综述：细胞稳定性的双重守护者：探索衰老过程中的nesprin和lamin

《Cell Death & Disease》：The dual guardians of cellular stability: exploring nesprin and lamin in senescence

本综述深入探讨了核膜关键蛋白nesprin和lamin在维持细胞稳态中的协同作用，及其失调如何通过影响基因组稳定性、DNA损伤修复（DDR）、机械信号转导等核心生物学过程，驱动细胞衰老（Cellular Senescence）及相关年龄相关疾病的发生。文章系统梳理了二者通过LINC复合物连接细胞骨架与核骨架的分子机制，并指出靶向核膜蛋白为干预衰老提供了新的潜在策略。

　　

细胞衰老是一种细胞在经历有限次数的分裂后永久退出细胞周期，但同时维持代谢活性的状态。这一现象最初由Leonard Hayflick描述，在衰老过程中扮演关键角色，通过促进组织功能障碍和限制再生能力，导致生理功能进行性下降。衰老受到一系列因素的调控，包括DNA损伤、端粒缩短、氧化应激、线粒体功能障碍和表观遗传修饰等。

衰老细胞在失去增殖所需基因表达的同时，获得了一系列区别于非衰老细胞的独特特征和功能。这些变化包括不可逆的生长停滞、DNA损伤灶的形成以及表观遗传谱的改变，例如衰老相关异染色质灶（SAHF）的出现。核膜成分也发生改变，包括lamin B1水平降低和高迁移率族蛋白B1（HMGB1）水平升高。衰老细胞还表现出p21^CIP1和p16^INK4a等细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CDKI）水平升高，以及衰老相关脂质（如神经酰胺）的积累。其他衰老的标志性特征包括细胞表面重塑、线粒体功能障碍、活性氧（ROS）产生增加、信号通路紊乱、蛋白质稳态受损、凋亡抵抗和自噬缺陷。溶酶体相关的衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-Gal）活性升高提示溶酶体质量和活性增加。此外，衰老细胞通常表现出衰老相关分泌表型（SASP），其特征是释放多种分子，包括促炎细胞因子、趋化因子、生长因子、蛋白酶、损伤相关分子模式（DAMP）以及细胞外基质成分（如蛋白质和外泌体）。SASP因子的组成因诱导刺激、发生衰老的细胞类型以及周围微环境的不同而有显著差异。

核膜蛋白对于维持核结构、调控基因表达和促进信号转导至关重要。随着衰老进程，这些蛋白的表达水平和功能完整性发生显著改变，导致核膜不稳定性增加。这种不稳定性与异常的核形态、染色质组织破坏以及DNA修复能力受损有关。核膜蛋白的变化还可能加剧细胞应激反应，进一步加速与衰老相关的功能衰退。

LAMIN

细胞核是细胞的核心细胞器，储存遗传物质并调节亚细胞结构。核被膜是围绕细胞核的双层膜结构，由内核膜（INM）、外核膜（ONM）和核孔复合体（NPC）组成。内核膜和外核膜分别与核纤层和内质网相连，而核孔复合体则调控核质之间的物质交换。

电镜观察显示，在内核膜下方存在一种纤维状蛋白质网状结构，被确定为lamin。Lamin属于V型中间丝（IF）蛋白家族，由一个中央α螺旋杆状结构域以及两侧的球状N端“头部”和C端“尾部”结构域组成，其中尾部含有lamin特有的基序，包括核定位信号。哺乳动物拥有三个lamin基因，LMNA、LMNB1和LMNB2，它们编码四种主要和三种次要lamin亚型。LMNA基因编码A型lamin，包括主要亚型A和C（分子量分别为70和65 kDa），以及次要亚型AA10和C2。B型lamin包括由LMNB1编码的主要亚型B1和由LMNB2编码的主要亚型B2（分子量分别为67和68 kDa），以及次要亚型B3。B型lamin在大多数胚胎和成体细胞中均有表达，其表达对于核完整性、细胞存活和正常发育至关重要。相比之下，A型lamin表现出差异表达模式，通常与细胞分化相关。

哈钦森-吉尔福德早衰综合征（HGPS）是一种以加速衰老为特征的罕见遗传性疾病，是研究正常衰老机制的模型。HGPS的病理基础是LMNA基因的点突变，导致产生一种称为progerin的异常lamin A。在HGPS患者中，LMNA基因通常发生特定突变，导致在前lamin A（prelamin A）加工过程中产生progerin。正常情况下，前lamin A经过法尼基化、甲基化和蛋白水解切割，从其C端去除15个氨基酸，形成成熟的lamin A。然而，在HGPS中，progerin缺乏这一关键切割步骤，导致其保留法尼基化的C末端，从而阻止其正确整合到核膜中。Progerin的积累对细胞核造成广泛损害，破坏核纤层的稳定性，引起核结构显著改变，细胞核呈现不规则轮廓和核膜内陷等异常形态。Progerin表达导致核形态异常、染色质重组和基因组不稳定性。研究表明，progerin的积累显著增加DNA损伤，特别是在端粒区域，推动细胞进入不可逆的衰老状态。这一过程与正常衰老细胞的行为非常相似，表明progerin表达不仅与HGPS相关，也可能参与正常衰老。

NESPRIN

Nesprins是一个主要位于核膜的大型跨膜蛋白家族。这些蛋白质通过形成LINC（连接核骨架与细胞骨架）复合物，将细胞骨架连接到核骨架。Nesprins通过其C端的KASH（Klarsicht, ANC-1, and Syne Homology）结构域与SUN（Sad1 and UNC-84）蛋白相互作用，实现机械信号从细胞骨架到细胞核的传递，从而调节细胞的机械稳定性和核定位。Nesprin家族包括四个主要成员：nesprin-1, nesprin-2, nesprin-3和nesprin-4。它们共享C端的KASH结构域，便于其插入外核膜并与核骨架中的lamin蛋白相互作用。此外，这些蛋白通常在N端具有一个肌动蛋白结合结构域，用于连接肌动蛋白细胞骨架，在核定位和机械信号转导中发挥作用。

Nesprin-1是Nesprin家族中最大、结构最复杂的成员，全长分子量高达1000 kDa。它包含多个肌动蛋白结合结构域、血影蛋白重复序列和C端的KASH结构域。Nesprin-1定位于外核膜，通过LINC复合物与内核膜中的SUN蛋白相互作用，将核骨架与细胞骨架连接起来，传递来自细胞外基质和细胞骨架的机械力至核膜。这种机械信号对于细胞极性、迁移、核定位和DNA修复等多种细胞功能至关重要。

Nesprin-2在结构上与nesprin-1相似，但在分子大小和组织分布上有所不同，分子量高达800 kDa。它在多种细胞类型中表达，在上皮细胞和成纤维细胞中水平尤其高。Nesprin-2与外核膜密切相关，并与核孔复合体（NPC）相关联，这不仅使其能够调节核定位，还参与核质运输。

Nesprin-3是一个相对简单但功能独特的成员，其关键作用是通过与中间丝相关蛋白（如plectin）的相互作用，将核骨架连接到中间丝细胞骨架。Nesprin-3的特征性KASH结构域将其锚定在外核膜上，使其与核骨架中的lamin相互作用。随着衰老，nesprin-3的表达下降，这可能导致核膜不稳定和中间丝网络崩溃，降低DNA损伤修复能力，加速细胞衰老。

Nesprin-4是nesprin家族中最小的成员，其独特之处在于与微管系统相关联。它的主要作用是调节核定位和动力学。像其他nesprin一样，nesprin-4包含一个KASH结构域，其N端通过独特的结合结构域与动力蛋白复合体特异性相互作用，从而建立与微管细胞骨架的直接联系。随着个体年龄增长，nesprin-4表达逐渐减少，导致核定位异常和机械信号转导中断，加速感觉退化。

Nesprin家族的核心功能是通过LINC复合物将细胞骨架与细胞核连接起来，传递机械力并调节核定位。这一功能对于维持细胞机械稳态、核结构稳定性和基因组调控至关重要。

LINC: NESPRIN与LAMIN的相互作用

Nesprin和lamin通过LINC复合物的相互作用对于细胞中机械力的传递和维持核骨架稳定性至关重要。LINC复合物作为跨越核膜的分子桥梁，将细胞核外的细胞骨架与核内的核骨架连接起来。这种相互作用不仅对于维持细胞结构和应对外部机械应力至关重要，还调节基因表达、细胞信号传导和DNA修复。

LINC复合物由两个主要组成部分组成：外核膜中的nesprins和内内核膜中的SUN蛋白。Nesprin通过其C端的KASH结构域与SUN蛋白的N端结合，使其能够跨越核膜，在细胞骨架和核骨架之间建立连接。在细胞核内，lamin A/C形成核骨架的核心，组织成一个紧密的网络，稳定核形态并支持各种核功能。通过形成这种“机械桥”，LINC复合物促进了nesprins和lamins之间的相互作用，确保了外部机械力传递到核骨架。

当LINC复合物失调时，会对核骨架稳定性、机械力转导和DNA损伤修复产生严重影响。在衰老过程中，核支架蛋白（包括lamin A/C）的表达水平和结构完整性发生显著变化。lamin A的突变或下调会损害LINC复合物的功能，导致核纤层稳定性下降和核膜形态异常。细胞衰老的一个标志是核形态的改变，例如核膜起皱和核孔复合体密度的变化，这通常与lamin和LINC复合物的功能障碍有关。

核支架稳定性的下降不仅改变了核膜形态，还破坏了细胞核内基因表达和染色质组织的调控。随着lamin A/C功能的减弱，其锚定染色质的能力减弱，导致异染色质化增加，随后出现基因表达异常。这些变化与衰老相关基因（如p16和p21）的激活密切相关，进一步促进细胞衰老。

LINC复合物的失调还损害了细胞感知和响应外部机械力的能力。在衰老细胞中，对机械环境敏感性的降低阻碍了它们适应不同机械条件的能力。这种功能障碍很可能源于LINC复合物功能受损，破坏了细胞骨架和核骨架之间的机械连接，中断了机械信号向细胞核的传递。受损的机械力传递不仅改变核形态，还破坏了一系列依赖于机械信号传导的细胞功能，如细胞迁移和增殖。这种损伤在衰老组织（包括皮肤、心脏和肌肉）中尤为明显，这些组织中的细胞对机械应激的反应能力显著减弱。

此外，LINC复合物的失调会损害细胞修复DNA损伤的能力。在衰老细胞中，DNA损伤的积累是细胞衰老的一个标志，而lamin A/C在DNA修复过程中至关重要。研究表明，lamin A/C除了是核支架的基本组成部分外，还参与调节非同源末端连接（NHEJ）等DNA修复机制。当LINC复合物被破坏时，lamin与DNA修复因子之间的相互作用可能受到损害，从而降低DNA修复效率。随着DNA损伤的积累，细胞逐渐失去增殖能力，进入不可逆的衰老状态。此外，DNA损伤的积累会触发p53等肿瘤抑制基因的激活，进一步加速衰老相关表型的出现。

结论

本研究全面分析了核膜蛋白，特别是nesprins和lamins，在细胞衰老机制中的关键作用。作为核膜的重要组成部分，nesprins和lamins在维持核结构、介导机械信号转导以及调节染色质组织和基因表达方面发挥着关键作用。本综述强调，这些蛋白的功能障碍与加速衰老相关表型以及年龄相关疾病（包括HGPS和各种退行性疾病）的发展密切相关。Lamins和nesprins通过LINC复合物产生的协同相互作用强调了它们在核稳定性、DDR和机械转导方面的共同贡献。此外，对早衰综合征的研究为理解病理性和生理性衰老的分子机制提供了重要见解。最后，我们的研究结果强调了对核膜蛋白相关调控通路进行进一步研究的重要性，这些努力可能为对抗细胞衰老和治疗年龄相关疾病发现新的治疗靶点。