Abstract Aberrations in nuclear size and shape are commonly used to identify cancerous tissue. However, it remains unclear whether the disturbed nuclear structure directly contributes to the cancer pathology or is merely a consequence of other events occurring during tumorigenesis. Here, we show that highly invasive and proliferative breast cancer cells frequently exhibit Akt-driven lower expression of the nuclear envelope proteins lamin A/C, leading to increased nuclear deformability that permits enhanced cell migration through confined environments that mimic interstitial spaces encountered during metastasis. Importantly, increasing lamin A/C expression in highly invasive breast cancer cells reflected gene expression changes characteristic of human breast tumors with higher LMNA expression, and specifically affected pathways related to cell-ECM interactions, cell metabolism, and PI3K/Akt signaling. Further supporting an important role of lamins in breast cancer metastasis, analysis of lamin levels in human breast tumors revealed a significant association between lower lamin A levels, Akt signaling, and decreased disease-free survival. These findings suggest that downregulation of lamin A/C in breast cancer cells may influence both cellular physical properties and biochemical signaling to promote metastatic progression.

Nuclear homeostasis requires a balance of forces between the cytoskeleton and nucleus. Variants in LMNA disrupt this balance by weakening the nuclear lamina, resulting in nuclear damage in contractile tissues and ultimately muscle disease. Intriguingly, disrupting the LINC complex that connects the cytoskeleton to the nucleus has emerged as a promising strategy to ameliorate LMNA cardiomyopathy. Yet how LINC disruption protects the cardiomyocyte nucleus remains unclear. To address this, we developed an assay to quantify the coupling of cardiomyocyte contraction to nuclear deformation and interrogated its dependence on the lamina and LINC complex. We found that the LINC complex was surprisingly dispensable for transferring the majority of contractile strain into the nucleus, and that increased nuclear strain in Lmna-deficient myocytes was not rescued by LINC complex disruption. However, LINC complex disruption eliminated the cage of microtubules encircling the nucleus, and disrupting microtubules was sufficient to prevent nuclear damage induced by LMNA deficiency. Computational modeling allowed us to estimate the mechanical stress fields surrounding cardiomyocyte nuclei and show how microtubule compression exploits local vulnerabilities to damage LMNA-deficient nuclei. Our work pinpoints localized, microtubule-dependent force transmission through the LINC complex as a pathological driver and therapeutic target for LMNA cardiomyopathy.

The response of cells to mechanical stress is crucial for many cellular functions, yet its molecular mechanisms are not yet fully understood. Previous studies of the cellular response to mechanical stress were performed on cultured cells or isolated muscle fibers devoid of cell and/or tissue contexts. Thus, the emerging results were limited to the specific cell types or tissues analyzed and dependent on the growth matrix elasticity. In the present study, we looked for changes in early gene expression in response to mechanical whole body stretching of living C. elegans. Our transcriptome analysis revealed upregulation of genes involved in cuticle development, stress response and several signaling pathways such as WNT, TGFβ, AMPK and Hedgehog signaling. These findings indicate that protecting against mechanical insults entails providing additional support to the mechanically resilient protective cuticle, and that proper recovery from mechanical stretching requires an intact Hedgehog signaling pathway. Recent findings suggest an important role for the nuclear lamina in mediating cellular mechanical response. The nuclear lamina is composed mainly of lamins, which are nuclear intermediate filament-type proteins needed, among other functions to maintain nuclear integrity. One particular area of interest are laminopathies, which are caused by mutations in lamin. Stretched animals expressing the Emery Dreifuss Muscular Dystrophy (EDMD) linked L535P lamin mutation, showed further upregulation of cytoskeleton organization, cellular respiration and mitochondrial protein-unfolding stress response genes, most likely to compensate for aberrant muscle tissue function. These findings provide a broad multi-dimensional picture of the in vivo genetic response of live animals to mechanical stress, highlighting previously unreported mechano-sensitive genes and molecular pathways.

Abstract LMNA- related dilated cardiomyopathy ( LMNA -DCM) is one of the most severe forms of DCM. The incomplete understanding of the molecular disease mechanisms results in lacking treatment options, leading to high mortality amongst patients. Here, using an inducible, cardiomyocyte-specific lamin A/C depletion mouse model, we conducted a comprehensive transcriptomic study, combining both bulk and single nucleus RNA sequencing, and spanning LMNA -DCM disease progression, to identify potential disease drivers. Our refined analysis pipeline identified 496 genes already misregulated early in disease. The expression of these genes was largely driven by disease specific cardiomyocyte sub-populations and involved biological processes mediating cellular response to DNA damage, cytosolic pattern recognition, and innate immunity. Indeed, DNA damage in LMNA -DCM hearts was significantly increased early in disease and correlated with reduced cardiomyocyte lamin A levels. Activation of cytosolic pattern recognition in cardiomyocytes was independent of cGAS, which is rarely expressed in cardiomyocytes, but likely occurred downstream of other pattern recognition sensors such as IFI16. Altered gene expression in cardiac fibroblasts and immune cell infiltration further contributed to tissue-wide changes in gene expression. Our transcriptomic analysis further predicted significant alterations in cell-cell communication between cardiomyocytes, fibroblasts, and immune cells, mediated through early changes in the extracellular matrix (ECM) in the LMNA -DCM hearts. Taken together, our work suggests a model in which nuclear damage in cardiomyocytes leads to activation of DNA damage responses, cytosolic pattern recognition pathway, and other signaling pathways that activate inflammation, immune cell recruitment, and transcriptional changes in cardiac fibroblasts, which collectively drive LMNA -DCM pathogenesis.

Nuclei within cells are constantly subjected to compressive, tensile and shear forces, which regulate nucleoskeletal and cytoskeletal remodeling, activate signaling pathways and direct cell-fate decisions. Multiple rheological methods have been adapted for characterizing the response to applied forces of isolated nuclei and nuclei within intact cells. However, in vitro measurements fail to capture the viscoelastic modulation of nuclear stress-strain relationships by the physiological tethering to the surrounding cytoskeleton, extracellular matrix and cells, and tissue-level architectures. Using an equiaxial stretching apparatus, we applied a step stress and measured nucleus deformation dynamics within living C. elegans nematodes. Nuclei deformed non-monotonically under constant load. Non-monotonic deformation was conserved across tissues and robust to nucleoskeletal and cytoskeletal perturbations, but it required intact Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton (LINC) complex attachments. The transition from creep to strain recovery fits a tensile-compressive linear viscoelastic model that is indicative of nucleoskeletal-cytoskeletal decoupling under high load. Ce-lamin (lmn-1) knockdown softened the nucleus whereas nematode ageing stiffened equilibrium elasticity and decreased deformation recovery rate. Recovery lasted minutes due to physiological damping of the released mechanical energy thus protecting nuclear integrity and preventing chromatin damage.