General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Ortelius classification: Biochemistry
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences)
Participants
Bányai, László Buday, László Kerekes, Krisztina Kudlik, Gyöngyi Péter, Ilona Szláma, György Tóvári, József Trexler, Mária Vásárhelyi, Viktor
Starting date
2013-09-01
Closing date
2017-08-31
Funding (in million HUF)
44.000
FTE (full time equivalent)
10.62
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Néhány éve a human genom bioinformatikai elemzésével két, egymással nagyfokú hasonlóságot mutató fehérjét azonosítottunk. A WFIKKN1 és WFIKKN2 fehérjék doménszerkezete azonos és molekuláris kölcsönhatásaik kialakításában is nagyon hasonlóan viselkednek: mindkét fehérje köti a TGFβ növekedési faktor család több tagját és hatékony inhibitora a miosztatin/GDF8-nak és GDF11-nek, de biológiai funkciójuk még nem ismert. Kutatásunk egyik fő célja a WFIKKN1 és WFIKKN2 fehérjéknek az embrionális fejlődésben és a felnőtt állatokban játszott szerepének tisztázása. Ezért meghatározzuk a WFIKKN1 és WFIKKN2 fehérjék nagyfelbontású expressziós mintázatát embrionális és felnőtt egér szövetekben. Az expressziós mintázat összevetése a TGFβ növekedési faktorok expressziójával fényt deríthet a fehérjék szerepére a különböző fejlődési stádiumokban és az egyes szövetekben. Korábbi eredményeink alapján feltételezzük, hogy a WFIKKN fehérjék nemcsak az érett GDF8 és GDF11 növekedési faktorokkal kialakított kölcsönhatásuk révén szabályozzák aktivitásukat, hanem szerepet játszhatnak a GDF8/GDF11 aktiválási lépésekben is, így befolyásolhatják az érett növekedési faktorok mennyiségét. Munkánk során megvizsgáljuk a WFIKKN fehérjék hatását a növekedési faktor aktiválási folyamatokra. Tekintettel a WFIKKN fehérjék potenciális gyógyászati alkalmazására, célunk az antimiosztatikus aktivitásuk molekuláris alapjainak kiderítése. Megvizsgáljuk, hogy vad és izomvesztéssel járó betegségben – pl rákban – szenvedő állatok kezelése WFIKKN fehérjékkel megváltoztatja-e az állatok izomtömegét és izomerejét azért, hogy tisztázzuk a WFIKKN fehérjék terápiás célú alkalmazhatóságát.
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. Mi a biológiai funkciója a WFIKKN fehérjéknek? Feltételezésünk szerint a WFIKKN fehérjék részletes expressziós profiljának meghatározása embriókban és felnőtt egerekben, az expresszió összevetése a GDF8/GDF11 vagy más TGFβ családba tartozó növekedési faktor expressziójával elősegíti a fehérjék biológiai funkciójának kiderítését. Mi a WFIKKN fehérjék hatásának molekuláris mechanizmusa? Feltételezzük, hogy a WFIKKN fehérjéket alkotó domének többsége szerepet játszik valamilyen, a TGFβ családba tartozó növekedési faktor aktivitását szabályozó molekuláris kölcsönhatás kialakításában. Korábbi munkánkban kimutattuk, hogy a FS- és a NTR-domének részt vesznek az érett GDF8 és GDF11 növekedési faktorok, valamint a GDF8 prodomén kötésében. A WAP-, Ig- és Kunitz domének szerepét nem ismerjük. Feltételezésünk szerint, a WFIKKN fehérjék az aktív GDF8/GDF11 növekedési faktorok képződéséhez vezető proteolitikus folyamatok szabályozása révén is befolyásolják a növekedési faktorok aktivitását, ezért megvizsgáljuk a WFIKKN fehérjék és doménjeik hatását a növekedési faktor aktiválási folyamatokra. Növelik-e a WFIKKN fehérjék az egészséges, ill.izomvesztéssel járó betegségben pl. rákban szenvedő állatok izomzatát? In vitro kísérleteinkben bebizonyítottuk, hogy mindkét WFIKKN fehérje gátolja a miosztatin és GDF11 aktivitását. Ismert, hogy a WFIKKN2-t overexpresszáló állatok izomzata jelentősen megnő. Valószinűnek tartjuk, hogy a WFIKKN1 fehérje injektálása egészséges állatokba megnöveli az állatok izomtömegét, és feltételezzük, hogy betegség során bekövetkező izomvesztés is lassítható, megállítható vagy esetleg visszafordítható a WFIKKN1 és/vagy WFIKKN2 fehérje injektálásával.
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! Annak fényében, hogy a WFIKKN fehérjék a GDF8 és GDF11 hatékony inhibitorai és közepes affinitással több TGFβ családba tartozó növekedési faktort is kötnek, valószinű, hogy a WFIKKN fehérjék több, a TGFβ növekedési faktorok által szabályozott biológiai folyamatban is szerepet játszanak. A WFIKKN fehérjék expressziójának összehasonlítása a TGFβ növekedési faktorok expressziójával felnőtt és embrionális szövetekben fényt deríthet a fehérjék szerepére a különböző fejlődési stádiumokban és az egyes szövetekben. A WFIKKN fehérjék gyógyászati jelentősége antimiosztatikus aktivitásuk miatt kézenfekvő: a Duchenne izomdistrofia modelljének tekintett mdx egerekben a miosztatin aktivitásának gátlása az izomtömeg növekedését és a teljesítmény emelkedését okozta. Izomgyengeség és az izomtömeg csökkenése nemcsak a különböző izomdisztrófiák esetében fordul elő, hanem kísérő tünete gyakori krónikus betegségeknek, pl. vese elégtelenség, rák, AIDS, COPD és kisérője a normal öregedésnek is. A miosztatin gátlása - az izomnövekedés mellett – a zsírlerakódást csökkenti, így a miosztatin az elhízás elleni küzdelem célpontja is lehet. Gyógyászati jelentőségük miatt tisztázni kívánjuk a WFIKKN fehérjék antimiosztatikus és antiGDF11 aktivitásának szerkezeti alapjait és a fehérjék hatását normál és tumor okozta izomvesztésben szenvedő egerek izomzatára. Ezek a vizsgálatok nem csak a miosztatin és GDF11 szabályozására vonatkozó ismereteinket bővítik, hanem lényegesen hozzájárulhatnak új terápiás eljárások és gyógyszerek kifejlesztéséhez is.
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. Korábbi munkánkban a human genom bioinformatikai elemzésével azonosítottunk két, egymással közeli rokonságot mutató multidomén fehérjét, a WFIKKN1 és WFIKKN2 fehérjéket. Kimutattuk, hogy mindkét fehérje hatékonyan gátolja a miosztatin és GDF11 növekedési faktorok aktivitását. A miosztatin gátolja az izomnövekedést a GDF11 pedig a csontváz és idegrendszer fejlődésében játszik szerepet. Feltételezzük, hogy a két fehérje felhasználható olyan betegségek kezelésére ahol a miosztatin vagy a GDF11 aktvitásának gátlása kívánatos. Minthogy a miosztatin aktivitásának gátlása az izomtömeg és izomteljesítmény növekedését eredményezi várható, hogy a WFIKKN fehérjéket izombetegségek terápiájában hasznosítani lehet. Kutatásunk célja, hogy meghatározzuk a WFIKKN fehérjék expresszióját egészséges felnőtt és embrionális szövetekben, tisztázzuk a WFIKKN fehérjék antimiosztatikus és antiGDF11 aktivitásának szerkezeti alapjait és vizsgáljuk a fehérjék hatását normál és tumor okozta izomvesztésben szenvedő egereken. Ezek a vizsgálatok nem csak a miosztatin és GDF11 szabályozásra vonatkozó ismereteinket bővítik, hanem lényegesen hozzájárulhatnak új terápiás eljárások és gyógyszerek kifejlesztéséhez is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Previously, we have identified the genes of two closely related multidomain proteins in the human genome. WFIKKN1 and WFIKKN2 have identical domain architectures and participate in similar molecular interactions (in as much as they bind a similar spectrum of growth factors of the TGFβ family, are potent antagonists of myostatin/GDF8 and GDF11) but their biological functions have not yet been characterized. One of the goals of the project is to define the expression of WFIKKN proteins during embryonic development and in adult tissues. We expect that determination of a detailed expression profile of WFIKKN proteins in embryonic and adult tissues and its correlation with the expression of the growth factors of the TGFβ family will help define the biological functions of the WFIKKN proteins. We plan to study the effect of WFIKKN proteins on the muscles of normal and tumor bearing animals in order the explore their potential use in tumor therapy. Since we assume that WFIKKN proteins may control the action of growth factors not only as proteins binding mature GDF8 and GDF11 but also through the control of the pathways that lead from precursors to mature growth factors we will extend our studies on the influence of WFIKKN proteins on these growth factor activation pathways. In view of the possible use of WFIKKN proteins in the treatment of human diseases it is important to define the molecular basis of their highly specific antimyostatic activity.
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. What is the expression pattern of the WFIKKN proteins? Preliminary studies indicated that both WFIKKN genes are expressed in a wide variety of adult and fetal tissues, but their expressions are markedly different, suggesting, that despite the similarity of their molecular activity, they have distinct biological roles. We expect that a more detailed, high resolution expression pattern of WFIKKN1 and WFIKKN2 in embryonic and in adult tissues may help define the biological function of the proteins.
What is the molecular mechanism of the action of WFIKKN protein? We assume that the majority of the domains of WFIKKN proteins are involved in molecular interactions that control the activity of TGFβ family members. We have already assigned functions to their FS-domains, NTR-domains, but practically nothing is known about the roles of the WAP-, Ig- and Kunitz domains. Since we assume that WFIKKN proteins may control the action of growth factors not only as proteins binding mature GDF8 and GDF11 but also through the control of the growth factor activation pathway, we will extend our studies on the influence of WFIKKN proteins and their domains on various constituents of this pathway.
What is the pharmaceutical utility of WFIKKN proteins? Both WFIKKN proteins inhibit myostatin activity. Inhibition of myostatin improves muscle performance in mdx mice, the mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Skeletal muscle wasting accompanies chronic diseases like kidney failure, cancer, AIDS. In order to explore the utility of WFIKKN proteins in tumor-induced muscle wasting we will study the effect of WFIKKNs on muscle mass and performance in normal and tumor bearing animals.
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. In view of the fact that WFIKKN proteins are potent antagonists of myostatin and GDF11 and bind with moderate affinity additional members of the TGFβ growth factor family it seems very likely that WFIKKN proteins are involved in many biological processes controlled by these growth factors. The expression pattern of WFIKKN proteins and its correlation with the expression profile of TGFβ family growth factors will help clarify the biological role these proteins. Inhibition of myostatin activity enlarges muscle mass and increases muscle performance in mdx mice, the mouse model for Duchenne muscular dystrophy. Loss of muscle also occurs as a consequence of several chronic diseases (Cachexia) as well as normal aging (Sarcopenia). Inhibition of myostatin - in addition to excessive muscle growth - also decreases fat accumulation, therefore myostatin may also be a target protein in the fight against obesity. The fact that in vitro WFIKKN proteins have antimyostatic activity raises the possibility of their applications in therapy of muscle wasting diseases or obesity. In view of their possible medical-pharmaceutical significance it is important to elucidate the molecular basis of the antimyostatic and antiGDF11 activity of WFIKKN. These studies will not only expand our knowledge about the regulation of the activity of growth factors but are essential for the development of novel therapies.
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. Previously we have identified the genes of two closely related multidomain proteins in the human genome, WFIKKN1 and WFIKKN2. We have demonstrated that both proteins are potent inhibitors of myostatin and GDF11. Since myostatin regulates muscle growth and GDF11 regulates the development of the skeleton and neural tissues we assume that the WFIKKN proteins may have medical importance: they may be used in the treatment of human diseases where inhibition of myostatin or GDF11 is desirable. Since inhibition of myostatin enlarges muscle mass and increases muscle performance we expect that WFIKKN proteins might be used in therapies of muscle diseases. In the proposed project we will define the expression profile of WFIKKN proteins in embryonic and adult tissues and will elucidate the molecular basis of the antimyostatic and antiGDF11 activities of WFIKKN proteins. In order to explore the pharmaceutical potential of WFIKKN proteins we will also study their in vivo effect on muscle performance. These studies will not only expand our knowledge about the regulation of the activity of growth factors but are essential for the development of novel therapies.
Final report
Results in Hungarian
1. Kimutattuk, hogy a WFIKKN1 nincs hatással a promiosztatin furin által történő hasításának, a látens miosztatin képződésének sebességére. A látens miosztatin BMP1 által történő hasításának sebességét azonban jelentősen fokozta a WFIKKN1 és ez a hatás még kifejezettebb volt heparin jelenlétében. Kimutattuk, hogy a BMP1 a WFIKKN1 fehérjét is hasítja és az így keletkező heparin-kötő KKN1 fragmentum felelős elsősorban a BMP1 aktivitást fokozó hatásért. A KKN1 fragmentum BMP1 aktivitást fokozó hatásának az a legvalószínűbb magyarázata, hogy – a látens miosztatin prodoménjéhez kötődve – a látens miosztatin konformációs egyensúlyát a nyitott forma javára tolja el, így a BMP1 hasító helyek hozzáférhetőbbé válnak az enzim számára. Azt a megfigyelésünket, hogy a KKN1 fragmentum BMP1 aktivitást fokozó hatását jelentősen fokozza a heparin az magyarázza, hogy a kölcsönható partnerek (KKN1 fragmentum, látens miosztatin, BMP1) mindegyike kötődik a heparinhoz ezáltal a heparin elősegíti a multimolerkuláris komplex kialakulását..
2. Kimutattuk, hogy a promiosztatin K153R mutációja jelentősen fokozza a promiosztatin furin által történő hasításának, a látens miosztatin képződésének sebességét. A látens miosztatin képződésének megnövekedett sebessége, a megemelkedett miosztatin aktivitás magyarázatot ad arra, hogy a (bizonyos humán populációkban gyakori) K153R mutáció miért eredményez csökkent izomerőt, illetve obezitást.
Results in English
Our studies have revealed that
1. The rate of furin-mediated conversion of promyostatin to latent myostatin is not affected by the promyostatin-WFIKKN1 interaction. The rate of cleavage of latent myostatin by BMP1, however, is significantly enhanced in the presence of WFIKKN1 and this enhancer activity is superstimulated by heparin. We have shown that WFIKKN1 is also cleaved by BMP1, generating a heparin-binding KKN1 fragment that is primarily responsible for the BMP1 enhancer activity. The most plausible explanation for the BMP1-enhancer activity of the KKN1 fragment is that its interaction with the prodomain of latent myostatin shifts a conformational equilibrium from the closed structure of the homodimer to a more open form, making the cleavage sites more accessible to BMP1. Our observation that the enhancer activity of KKN1 is superstimulated in the presence of heparin is explained by the fact that KKN1, latent myostatin, and BMP1 all have affinity for heparin and these interactions with heparin increase the local concentrations of the reactants thereby facilitating the action of BMP1.
2. The K153R mutation of promyostatin significantly increases the rate of its proteolysis by furin. The increased rate of conversion of K153R mutant promyostatin to latent myostatin may explain why this polymorphism is associated with lower muscle strength in the human population.
