General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
80 %
Ortelius classification: Enzimology
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)
10 %
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Department of Biochemistry and Molecular Biology (University of Debrecen)
Participants
Demény, Máté Ágoston Miskei, Márton
Starting date
2012-09-01
Closing date
2016-08-31
Funding (in million HUF)
23.114
FTE (full time equivalent)
3.93
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 vírusfehérjék egyedi szerkezeti és biofizikai sajátosságai teszik lehetővé, hogy alkalmazkodjanak nagyon szélsőséges körülményekhez és gazdaszervezetekhez. A vírusfehérjék termostabilitását és a mutációkkal szembeni kivételes toleranciáját a rendezetlen fehérje-szakaszok gyakori előfordulásával hozták összefüggésbe. A rendezetlen fehérjék, illetve fehérje régiók a globuláris fehérjékkel ellentétben nem rendelkeznek kitüntetett harmadlagos térszerkezettel. A rendezetlen fehérje-szakaszok gyakran tartalmaznak rövid kötő motívumokat, melyek fehérje-fehérje köcsönhatásokat közvetítenek. A vírusokban ezek a kötő motívumok gyakran hasonlítanak a gazdaszervezet által használt motívumokra ("motívum mimikri") és így alkalmasak arra, hogy a gazdaszervezet szabályozó rendszerét átprogamozzák. A vírusfehérjék komplexei a vírusfehérjékhez hasonlóan sajátos szerkezeti tulajdonságokkal rendelkeznek. A Measles, Nipah és Hendra vírusok nukleo- (N) és a foszfoproteinjének (P) komplexe például nagy konformációs szabadsággal rendelkezik, és megőrzi a szabad állapotban megfigyelhető rendezetlenséget. Ezt a jelenséget "bolyhosságnak" (fuzziness) nevezzük. A vírusokban megfigyelt szerkezeti sokféleséget (bolyhosságot) a genetikai állomány kompaktságával és a funckionális sokféleséggel hozták kapcsolatba. Annak molekuláris szintű magyarázata azonban, hogy a vírusfehérjék szerkezeti sokfélesége hogyan vált ki sokféle biológiai hatást nem ismert.
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. Ez a projekt funkcionális, szerkezeti és evolúciós okait kutatja vírusfehérjék komplexei szerkezeti sokféleségének (bolyhosságának). Sonia Longhi-val (AFMB, CNRS, Marseilles) együttműködésben a következő kérdésekre keressük a választ. i) A Measles, Nipah és Hendra vírusok nukleoprotein-foszfoprotein komplexeinek, azok szerkezeti sokféleségének és kötődési mechanizmusainak jellemzése. ii) Olyan Nipah és Hendra vírus konstrukciók tervezése, melyek különböző bolyhosságot mutatnak (komplexben) és ezek kötődési affinitásának mérése. iii) Annak tanulmányozása, hogy kismolekulás inhibitorok hogyan kötődnek a Nipah és Hendra vírusok N terminális rendezetlen részéhez és hoyg befolyásolják annak flexibilitását, szerkezeti sokféleségét. iv) Gazdaszervezet motívumait utánzó vírusfehérjék szerkezeti jellemzése, különös tekintettel a motívum környezetére. Bolyhos víruskomplexek szabályozó mechanizmusainak vizsgálata. Ezeket a kérdéseket kombinált számításos és kísérleti módszerekkel tervezzük megvizsgálni és megválaszolni. A számítógépes munkák a Debreceni egyetemen az én kutatócsoportomban történnek, míg a kísérletek (konstrukciók előállítása, inhibitor szűrés) Snia Longhi laboratóriumában. Ehhez járul hozzá Martin Blackledge, (IBS, Grenoble) aki a heterogén konformációs sokaságok NMR módszerekkel történő jellemzésének szakértője.
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! Ez az együttműködés betekintést nyújt a vírusfehérjék működésének molekuláris alapjaiba és megmutatja, hogy a konformációs sokféleség hogyan segíti a funkcionális sokféleséget. A projekt eredményei várhatóan új utakat nyitnak meg olyan vírusellenes gyógyszerek kifejlesztéséhez, melyek specifikus kötő-motívumokon, vagy ezeket tartalmazó rendezetlen fehérjeszakaszokon hatnak.
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. Vírusellenes gyógyszerek kifejlesztéséhez ismernünk kell, hogy a vírusfehérjék hogyan működnek. Kísérleti adatok arra utalnak, hogy a vírusfehérjék nagy része egy új fehérje-osztályba, a rendezetlen fehérjék osztályába tartozik. Ezen a fehérjék működése nem értelmezhető a klasszikus szerkezet-funkció összefüggéssel, és új koncepció kidolgozását teszi szükségessé. A vírusfehérjék komplexei szerkezetileg szintén sokfélék; ún. bolyhos komplexeket képeznek. Ideális modellrendszerként szolgálnak tehát egy új szerkezet-funkció paradigma kidolgozásához. Ebben a projektben a Hendra és Nipah vírusok komplexinek inhibitorait keressük, melyek megakadályozzák ezen vírusok replikációját és gyógyszer-jelöltekként is használhatóak. Ezek az eredmények utat nyitnak a rendezetlen fehérjeszakaszokon alapuló gyógyszertervezés irányába.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Unique structural, biophysical features of viral proteins enable their adaptability to extreme environments and diverse hosts. The thermostability and exceptional tolerance to mutations of viral proteins has been related to the abundance of intrinsically disordered (ID) regions, which are loosely packed and lack a well-defined tertiary structure. ID regions embed short binding motifs, which impart ease and flexibility on protein-protein interactions. Such short motifs often mimic the binding sites of the host, and are exploited to reprogram its regulatory system. So as viral proteins themselves, their complexes also exhibit unique structural characteristics. Complexes of the nucleoprotein (N) and phosphoprotein (P) from Nipah, Hendra and Measles viruses for example, show a large degree of conformational heterogeneity; i.e. they maintain the ID state even in their bound forms. This general phenomenon was recently defined as fuzziness. In viruses fuzziness has been proposed to reside in pleiotropy and genetic compaction. The molecular principles of how structural ambiguity facilitates multiple biological effects of viral protein complexes however, remain to be elaborated.
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. This project aims to investigate the functional, structural and evolutionary reasons of fuzziness in viral complexes. In collaboration with Sonia Longhi (AFMB, CNRS, Marseilles) we will address the following problems. i) Description of the conformational ensemble and binding mechanisms in the nucleoprotein-phosphoprotein complexes in Measles, Nipah and Hendra viruses. ii) Designing NTAIL constructs in Nipah and Hendra viruses with varying degree of fuzziness and test their binding efficiency. iii) Studying how small-molecule/inhibitors bind to NTAILs of the nucleoproteins of the Nipah and Hendra viruses and how they impact fuzziness. iv) Studying other motif-mimetic viral proteins and characterize structural features of the flanking regions. Probing potential regulatory pathways involving viral proteins with fuzzy regions. All these problems will be addressed by combining computational approaches in my lab and experimental methods (biochemical, screening) in the group of Sonia Longhi. Our efforts will be complemented by state-of-the-art NMR techniques by Martin Blackledge (IBS, Grenoble).
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. This synergistic approach will provide insights how viral complexes functions and how fuzziness contributes to functional diversity. The results are expected to open new avenues towards designing antiviral drugs, via targeting specific binding motifs or perturbing structural features of their embedding environments.
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. Development of antiviral drugs requires understanding of how viral proteins work. Based on bold experimental evidence, these proteins belong to the class of intrinsically disordered (ID) proteins, represent a novel concept in protein structure-function relationships. Complexes of viral proteins are structurally ambiguous, termed as fuzzy. Hence the investigation of viral protein complexes helps to develop a novel framework for protein structure-function relationships. We will search for inhibitors of Hendra and Nipah viruses, which block their replication and which can be used as drug candidates. This work opens new avenues towards ID based drug design.
Final report
Results in Hungarian
A projekt a vírusfehérjék komplexeinek elmosódott (bolyhos, fuzzy) szerkezetét és ennek funkcionális, valamint evolúciós vonatkozásait vizsgálta. Kísérleti és bioinformatikai módszerek segítségével sikerült a Measles vírus bolyhos NTAIL működését és ennek molekuláris mechanizmusait felderíteni, valamint a Hendra és Nipah vírusok hasonló régiójára a modellt kiterjeszteni. A bolyhosságra gyakorolt szelekciós nyomást in silico evolúciós szimulációkkal vizsgáltuk. Különböző mértékben elmosódott szerkezetű Measles NTAIL variánsokat terveztünk és ezek kölcsönhatásait kísérletileg vizsgáltuk. Létrehoztunk egy bolyhos komplex adatbázist (FuzDB, protdyn-database.org), és jellemeztük a vírusfehérjék bolyhos részeinek kötődési mechanizmusait a kísérleti adatok alapján.
Nagyskálájú bioinformatikai tanulmányokat folytattunk a vírus és a gazdaszervezetek kölcsönható fehérjemotívumait összehasonlítására. Megállapítottuk, hogy az elmosódottság kritikus eleme a vírusmotívumok hatékonyságának. Elemeztük a Mediátor vírusokkal kölcsönható régióit és potenciális gyógyszercélpontokat azonosítottunk. A víruskapszidok kialakulásának értelmezésére, összehasonlító elméleti munkát végeztünk az önszervező folyamatok mechanizmusainak, szabályozásának értelmezésére. A feltárt alapvető összefüggéseket a Cell folyóiratban közöltük.
Results in English
The project aimed at investigating the functional, structural and evolutionary reasons of fuzziness in viral complexes. Using experimental and computational techniques, we provided detailed insights into the biological roles and molecular mechanisms of the Measles virus nucleoprotein NTAIL and compared it to the homologous NTAIL segments of Hendra and Nipah viruses. We performed in silico evolution experiments to probe the selection pressure on the fuzziness of NTAIL. We designed Measles NTAIL variants with varying degree of fuzziness and probed their binding properties in vitro. We assembled an experimental database of fuzzy complexes, including various viral assemblies and characterized their binding mechanisms, focusing on the roles of the fuzzy regions.
We also carried out large-scale bioinformatic studies on viral motifs and compared the properties of virus-host and host-host protein interactions. We found that fuzziness is a key feature in viral protein interactions. We also studied the viral motif interaction elements in the Mediator, and identified druggable sites. Finally, to understand the regulation of viral capsid formation, we analyzed higher-order assemblies and laid down fundamental principles for self-organization of biological matter and pointed out the role of fuzziness (publication in Cell).
van der Lee R, Buljan M, Lang B, Weatheritt RJ, Daughdrill GW, Dunker AK, Fuxreiter M, Gough J, Gsponer J, Jones DT, Kim PM, Kriwacki RW, Oldfield CJ, Pappu RV, Tompa P, Uversky VN, Wright PE, Babu MM: Classification of Intrinsically Disordered Regions and Proteins., CHEM REV 114: (13) 6589-6631, 2014
