核纤层蛋白Lamin A是支撑细胞核膜完整性的核心蛋白之一。Lamin A的聚合和解聚受其第22位的丝氨酸磷酸化修饰调控（pSer22），与细胞周期、细胞核力学响应、及核周染色质定位等密切相关[1]。在有丝分裂过程中，Lamin A的第22位丝氨酸被CDK1和PKC高度磷酸化修饰，从而促进核膜解聚[2-3]。而在分裂间期，pSer22修饰的Lamin A维持在较低水平，随基底刚度变化、细胞粘附、渗透压改变和病毒感染等过程动态变化[4-5]。虽然Lamin A的pSer22修饰参与调控细胞周期、细胞分化和细胞核受力等重要生物过程，但是目前缺乏实时示踪Lamin A pSer22修饰动态变化的活细胞成像工具。2024年10月22日，深圳湾实验室彭琴团队、北京大学周菁团队、重庆大学邱菊辉团队合作在Biomaterials Research杂志上发表了题为“Genetically Encoded FRET Biosensor for Live-cell Visualization of Lamin A Phosphorylation at Serine 22”的研究论文。作者基于荧光共振能量转移（FRET）设计和开发了一种新型的Lamin A磷酸化传感器（Lamin A phosphorylation sensor，LAPS），实现了Lamin A的pSer22修饰的活细胞动态观测。
1. LAPS的设计与验证
LAPS探针包含识别磷酸化修饰的FHA2结构域、YPet受体荧光蛋白、柔性链接臂、ECFP供体荧光蛋白和全长Lamin A蛋白。当Lamin A的Ser22发生磷酸化修饰时，FHA2结构域与磷酸化修饰结合，致使YPet受体荧光蛋白与ECFP供体荧光蛋白物理空间上靠近，从而增强FRET效应。为了验证该探针的特异性，作者设计了野生型LAPS和三个LAPS突变体，分别将Lamin A 第22位丝氨酸突变成丙氨酸 （S22A）、Lamin A 第392位丝氨酸突变成丙氨酸 （S392A）和FHA2 第605位精氨酸突变成丙氨酸 （R605A）。结果表明，只有野生型LAPS和S392A 突变型LAPS在分裂期的FRET效应明显高于其分裂间期，而S22A和R605A突变型LAPS对分裂期Lamin A磷酸化修饰无响应，说明该LAPS探针对Lamin A pSer22修饰具有很强的特异性。
图1 LAPS特异性识别Lamin A的pSer22修饰
2. LAPS追踪Lamin A pSer22修饰在低渗环境下的动态变化
低渗是增加细胞核力学的手段之一，为了探索低渗条件下Lamin A pSer22修饰的变化规律，作者构建了LAPS探针稳定转染细胞系进行实时FRET成像。随着低渗条件的处理，野生型LAPS和S392A 突变型LAPS显示FRET效率逐渐下降，说明Lamin A pSer22修饰随着细胞核力学增大在逐渐减少。而S22A和R605A突变型LAPS则对低渗条件并不敏感，进一步体现了LAPS探针的高特异性和灵敏性。
图2 LAPS动态检测低渗条件下Lamin A pSer22修饰的变化
3. LAPS追踪Lamin A pSer22修饰在细胞分裂过程中的动态变化
在细胞进行有丝分裂的过程中，Lamin A pSer22修饰变化显著。在分裂间期，LAPS主要定位于细胞核膜，且FRET效率较低，说明Lamin A pSer22修饰水平较低。当细胞进入有丝分裂时，LAPS逐渐进入细胞核基质，且FRET效率显著上升，说明Lamin A pSer22修饰在分裂期大量生成并累积，并造成Lamin A解聚和核膜坍塌。进一步对分裂期细胞进行高时空分辨率的成像发现，Lamin A pSer22修饰是从核纤层的核质侧逐渐扩展到核膜侧，直至核膜坍塌。
图3 LAPS动态追踪有丝分裂中Lamin A的pSer22修饰
4. LAPS揭示Lamin A pSer22修饰与H3S10ph修饰的相关性
在细胞分裂过程中，H3S10ph的磷酸化修饰、染色质凝集和Lamin A的pSer22修饰几乎同时发生。为了揭示pSer22 Lamin A和H3S10ph之间是否有相互调控机制，作者使用hesperadin抑制H3S10ph激酶Aurora B的活性，并通过LAPS示踪pSer22 lamin A的动态变化。结果表明，Aurora B被抑制后有丝分裂过程被延迟和缩短。然而lamin A 的pSer22修饰水平在分裂期不受影响。这表明Aurora B确实控制了细胞有丝分裂的进入，但它不是lamin A的关键激酶。
图4 LAPS动态展示pSer22 Lamin A和H3S10ph之间的相互调控机制
综上所述，该研究开发了一种基因编码的活细胞FRET生物传感器LAPS，可高特异性和高灵敏度地可视化Lamin A pSer22修饰水平，有利于理解Lamin A pSer22修饰在细胞周期和力学响应等生理代谢过程中的动态调控作用。
该研究得到了国家科学技术部项目、国自然青年/面上项目、广东省珠江人才计划、深圳湾实验室- EVIDENT联合光学显微成像技术开发项目、深圳湾学者项目、广东省面上基金项目的资助。
参考文献
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[2] Jeong S, Ahn J, Jo I, Kang SM, Park BJ, Cho HS, Kim YH, Ha NC. Cyclin-dependent kinase 1 depolymerizes nuclear lamin filaments by disrupting the head-to-tail interaction of the lamin central rod domain. Journal of Biological Chemistry. 2022; 298(9): 102256 .
[3] Wesley CC, North DV, Levy DL. Protein kinase C activity modulates nuclear Lamin A/C dynamics in HeLa cells. Scientific Reports. 2024; 14(1): 6388 .
[4] Buxboim A, Swift J, Irianto J, Spinler Kyle R, Dingal PCDave P, Athirasala A, Kao Y-Ruei C, Cho S, Harada T, Shin JW, Discher Dennis E. Matrix elasticity regulates lamin-A,C phosphorylation and turnover with feedback to actomyosin. Current Biology. 2014; 24(16): 1909-1917.
[5] Wu S, Pan S, Zhang L, Baines J, Roller R, Ames J, Yang M, Wang J, Chen D, Liu Y, Zhang C, Cao Y, He B, Longnecker RM. Herpes simplex virus 1 induces phosphorylation and reorganization of lamin A/C through the γ134.5 protein that facilitates nuclear egress. Journal of Virology. 2016; 90(22): 10414-10422.
Genetically Encoded Fluorescence Resonance Energy Transfer Biosensor for Live-Cell Visualization of Lamin A Phosphorylation at Serine 22
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmr.0091
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