We have developed an in vitro system involving digitonin-permeabilized vertebrate cells to study biochemical events in the transport of macromolecules across the nuclear envelope. While treatment of cultured cells with digitonin permeabilizes the plasma membranes to macromolecules, the nuclear envelopes remain structurally intact and nuclei retain the ability to transport and accumulate proteins containing the SV40 large T antigen nuclear location sequence. Transport requires addition of exogenous cytosol to permeabilized cells, indicating the soluble cytoplasmic factor(s) required for nuclear import are released during digitonin treatment. In this reconstituted import system, a protein containing a nuclear location signal is rapidly accumulated in nuclei, where it reaches a 30-fold concentration compared to the surrounding medium within 30 min. Nuclear import is specific for a functional nuclear location sequence, requires ATP and cytosol, and is temperature dependent. Furthermore, accumulation of the transport substrate within nuclei is completely inhibited by wheat germ agglutinin, which binds to nuclear pore complexes and inhibits transport in vivo. Together, these results indicate that the permeabilized cell system reproduces authentic nuclear protein import. In a preliminary biochemical dissection of the system, we observe that the sulfhydryl alkylating reagent N-ethylmaleimide inactivates both cytosolic factor(s) and also component(s) in the insoluble permeabilized cell fraction required for nuclear protein import. Because this permeabilized cell model is simple, efficient, and works effectively with cells and cytosol fractions prepared from a variety of different vertebrate sources, it will prove powerful for investigating the biochemical pathway of nuclear transport.

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.

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.

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.

We identified and produced antibodies to the major proteins that interact with poly(A)+ RNAs in the yeast Saccharomyces cerevisiae. The major proteins which were cross-linked by UV light to poly(A)+ RNA in intact yeast cells had apparent molecular weights of 72,000, 60,000, and 50,000. The poly(A) segment of the RNA was selectively cross-linked to the 72,000-molecular-weight protein (72K protein). Mice immunized with purified UV-cross-linked RNA-protein (RNP) complexes produced antibodies to the three major RNP proteins. A yeast genomic DNA library constructed in the lambda gt11 expression vector was screened with the anti-RNP serum, and recombinant bacteriophage clones were isolated. One recombinant phage, lambda YPA72.1, bearing a 2.5-kilobase insert, produced a large beta-galactosidase-RNP fusion protein. Affinity-selected antibodies from the anti-RNP serum on this fusion protein recognized a single 72K protein which was cross-linked to the poly(A) segment of RNA in the intact cell. Furthermore, the fusion protein of lambda YPA72.1 had specific poly(A)-binding activity. Therefore, lambda YPA72.1 encodes the 72K poly(A)-binding protein. Immunofluorescence microscopy showed that this protein was localized in the cytoplasm. Hybrid-selected mRNA translated in vitro produced the 72K poly(A)-binding protein, and mRNA blot analysis detected a single 2.1-kilobase mRNA. DNA blot analysis suggested a single gene for the poly(A)-binding protein. DNA sequence analysis of genomic clones spanning the entire gene revealed a long open reading frame encoding a 64,272-molecular-weight protein with several distinct domains and repeating structural elements. A sequence of 11 to 13 amino acids is repeated three times in this protein. Strikingly, this repeated sequence (RNP consensus sequence) is highly homologous to a sequence that is repeated twice in a major mammalian heterogeneous nuclear RNP protein, A1. The conservation of the repetitive RNP consensus sequence suggests an important function and a common evolutionary origin for messenger RNP and heterogeneous nuclear RNP proteins.

The cell nucleus must continually resist and respond to intercellular and intracellular mechanical forces to transduce mechanical signals and maintain proper genome organization and expression. Altered nuclear mechanics is associated with many human diseases, including heart disease, progeria, and cancer. Chromatin and nuclear envelope A-type lamin proteins are known to be key nuclear mechanical components perturbed in these diseases, but their distinct mechanical contributions are not known. Here we directly establish the separate roles of chromatin and lamin A/C and show that they determine two distinct mechanical regimes via micromanipulation of single isolated nuclei. Chromatin governs response to small extensions (<3 μm), and euchromatin/heterochromatin levels modulate the stiffness. In contrast, lamin A/C levels control nuclear strain stiffening at large extensions. These results can be understood through simulations of a polymeric shell and cross-linked polymer interior. Our results provide a framework for understanding the differential effects of chromatin and lamin A/C in cell nuclear mechanics and their alterations in disease.

We have purified two major polypeptides of 54 and 56 kd from bovine erythrocytes that specifically bind the nuclear location sequence (NLS) of the SV40 large T antigen. When added to a permeabilized cell system for nuclear import, the purified proteins increase by 2- to 3-fold the nuclear accumulation of a fluorescent protein containing the large T antigen NLS. The import stimulation is saturable and dependent upon the presence of cytosol. Nuclear protein accumulation in vitro is sensitive to inactivation by N-ethylmaleimide (NEM). NEM inactivation can be overcome by addition of the purified NLS-binding proteins to the import system. NEM treatment of the purified proteins abolishes their ability to stimulate import but does not affect NLS binding. Our results indicate that the NLS-binding proteins are NEM-sensitive receptors for nuclear import. At least one other NEM-sensitive cytosolic activity and an NEM-insensitive cytosolic activity are also necessary for protein import in vitro.

While nuclear compartmentalization is an essential feature of three-dimensional genome organization, no genomic method exists for measuring chromosome distances to defined nuclear structures. In this study, we describe TSA-Seq, a new mapping method capable of providing a "cytological ruler" for estimating mean chromosomal distances from nuclear speckles genome-wide and for predicting several Mbp chromosome trajectories between nuclear compartments without sophisticated computational modeling. Ensemble-averaged results in K562 cells reveal a clear nuclear lamina to speckle axis correlated with a striking spatial gradient in genome activity. This gradient represents a convolution of multiple spatially separated nuclear domains including two types of transcription "hot zones." Transcription hot zones protruding furthest into the nuclear interior and positioning deterministically very close to nuclear speckles have higher numbers of total genes, the most highly expressed genes, housekeeping genes, genes with low transcriptional pausing, and super-enhancers. Our results demonstrate the capability of TSA-Seq for genome-wide mapping of nuclear structure and suggest a new model for spatial organization of transcription and gene expression.

Exposure of intact cells to UV light brings about cross-linking of polyadenylated mRNA to a set of cytoplasmic proteins which are in direct contact with the mRNA in vivo. Substantial amounts of an additional protein of molecular weight 38,000 (38K) become cross-linked to the mRNA when cells are treated with inhibitors of mRNA synthesis (actinomycin D, camptothecin, and 5,6-dichloro-1-beta-D-ribofuranosyl benzimidazole) or after infection with vesicular stomatitis virus. Cordycepin, which inhibits polyadenylation but not mRNA synthesis, has no such effect. Inhibitors of protein synthesis and of rRNA synthesis are also without effect on 38K cross-linking to mRNA. The onset of the effect of inhibitors of mRNA synthesis on the UV cross-linkable interaction between mRNA and 38K is rapid and reaches a maximal level in less than 60 min, and it is completely and rapidly reversible. In cells treated with actinomycin D, the amount of 38K which becomes cross-linked to mRNA is proportional to the extent of inhibition of mRNA synthesis. The association of 38K with mRNA during transcriptional arrest does not require protein synthesis because simultaneous treatment with the protein synthesis inhibitor emetine does not interfere with it. The effectors which promote the interaction of 38K with mRNA do not affect the proteins which are in contact with polyadenylated heterogeneous nuclear RNA and do not markedly affect protein synthesis in the cell. The 38K protein can be isolated with the polyribosomal polyadenylated fraction from which it was purified, and monoclonal antibodies against it were prepared. Immunofluorescence microscopy shows mostly cytoplasmic and some nuclear staining. These observations demonstrate that commonly used inhibitors of transcription affect the physical state of messenger ribonucleoproteins in vivo.