische splitsing van drie C-terminale aminozuren 3,6. Het cysteïneresidu wordt vervolgens gemethyleerd. Met deze twee modificaties kan prelamine A worden gericht op het binnenste kernmembraan2. ZMPSTE24 voert vervolgens een splitsingsreactie uit waarbij de laatste 15 C-terminale aminozuren, samen met de farnesyl- en methylgroepen, worden verwijderd om rijp Lamin A-eiwit te produceren, dat wordt afgeleverd aan de nucleaire lamina 6,7,8. In RD, AT-HGPS en MAD-B vindt de laatste stap van de verwerking niet effectief plaats omdat de ZMPSTE24 metalloproteïnase ontbreekt of niet volledig functioneert 8,9. Dit resulteert in de ophoping van prelamine A, dat permanent gefarnesyleerden gemethyleerd 9 blijft. Deze laatste groepen zorgen ervoor dat de prelamine A aan het binnenste kernmembraan blijft plakken in plaats van zich te lokaliseren naar de nucleaire lamina, waar volwassen laminaat A uiteindelijk zou moeten verblijven, zoals te zien is in figuur 1. ZMPSTE-deficiëntie heeft dus diepgaande effecten op een verscheidenheid aan nucleaire functies, samen met de nucleaire structuur10,11,12,13,14,15. Deze veranderingen in de nucleaire structuur kunnen nucleaire blebbing en zelfs nucleaire ruptie omvatten, wat kan resulteren in het lekken van DNA in het cytosol en het binnendringen van cytosol in de kern. Afwijkend gevormde kernen zijn inderdaad een kenmerk van laminopathiestoornissen, samen met tal van andere fenotypes die worden veroorzaakt door defecte prelamine A-verwerking 16,17. Defecten in de nucleaire lamina leiden tot een groot aantal schadelijke effecten, waaronder de verkeerde lokalisatie van de kwaliteitscontrole van nucleaire eiwitten en DNA-reparatie-eiwitten in het nucleoplasma, wat op zijn beurt resulteert in talrijke defecten in de nucleaire functie18. Het is belangrijk om een eenvoudige techniek te hebben die kan helpen bij het identificeren en monitoren van deze kenmerken van laminopathieën om onderzoek naar de ontwikkeling van therapeutische benaderingen gericht op het verbeteren van laminopathiefenotypes te vergemakkelijken. Voor muizen met laminopathieën is aangetoond dat de eliminatie van nucleaire blebbing correleert met de gegeneraliseerde eliminatie van laminopathiefenotypes16. Een techniek die het mogelijk maakt om de nucleaire integriteit in menselijke cellen te monitoren, zou de studie van mogelijke behandelingen voor het elimineren of aanzienlijk verbeteren van ziektefenotypes kunnen verbeteren.
Indirecte immunofluorescentie (IF) is een gevoelige en veelgebruikte techniek die zowel een primair niet-gelabeld antilichaam als een fluorofoor-gelabeld secundair antilichaam gebruikt dat het primaire antilichaam herkent om een interessant doelwit te detecteren19. IF-methoden kunnen een krachtig middel zijn voor het visualiseren van specifieke intracellulaire componenten en structuren. Het is ook mogelijk dat meer dan één secundair antilichaammolecuul een wisselwerking heeft met het primaire antilichaam, wat resulteert in versterking van het signaal19. Indirecte IF is een veelzijdige techniek die ook de detectie van meerdere primaire antilichamen met een relatief kleine set secundaire antilichamen mogelijk maakt, aangezien secundaire antilichamen worden verhoogd tegen het Fc-domein van het primaire antilichaam, dat geconserveerd is binnen soort19.
Dit artikel beschrijft een indirecte (IF) methode om nucleaire blebbing en DNA-lekkage te beoordelen in cellen met een tekort aan ZMPSTE24, waarbij antilichamen tegen dubbelstrengs DNA (dsDNA) en lamin B1 worden gebruikt om respectievelijk DNA en de nucleaire lamina te detecteren. Om het nut van deze aanpak aan te tonen, werd de procedure toegepast op een HeLa-cellijn met knock-out ZMPSTE24-expressie, evenals een HeLa-cellijn die ZMPSTE24 tot expressie brengt, en de resultaten voor de twee cellijnen werden vergeleken.