E u kary otic Cells All cells are surrounded by a plasma membrane made of phospholipids and proteins. Eukaryotic cells have membrane bound intracellular organelles. The most prominent is the nucleus that controls the workings of the cell. polyribosome actin filament rough ER centriole mitochondrion lysosome - nucleus nuclear pore chromatin nucleolus nuclear envelope smooth ER peroxisome vacuole cytoplasm ribosomes Golgi apparatus vesicle microtubule plasma membrane Eukaryotické buňky jsou charakteristické velkou morfologickou variabilitou. Tvar buněk je závislý na komplexu sítí proteinových filament, které se rozpínají cytoplasmou. Tato síť filament se nazývá T. Protože je cytoskelet zodpovědný za buněčný pohyb, mohl by se rovněž nazývat cytomusculaturou. V V r CYTOSKELET SE JEVÍ JAKO ZASADNI BUNEČNÝ FAKTOR, KTERÝ HRAJE DŮLEŽITOU ÚLOHU V EVOLUCI BUNĚK ODLIŠNE AKTIVITY CYTOSKELETU JSOU ZÁVISLE NA TŘECH TYPECH PROTEINOVÝCH FILAMENT: A) AKTINOVÁ FILAMENTA (aktin) B) MIKROTUBULY (tubulin) C) INTERMEDIÁLNÍ FILAMENTA (vimentin, lamin) Table 7.2 The Structure and Function of the Cytoskeleton Property Structure Diameter Protein subunits Main functions Microtubules 1 lollow tubes; wall consists of 13 columns ol tubulin molecules 25 nm with 15-nm lumen Microfilaments (Actin Filaments) Tubulin, consisting of ((-tubulin and ß tubulin Maintenance of cell shape (compression-resisting "girders'") Cell motility (as in cilia or flagella) Chromosome movements in celí division Organelle movements 10 urn Two intertwined strands of actin 7 nm Act in Maintenance of cell shape (tension-bearing elements) Changes in cell shape Muscle contraction Cytoplasmic streaming Cell motility (as in pseudopodia) Oil division {cleavage furrow formation) 10 pm Intermediate Filaments Fibrous proteins supcrcoilcd into thicker cables 8-12 nm One of several different proteins of the keratin family, depending on cell type Maintenance of cell shape (tension-bearing elements) Anchorage of nucleus and certain other organelles Formation of nuclear lamina Sum CO Tubulin dimer 25 nm Actm subunit 7nm Protein subunits Fibrous subunils Onm SpTffiCE Adapted liom W. M. Becker, L I. Klciiumith, and I. Hardin, Tlie World of the Cell. 4th ed. (San Francisco, CA: Benjamin Cummings, 20001, p. 753. Copyright Q Pearson Education. Inc-, puWisninq as Benjamin Cumminqs. Eukaryotické buňky jsou tvořeny biliony proteinových molekul, které tvoří přibližně 60% buněčné masy. Existuje 10 tisíc typů proteinů, které vykazují svoji specifickou funkci. 1) AKTINOVA FILAMENT A (mikrofilamenta) sou dvoustranné helikální polymery tvořené proteinem aktinem. Jeví se jako flexibilní struktury s průměrem 5-9mm. Jsou organizovány do dvoudimenzionálních sítí. Jsou roztaženy po celé buňce, ale nejvíce jsou roztaženy v kortexu, těsně pod plasmatickou membránou. ^ MIKROTUBULY sou tvořeny tubulinem, který je uspořádán do dutých cylindrů. Mají průměr 25nm. Mají schopnost rychle se smršťovat a natahovat. Jsou rigidnější než aktinová vlákna. Jedna část mikrotubulů se dotýká tzv. centra organizujícího mikrotubuly (MTOC), které se nazývá CENTROZOM. Centrozomy jsou polární struktury s + a - koncem, jsou schopné rychlého růstu. Několik stovek mikrotubulů vybíhá z centrosomu tak že mohou dosahovat mnoho mikronů. + konec mikrotubulů se tak dotýká kraje buněk. Microtubles are small hollow cylinders made of the globular protein tubulin Microtubules help maintain the shape of the cell and act as tracks along which organelles can move. kinesin receptor kinesin - vesicle vesicle moves, not microtubule centrosome containing centriole pair cell fragment with reorganized microtubules Microtubule motors There are two major groups of microtubule motors: •kinesins (most of these move toward the plus end of the microtubules) and •dyneins (which move toward the minus end). •The rapid transport of organelles, like vesicles and mitochondria, along the axons of neurons takes place along microtubules with their plus ends pointed toward the end of the axon. The motors are kinesins. •CENTROSOMES located in the cytoplasm attached to the outside of the nucleus. •Just before the centrosome duplicates. •The two centrosomes move apart until they are on opposite sides of the nucleus. •As mitosis proceeds, microtubules grow out from each centrosome with their plus ends growing toward the metaphase plate. These clusters of microtubules are called spindle fibers. • future metaiihase 4 centres o m c ~^t\ h--------1 ' <=>' © c «nitro s o m-c •H' f J 'áaaaaaafauuvvvvvvvwuuuuuuifwv ffi&: ©i . t~ i «a«««« = microtubule ! & = tubulin monomers 0 klnetochore = rivnpin = ľlll^MII provazcovitá vlákna o průměru 10 nm, jsou tvořena intermediálními proteiny. Jedním typem je jaderná lamina, přiléhající k jaderné membráně. Jiný typ těchto filament je natažený zkrz cytoplasmu a tak poskytuje buňkám mechanistické rozpínání, to umožňuje zprostředkování mezibuněčných komunikací. There are several types of intermediate filament, each constructed from one or more proteins characteristic of it. s are found in epithelial cells and also form hair and nails; ; form a meshwork that stabilizes the inner membrane of the nuclear envelope; 5 strengthen the long axons of neurons; ns provide mechanical strength to muscle (and other) cells. Microvillus MICROFILAMENTS Nucleus Plasma membrane (a) Overview of cytoskeleton INTERMEDIATE FILAMENTS MICROTUBULES Centrosome Secretory vesicle -, Microfilament Intermediate filament * *• > * V I . < | ■ ■ - > > > i i - > ť I .) > i 1 > í t » • I1 Microlubule (b) Distribution of cytoskoletal element (left) and detail of structure (right) 05 The nucleus and the nuclear envelope Nuclear Matrix Breakdown ^ompfatie Nuclairt Degradation of Chromatin by Endegenaun Enoonucteau» Exposure of Chromatin Laminy a další proteiny jsou složky jaderné membrány. Byl podán důkaz, přítomnosti laminu i v nukleoplasmě. Proteiny typu laminu jsou zodpovědný za jadernou architekturu, z důvodů jejich kontaktu se strukturami chromatinu. Tyto vzájemné vztahy se mění během buněčného cyklu a diferenciace. Změny v expresi laminu (A, Bl, B2) korelují se změna v buněčné diferenciaci, s vývojově-závislými změnami a se změnami v expresních profilech, které probíhají během zmíněných procesů. Laminy jsou hlavní komponety i jaderné matrix, polymerizované laminy tvoří hlavní kostru buněčného jádra. Mutace v laminech, a dalších proteinech jaderné matrix jako je emerin, nurim, způsobují další nestability chromatinu a fragilnost buněčných jader. Specifické mutace laminu A/C a emerinů jsou zodpovědné za vznik Emery-Dreifuss svalové dystrofie. Laminy mají rovněž schopnost se vázat na proteiny asociované s chromatinem. laminy jsou považovány i za regulátory transkripce. LA a LC se vážou na pRb protein (centrantrální regulator buněčného cyklu, inhibuje geny důležité pro vstup do S-fáze, tím že aktivuje HD AC komplexy, které jsou zodpovědné za inaktivitu struktur chromatinu), který se váže na LAP2 alfa. Vyblokování LA i LC inhibuje aktivitu pol II a mění formování některých transkripčních faktorů. Nuclear pore ■Wŕffvíiiífťii'iwiraTf.t.ľ* "" "t lüiVW SyneíAnc-1* Z tohotofaktu je zřejmé, že proteiny jaderné slupky ovlivňují strukturu chromatinu. í"i M|i> #í]-Aľííij 4fc OliguLThľriirAelin Lamin AC Nupl53 Lamin B Lamin B* MEF buňky izolované z LA/C knock out myší - vhodný model ke studiu laminu. Ztráta LA/C není pro buňky fatální, ale RNAi vyblokovaný LB - apoptóza (Večeřová J.). Ztráta LA/C neovlivňuje distribuci a morfologii „nuclear species" a ani formování faktorů sestřihu (Večeřová et al., 2005). Z experimentů plyne, že dynamicky organizované proteiny nehistonové povahy asociované s chromatinem vykazují schopnost vlastní organizace, která není závislá na proteinech nukleoskeletálních intermediálních filament typu laminu. Laminy a apoptóza • apoptóza je charakterizována zmenšením jádra a kondenzací chromatinu (fragmentace na „bodies") • během apoptózy jsou laminy štěpeny kaspázami v místě kyseliny aspartové na centrální doméně laminu A (jedna z nejvíce konzervovaných oblastí v proteinech IF) Nuclear lamina and lamins connection between cytoplasm and genome mechanical stability for the NE and organizing of chromatin structure at the nuclear periphery essential role in chromatin and NPCs architecture and organization NE breakdown and reassembly mitosis DNA replication RNA polymerase II-dependent expression transcriptional repression laminopathies Ribosomes Nuclear pore complex Nuclear lamina - ChTĽ-ľv-aLm ■ Cytoplasm Peri nuclear apace Outer nuclear Inner nuclear membrane (Ellis and Maidment, 2002) Nuclear lamina and lamins • A-type lamins - LMNA gene (A, AAIO, C, C2) (in differentiated cells, tissue homeostasis) • B-type lamins - LMNBl, LMNB2 genes (B1, B2, B3) (in somatic cells, essential for cell viability, development) Lamin structure • short N-terminal „head" domain (NH2) • long a-helical coiled-coil „rod" domain |amin Nq |amin B • globular „tail" domain (COOH) • nucleoplasmic pool of the lamin A hud rod lull M " ^^^^^^^ M WW 1 WV^WttttW. Liiniiri A Lamin Bl l\ IWMMHWWWM^»v.: hmľivmwmmn' BIA rod 'I—IttTOg___________ _J^lw^n~ in 11 i'mii in"__ "*iw^rr M« ■J ÍHA (E.C. Schirmeretal.,2001) Three possible mechanisms of targeting lamins A/C to the nucleoplasm prelamin A a mature lamin A LAP2a (Dorner et al., 2006) Prelamin A is farnesylated and carboxymethylated on the cysteine residue of a carboxyl-terminal CaaX motif. This post-translationally modified cysteine residue is removed from prelamin A when it is endoproteolytically processed into mature lamin A. The protein encoded by this gene domain. It may be a component of a prelamin A endoprotease complex. The encoded protein is located in the nucleus, where it partially colocalizes with the nuclear lamina. It shares limited sequence similarity with iron-only bacterial hydrogenases. Alternatively spliced transcript variants encoding different isoforms have been identified for this gene, including one with a novel exon that is generated by RNA editing. Lamin associated proteins INM proteins LBR (lamin B receptor) LAPÍ (lamin associated polypeptide) LAP2a, ß (lamin associated polypeptide a, ß) emerin MANI Nesprin-la Goldman etal., 2002 ž activating function of lamin A complexes on pRb repressor activity • lamins A/C - LAP2a + chromatin and DNA —► control higher order chromatin organization and epigenetic gene regulation, interaction with core histones • LAP2a - BAF + chromatin - BAF contribute to formation of heterochromatin and the regulation of gene expression • Dorner et al., 2007 Potential functions of nucleoplasms lamins A/C-LAP2a complexes in the gene regulation (Dorner et al., 2006) Laminopathies (nuclear envelopathies) • premature ageing syndroms, myopathies, neuropathies, lipodystrophies, dermopathies • lamin A/C (EDMD, HGPS), emerin (EDMD), MANI, LBR, LAP2a (cardiomyopathy) • mechanical stress model - mutated nuclei are mechanically more fragile, defects in NE structure (cardiac-and skeletal-muscle pathologies) • perturbed gene expression - mutations in lamina proteins could promote diseases by compromising various gene regulatory pathways in different tissues (pRB + lamin A and LAP2a, important for skeletal muscle and adipose tissue differentiation) Laminopatie • Emery Dreifuss Muscular Dystrophy (EDMD) - mutace v LMNA (autozomálně dominantní), v emerinu (recesivní) • jiné příznaky než u myší až po 4-5 letech • Dilated cardiomyopathy (DCM) • Familiar partial lipodystrophy (FPLD) • Limb girdle muscular dystrophy (LGMD) • asi 50 mutací v LMNA (bodové mutace, delece, nonsence mutace,...) Laminopathies • loss of heterochromatin in HPGS patients (epigenetic marks, Goldman et al.) • nuclei from old people have similar defects as HGPS patients (Scaffidi and Misteli) - including changes in histone modifications and increased DNA damage • direct link between heterochromatimzation defects leading to HGPS, and ageing Lamin A and nuclear lamina-dependent epigenetic alterations are involved no only in nuclear envelopathies but also in the physiological processes of ageing. Laminy a nemoci u myší knock out v genu LMNA normální narození, po 2-3 týdnech zpomalení růstu a další příznaky do 8 týdnů smrt - zasaženy kosterní svaly a sval srdeční, ztráta bílého tuku kultivace fibroblastů z LMNA-/- myší snížení množství laminu, LAP2, tvorba puchýřku nebo bublinek, v jejichž oblasti nepřiléhal chromatin k j aderné membráně změněná distribuce emerinu (reverzibilní) Laminy v buněčném cyklu Stavba jaderného obalu • během mitózy (profáze/metafáze) se jaderné laminy rychle rozpadají díky fosforylaci kinázou p34/cdc2 • po mitóze jsou laminy defosforylovány a znovu složeny přibližně ve stejnou dobu jako jaderný obal a jaderné póry • laminy typu A a B mají různý timing • interakce lamin-lamin zahrnuty v utváření můstků spojující membránové váčky s chromatinem při tvorbě jaderné membrány • laminy interagují se dvěma skupinami proteinů: integrální (LAP2, emerin, MANÍ, LBR, pl8,...) neintegrální v oblasti laminy (GCL, YA, PPI, Octl) Orcianizace laminu v interfázi j sou laminy kontinuálně syntetizovány a inkorporovány do laminy je to dynamická struktura, během interfáze v jádře polymerizují v buňce existují v různých stavech (FRAP - fluorescence recovery after photobleaching) tvorba vnitřního „veil" (závoje) R.D. Goldman et al., 2002 Laminy a viry jaderný obal představuje bariéru pro DNA i RNA viry, které se replikují v jádře DNA viry (př. herpesvirus) se po replikaci musí v podobě nukleokapsidů dostat skrz vnitřní jadernou membránu Eliminace nukleokapsidů je provázen rozpadem laminu na okraji jádra během pozdní fáze infekce RNA viry (př. HIV) musí v podobě preintegračního komplexu (PIC) projít do jádra, ale jaderné póry mají menší průměr než PIC, a tak není ještě jasné, jak dochází k průchodu Laminy a chromatin • interakce laminu a LAPs s chromatinem • vazba laminu na sekvence DNA v místech matrix attachment regions (MARs) a scaffold attachment regions (SARs) • stabilní navázání LAPs vyžaduje LEM doménu (oblast 43 aminokyselin) • ovlivnění organizace chromatinu a tím i aktivity genů R.D. Goldman et al., 2002 A) proteiny jaderné matrix vytvářejí specifické vazebné body, na kterých je přichycena DNA. Výsledkem je lokalizovaná topografie, která ovlivňuje genomové regulace a procesy. Existence jaderné matrix je neustále diskutována, stejně tak teorie „ chromatin self-organization" B) spojení histonů a jiný pozitivně nabitých proteinů s negativně nabitou DNA zajišťuje větší flexibilitu DNA. C) chromatin utváří strukturální organizaci genomu. Existuje tak zvaný „radia odel". V tomto modelu, velká chromatinová vlákna tvoří smyčky, které jsou uspořádány do chromosomů. Oblast, kde přiléhá DNA k proteinovému lešení „scaffold" se nazývá scaffold attachment region. je dynamická struktura, která rozhoduje o vysoce organizovaném uspořádání vláken chromatinu. Scaffold je flexibilní struktura schopná relaxace i velmi těsné kondenzace. Mnoho proteinů jaderné matrix je důležitých pro fyziologickou kondenzaci chromozomů, například při mitóze, diferenciaci a apoptóze. Další komponent scaffoldu je enzym 1 (topo II). Má svou nezastupitelnou funkci v kondenzaci/dekondenzaci chromatinových smyček. Preferenčně se váže na AT bohaté oblasti. DNA je bohatá na AT oblasti a bylo zjištěno, že AT sekvence se vyskytují podél os chromosomů. Shrnutí problematiky: 1. Struktura a funkce cytoskeletu. 2. Hlavní proteiny cytoskeletu. 3. Laminy a další proteiny jaderného skeletu 4. Jaderná matrix. 5. Oblasti MARs, SARs a LBARs a jejich funkce.