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Titel:Nuclear actin assembly in mammalian cells
Autor:Plessner, Matthias
Weitere Beteiligte: Grosse, Robert (Prof. Dr. med)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0345
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-03457
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0345
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.):Nukleäre Akinassemblierung in Säugetierzellen

Dokument

Schlagwörter:
Aktin, Zellkern, Mitose, mitosis, Adhäsion, actin, Actin, Zellkern, Mitose, adhesion, nucleus, Adhäsion

Summary:
The filament-forming protein actin is abundant in eukaryotic cells and its rapid dy- namics as well as versatile protein interactions result in a diverse array of functions to form important cytoskeletal structures. These influence among others shape, mi- gration and organelle-associated processes, i.e. vesicle movement or mitochondrial fission. The study of such structures in the nuclear compartment was first successful in germline cells of non-mammalian model organisms with high nuclear actin con- centrations. Somatic, mammalian cell nuclei show substantially lower actin levels and faithful visualization of nuclear actin assembly could only be achieved by actin- binding probes fused to nuclear localization sequences circumventing the otherwise saturated cytoplasmic signal. Although high expression levels can lead to artificially induced filaments, careful titrations allowed the discovery of two different types of nuclear actin assembly by live-cell imaging of mammalian cells, regulated either by extracellular signals or the cell cycle. Extracellular signals for nuclear actin assembly can be induced by integrins and mechanotransduction, activation of other cell surface receptors or DNA damage and subsequent repair mechanisms. Mechanistic evaluation revealed that integrin- mediated nuclear actin filaments depend on the actin assembly factors mDia1 and 2 as well as the linker of nucleoskeleton and cytoskeleton complex positively influenc- ing myocardin-related transcription factor A/serum response factor-dependent gene expression. Integrin-mediated nuclear actin assembly was also observed during can- cer cell invasion trough collagen matrices. In contrast, cell cycle-regulated nuclear actin assembly occurs together with the re-assembly of daughter nuclei after mitosis. Due to the breakdown of the nuclear envelope for open mitosis, daughter cells have to re-assemble this compartment at mitotic exit. However, the complex organization of interphase nuclei originating from mitotic chromosomes is not fully understood. Our data indicate an important role for nuclear actin dynamics in nuclear volume expansion and chromatin decondensation, which are necessary for a functional interphase nucleus and physiological cellular behavior as well as early embryonic development. We could visualize single and bundled actin filaments in inter-chromosomal spaces and at the nuclear envelope, which were negatively regulated by the actin-depolymerizing factor Cofilin. However, multidisciplinary approaches are further required to study the pre- cise influence of nuclear actin assembly on chromatin dynamics in more detail. Ex- ploring this phenomenon by a combination of proteomics, Hi-C, super-resolution live- cell imaging and novel labeling methods for genomic loci and nucleosomes will aid our understanding of the complex and dynamic nuclear architecture. Further mech- anistic studies into the upstream regulation and the influence of other actin-binding proteins are required to model nuclear actin assembly at mitotic exit.

Zusammenfassung:
Die Abundanz von Aktin und der schnelle, regulierte Auf- und Abbau von Aktinfila- menten einhergehend mit einer Vielzahl von Proteininteraktionen resultiert in einer großen Bandbreite Aktin-abhängiger Funktionen, meist als wichtiger Bestandteil des Zytoskeletts. Dies beeinflusst unter anderem die Form und Migration von Zellen, aber auch intrazelluläre, Organell-assoziierte Prozesse, wie Vesikelbewegung oder das Verhalten von Mitochondrien. Die Untersuchung von Aktinfilamenten im Nukleus gelang zuerst in Oozyten von Wirbellosen, welche sehr hohe Aktinkonzentrationen in diesem Kompartiment aufweisen. Somatische, Säugertier-Zellkerne beinhalten substantiell geringere Mengen an Aktin, was die Visualisierung von Aktinfilamenten erschwerte. Die Fusion von Nukleus-Lokalisierungs-Signalen mit Aktin-bindenden Domänen und fluoreszierenden Proteinen ermöglichte die Beobachtung von dyna- mischen, nukleären Aktinfilament durch Vermeidung des ansonsten überexponier- ten, zytoplasmatischen Fluoreszenzsignals. Obwohl zu hohe Expressionslevel in ei- nigen Fällen zur artifiziellen Induktion von Filamenten führen können, erlaubte die sorgfältige Titration dieser nukleären Aktinproben die Entdeckung von zwei unter- schiedlichen Formen der Aktinassemblierung im Säugetierzellkern, welche zum ei- nen über extrazelluläre Signale, zum anderen über den Zellzyklus reguliert werden. Extrazelluläre Signale für nukleäre Aktinassemblierung sind Integrine sowie Mechanotransduktion, die Aktivierung weiterer Oberflächenrezeptoren oder DNA- Schäden und nachfolgende Reparaturmechanismen. Mechanistische Analysen zeigten, dass Integrin-vermittelte Aktinfilamente im Zellkern von den Aktinassemb- lierungsfaktoren mDia 1 und 2 sowie von dem linker of nucleoskeleton and cytoske- leton-Komplex abhängig sind. Dieser Prozess wirkt sich auch positiv auf die myocar- din-related transcription factor A/serum response factor-abhängige Genexpression aus. Weiterhin wurden ähnliche Formen von nukleärer Aktinassemblierung bei der Krebszellinvasion beobachtet. Zellzyklus-abhängige nukleäre Aktinfilamente treten im Gegensatz dazu zeit- gleich mit dem Wiederaufbau der Tochterzellkerne nach der Mitose auf. Aufgrund des Abbaus der Zellkernmembran für die offene Form der Mitose müssen Tochter- zellen dieses Kompartiment am Ende des Teilungsprozesses wiederaufbauen. Wie sich die komplexe Organisation von Interphasezellkernen aus mitotischen Chromo- somen entwickelt, ist bisher nicht ausreichend verstanden. Unsere Daten weisen auf eine wichtige Rolle für nukleäre Aktindynamik bei der Expansion des Tochterzell- kernvolumens und der Chromatindekondensation hin, was nachfolgend die Funktio- nen eines Interphasezellkern und physiologisches Zellverhalten bestimmt. Wir konn- ten einzelne und gebündelte Aktinfilamente in Chromosomzwischenräumen sowie an der Zellkernmembran visualisieren und einen negativen Einfluss des Aktin-depo- lymerisierenden Faktors Cofilin herausstellen. Nichtsdestotrotz sind multidisziplinäre Ansätze notwendig, um den Einfluss dieser nukleären Aktinfilamente auf die Chromatindynamik detaillierter festzustellen. Eine Untersuchung dieses Phänomens mithilfe von proteomischen Methoden, Hi-C, super-auflösender Lebendzellmikroskopie und neuartigen Verfahren zur Markierung genomischer Bereiche ist hierbei notwendig, um die komplexe, dynamische Archi- tektur des Zellkerns aufzuschlüsseln. Weitere mechanistische Arbeiten in Hinblick auf vorgeschaltete Signalwegen sowie andere Aktin-bindenden Proteine sind für ein vollständiges Modell dieses Prozesses ebenfalls unabdingbar.


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