 |
Quantitative characterization of ErbB receptor signaling platforms and their role in cancer
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
103906 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Nagy, Péter |
| Title in Hungarian |
Az ErbB receptorok szignalizációs platformjainak kvantitatív karakterizálása és szerepük humán daganatokban |
| Title in English |
Quantitative characterization of ErbB receptor signaling platforms and their role in cancer |
| Keywords in Hungarian |
ErbB receptorok, receptor klaszterek, FRET, emlőtumor, lipid tutaj, receptor orientált daganat terápia |
| Keywords in English |
ErbB receptors, receptor clusters, FRET, breast cancer, lipid raft, receptor-oriented cancer therapy |
| Discipline |
| General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Molecular biology | | Cell cycle and division (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Stem cell biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Department of Biophysics and Cell Biology (University of Debrecen) |
| Participants |
Batta, Gyula
Szabó, Ágnes Tímea
Váradi, Tímea Erzsébet
|
| Starting date |
2012-09-01 |
| Closing date |
2016-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.589 |
| FTE (full time equivalent) |
6.77 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az ErbB receptorok transzmembrán fehérjék, melyek mind nyugalmi, mind stimulált állapotban klasztereket alkotnak. A kutatási projekt keretén belül az ErbB3 homoklaszterizációját és a legfontosabb heterodimerek (ErbB1-2, ErbB2-3) összetételét fogjuk elemezni kvantitatív biofizikai módszerekkel (hetero-FRET, homo-FRET, number & brightness analízis, FRET-szenzitizált akceptor bleaching és quantum dot fluoreszcencia eloszlás analízis). Az asszociációk létrehozásában széleskörűen ismert extracelluláris domén mellett a transzmembrán szegmens szerepét, ill. a transzmembrán alfa-hélix konformációját befolyásoló dipól potenciál hatását is fogjuk vizsgálni. Az ErbB fehérjék asszociációit mind hagyományos sejtkultúrában, mind 3D kultúrában, ill. mesenchymális őssejtekkel történő együtt tenyésztés során is vizsgálni fogjuk. A kvantitatív biofizikai mérésekhez szükséges módszerek többsége már rendelkezésünkre áll, de a quantum dot fluoreszcencia eloszlás analízishez szükséges kiértékelő eljárást még ki kell dolgozni.
Szintén vizsgálni kívánjuk az ErbB szignalizációs hálózat kritikus működését, tehát azt, hogy fiziológiás körülmények között tényleg a kaotikus és a rendezett működés határán áll-e, mint sok más komplex biológiai rendszer. Ezenkívül megvizsgáljuk, hogy az ErbB fehérjék patológiás fokozott kifejeződése ezt a viselkedést mennyiben módosítja.
Végül az ErbB fehérjék asszociációit indirekten befolyásoló, a lipid tutajokon keresztül ható tumorellenes gyógyszer, az elisidepsin hatásait fogjuk vizsgálni. Ellenőrizzük, hogy a lipid környezet módosítása, ill. a lipid összetételt befolyásoló, a tumorokban gyakran előforduló hipoxia hogyan befolyásolja az elisidepsin hatékonyságát.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
-Feltételezzük, hogy az ErbB fehérjék szignalizációs képességeit alapvetően befolyásolja klaszterképződésük és a klaszterek pontos összetétele. Ezt csak kvantitatív biofizikai módszerekkel lehet meghatározni, ezért vizsgálataink során a még nem vizsgált ErbB3 homoklaszterek és a legfontosabb heterodimerek (ErbB1-2 és ErbB2-3) sztöchiometriáját fogjuk analizálni.
-Bár az ErbB fehérjék izolált transzmembrán szegmenseinek asszociációs hajlamát már kimutatták, a transzmembrán alfa hélix konformációját befolyásoló dipólpotenciál szerepét még nem vizsgálták. Vizsgálataink meg fogják mutatni a dipólpotenciál ErbB fehérjék asszociációjának szabályozásában betöltött szerepét.
-Bár számtalan tanulmány igazolta, hogy a membránfehérjék másképpen működnek monolayer és 3D kultúrákban, ezt a hatást még nem vizsgálták az ErbB fehérjéken. A vizsgálatok során az emlőtumor sejtek közötti sejt-sejt kölcsönhatások szerepét kívánjuk feltárni az ErbB fehérjék asszociációjában és szignáltranszdukciójában.
-Feltételezésünk szerint az ErbB receptorok által alkotott hálózat kritikus működést mutat, amely hozzájárul robosztusságához és flexibilitásához. Megvizsgáljuk, hogy ez tényleg így van-e fiziológiás ErbB receptor expresszió esetén, és hogy ebben milyen szerepe van az ErbB fehérjék expressziós szintjének.
-Feltételezzük, hogy az ErbB fehérjék klaszterizációját nemcsak a fehérjék tulajdonságai, hanem a lipid környezet is befolyásolja. Meg kívánjuk érteni, hogy az ErbB fehérjék asszociációit indirekten, a lipid tutajokon keresztül befolyásoló gyógyszer, az elisidepsin, hatását hogyan befolyásolják a lipid összetétel módosulásai, különösen tekintettel a tumorokban gyakran előforduló hipoxiára.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
1. Az ErbB fehérjék klaszterizációjának globális modelljének megalkotása. (a) A jelenleg uralkodó elképzelések alapvetően az extracelluláris domén által létrehozott homo-, ill. heterodimerekre fókuszálnak, bár világos, hogy a transzmembrán és intracelluláris domének is szerepet játszanak a klaszterizáció kialakításában, és az asszociációk nem állnak meg a dimerek szintjén, hanem magasabb rendű asszociátumok is kialakulnak. (b) A legtöbb vizsgálatban monolayer sejtkultúrában vizsgálják az ErbB fehérjék asszociációit. A tervezett 3D kultúrában történő vizsgálatok ezt a hiányt pótolják. (c) A klaszterek és az általuk kiváltott szignál transzdukciós folyamatok rendszerbiológiai („systems biology”) vizsgálata még nem történt meg. Várható, hogy fiziológiás és patológiás, fokozott expresszió mellett az ErbB szignalizációs hálózat eltérő mértékben mutatja a kritikus működés jeleit. Ez jelentősen befolyásolhatja azt, hogy egy lokális szignál milyen mértékben terjed ki, tehát milyen mértékben befolyásolja a környező ErbB fehérjék klaszterizációs és foszforiláltsági állapotát. Az a-c. pontokban várt eredmények jelentősen finomítani fogják az ErbB receptorcsalád klaszterizációs viselkedéséről alkotott elképzeléseinket.
2. Új módszert dolgozunk ki a membránfehérjék asszociációjának kvantitatív meghatározására, melyet quantum dot fluoreszcencia eloszlás analízisnek nevezünk. A módszer általunk kidolgozandó része a heteroasszociációk kvantitatív analízisére vonatkozik.
3. Malignus betegségek hatékonyabb kezelése. Bár a tervezett kutatási projekt alapvetően alapkutatás jellegű, két vonatkozásban is hozzájárulhat a rák jobb kezeléséhez. (a) Rámutat arra, hogy a nem daganatos és a rákos sejtek mennyiben különböznek a kritikus működés, és ezáltal a robosztusság, ill. flexibilitás tekintetében. A sejt szignalizációs hálózatának ezen paraméterek által meghatározott válaszát figyelembe kellene venni a kezelési protokollok kidolgozása során. (b) A hipoxia számtalan esetben gátja lehet a malignus tumorok hatékony sugár- és kemoterápiás kezelésének. Eredményeink egy konkrét esetben, az elisidepsin esetében, feltárhatják ennek mechanizmusát, és utat mutathatnak a rezisztencia legyőzésére.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A sejtek osztódását többek között ún. növekedési faktorok szabályozzák, melyek egyik típusa a sejtmembránban levő receptorokhoz kötődik. Az egyik legfontosabb ilyen faktor az epidermális növekedési faktor (epidermal growth factor, EGF), mely a sejtmembránban lévő receptorának (EGF receptor) dimerizációját váltja ki, de nagyobb méretű klaszterek is keletkeznek. Az EGF receptor egy család tagja, amiben a családtagok egymással sokféle homo- és heteroasszociátumot képesek kialakítani. A biológiai válasz meghatározásában ezen klaszterek összetétele kiemelkedően fontos. A tervezett vizsgálatokban a receptorok asszociációinak még nem ismert aspektusait fogjuk vizsgálni (kvantitatív összetétel, sztöchiometria). A kísérleteket háromdimenziós sejtkultúrában is elvégezzük, ahol a sejtek „életkörülményei” jobban hasonlítanak a testben tapasztalható viszonyokhoz, mint a legtöbb hagyományos vizsgálatban.
Talán meglepő, de a legtöbb összetett biológiai rendszer nem teljesen rendezett, hanem matematikai értelemben kaotikus működés jeleit mutatja. Pontosabban a rendezett és rendezetlen (kaotikus) viselkedés határán vannak, amit kritikus működésnek nevezünk. Ez fontos a rendszer stabilitása és alkalmazkodó képessége szempontjából. A tervezett vizsgálatokban összehasonlítjuk, hogy az egészséges és daganatos sejtek mennyiben különböznek ebben a tekintetben. Ez abban is segítségünkre lehet a jövőben, hogy jobban megértsük a daganatos sejtek kemoterápiás kezelésre adott válaszát.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
ErbB receptors are transmembrane proteins clustered both in quiescent and stimulated cells. In the current research proposal we will investigate the homoclustering of ErbB3 and the stoichiometry of the most important heterodimers (ErbB1-2 and ErbB2-3) using quantitative biophysical methods (hetero-FRET, homo-FRET, number & brightness analysis, FRET-sensitized acceptor bleaching and quantum dot fluorescence distribution analysis). Besides the widely known extracellular domain we will evaluate the role of the transmembrane segment, and the dipole potential-induced alterations in the conformation of the transmembrane alpha helix, in the regulation of ErbB protein clustering. Associations of ErbB proteins will be analyzed in conventional monolayers and in 3D cell cultures as well as in co-cultures of breast cancer cells with mesenchymal stem cells. Most of the methods required to perform the biophysical measurements are already available, but the evaluation protocol for the quantum dot fluorescence distribution analysis will have to be worked out.
We will also investigate the criticality of the ErbB signaling network, i.e. whether the system indeed stands at the border of chaotic and organized behavior under physiological conditions similar to many complex biological systems. In addition, we will check whether pathological overexpression of ErbB proteins alters this type of behavior.
In the end we will look at the effects of a novel anti-tumor compound, elisidepsin, known to modify ErbB protein clustering indirectly via lipid rafts. We will investigate how alterations in the lipid environment and hypoxia-induced lipid modifications change the efficiency of elisidepsin.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
-We assume that the signaling potential of ErbB proteins is determined by their cluster formation and by the exact composition of clusters. These questions can only be answered by quantitative biophysical tools, therefore we will explore the composition of ErbB3 homoclusters and the most important heteroclusters (ErbB1-2,ErbB2-3) which have not been investigated so far.
-Although the association propensity of isolated transmembrane segments of ErbB proteins has already been demonstrated, the role of the dipole potential, known to alter the conformation of transmembrane alpha helices, has not been investigated. Our experiments will elucidate the role of the dipole potential in regulating ErbB protein clusters.
-Although several studies reported that membrane proteins behave differently in monolayer and 3D cultures, this phenomenon has not been demonstrated for ErbB proteins. We will analyze the role of cell-cell contacts in the regulation of ErbB protein associations and transmembrane signaling.
-We assume that the ErbB signaling network shows criticality which is essential to its robustness and flexibility. We will investigate whether this is indeed so, and what role the expression level of ErbB proteins has in these observations.
-We assume that ErbB protein clustering is not only influenced by the properties of the proteins themselves, but also by the lipid milieu. We would like to understand how the effectivity of a drug, elisidepsin, known to affect the clustering of ErbB receptors indirectly via lipid rafts, is influenced by alterations in the lipid composition of the membrane with special attention paid to the effect of hypoxia often present in malignant tumors.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
1. Generation of a global model for the clustering of ErbB proteins. (a) The currently prevailing view focuses on extracellular domain-driven formation of homo- and heterodimers, although it has been shown that the transmembrane and intracellular domains also play a role, and that clusters are not limited to dimers, but higher-order associations are also present. (b) In most investigations ErbB protein clustering is analyzed in monolayer cultures. The planned investigations carried out in 3D cultures will fill this gap. (c) The systems biological investigation of ErbB clusters and their signals has not been carried out. It is foreseen that the ErbB signaling network exhibits features of criticality to different extents under physiological and pathological conditions. This will significantly influence how far a local signal will spread, i.e. to which extent it will modify the state of clustering and phosphorylation of neighboring ErbB receptors. Results expected under points a-c will significantly refine our views about the clustering behavior of ErbB proteins.
2. We will develop a new method for the quantitative analysis of receptor clustering termed quantum dot fluorescence intensity distribution analysis. The part we undertake to work out pertains to the investigation of heteroclusters.
3. Better treatment of malignant diseases. Although the proposed project is of basic research character, it can contribute to the more efficient treatment of cancer. (a) It will point out how non-malignant and cancer cells differ with respect to critical behavior, robustness and flexibility. The response of the cell’s signaling network determined by the above parameters should be taken into account when devising treatment protocols. (b) Hypoxia prevents the efficient chemotherapeutic and radiation treatment of malignant tumors. Our results may elucidate the mechanism of this phenomenon in the case of elisidepsin, a novel chemotherapeutic drug, and could point to potential ways to tackle resistance.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Among others cell division is regulated by growth factors. One class of such growth factors binds to cell surface receptors. One of the most important such factors is the epidermal growth factor (EGF) which induces the dimerization of its cell membrane receptor, EGF receptor. In addition to dimers, higher-order associations also arise. The EGF receptor belongs to a family in which family members form a huge diversity of homo- and heteroassociations with each other. The composition of such clusters is important in the determination of the biological response. In the proposed research project we will investigate the unknown features (quantitative composition, stoichiometry) of these associations. The experiments will be carried out in three-dimensional cell cultures in which the conditions resemble the in vivo environment more closely than in most conventional investigations.
It may sound strange but most biological system are not fully ordered or organized. Instead, they show features of chaotic behavior in the mathematical sense. More specifically, such systems are on the border of organized and disorganized (chaotic) behavior, a feature called criticality, which is important for the stability and adaptability of the system. In the proposed investigations we will compare how healthy and malignant cells differ from each other in this respect. The results may help us better understand how cancer cells respond to chemotherapeutic treatments.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
