Characterization of the nuclear envelope alterations during ageing

Abstract

Ageing is characterized by an overall organismal fitness decrease across lifespan. Hence, the risk of developing complex diseases as neuropathologic disorders, diabetes, cancer and cardiovascular diseases increases with age. Despite a huge effort to determine the underlying molecular and cellular changes, the precise molecular mechanisms that regulate the ageing process remain elusive. Although, in the last few years, the protein regulation at the nuclear periphery, particularly of the nuclear lamina and lamina-associated proteins, has been pointed out as a major contributor to the ageing process. In fact, in premature ageing models, some nuclear envelope proteins have been mentioned to be altered. In this work, we performed a bioinformatic analysis that allowed us to develop an intricate study of the ageing process. Briefly, we assembled a list of age-related genes by combining the data of two public databases. Remarkably, the analysis of the data places the nucleus in the spotlight of the ageing process, given that almost half of the age-related genes are associated to nuclear functions. Moreover, protein-protein interaction network construction led us to the identification of prominent age-related functional clusters related with transcription regulation and chromatin remodelling, and DNA metabolic process and DNA repair. Further, in order to unravel the nuclear envelope proteins alterations during ageing, we performed immunoblotting and immunocytochemistry analysis in mice tissues and human fibroblasts. Our results clearly indicate that lamin A/C and SUN1 protein levels increases during ageing in both human and mice models. Moreover, nesprin-2, emerin, LAP1, and lamin B1 protein levels increase with age in mice models, whereas lamin B1, NUP133 and NUP93 protein levels decreases with age in human fibroblasts. Moreover, in aged human fibroblasts it is observable a loss of the nuclear integrity, combined with a decrease of the nucleocytoplasmic fraction of lamin A/C. Also, an increase of emerin nuclear speckles is noticeable in aged fibroblasts. To conclude, the nuclear architecture and the nuclear envelope proteins seems to be affected during the ageing process and further studies should be performed in order to elucidate their relative contribution to ageing

O envelhecimento é caracterizado por um decréscimo generalizado da condição física durante o curso de vida. Assim, com a idade, aumenta o risco de desenvolver doenças neurodegenerativas, diabetes, cancro e doenças cardiovasculares. Vários estudos foram realizados no sentido de determinar as alterações moleculares e celulares adjacentes ao envelhecimento, contudo, os mecanismos moleculares exatos que regulam o processo de envelhecimento continuam pouco conhecidos. Ainda assim, a regulação de proteínas na periferia do envelope nuclear, nomeadamente da lamina e de proteínas nucleares associadas à lamina têm sido sugeridas como intervenientes no processo de envelhecimento. De facto, em modelos de envelhecimento prematuro, algumas alterações em proteínas do envelope nuclear foram reportadas. Neste trabalho, foi realizada uma análise bioinformática que nos permitiu elaborar um estudo amplo do processo do envelhecimento. Com recurso a duas bases de dados públicas, identificamos uma lista de genes relacionados com o envelhecimento. A análise dos dados evidenciou que mais de metade dos genes relacionados com o envelhecimento correspondem a proteínas nucleares, o que sugere um papel para a função nuclear no processo de envelhecimento. Ainda, a construção de redes de interação proteína-proteína levou-nos à identificação de clusters funcionais relacionados com regulação transcricional, remodelação da cromatina, processos metabólicos e reparação do DNA. Adicionalmente, investigamos as alterações dos níveis e de localização de proteínas do envelope nuclear durante o envelhecimento, em tecidos de ratinho e fibroblastos humanos. Os nossos resultados indicam claramente que os níveis da proteína lamina A/C e da proteína SUN1 aumentam com a idade tanto em modelos humanos como em ratinhos. Os níveis da nesprina-2, da emerina, da LAP1 e da lamina B1 aumentam com a idade em ratinhos, enquanto que os níveis da NUP133 e da NUP93 diminuem com a idade em fibroblastos humanos. Foi ainda evidenciada uma perda da integridade nuclear em fibroblastos humanos, assim como uma diminuição da fração nucleocitoplásmica da lamina A/C. Também observámos um aumento de speckles nucleares de emerina com a idade em fibroblastos humanos. Para concluir, a arquitetura nuclear e as proteínas do envelope nuclear parecem sofrer alterações durante o processo do envelhecimento. Assim, estudos futuros deveriam explorar e elucidar a sua contribuição para o processo de envelhecimento