БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 1972–1984

УДК 577.2

Дисфункция ламина B и физиологическое старение приводят к дестабилизации теломер в герминальных клетках Drosophila

© 2022 В.В. Моргунова 1#, О.А. Соколова 1#, Т.В. Сизова 1, Л.Г. Малаев 1,2, Д.С. Бабаев 1,2, Д.А. Квон 3, А.И. Калмыкова 1*allakalm@img.ras.ru

Институт молекулярной генетики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»===, 123182 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет биотехнологии===, 119991 Москва, Россия

Центр геномных исследований Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»===, 123182 Москва, Россия

Поступила в редакцию 12.09.2022
После доработки 31.10.2022
Принята к публикации 14.11.2022

DOI: 10.31857/S0320972522120144

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ламин B, теломеры, старение, герминальные клетки, гетерохроматин, ретротранспозоны, транскрипция, рекомбинация, Rad51, γH2Av, Drosophila.

Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S000629792212015X.

Аннотация

Пространственная организация хроматина в ядре имеет важное значение в функционировании генома и регуляции активности генов. Ядерная ламина и белки ламины, ассоциированные с ней, играют ключевую роль в этом процессе, а нарушение функций ламинов приводит к декомпактизации и транскрипционной активации гетерохроматина, что связывают с синдромом преждевременного старения. Теломеры в норме расположены на периферии ядра во многих типах клеток, а ядерная ламина обеспечивает репликацию и стабильность теломер. Более того, заболевания, связанные с дефектами ламинов и теломер, имеют похожие проявления и напоминают физиологические признаки старения. Особенно важно понимание динамики молекулярных изменений, связанных со старением, на организменном уровне. Целью работы было сравнить эффекты, вызванные мутацией ламина В и процессом физиологического старения в герминальных тканях модельного организма Drosophila melanogaster. Мы показали, что нарушение локализации ламина В приводит к декомпактизации гетерохроматина и активации транскрипции некоторых мобильных элементов и теломерных повторов. Кроме того, в клетках зародышевого пути у мутантов по ламину В наблюдались повреждения ДНК и появление признаков гомологичной рекомбинации в теломерах. Нарушение стабильности гетерохроматина, богатого повторами, может быть напрямую связано с дестабилизацией генома, гибелью герминальных клеток и стерильностью, наблюдаемых у исследуемых мутантов ламина В. В процессе физиологического старения дрозофилы наблюдаются сходные явления в герминальных клетках, что указывает на тесную связь механизмов поддержания целостности гетерохроматина на периферии ядра с механизмами старения.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-14-00006, рук. А.И. Калмыкова).

Благодарности

В работе было использовано оборудование Центра коллективного пользования НИЦ «Курчатовский институт»-ИМГ и геномного центра НИЦ «Курчатовский институт».

Вклад авторов

А.И. Калмыкова – концепция и руководство работой, написание текста статьи; В.В. Моргунова – проведение экспериментов, статистический анализ; Л.Г. Малаев – проведение экспериментов, подготовка рисунков, редактирование рукописи; О.А. Соколова – проведение экспериментов и редактирование текста статьи; Т.В. Сизова, Д.С. Бабаев, Д.А. Квон – проведение экспериментов.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Wood, J. G., and Helfand, S. L. (2013) Chromatin structure and transposable elements in organismal aging, Front. Genet., 4, 274, doi: 10.3389/fgene.2013.00274.

2. Burla, R., La Torre, M., and Saggio, I. (2016) Mammalian telomeres and their partnership with lamins, Nucleus, 7, 187-202, doi: 10.1080/19491034.2016.1179409.

3. Amaral, N., Ryu, T., Li, X., and Chiolo, I. (2017) Nuclear dynamics of heterochromatin repair, Trends Genet., 33, 86-100, doi: 10.1016/j.tig.2016.12.004.

4. Ovsiannikova, N. L., Lavrushkina, S. V., Ivanova, A. V., Mazina, L. M., Zhironkina, O. A., and Kireev, I. I. (2021) Lamin A as a determinant of mechanical properties of the cell nucleus in health and disease, Biochemistry (Moscow), 86, 1288-1300, doi: 10.1134/S0006297921100102.

5. Gonzalo, S. (2014) DNA damage and lamins, Adv. Exp. Med. Biol., 773, 377-399, doi: 10.1007/978-1-4899-8032-8_17.

6. Bellanger, A., Madsen-Osterbye, J., Galigniana, N. M., and Collas, P. (2022) Restructuring of lamina-associated domains in senescence and cancer, Cells, 11, 1846, doi: 10.3390/cells11111846.

7. Gonzalez-Suarez, I., Redwood, A. B., and Gonzalo, S. (2009) Loss of A-type lamins and genomic instability, Cell Cycle, 8, 3860-3865, doi: 10.4161/cc.8.23.10092.

8. Camps, J., Erdos, M. R., and Ried, T. (2015) The role of lamin B1 for the maintenance of nuclear structure and function, Nucleus, 6, 8-14, doi: 10.1080/19491034.2014.1003510.

9. Dechat, T., Pfleghaar, K., Sengupta, K., Shimi, T., Shumaker, D. K., Solimando, L., and Goldman, R. D. (2008) Nuclear lamins: major factors in the structural organization and function of the nucleus and chromatin, Genes Dev., 22, 832-853, doi: 10.1101/gad.1652708.

10. Forsberg, F., Brunet, A., Ali, T. M. L., and Collas, P. (2019) Interplay of lamin A and lamin B LADs on the radial positioning of chromatin, Nucleus, 10, 7-20, doi: 10.1080/19491034.2019.1570810.

11. Ulianov, S. V., Doronin, S. A., Khrameeva, E. E., Kos, P. I., Luzhin, A. V., Starikov, S. S., Galitsyna, A. A., Nenasheva, V. V., Ilyin, A. A., Flyamer, I. M., Mikhaleva, E. A., Logacheva, M. D., Gelfand, M. S., Chertovich, A. V., Gavrilov, A. A., Razin, S. V., and Shevelyov, Y. Y. (2019) Nuclear lamina integrity is required for proper spatial organization of chromatin in Drosophila, Nat. Commun., 10, 1176, doi: 10.1038/s41467-019-09185-y.

12. Singh, M., Hunt, C. R., Pandita, R. K., Kumar, R., Yang, C. R., Horikoshi, N., Bachoo, R., Serag, S., Story, M. D., Shay, J. W., Powell, S. N., Gupta, A., Jeffery, J., Pandita, S., Chen, B. P., Deckbar, D., Lobrich, M., Yang, Q., Khanna, K. K., Worman, H. J., et al. (2013) Lamin A/C depletion enhances DNA damage-induced stalled replication fork arrest, Mol. Cell. Biol., 33, 1210-1222, doi: 10.1128/MCB.01676-12.

13. Graziano, S., Coll-Bonfill, N., Teodoro-Castro, B., Kuppa, S., Jackson, J., Shashkova, E., Mahajan, U., Vindigni, A., Antony, E., and Gonzalo, S. (2021) Lamin A/C recruits ssDNA protective proteins RPA and RAD51 to stalled replication forks to maintain fork stability, J. Biol. Chem., 297, 101301, doi: 10.1016/j.jbc.2021.101301.

14. Butin-Israeli, V., Adam, S. A., Jain, N., Otte, G. L., Neems, D., Wiesmuller, L., Berger, S. L., and Goldman, R. D. (2015) Role of lamin b1 in chromatin instability, Mol. Cell. Biol., 35, 884-898, doi: 10.1128/MCB.01145-14.

15. Ikegami, K., Secchia, S., Almakki, O., Lieb, J. D., and Moskowitz, I. P. (2020) Phosphorylated Lamin A/C in the nuclear interior binds active enhancers associated with abnormal Transcription in progeria, Dev. Cell, 52, 699-713, e611, doi: 10.1016/j.devcel.2020.02.011.

16. Huang, S., Risques, R. A., Martin, G. M., Rabinovitch, P. S., and Oshima, J. (2008) Accelerated telomere shortening and replicative senescence in human fibroblasts overexpressing mutant and wild-type lamin A, Exp. Cell Res., 314, 82-91, doi: 10.1016/j.yexcr.2007.08.004.

17. Sadaie, M., Salama, R., Carroll, T., Tomimatsu, K., Chandra, T., Young, A. R., Narita, M., Perez-Mancera, P. A., Bennett, D. C., Chong, H., Kimura, H., and Narita, M. (2013) Redistribution of the Lamin B1 genomic binding profile affects rearrangement of heterochromatic domains and SAHF formation during senescence, Genes Dev., 27, 1800-1808, doi: 10.1101/gad.217281.113.

18. Gonzalez-Suarez, I., Redwood, A. B., Perkins, S. M., Vermolen, B., Lichtensztejin, D., Grotsky, D. A., Morgado-Palacin, L., Gapud, E. J., Sleckman, B. P., Sullivan, T., Sage, J., Stewart, C. L., Mai, S., and Gonzalo, S. (2009) Novel roles for A-type lamins in telomere biology and the DNA damage response pathway, EMBO J., 28, 2414-2427, doi: 10.1038/emboj.2009.196.

19. Ghosh, S., and Zhou, Z. (2014) Genetics of aging, progeria and lamin disorders, Curr. Opin. Genet. Dev., 26, 41-46, doi: 10.1016/j.gde.2014.05.003.

20. Chen, H., Zheng, X., Xiao, D., and Zheng, Y. (2016) Age-associated de-repression of retrotransposons in the Drosophila fat body, its potential cause and consequence, Aging Cell, 15, 542-552, doi: 10.1111/acel.12465.

21. Li, W., Prazak, L., Chatterjee, N., Gruninger, S., Krug, L., Theodorou, D., and Dubnau, J. (2013) Activation of transposable elements during aging and neuronal decline in Drosophila, Nat. Neurosci., 16, 529-531, doi: 10.1038/nn.3368.

22. Wood, J. G., Jones, B. C., Jiang, N., Chang, C., Hosier, S., Wickremesinghe, P., Garcia, M., Hartnett, D. A., Burhenn, L., Neretti, N., and Helfand, S. L. (2016) Chromatin-modifying genetic interventions suppress age-associated transposable element activation and extend life span in Drosophila, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 11277-11282, doi: 10.1073/pnas.1604621113.

23. Osouda, S., Nakamura, Y., de Saint Phalle, B., McConnell, M., Horigome, T., Sugiyama, S., Fisher, P. A., and Furukawa, K. (2005) Null mutants of Drosophila B-type lamin Dm(0) show aberrant tissue differentiation rather than obvious nuclear shape distortion or specific defects during cell proliferation, Dev. Biol., 284, 219-232, doi: 10.1016/j.ydbio.2005.05.022.

24. Morgunova, V., Sukhova, M. M., and Kalmykova, A. (2022) Whole-mount RNA FISH combined with immunofluorescence for the analysis of the telomeric ribonucleoproteins in the Drosophila germline, Methods Mol. Biol., 2509, 157-169, doi: 10.1007/978-1-0716-2380-0_10.

25. Morgunova, V., Kordyukova, M., Mikhaleva, E. A., Butenko, I., Pobeguts, O. V., and Kalmykova, A. (2021) Loss of telomere silencing is accompanied by dysfunction of Polo kinase and centrosomes during Drosophila oogenesis and early development, PLoS One, 16, e0258156, doi: 10.1371/journal.pone.0258156.

26. Akulenko, N., Ryazansky, S., Morgunova, V., Komarov, P. A., Olovnikov, I., Vaury, C., Jensen, S., and Kalmykova, A. (2018) Transcriptional and chromatin changes accompanying de novo formation of transgenic piRNA clusters, RNA, 24, 574-584, doi: 10.1261/rna.062851.117.

27. Rusinol, A. E., and Sinensky, M. S. (2006) Farnesylated lamins, progeroid syndromes and farnesyl transferase inhibitors, J. Cell Sci., 119, 3265-3272, doi: 10.1242/jcs.03156.

28. Bondarenko, S. M., and Sharakhov, I. V. (2020) Reorganization of the nuclear architecture in the Drosophila melanogaster Lamin B mutant lacking the CaaX box, Nucleus, 11, 283-298, doi: 10.1080/19491034.2020.1819704.

29. Frost, B., Bardai, F. H., and Feany, M. B. (2016) Lamin dysfunction mediates neurodegeneration in tauopathies, Curr. Biol., 26, 129-136, doi: 10.1016/j.cub.2015.11.039.

30. Pardue, M. L., and DeBaryshe, P. G. (2003) Retrotransposons provide an evolutionarily robust non-telomerase mechanism to maintain telomeres, Annu. Rev. Genet., 37, 485-511, doi: 10.1146/annurev.genet.38.072902.093115.

31. Kordyukova, M., Olovnikov, I., and Kalmykova, A. (2018) Transposon control mechanisms in telomere biology, Curr. Opin. Genet. Dev., 49, 56-62, doi: 10.1016/j.gde.2018.03.002.

32. Radion, E., Morgunova, V., Ryazansky, S., Akulenko, N., Lavrov, S., Abramov, Y., Komarov, P. A., Glukhov, S. I., Olovnikov, I., and Kalmykova, A. (2018) Key role of piRNAs in telomeric chromatin maintenance and telomere nuclear positioning in Drosophila germline, Epigenetics Chromatin, 11, 40, doi: 10.1186/s13072-018-0210-4.

33. Dang, W., Steffen, K. K., Perry, R., Dorsey, J. A., Johnson, F. B., Shilatifard, A., Kaeberlein, M., Kennedy, B. K., and Berger, S. L. (2009) Histone H4 lysine 16 acetylation regulates cellular lifespan, Nature, 459, 802-807, doi: 10.1038/nature08085.

34. Wood, J. G., Hillenmeyer, S., Lawrence, C., Chang, C., Hosier, S., Lightfoot, W., Mukherjee, E., Jiang, N., Schorl, C., Brodsky, A. S., Neretti, N., and Helfand, S. L. (2010) Chromatin remodeling in the aging genome of Drosophila, Aging Cell, 9, 971-978, doi: 10.1111/j.1474-9726.2010.00624.x.

35. Ivanov, D. K., Escott-Price, V., Ziehm, M., Magwire, M. M., Mackay, T. F., Partridge, L., and Thornton, J. M. (2015) Longevity GWAS using the drosophila genetic reference panel, J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci., 70, 1470-1478, doi: 10.1093/gerona/glv047.

36. Coffinier, C., Jung, H. J., Nobumori, C., Chang, S., Tu, Y., Barnes, R. H. 2nd, Yoshinaga, Y., de Jong, P. J., Vergnes, L., Reue, K., Fong, L. G., and Young, S. G. (2011) Deficiencies in lamin B1 and lamin B2 cause neurodevelopmental defects and distinct nuclear shape abnormalities in neurons, Mol. Biol. Cell, 22, 4683-4693, doi: 10.1091/mbc.E11-06-0504.

37. Shah, P. P., Donahue, G., Otte, G. L., Capell, B. C., Nelson, D. M., Cao, K., Aggarwala, V., Cruickshanks, H. A., Rai, T. S., McBryan, T., Gregory, B. D., Adams, P. D., and Berger, S. L. (2013) Lamin B1 depletion in senescent cells triggers large-scale changes in gene expression and the chromatin landscape, Genes Dev., 27, 1787-1799, doi: 10.1101/gad.223834.113.

38. Lin, W. Q., Ngian, Z. K., Koh, T. W., and Ong, C. T. (2022) Altered stability of nuclear lamin-B marks the onset of aging in male Drosophila, PLoS One, 17, e0265223, doi: 10.1371/journal.pone.0265223.

39. Chen, H., Zheng, X., and Zheng, Y. (2014) Age-associated loss of lamin-B leads to systemic inflammation and gut hyperplasia, Cell, 159, 829-843, doi: 10.1016/j.cell.2014.10.028.

40. Freund, A., Laberge, R. M., Demaria, M., and Campisi, J. (2012) Lamin B1 loss is a senescence-associated biomarker, Mol. Biol. Cell, 23, 2066-2075, doi: 10.1091/mbc.E11-10-0884.

41. Shimi, T., Butin-Israeli, V., Adam, S. A., Hamana-ka, R. B., Goldman, A. E., Lucas, C. A., Shumaker, D. K., Kosak, S. T., Chandel, N. S., and Goldman, R. D. (2011) The role of nuclear lamin B1 in cell proliferation and senescence, Genes Dev., 25, 2579-2593, doi: 10.1101/gad.179515.111.

42. Dreesen, O., Chojnowski, A., Ong, P. F., Zhao, T. Y., Common, J. E., Lunny, D., Lane, E. B., Lee, S. J., Vardy, L. A., Stewart, C. L., and Colman, A. (2013) Lamin B1 fluctuations have differential effects on cellular proliferation and senescence, J. Cell Biol., 200, 605-617, doi: 10.1083/jcb.201206121.

43. Napoletano, F., Ferrari Bravo, G., Voto, I. A. P., Santin, A., Celora, L., Campaner, E., Dezi, C., Bertossi, A., Valentino, E., Santorsola, M., Rustighi, A., Fajner, V., Maspero, E., Ansaloni, F., Cancila, V., Valenti, C. F., Santo, M., Artimagnella, O. B., Finaurini, S., Gioia, U., et al. (2021) The prolyl-isomerase PIN1 is essential for nuclear Lamin-B structure and function and protects heterochromatin under mechanical stress, Cell Rep., 36, 109694, doi: 10.1016/j.celrep.2021.109694.

44. Kramara, J., Osia, B., and Malkova, A. (2018) Break-induced replication: the where, the why, and the how, Trends Genet., 34, 518-531, doi: 10.1016/j.tig.2018.04.002.

45. Tsouroula, K., Furst, A., Rogier, M., Heyer, V., Maglott-Roth, A., Ferrand, A., Reina-San-Martin, B., and Soutoglou, E. (2016) Temporal and spatial uncoupling of DNA double strand break repair pathways within mammalian heterochromatin, Mol. Cell, 63, 293-305, doi: 10.1016/j.molcel.2016.06.002.

46. Merigliano, C., and Chiolo, I. (2021) Multi-scale dynamics of heterochromatin repair, Curr. Opin. Genet. Dev., 71, 206-215, doi: 10.1016/j.gde.2021.09.007.

47. Chiolo, I., Minoda, A., Colmenares, S. U., Polyzos, A., Costes, S. V., and Karpen, G. H. (2011) Double-strand breaks in heterochromatin move outside of a dynamic HP1a domain to complete recombinational repair, Cell, 144, 732-744, doi: 10.1016/j.cell.2011.02.012.

48. Ryu, T., Spatola, B., Delabaere, L., Bowlin, K., Hopp, H., Kunitake, R., Karpen, G. H., and Chiolo, I. (2015) Heterochromatic breaks move to the nuclear periphery to continue recombinational repair, Nat. Cell Biol., 17, 1401-1411, doi: 10.1038/ncb3258.

49. Lambert, M. W. (2019) The functional importance of lamins, actin, myosin, spectrin and the LINC complex in DNA repair, Exp. Biol. Med. (Maywood), 244, 1382-1406, doi: 10.1177/1535370219876651.

50. Liu, N. A., Sun, J., Kono, K., Horikoshi, Y., Ikura, T., Tong, X., Haraguchi, T., and Tashiro, S. (2015) Regulation of homologous recombinational repair by lamin B1 in radiation-induced DNA damage, FASEB J., 29, 2514-2525, doi: 10.1096/fj.14-265546.