Nuclear actin assembly in mammalian cells

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.