Hutchinson–Gilford progeria syndrome (HGPS) is a premature aging disorder, commonly caused by a point mutation in the lamin A gene that results in a protein lacking 50 aa near the C terminus, denoted LAΔ50. Here we show by light and electron microscopy that HGPS is associated with significant changes in nuclear shape, including lobulation of the nuclear envelope, thickening of the nuclear lamina, loss of peripheral heterochromatin, and clustering of nuclear pores. These structural defects worsen as HGPS cells age in culture, and their severity correlates with an apparent increase in LAΔ50. Introduction of LAΔ50 into normal cells by transfection or protein injection induces the same changes. We hypothesize that these alterations in nuclear structure are due to a concentration-dependent dominant-negative effect of LAΔ50, leading to the disruption of lamin-related functions ranging from the maintenance of nuclear shape to regulation of gene expression and DNA replication.

The premature aging disease Hutchinson–Gilford Progeria Syndrome (HGPS) is caused by a mutant lamin A (LAΔ50). Nuclei in cells expressing LAΔ50 are abnormally shaped and display a loss of heterochromatin. To determine the mechanisms responsible for the loss of heterochromatin, epigenetic marks regulating either facultative or constitutive heterochromatin were examined. In cells from a female HGPS patient, histone H3 trimethylated on lysine 27 (H3K27me3), a mark for facultative heterochromatin, is lost on the inactive X chromosome (Xi). The methyltransferase responsible for this mark, EZH2, is also down-regulated. These alterations are detectable before the changes in nuclear shape that are considered to be the pathological hallmarks of HGPS cells. The results also show a down-regulation of the pericentric constitutive heterochromatin mark, histone H3 trimethylated on lysine 9, and an altered association of this mark with heterochromatin protein 1α (Hp1α) and the CREST antigen. This loss of constitutive heterochromatin is accompanied by an up-regulation of pericentric satellite III repeat transcripts. In contrast to these decreases in histone H3 methylation states, there is an increase in the trimethylation of histone H4K20, an epigenetic mark for constitutive heterochromatin. Expression of LAΔ50 in normal cells induces changes in histone methylation patterns similar to those seen in HGPS cells. The epigenetic changes described most likely represent molecular mechanisms responsible for the rapid progression of premature aging in HGPS patients.

Macroautophagy (hereafter referred to as autophagy) is a catabolic membrane trafficking process that degrades a variety of cellular constituents and is associated with human diseases. Although extensive studies have focused on autophagic turnover of cytoplasmic materials, little is known about the role of autophagy in degrading nuclear components. Here we report that the autophagy machinery mediates degradation of nuclear lamina components in mammals. The autophagy protein LC3/Atg8, which is involved in autophagy membrane trafficking and substrate delivery, is present in the nucleus and directly interacts with the nuclear lamina protein lamin B1, and binds to lamin-associated domains on chromatin. This LC3-lamin B1 interaction does not downregulate lamin B1 during starvation, but mediates its degradation upon oncogenic insults, such as by activated RAS. Lamin B1 degradation is achieved by nucleus-to-cytoplasm transport that delivers lamin B1 to the lysosome. Inhibiting autophagy or the LC3-lamin B1 interaction prevents activated RAS-induced lamin B1 loss and attenuates oncogene-induced senescence in primary human cells. Our study suggests that this new function of autophagy acts as a guarding mechanism protecting cells from tumorigenesis.

Although proteases related to the interleukin 1 beta-converting enzyme (ICE) are known to be essential for apoptotic execution, the number of enzymes involved, their substrate specificities, and their specific roles in the characteristic biochemical and morphological changes of apoptosis are currently unknown. These questions were addressed using cloned recombinant ICE-related proteases (IRPs) and a cell-free model system for apoptosis (S/M extracts). First, we compared the substrate specificities of two recombinant human IRPs, CPP32 and Mch2 alpha. Both enzymes cleaved poly-(ADP-ribose) polymerase, albeit with different efficiencies. Mch2 alpha also cleaved recombinant and nuclear lamin A at a conserved VEID decreases NG sequence located in the middle of the coiled-coil rod domain, producing a fragment that was indistinguishable from the lamin A fragment observed in S/M extracts and in apoptotic cells. In contrast, CPP32 did not cleave lamin A. The cleavage of lamin A by Mch2 alpha and by S/M extracts was inhibited by millimolar concentrations of Zn2+, which had a minimal effect on cleavage of poly (ADP-ribose) polymerase by CPP32 and by S/M extracts. We also found that N-(acetyltyrosinylvalinyl-N epsilon-biotinyllysyl)aspartic acid [(2,6-dimethylbenzoyl)oxy]methyl ketone, which derivatizes the larger subunit of active ICE, can affinity label up to five active IRPs in S/M extracts. Together, these observations indicate that the processing of nuclear proteins in apoptosis involves multiple IRPs having distinct preferences for their apoptosis-associated substrates.

Although specific proteinases play a critical role in the active phase of apoptosis, their substrates are largely unknown. We previously identified poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) as an apoptosis-associated substrate for proteinase(s) related to interleukin 1 beta-converting enzyme (ICE). Now we have used a cell-free system to characterize proteinase(s) that cleave the nuclear lamins during apoptosis. Lamin cleavage during apoptosis requires the action of a second ICE-like enyzme, which exhibits kinetics of cleavage and a profile of sensitivity to specific inhibitors that is distinct from the PARP proteinase. Thus, multiple ICE-like enzymes are required for apoptotic events in these cell-free extracts. Inhibition of the lamin proteinase with tosyllysine "chloromethyl ketone" blocks nuclear apoptosis prior to the packaging of condensed chromatin into apoptotic bodies. Under these conditions, the nuclear DNA is fully cleaved to a nucleosomal ladder. Our studies reveal that the lamin proteinase and the fragmentation nuclease function in independent parallel pathways during the final stages of apoptotic execution. Neither pathway alone is sufficient for completion of nuclear apoptosis. Instead, the various activities cooperate to drive the disassembly of the nucleus.

Molecular motors in cells typically produce highly directed motion; however, the aggregate, incoherent effect of all active processes also creates randomly fluctuating forces, which drive diffusive-like, nonthermal motion. Here, we introduce force-spectrum-microscopy (FSM) to directly quantify random forces within the cytoplasm of cells and thereby probe stochastic motor activity. This technique combines measurements of the random motion of probe particles with independent micromechanical measurements of the cytoplasm to quantify the spectrum of force fluctuations. Using FSM, we show that force fluctuations substantially enhance intracellular movement of small and large components. The fluctuations are three times larger in malignant cells than in their benign counterparts. We further demonstrate that vimentin acts globally to anchor organelles against randomly fluctuating forces in the cytoplasm, with no effect on their magnitude. Thus, FSM has broad applications for understanding the cytoplasm and its intracellular processes in relation to cell physiology in healthy and diseased states.

The nuclear lamins function in the regulation of replication, transcription, and epigenetic modifications of chromatin. However, the mechanisms responsible for these lamin functions are poorly understood. We demonstrate that A- and B-type lamins form separate, but interacting, stable meshworks in the lamina and have different mobilities in the nucleoplasm as determined by fluorescence correlation spectroscopy (FCS). Silencing lamin B1 (LB1) expression dramatically increases the lamina meshwork size and the mobility of nucleoplasmic lamin A (LA). The changes in lamina mesh size are coupled to the formation of LA/C-rich nuclear envelope blebs deficient in LB2. Comparative genomic hybridization (CGH) analyses of microdissected blebs, fluorescence in situ hybridization (FISH), and immunofluorescence localization of modified histones demonstrate that gene-rich euchromatin associates with the LA/C blebs. Enrichment of hyperphosphorylated RNA polymerase II (Pol II) and histone marks for active transcription suggest that blebs are transcriptionally active. However, in vivo labeling of RNA indicates that transcription is decreased, suggesting that the LA/C-rich microenvironment induces promoter proximal stalling of Pol II. We propose that different lamins are organized into separate, but interacting, microdomains and that LB1 is essential for their organization. Our evidence suggests that the organization and regulation of chromatin are influenced by interconnections between these lamin microdomains.

Invasive cancer cells are believed to breach the basement membrane (BM) using specialized protrusions called invadopodia. We found that the crossing of a native BM is a three-stage process: invadopodia indeed form and perforate the BM, elongate into mature invadopodia, and then guide the cell toward the stromal compartment. We studied the remodeling of cytoskeleton networks during invadopodia formation and elongation using ultrastructural analysis, spatial distribution of molecular markers, and RNA interference silencing of protein expression. We show that formation of invadopodia requires only the actin cytoskeleton and filopodia- and lamellipodia-associated proteins. In contrast, elongation of invadopodia is mostly dependent on filopodial actin machinery. Moreover, intact microtubules and vimentin intermediate filament networks are required for further growth. We propose that invadopodia form by assembly of dendritic/diagonal and bundled actin networks and then mature by elongation of actin bundles, followed by the entry of microtubules and vimentin filaments. These findings provide a link between the epithelial to mesenchymal transition and BM transmigration.

Nuclear lamin B1 (LB1) is a major structural component of the nucleus that appears to be involved in the regulation of many nuclear functions. The results of this study demonstrate that LB1 expression in WI-38 cells decreases during cellular senescence. Premature senescence induced by oncogenic Ras also decreases LB1 expression through a retinoblastoma protein (pRb)-dependent mechanism. Silencing the expression of LB1 slows cell proliferation and induces premature senescence in WI-38 cells. The effects of LB1 silencing on proliferation require the activation of p53, but not pRb. However, the induction of premature senescence requires both p53 and pRb. The proliferation defects induced by silencing LB1 are accompanied by a p53-dependent reduction in mitochondrial reactive oxygen species (ROS), which can be rescued by growth under hypoxic conditions. In contrast to the effects of LB1 silencing, overexpression of LB1 increases the proliferation rate and delays the onset of senescence of WI-38 cells. This overexpression eventually leads to cell cycle arrest at the G1/S boundary. These results demonstrate the importance of LB1 in regulating the proliferation and senescence of human diploid cells through a ROS signaling pathway.

Microtubule breakdown in the presence of 5 or 40 microg/ml of colchicine is observed in BHK-21/C13 fibroblast-like cells. Several morphological and physiological effects are noted in the absence of microtubules: (a) the cells transform from fibroblast-like to epithelial-like cells; (b) the normal pattern of intracellular birefringence changes and a juxtanuclear cap of birefringent filaments is formed; (c) time-lapse cinematography demonstrates that cell locomotion is inhibited in colchicine-treated cells, even though membrane ruffling persists. The results are discussed in terms of the specific roles of microtubules in cultured cell motility and possible functional relationships of the three types of cytoplasmic fibers seen in BHK-21 cells.