Analysis of hydrogen peroxide signaling in mammalian cells using novel molecular tools  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
106138
Type K
Principal investigator Geiszt, Miklós
Title in Hungarian A hidrogén peroxid jelátvitelben betöltött szerepének vizsgálata új molekuláris módszerek segítségével
Title in English Analysis of hydrogen peroxide signaling in mammalian cells using novel molecular tools
Keywords in Hungarian hidrogén peroxid, növekedési faktor, NADPH oxidáz, jelátvitel, mitokondrium
Keywords in English hydrogen peroxide, growth factor, NADPH oxidase, signaling, mitochondria
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Dept. of Physiology (Semmelweis University)
Participants Kovács, István
Lányi, Árpád
Petheo, Gábor
Sirokmány, Gábor
Timár, Csaba István
Zana, Melinda
Starting date 2013-01-01
Closing date 2017-06-30
Funding (in million HUF) 38.208
FTE (full time equivalent) 9.13
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Évek óta ismert, hogy a reaktív oxigén származékok (ROS) fontos szerepet játszanak az immunvédekezésben. A közelmúltban számos más folyamatban (hormon bioszintézis, oxigén érzékelés, megtermékenyítés és az értónus szabályozása) is fény derült a ROS szerepére. A ROS közé számos különböző vegyület tartozik, azonban úgy tűnik, hogy a hidrogén peroxidnak kitüntetett szerepe van a ROS között. A pályázat keretében a H2O2 jelátvitelben játszott szerepét szeretnénk tanulmányozni új molekuláris módszerek segítségével. A közelmúltban kifejlesztettünk fehérje-alapú H2O2 szenzorokat, amelyekkel meg tudjuk mérni a H2O2 szint változásait különböző szubcelluláris helyszíneken. A pályázat keretében azt is vizsgálni szeretnénk, hogy milyen funkciói vannak a különböző intracelluláris kompartmentekben termelődő H2O2-nak.

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.
Kutatásaink során a hidrogén peroxid jelátvitelben játszott szerepének megértéséhez szeretnénk közelebb kerülni.
A közelmúltban olyan hidrogén peroxid szenzorokat fejlesztettünk ki, amelyek lehetővé teszik a sejten belüli H2O2 szint helyspecifikus mérését. A H2O2-érzékeny szondák segítségével a következőket szeretnénk vizsgálni:
1. A receptor tirozin-kináz agonisták hatására létrejövő H2O2 szignál sejten belüli szerveződése.
2. A mitokondriális H2O2 termelés különböző metabolikus körülmények között.
3. A Nox4 eredetű H2O2 termelés intracelluláris szerveződése.

A H2O2 hely-specifikus funkcióinak feltérképezését irányított kataláz expresszió segítségével szeretnénk megvalósítani.

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 reaktív oxigén származékok (ROS), köztük a H2O2 számos fontos funkcióval rendelkeznek az élő szervezetekben. E funkciók megértését nagymértékben akadályozza, hogy nem rendelkezünk megfelelő eszközökkel a sejten belüli H2O2 szint mérésére. Előkísérleteink során sikerült olyan FRET elven működő szondákat kifejlesztenünk, amelyek érzékenyen jelzik a H2O2 koncentráció változásait és megfelelő irányító szekvenciák segítségével különböző sejtalkotókban is expresszálhatók. E szondák használatával közelebb kerülhetünk a H2O2 sejten belüli hatásainak megértéséhez. A ROS túlzott termelése és termelésének hiánya egyaránt szerepet játszhat betegségek kialakulásában. A pályázat keretében tervezett kísérleteink olyan alapkutatási eredményekhez vezethetnek,
amelyek segíthetik a ROS, betegségek kialakulásában játszott szerepének megértését.

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 jelátviteli folyamatai során a különböző környezeti hatások sejtválaszokat hoznak létre. Egyre több betegségről derül ki, hogy a jelátviteli folyamatok megváltozása szerepet játszik a kialakulásukban. A jelátviteli folyamatok jellemzője, hogy kis molekulák vagy ionok intracelluláris koncentrációjának megváltozása
közvetíti az adott hormon vagy ingerületátvivő anyag hatásait. A jelátviteli folyamatok fluoreszcens festékek segítségével történő mérése forradalmasította ezt a kutatási területet. Számos kísérleti adat utal arra, hogy a H2O2 fontos szerepet játszik a jelátviteli folyamatokban, azonban a megfelelő mérési technikák híján igen keveset tudunk a H2O2 sejten belüli eloszlásáról. Jelen pályázat célja, hogy a közelmúltban laboratóriumunkban kifejlesztett mérési módszer segítségével láthatóvá tegyük és elemezzük a sejten belül kialakuló H2O2 szignálokat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Reactive oxygen species (ROS) have been connected to innate immune defense for many years. Lately their function in several other processes such as hormone biosynthesis, oxygen sensing, vasoregulation, fertilization or oxygen sensing has been revealed as well. Several chemically distinct molecules belong to ROS, however H2O2 has recently emerged as a particularly important molecule with signaling and effector functions. We plan to study the role of hydrogen peroxide in signaling, using novel molecular tools. We have recently developed protein-based H2O2 sensors that can measure the H2O2 level at different subcellular locations. We also plan to study the functions of H2O2 signals at different intracellular sites.

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 would like to get a better understanding of the role of H2O2 in cellular signaling. Recently we have developed H2O2 sensor proteins that are suitable for the measurement of H2O2 levels at various intracellular locations. The specific aims of the current proposal are:
1. To study the intracellular organization of H2O2 signals evoked by receptor tyrosine kinase (RTK) agonists.
2. To study changes in mitochondrial H2O2 production under different metabolic conditions.
3. To study the intracellular organization of NADPH oxidase 4 (Nox4) generated H2O2 signals.

To study the site-specific roles of H2O2 we will target catalase to different cellular sites.

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.
Raective oxygen species (ROS) including H2O2 have several important functions in living organisms. The lack of measurement tools for intracellular H2O2 is a great obstacle to the proper study of ROS functions. In preliminary experiments we have developed novel FRET-based proteins sensors that can be targeted to various intracellular organelles and are sensitive to changes of intracellular H2O2 concentration. Using these probes we might get a better understanding of the intracellular effects of H2O2. Both overproduction and insufficient production of ROS are connected to disease pathogenesis. The proposed experiments may yield results that will help us to elucidate the role of ROS in the development of diseases.

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.
During signal transduction an environmental stimulus to the cell is converted into a cellular response. The role of altered signal transduction in the development of several diseases is being increasingly recognized. During signal transduction small molecules or ions called second messengers help to organize the specific cellular response. For example changes in the intracellular calcium concentration mediate the effect of several hormones or neurotransmitters on their target cells. Visualization of cellular signaling with the help of fluorescent dyes and microscope revolutionized signal transduction research. Recent data suggest that hydrogen peroxide (H2O2) is also an important signaling molecule, however due to the lack of appropriate
measurement techniques we know little about the subcellular organization of H2O2 signals. The goal of the current proposal is to visualize and analyze H2O2 signals in mammalian cells using novel molecular tools that we have developed recently in our laboratory.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Munkánk során a hidrogén peroxid jelátviteli hatásait vizsgáltuk emlős sejtekben, új molekuláris biológiai módszerekkel. Több évvel ezelőtt megfigyelték azt a jelenséget, hogy az epidermális növekedési faktor (EGF) hatására, keratinocita eredetű sejtvonalakban hidrogén peroxid (H2O2) termelődik. A H2O2-termelés enzimatikus háttere azonban ismeretlen volt. Kutatásaink során megállapítottuk, hogy keratinocita eredetű sejtvonalakban, az EGF hatására termelődő H2O2 forrása a Duox1 enzim. Azt is kimutattuk, hogy a Duox1 enzim aktiválódása az EGF-el kiváltott kalcium szignál hatására jön létre. A sejtekben EGF hatására keletkező H2O2 szignál peroxiredoxin és tioredoxin fehérjék oxidálását hozta létre. Eredményeink arra utalnak, hogy a Duox1-et expresszáló sejtvoanalakban az agonisták hatására kialakuló kalcium jel redox szignállá alakulhat. További kísérleteinkben a Nox4 enzim intracelluláris lokalizációját és működési mechanizmusát vizsgáltuk. Kimutattuk, hogy a Nox4 együttműködik a p22phox fehérjével, amely elengedhetetlen a Nox4 stabilitásához. Azt is megállapítottuk, hogy a Nox4-p22phox az endoplazmatikus retikulum (ER) membránjában olyan orientációban található, hogy az enzimkomplex ROS termelése a sejtalkotó lumene felé történik. Eredményeink arra utalnak, hogy a Nox4 működése hozzájárul az ER komplex redox környezetének kialakulásához.
Results in English
In our work, we investigated the signaling effects of hydrogen peroxide in mammalian cells by new molecular biological tools. Several years ago, it was observed that hydrogen peroxide (H2O2) production is stimulated by the epidermal growth factor (EGF) in keratinocyte-derived cell lines. However, the enzymatic background of H2O2 production was unknown. In our research, we found that the source of H2O2 in EGF-treated cell lines is the Duox1 enzyme. It has also been shown that activation of the Duox1 enzyme is triggered by the EGF-induced calcium response. The H2O2 signal generated by cells induced the oxidation of peroxiredoxin and thioredoxin proteins. Our results suggest that in Duox1-expressing cell lines the calcium signal elicited by agonists is transformed into a redox signal. In our further experiments, the intracellular localization and the mechanism of action of the Nox4 enzyme were investigated. We have shown that Nox4 co-operates with the p22phox protein, which is essential for the stability of Nox4. It has also been found that Nox4-p22phox is in the membrane of the endoplasmic reticulum (ER) in an orientation that the enzyme produces ROS into the lumen of the organelle. Our results suggest that the activity of Nox4 contributes to the formation of the redox environment of the ER.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=106138
Decision
Yes





 

List of publications

  
Booth DM, Enyedi B, Geiszt M, Várnai P, Hajnóczky G.: Redox Nanodomains Are Induced by and Control Calcium Signaling at the ER-Mitochondrial Interface., Molecular Cell, 2016
Donkó A, Moranda S, Korzeniowska A, Boudreaua HE, Zanab M, Hunyady L, Geiszt M, Leto TL: Hypothyroidism-associated missense mutation impairs NADPH oxidase activity and intracellular trafficking of Duox2, FREE RADICAL BIOLOGY AND MEDICINE, 2014
Péterfi Z, Tóth ZE, Kovács HA, Lázár E, Sum A, Donkó Á, Sirokmány G, Shah AM, Geiszt M: Peroxidasin-like protein: A novel peroxidase homologue in the human heart, CARDIOVASCULAR RESEARCH, 2014
Péterfi Z, Geiszt M: Peroxidasins: novel players in tissue genesis, TRENDS IN BIOCHEMICAL SCIENCES, 2014
Kovacs I, Horvath M, Kovacs T, Somogyi K, Tretter L, Geiszt M, Petheo GL: Comparison of proton channel, phagocyte oxidase, and respiratory burst levels between human eosinophil and neutrophil granulocytes., FREE RADICAL RESEARCH, 2014
Kovacs I, Horvath M, Lanyi A, Petheo GL, Geiszt M: Reactive oxygen species-mediated bacterial killing by B lymphocytes., J LEUKOCYTE BIOL 97: (6) 1133-1137, 2015
Lázár E, Péterfi Z, Sirokmány G, Kovács HA, Klement E, Medzihradszky KF, Geiszt M: Structure-function analysis of peroxidasin provides insight into the mechanism of collagen IV crosslinking, FREE RADICAL BIO MED 83: 273-282, 2015
Booth DM, Enyedi B, Geiszt M, Várnai P, Hajnóczky G: Redox Nanodomains Are Induced by and Control Calcium Signaling at the ER-Mitochondrial Interface, Molecular Cell, 2016
Sirokmány G, Donkó Á, Geiszt M: Nox/Duox family of NADPH oxidases: lessons from knockout mouse models, Trends. Pharmacol. Sci., 2016
Sirokmány G, Pató A, Zana M, Donkó Á, Bíró A, Nagy P, Geiszt M: Epidermal growth factor-induced hydrogen peroxide production is mediated by dual oxidase 1, Free Radical Biology and Medicine, 2016
Kovacs I, Horvath M, Lanyi A, Petheo GL, Geiszt M: Reactive oxygen species-mediated bacterial killing by B lymphocytes., J LEUKOCYTE BIOL 97: (6) 1133-1137, 2015
Lázár E, Péterfi Z, Sirokmány G, Kovács HA, Klement E, Medzihradszky KF, Geiszt M: Structure-function analysis of peroxidasin provides insight into the mechanism of collagen IV crosslinking, FREE RADICAL BIO MED 83: 273-282, 2015
Margittai É , Enyedi B , Csala M , Geiszt M , Bánhegyi G: Composition of the redox environment of the endoplasmic reticulum and sources of hydrogen peroxide, Free Radical Biology and Medicine, 2015
Sirokmány G, Pató A, Zana M, Donkó Á, Bíró A, Nagy P, Geiszt M: Epidermal growth factor-induced hydrogen peroxide production is mediated by dual oxidase 1, Free Radical Biology and Medicine, 2016
Sirokmány G, Donkó Á, Geiszt M: Nox/Duox family of NADPH oxidases: lessons from knockout mouse models, Trends. Pharmacol. Sci., 2016
Zana Melinda, Enyedi Balázs, Geiszt Miklós: AZ ENDOPLAZMÁS RETIKULUM OXIDATÍV KÖRNYEZETÉNEK VIZSGÁLATA PERMEBILIZÁLT SEJTEKEN, A Magyar Élettani Társaság LXXVII. Vándorgyűlése, 2013, 2013
Lázár Enikő, Benis Gréta, Péterfi Zalán, Klement Éva, Medzihradszky Katalin, Geiszt Miklós: AZ EMLŐS PEROXIDAZIN SZERKEZET-FUNKCIÓ VIZSGÁLATA, A Magyar Élettani Társaság LXXVII. Vándorgyűlése, 2013, 2013
Sirokmány Gábor, Pató Anna, Geiszt Miklós: DUOX1 AKTIVITÁS VIZSGÁLATA EPIDERMÁLIS SEJTEKEN, A Magyar Élettani Társaság LXXVII. Vándorgyűlése, 2013, 2013
Péterfi Z, Tóth ZE, Kovács HA, Lázár E, Sum A, Donkó Á, Sirokmány G, Shah AM, Geiszt M: Peroxidasin-like protein: A novel peroxidase homologue in the human heart, CARDIOVASCULAR RESEARCH, 2014
Donkó A, Moranda S, Korzeniowska A, Boudreaua HE, Zanab M, Hunyady L, Geiszt M, Leto TL: Hypothyroidism-associated missense mutation impairs NADPH oxidase activity and intracellular trafficking of Duox2, FREE RADICAL BIOLOGY AND MEDICINE, 2014
Kovacs I, Horvath M, Kovacs T, Somogyi K, Tretter L, Geiszt M, Petheo GL: Comparison of proton channel, phagocyte oxidase, and respiratory burst levels between human eosinophil and neutrophil granulocytes., FREE RADICAL RESEARCH, 2014
Péterfi Z, Geiszt M: Peroxidasins: novel players in tissue genesis, TRENDS IN BIOCHEMICAL SCIENCES, 2014




 

Events of the project

  
2017-01-04 09:52:15
Résztvevők változása



Back »