Polymer modeling of the structure and dynamic properties of the nuclear lamina in health and disease

Nükleer lamina, lifsi lamin proteinlerinden oluşan ve çekirdeğin yapısal bütünlüğünü, elastikiyetini ve morfolojisini koruyan iki boyutlu bir protein ağ yapısıdır. A/C tipi ve B tipi olmak üzere iki sınıfa ayrılan bu laminler, polimer fiziğindeki yarı esnek zincirler gibi dinamik ve mekanik olarak duyarlı ağlar oluştururlar. Sağlıklı çekirdeklerde bu ağ, rastgele ve izotropik bir örgü gibi davranır; ancak çeşitli hastalıklarda bu yapı bozulabilir. Örneğin, HGPS (Progeria) hastalığında LMNA geninde (A tipi laminler) meydana gelen tek noktalı bir mutasyon, periferik laminlerle nükleoplazmadaki laminler arasındaki alışverişin azalmasına yol açar. Mutasyona uğramış lamin A proteinleri (progerin), çekirdek çevresinde sıkı şekilde paketlenmiş nematik fazlar oluştururlar. Bu değişiklikler, B tipi lamin ağını da etkiler—ağ yüzlerinin büyümesine ve genel organizasyonun bozulmasına neden olur—ve aynı zamanda çekirdeğin mekanik özelliklerini ve morfolojisini değiştirir. Başka bir deyişle, sağlıklı ve hastalıklı koşullarda laminanın yapısal özellikleri, 3D kromatin mimarisini etkiler ve çekirdeğin mekanik strese dayanabilme yetisini düzenler. Tüm bu biyolojik içgörülere rağmen, lamin ağının oluşumu, faz davranışı ve mekanik tepkisini yöneten polimer fiziksel mekanizmalar büyük ölçüde araştırılmamıştır.Bu sorunu ele almak üzere, lamin filamentlerini çekirdek içinde hapsolmuş çubuk benzeri polimerler olarak ele alan kaba taneli bir moleküler dinamik (MD) modeli sunuyoruz. Modelimiz, sert çekirdek sınırları içinde lamin konsantrasyonu arttıkça, hastalıkla ilişkili lamina nematik faz oluşumunu yeniden üretebilmektedir. Ayrıca, laminler arası çekimin düşük olduğu durumlarda, laminler periferiden kinetik olarak ayrılır; bu da sağlıklı çekirdekleri andıran bir davranıştır. Elastik bir çekirdek sınırlamasında, yalnızca çubuk benzeri polimerlerin yüzeye adsorpsiyonu, elastik kabuğun şeklini kontrol etmek için yeterlidir. Bu durum, yalnızca polimer-yüzey etkileşimlerinin, kromatin faz davranışından bağımsız olarak çekirdek morfolojisini etkileyebileceğini göstermektedir. Dahası, sonuçlarımız, laminlerin elastik çekirdeğe adsorpsiyonunun, kısa uzama rejiminde mekanik yanıtı etkileyebileceğini ve modelimizde çekirdek sertliğini belirleyen bir unsur olarak görev yapabileceğini öne sürmektedir. Bu durum beklenmediktir, çünkü izole çekirdeklerle yapılan deneylerde kısa uzama mekanikleri genellikle kromatine atfedilmektedir. Ayrıca, laminler arası etkileşimlerin bir araya gelişiyle oluşan lamina yapılarının—izotropik ağlardan parakristalin dizilimlere kadar—çeşitli topolojiler oluşturduğunu, bu yapıların yüz büyüklüğü, şekli ve bağlantısallık açısından farklılık gösterdiğini bulduk. Modeli, faz ayrımı yapan polimerik bir bileşen olarak kromatini de içerecek şekilde genişletmek, iş birliğine dayalı bir mekanizmayı ortaya koymaktadır: Kendi kendine organize olan lamina, heterokromatini periferde konumlandırarak geleneksel çekirdek mimarisini oluşturabilir. Önemli olarak, düzgün kromatin bölütlenmesini teşvik etmek için laminlerin önce lokalize olması, ardından heterokromatin ile etkileşime girmesi gerekmektedir. Aksi takdirde, kromatin düzgün şekilde bölütlenemez ve lamin lifleri çekirdeğin iç kısmında birikerek hem lamin hem de kromatin organizasyonunu bozar. Ayrıca analizlerimiz, lamin-kromatin etkileşimlerinin, çekirdeğe mekanik stres uygulandığında laminadan farklı bir mekanik yanıt üretilmesi için gerekli olduğunu göstermektedir. Bu durum, kromatinin, lamina aracılığıyla gerçekleşen çekirdek deformasyonundaki iş birliğine dayalı rolünü vurgulamaktadır. Nükleer zarı temsil eden ağsız bir membran tanıtılması ise, lamin liflerinin ve kromatin ağlarının polimer benzeri davranışlarıyla tetiklenen bleb oluşumu ve çekirdek uzaması gibi dinamik çekirdek deformasyonlarını daha iyi yansıtmaktadır. Bu çalışmayla birlikte, hastalıkta nükleer lamina disfonksiyonu, polimer fiziği perspektifinden ele alınmıştır. Elde ettiğimiz sonuçlar, değişen moleküler etkileşimler ve lamina montajının, ökaryotik çekirdeğin morfolojik ve mekanik değişimlerine nasıl yol açtığını ortaya koymaktadır. Çalışma, sağlıklı ve hastalıklı koşullarda lamin stokiyometrisi ve faz davranışındaki değişimlerin, çekirdekteki anormallikleri nasıl yönlendirdiğini anlamak için bir moleküler dinamik çerçevesi sunmaktadır.