The nuclear envelope (NE) is one of the least characterized structures in the eukaryotic cell. Although the dynamics of its alterations during the cell cycle are well described, the detailed study of its functional roles is hampered by the small number of known proteins specifically located to it. This work focuses on the identification of novel components of the inner nuclear membrane (INM) and their characterization. Besides that, interaction partners of LAP2β, a protein known to reside in the INM, were searched for. Through combining subcellular fractionation methods and proteomic tools, a proteomic screen of the NE was performed. Based on the experimental evidence that INM proteins resist extraction with TritonX-100, two novel integral membrane proteins were classified as INM proteins. These proteins are KIAA0810 and LUMA. Their localization to the INM was confirmed by indirect immunofluorescence of transiently transfected cells overexpressing these proteins. LUMA, a protein of an apparent molecular weight of 45kDa, displays no similarity to any known protein and contains no homology domains. The hydropathy profile for LUMA suggests four membrane spanning segments with a large loop between the first two. By overexpressing deletion mutants in COS-7 cells, the topology of LUMA could be determined and the INM targeting domain identified. Both, N- and C-terminus of LUMA point towards the ER lumen, the large loop is oriented to the nucleoplasmic side. The smallest part of LUMA which is sufficient for INM localization are the amino acids 201-345, comprising the C-terminal part of the nucleoplasmic loop and the second transmembrane segment.
Overexpression of full length LUMA induces a pronounced phenotype in the cells - the NE shows a swollen appearance and has vesicle like structures attached to it. Additionally, the nuclear chromatin appears less dense. A knock-down of LUMA leads to the formation of vesicle-like structures containing chromatin outside the nucleus and an altered chromatin structure inside. A chromosome binding assay showed that LUMA binds chromosomes and causes their decondensation. These observations indicate a role for LUMA in the regulation of gene expression and/or the cell cycle. They also show that LUMA is crucial for the integrity of the NE structure. To understand the functions of NE, a detailed understanding of the interplay between its proteins is necessary. To investigate that, native complexes of LAP2β were purified and characterized. Applying different techniques, after solubilization of the membranes with n-dodecyl-beta-maltoside, high molecular weight complexes containing LAP&2beta; could be isolated. Besides LAP2β, LAP2ε was present in these complexes, but no lamins. Further experiments are needed for closer characterization of the isolated complexes.
Die Kernhülle (NE) ist eine der am wenigsten charakterisierten Strukturen in der eukaryotischen Zelle. Die vorgelegte Arbeit handelt von der Identifikation neuer Komponenten der inneren Kernmembran (INM) und deren Charakterisierung. Zusätzlich wurden Interaktionspartner von LAP2β, einem bekanten Protein der INM, gesucht. Durch eine Kombination von subzellulärer Fraktionierung und Werkzeugen der Proteomanalyse wurde ein proteomischer Screen der NE durchgeführt. Basierend auf den experimentellen Beweisen, dass INM-Proteine eine Extraktion mit TritonX-100 überstehen, wurden zwei neue integrale Membran-Proteine als INM- Proteine klassifiziert. Diese Proteine sind KIAA0810 und LUMA. Deren Lokalisation in der INM wurde durch indirekte Immunofluoreszens von transient transfizierten Zellen, die diese Proteine überexprimierten, bestätigt. LUMA, ein Protein mit der geschätzten Molekulargewicht von 45kDa, hat keine Ähnlichkeit zu anderen bekannten Proteinen und besitzt keine Homologie- Domänen. Das Hydropathie-Profil von LUMA lässt auf vier Transmembran-Sequenzen mit einem großem hydrofilen Bereich zwischen den ersten zwei schließen. Durch Überexpression von Deletionsmutanten in COS7-Zellen konnte die Topologie von LUMA untersucht und die INM-Targeting-Domäne identifiziert werden. Beide N- und C-Termini von LUMA zeigen zur ER-Lumen während die große hydrofile Bereich zum Nucleoplasma hin orientiert ist. Der kleinste Teil von LUMA, der für die INM-Lokalisierung ausreichend ist, besteht aus den Aminosäuren 201-345, welche die zweite Hälfte des hydrofilen Bereiches und die zweite Transmembran-Sequenz umfassen. Überexpression von LUMA induziert einen markanten Phänotyp in den Zellen - die NE sieht 'geschwollen' aus und beinhaltet vesikel-ähnliche Strukturen. Zusätzlich sieht das nukleäre Chromatin weniger dicht aus als in Kontrollzellen. Eine Runterregulation von LUMA führt zur Bildung vesikel- ähnlicher Strukturen außerhalb des Kerns. Diese Vesikel beinhalten Chromatin, während das Chromatin im Kern eine veränderte Struktur erhält. Ein Chromosom- Bindungstest zeigte, dass LUMA Chromosomen zu binden und diese zu dekondensieren fähig ist. Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass LUMA eine Rolle in der Genregulation und/oder Regulation des Zellzyklus hat. Außerdem zeigen sie, dass die korrekte Menge an LUMA für den Erhalt einer intakten NE notwendig ist. Um die Funktionen der Kernhülle zu verstehen, ist ein detailliertes Verständnis der Interaktionen zwischen deren Proteinen notwendig. Um diese zu untersuchen wurden native Komplexe von LAP2beta isoliert und charakterisiert. Durch die Nutzung verschiedener Techniken konnten nach dem Solubilisieren der Membran mit n-dodecyl-beta-maltosid LAP2β beinhaltende Komplexe von hohem Molekulargewicht isoliert werden. Neben LAP2β befand sich auch LAP2ε in diesen Komplexen jedoch keine Lamina. Weitere Experimente sind notwendig, um die isolierten Komplexe näher zu charakterisieren.