The functional landscape of proteins  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
105415
Type K
Principal investigator Szilágyi, András
Title in Hungarian Fehérjék funkcionális szabadenergia-hiperfelszíne
Title in English The functional landscape of proteins
Keywords in Hungarian fehérjék, szabadenergia, fehérjedinamika, fehérjefunkció
Keywords in English proteins, free energy, protein dynamics, protein function
Discipline
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)70 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences)
Participants Gráczer, Éva
Györffy, Dániel
Kocsis, Andrea
Oroszlán, Gábor
Starting date 2013-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 28.120
FTE (full time equivalent) 10.95
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás a fehérjék funkcionális szabadenergia-hiperfelszínének tanulmányozásán alapul. Ez a fehérje natív állapotát, a natív sokaságot meghatározó hiperfelszínt jelenti, mely a konfigurációs térben kis térfogatú, ellenben komplex felépítésű, számos energiaminimummal, melyeket magas energiagátak választanak el egymástól. Míg a felgombolyodás szabadenergia-hiperfelszíne alaposan tanulmányozott, a funkcionális szabadenergia-hiperfelszín tulajdonságai jóval kevésbé ismertek, csak néhány fehérje esetében tanulmányozottak, a felszín leírására nincs általános elmélet. A kutatás fő célja a funkcionális szabadenergia-hiperfelszínek általános tulajdonságainak meghatározása. E cél elérése érdekében különféle fehérjecsoportok funkcionális szabadenergia-hiperfelszíneit tervezzük meghatározni korszerű, számítógépes módszerekkel, majd azokat többféle szempontból elemezni.

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.
A kutatás alapkérdése a következők: Melyek a funkcionális szabadenergia-hiperfelszínek jellemzői? A jellemzők közé sorolható a felszín hierarchikus volta, a natív dinamika jellege (diffúzív vagy aktivált), valamint a natív állapot gerjesztéseinek jellege. A natív állapot gerjesztéseit csoportosíthatjuk méret- és időskála szerint. Hipotézisünk, hogy e gerjesztések minőségét a fehérje felépítése határozza meg. Ennek tesztelésére egy jól megválasztott, a leggyakoribb "fold"-okat reprezentáló fehérjekészlet funkcionális szabadenergia-hiperfelszínét fogjuk leírni. Tanulmányozni kívánjuk a környezeti körülmények hatását is, mezofil és termofil fehérjék összehasonlításával.

A funkcionális szabadenergia-hiperfelszínek elemzésével az allosztéria mechanizmusaira is következtethetünk. Itt a fő kérdés az allosztérikus átmenet jellegére irányul, a két fő modell az előzetes egyensúly és az indukált illeszkedés. Allosztérikus fehérjék jól kiválasztott csoportján kívánjuk e modelleket vizsgálni. Külön figyelmet érdemel az allosztérikus kommunikációs útvonalak kérdése. Bár ilyeneket több fehérjében leírtak, számos problémát vetnek fel, melyeket egy további fehérjecsoporton tervezünk vizsgálni.

Egy további tanulmányozandó csoport a rendezetlen fehérjék csoportja. Ezek gyakran kapcsolt kötést és felgombolyodást mutatnak, szabadenergia-hiperfelszínüket azonban még alig tanulmányozták.

Vizsgálatainkat kiterjesztjük az Enzimológiai Intézetben kísérletesen kutatott, egyes fehérjékre is. Szintén tanulmányozni kívánjuk a szabályozásban és a jelátvitelben szerepet játszó fehérjéket, lévén ezeknek várhatóan több konformációs állapotuk van.

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!
A kutatás eredményeként általános képet fogunk kapni a fehérjék funkcionális szabadenergia-hiperfelszíneinek jellemzőiről és az ezeket meghatározó tényezőkről. Ezek a megállapítások fontos lépést jelentenek majd e hiperfelszínek általános elméletének megalkotásához. Emellett a konkrét fehérjék esetében a hiperfelszínek leírása a fehérjék működésének jobb megértéséhez vezet, számos esetben várhatóan lényeges, új megállapításokat eredményez.

A kutatás várhatóan módszertani szempontból is előrelépéseket fog hozni. A funkcionális szabadenergia-hiperfelszínek feltárására szolgáló módszerek többsége ugyanis új, az elmúlt néhány évben kifejlesztett módszer. A kutatás során több ilyen módszert fogunk alkalmazni, így ezek viszonylagos előnyeire, hátrányaira, konzisztens voltára is fény derül majd. Új módszerek kifejlesztésére is sor kerülhet.

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.
Az élő szervezet legfontosabb molekuláinak, a fehérjéknek a viselkedését egy absztrakt, sokdimenziós térben definiált energiafelszínnel írhatjuk le. Minden fehérje működőképes formájához egy bonyolult, magas hegyekkel és mély völgyekkel jellemezhető energiafelszín tartozik. A fehérjék működésének jobb megértéséhez vezet el, ha azt az energiafelszínen történő vándorlás formájában írjuk le. Kutatásunk célja ezeknek az energiafelszíneknek a feltárása számos fehérjecsoport esetében. Ennek során meg szeretnénk határozni, mik a főbb jellemzői ezeknek az energiafelszíneknek, és mi határozza meg e jellemzőket. A fehérjemolekula, bár általában egy meghatározott háromdimenziós szerkezettel rendelkezik, a hőmozgás során állandóan izeg-mozog, egyes részei felnyílnak, átrendeződnek. E mozgások természetét jobban megérthetjük az energiafelszín feltárásával. Az ún. allosztérikus fehérjék speciális tulajdonsága, hogy ha egy bizonyos helyen egy kismolekula kötődik hozzájuk, ez a teljes fehérjében szerkezetváltozást okoz. Ez egy bonyolult folyamat, amelynek részletes mechanizmusát nem ismerjük; az energiafelszínek jellemzése segít ennek megértésében. Különösen fontosak az ilyen szerkezetváltozások a szabályozásban és a jelátvitelben szerepet játszó fehérjék esetében. Nemrégiben vált ismertté, hogy bizonyos fehérjék nem rendelkeznek határozott szerkezettel, illetve szerkezetüket csak egy másik molekulához való kötődés hatására veszik fel. E fehérjecsoportokat is elemzésünk tárgyává tesszük.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The primary aim of the research is to study the functional landscape of proteins. This is the free energy hypersurface that determines the native state ensemble. In configurational space, it has a relatively small volume but a complex structure, with numerous energy minima separated by high barriers. While the folding landscape is well studied, the characteristics of functional landscapes are not well known. They have only been studied for a few proteins, and there is no general theory describing functional landscapes. The aim of the research is to determine the general characteristics of functional landscapes. To reach this goal, we plan to determine the functional landscapes of several groups of proteins by state-of-the-art computational methods, and then to analyze them by several criteria.

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.
The main question of the research is: What are the characteristics of functional landscapes? The characteristics include the hierarchical nature of the landscape, the nature of the dynamics (diffusional and activated), and the nature of the native state excitations. Native excitations can be grouped by time scale and spatial extension. We hypothesize that the nature of the excitations is determined by the architecture of the protein. To test this, we plan to determine the functional landscapes of a well-selected group of proteins representing the most common folds. We also plan to investigate the effect of environmental conditions by comparing mesophilic and thermophilic proteins.

By analyzing functional landscapes, the mechanisms of allostery can be elucidated. The main question refers to the nature of allosteric transitions, the two main models being pre-existing equilibrium and induced fit. We plan to study these models on a well-selected group of allosteric proteins. Special attention will be given to the topic of allosteric communication pathways. Although such pathways have been described in several proteins, they raise a number of issues, which we plan to study on another group of proteins.

We plan to study the functional landscapes of intrinsically disordered proteins. Often, these exhibit coupled folding and binding; their are only a few studies of their energy landscapes.

Our studies will be extended to two additional groups of proteins: (i) proteins experimentally researched in the Institute of Enzymology, (ii) regulatory and signal transduction proteins, which presumably have multiple conformational states.

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.
The research will lead to a general understanding of the characteristics of functional landscapes and the factors determining them. These findings will pave the way to the construction of a general theory of functional landscapes. Besides, the description of functional landscapes of specific proteins will contribute to the better understanding of their function, also expected to lead to important new insights.

The research is expected to contribute to methodological advances. Most methods for determining functional landscapes are new, developed in the past few years. Several such methods will be used in the research, which will shed light to their advantages and limitations, and their consistency. New methods may also be developed.

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.
The behavior of proteins, the most important molecules of life, can be described by an abstract energy landscape in a multi-dimensional space. The functional form of each protein is associated with a complex energy surface with high mountains and deep valleys. The function of a protein can be better understood if it is described as a wandering on the energy surface. The aim of our research is to reveal these energy landscapes for several groups of proteins. We aim to determine the key characteristics of these landscapes and the factors that determine them. Although protein molecules typically have a definite 3-dimensional structure, they wiggle and jiggle by thermal motions; some of their regions open up or rearrange. The nature of these movements can be better understood by revealing the energy landscape. Allosteric proteins have a special property: their whole structure can change upon the binding of a small ligand to a surface spot. This is a complex process whose mechanism is not known in detail; the energy landscape view helps understand their nature. Such structural changes are particularly important for regulatory and signal transduction proteins. Recently, it was discovered that some proteins do not have a definite structure, or they only assume their structure upon binding to another molecule. These protein groups will also be investigated in our research.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A fehérjék funkcionális szabadenergia-felületének megértése azért fontos, mert értelmezhetővé teszi a funkcionális mozgásokat, köztük a kötési eseményeket és az allosztériát. Számos rendszer energiafelületét vizsgáltuk, kis peptidektől kezdve az óriási multimerekig. Kifejlesztettünk egy új módszert az energiafelület közelítő leírására többváltozós Gauss-függvények keverékeként. Ez képezi az alapját egy sor új elemző módszernek a funkcionális energiafelületek jellemzésére. Az egyik módszer hatékonyan használható entrópiakülönbségek számítására sokaságokként megadott állapotok között. Megmutattuk, hogy ez kisebb mintaméretek mellett is pontosabb entrópiákat szolgáltat, mint más módszerek, és jól skálázódik nagyobb molekulákra is. A módszerek egy másik csoportja az energiafelület medencéit írja le, és hogy ezek hogyan szerveződnek hierarchiába. Általában azonban kevés hierarchikusságot találtunk a natív energiafelszínekben. Geometriai szimuláció és kisszögű röntgenszórás segítségével feltártuk az óriási ROCK2 kináz molekula csaknem lapos energiafelületét is. Megmutattuk, hogy az elégtelen mintavételezés az energiafelszínt komplexebbnek mutatja, mint amilyen az valójában. Bevezettünk egy új módszert a homodimerek kapcsolt felgombolyodásának és kötődésének leírására az állapottér jelentős redukálásával, mely lehetővé tette, hogy olyan kinetikus modelleket alkossunk, amelyek betekintést nyújtanak a dimerképződés mechanizmusaiba.
Results in English
Understanding the functional landscape of proteins is important as it explains all functional motions, including binding events and allostery. We have investigated the energy landscapes of several systems, from small peptides to huge multimeric proteins. We have developed a novel way to approximate an energy landscape as a mixture of multivariate Gaussians, which forms the basis of a set of analysis methods to characterize functional free energy landscapes. One of these methods can be efficiently used to calculate entropy differences between states provided as conformational ensembles. We have shown that this method yields more accurate entropies from smaller sample sizes than other methods, and scales well to larger molecules. Another group of methods describes the various energy basins of the landscapes and how they organize into a hierarchy. In general, we found that there is little hierarchicity in native energy landscapes. We have also explored the largely flat energy landscape of the giant ROCK2 kinase molecule by combining geometric simulations with small-angle X-ray scattering data. We demonstrated that poor sampling can make the energy landscape appear more complex than it really is. We have introduced a novel way to describe the coupled folding and binding of homodimers by substantially reducing the state space, which allowed us to construct kinetic network models providing insight into dimer formation mechanisms.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105415
Decision
Yes





 

List of publications

  
Oroszlán G, Dani R, Szilágyi A, Závodszky P, Thiel S, Gál P, Dobó J.: Extensive Basal Level Activation of Complement Mannose-Binding Lectin-Associated Serine Protease-3: Kinetic Modeling of Lectin Pathway Activation Provides Possible Mechanism., Front Immunol. 2017 Dec 18;8:1821., 2017
Szilágyi A, Végh B, Gráczer É, Wacha A, Bóta A, Závodszky P, Hajdú I: The effect of RhoA binding on the conformation of ROCK2 kinase, submitted, 2018
Györffy D, Závodszky P, Szilágyi A: A kinetic network approach for protein dimer formation, submitted, 2018
Balogh A, Karpati E, Schneider AE, Hetey S, Szilagyi A, Juhasz K, Laszlo G, Hupuczi P, Zavodszky P, Papp Z, Matko J, Than NG: Sex hormone-binding globulin provides a novel entry pathway for estradiol and influences subsequent signaling in leukocytes via membrane receptor, submitted, 2018
Gyimesi Gergely, Závodszky Péter, Szilágyi András: Calculation of Configurational Entropy Differences from Conformational Ensembles Using Gaussian Mixtures., J CHEM THEORY COMPUT 13: (1) 29-41, 2017
Szilágyi András, Györffy Dániel, Závodszky Péter: Segment swapping aided the evolution of enzyme function: The case of uroporphyrinogen III synthase., PROTEINS 85: (1) 46-53, 2017
Abrusan G, Yant SR, Szilagyi A, Marsh JA, Mates L, Izsvak Z, Barabas O, Ivics Z: Structural Determinants of Sleeping Beauty Transposase Activity., MOL THER 24: (8) 1369-1377, 2016
Abrusan G, Szilagyi A, Zhang Y, Papp B: Turning gold into 'junk': transposable elements utilize central proteins of cellular networks., NUCLEIC ACIDS RES 41: (5) 3190-3200, 2013
Abrusan G, Zhang Y, Szilagyi A: Structure Prediction and Analysis of DNA Transposon and LINE Retrotransposon Proteins, J BIOL CHEM 288: (22) 16127-16138, 2013
Csermely P, Nussinov R, Szilagyi A: From allosteric drugs to allo-network drugs: State of the art and trends of design, synthesis, and computational methods., CURR TOP MED CHEM 13: (1) 2-4, 2013
Szilágyi A, Nussinov R, Csermely P: Allo-network drugs: extension of the allosteric drug concept to protein-protein interaction and signaling networks, CURR TOP MED CHEM 13: (1) 64-77, 2013
Graczer E, Bacso A, Konya D, Kazi A, Soos T, Molnar L, Szimler T, Beinrohr L, Szilagyi A, Zavodszky P, Vas M: Drugs Against Mycobacterium Tuberculosis 3-Isopropylmalate Dehydrogenase Can be Developed using Homologous Enzymes as Surrogate Targets., PROTEIN PEPTIDE LETT 21: (12) 1295-1307, 2014
Nándor GáborThan, Andrea Balogh, Roberto Romero, Éva Kárpáti , Offer Erez, András Szilágyi , Ilona Kovalszky , Marei Sammar , Sveinbjorn Gizurarson, János Matkó, Péter Závodszky , Zoltán Papp, Hamutal Meiri : Placental Protein 13 (PP13) – a placental immunoregulatory galectin protecting pregnancy, FRONT IMMUNOL 5: , 2014
Szilagyi A, Zhang Y: Template-based structure modeling of protein-protein interactions, CURR OPIN STRUC BIOL 24: (1) 10-23, 2014
Györffy D, Závodszky P, Szilágyi A: The blind leading the blind: how disordered peptides form an ordered complex, Prague Protein Spring Meeting 2014, 2014
Szilágyi A, Zhang Y, Závodszky P: Domain-swapped homodimers can gain novel functions by evolving into segment-swapped monomers, Prague Protein Spring Meeting 2014, 2014
Abrusan G, Yant SR, Szilagyi A, Marsh JA, Mates L, Izsvak Zs, Barabas O, Ivics Z: Structural determinants of Sleeping Beauty transposase activity, Molecular Therapy, 24(8), 1369-77., 2016
Szilagyi A, Gyorffy D, Zavodszky P: Segment swapping aided the evolution of enzyme function: The case of uroporphyrinogen III synthase., Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 85(1), 46-53., 2017
Gyimesi G, Zavodszky P, Szilagyi A: Calculation of configurational entropy differences from conformational ensembles using Gaussian mixtures, Journal of Chemical Theory and Computation, 13(1), 29-41., 2017




 

Events of the project

  
2017-05-12 09:12:13
Résztvevők változása
2015-09-14 11:01:21
Résztvevők változása
2013-11-22 13:16:23
Résztvevők változása



Back »