 |
Transmembrane electron transfer as background for the biological activity of cytochrome b561 proteins
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
108697 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Zimányi, László |
| Title in Hungarian |
Transzmembrán elektrontranszfer, mint a citokróm b561 fehérjék biológiai aktivitásának alapja |
| Title in English |
Transmembrane electron transfer as background for the biological activity of cytochrome b561 proteins |
| Keywords in Hungarian |
citokróm, hem, elektrontranszfer, transzmembrán, aszkorbát, spektroszkópia, pontmutáns, tumor szuppresszió |
| Keywords in English |
cytochrome, heme, electron transfer, transmembrane, ascorbate, spectroscopy, point mutant, tumor suppression |
| Discipline |
| Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Ortelius classification: Molecular biophysics | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Molecular biology | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Biochemistry |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Bagyinka, Csaba
Bérczi, Alajos
Kóta, Zoltán
Rákhely, Gábor
Szalontai, Balázs
Szegletes, Zsolt
Tóth, András
|
| Starting date |
2013-09-01 |
| Closing date |
2018-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
37.270 |
| FTE (full time equivalent) |
10.42 |
| 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 aszkorbát, a sejtek redox szabályozásának egyik legfontosabb eleme egyben elektronforrás a két hemet tartalmazó és transzmembrán elektrontranszfert végző citokróm b561 (CYB561) fehérjék számára is. A CYB561-ek mind növényekben, mind állatokban gyakoriak, és a legkülönfélébb szervekben és sejtekben fordulnak elő. Részt vesznek a neurotranszmitterek szintézisében, a transzmembrán vasfelvétel előtti vas(III)-redukcióban, és egyes CYB561-ek a daganatok továbbfejlődésének megállításában. Célunk a CYB561 fehérjék biofizikai, biokémiai, szerkezeti és funkcionális tulajdonságainak meghatározása, különös tekintettel a daganatgátló fehérjékre. Meghatározzuk a 2 hem redoxpotenciálját, kölcsönhatását, a hemkötő helyek paramétereit, a fehérjék és az azokat redukáló anyagok kölcsönhatását, a redukció molekulán belüli lefolyását, élesztőben kifejezett rekombináns fehérjék segítségével. Megvizsgáljuk, hogyan reagál a fehérjék szerkezete a velük kölcsönhatásba lépő redukáló anyagokra és a redukciót követő elektronmozgásokra. Pontmutációk segítségével meghatározzuk egyes erősen konzervált aminosavak szerepét a fehérjék működésében (az aszkorbát és/vagy vas metabolizmusban) és a daganatfejlődést gátló hatásukban. Különböző spektroszkópiai módszerekkel (UV-VIS, EPR, RR, CD, IR) kapott adatok alapján, modellezés útján megalkotunk egy térszerkezeti molekulamodellt. Megpróbáljuk meghatározni a fehérjék Röntgen-diffrakciós szerkezetét is. A CYB561-ek szerkezetére kapott információk segítségével kiszámítjuk a molekulán belüli elektronmozgás lehetséges útvonalát, és rámutatunk a fehérje „anyagának”, ill. egyes konzervált aminosavaknak a szerepére a transzmembrán elektrontranszport folyamatában.
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.
Alig tudunk többet a daganatfejlődést gátló, két hemet tartalmazó fehérjékről, mint hogy szekvencia-hasonlóság alapján a CYB561 fehérjecsalád tagjai. A jelen elképzelés szerint, ami a fehérjék közötti hasonlóságon alapul, ezek a fehérjék is részt vesznek a sejteken belüli aszkorbát és/vagy vas metabolizmusban. Ezen elképzelés megerősítése vagy módosítása céljából a következő kérdésekre igyekszünk választ kapni: (1) Milyen biofizikai, biokémiai és szerkezeti tulajdonságok (hem kötés, szubsztrát specificitás és kötés, hemek közötti kölcsönhatás, a hemek és a szubsztrátkötő helyek kölcsönhatása, az elektronmozgás iránya a redoxpotenciál változásának irányához képest) jellemzik a CYB561 fehérjéket, különös tekintettel a TSCytb és a Cyb561d1 fehérjékre? (2) Mi a szerepe néhány erősen konzervált aminosav oldalláncnak a CYB561 fehérjék szerkezeti stabilitásában és funkciójában (szubsztrát specificitás, redox aktivitás)? (3) Milyen kapcsolat állapítható meg a biofizikai paraméterek és a daganatfejlődést gátló hatás között, és ezek hogyan viszonyulnak a többi, már részben jellemzett CYB561 fehérje tulajdonságaihoz és funkcióihoz? (4) Mi a kapcsolat ezen fehérjék transzmembrán elektrontranszfer aktivitása, az aszkorbát és/vagy vas metabolizmusban játszott szerepe, és daganatfejlődést gátló hatása között? (5) Hogyan magyarázza a CYB561 molekulákra kapott nagy- (remélhetőleg atomi) felbontású szerkezet a transzmembrán elektrontranszport funkciót, hogyan reagálnak ezek a fehérjeszerkezetek a szubsztráttal való kölcsönhatásra (konformáció-változás), a hem(ek) redukciójára/oxidációjára?
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!
Az ismert CYB561 fehérjék száma folyamatosan növekszik, és a sejteken belüli redox folyamatokban játszott szerepük miatt ezek a fehérjék egyre érdekesebbek és fontosabbak. Minél többet megtudunk róluk, annál többet fogunk megtudni az aszkorbát- és/vagy vas-metabolizmusról, nevezetesen az aszkorbátnak a redox szabályozásban, a neurotranszmitter szintézisben, a vas-felvételben, és a daganatfejlődést gátló hatásban játszott szerepéről. Részletes információt fog szolgáltatni a kutatásunk a CYB561 fehérjék fizikai-kémiai tulajdonságairól, különös tekintettel azokra a hasonlóságokra és különbségekre, amelyek fennállhatnak sejtek redox homeosztázisában betöltött, ismert szerepű CYB561-ek és az újabban felfedezett, általunk is vizsgálni kívánt, daganatfejlődést gátló fehérjék között. A kapott eredmények tovább szélesítik ismereteinket ezen két hemet tartalmazó transzmembrán fehérjék elektrontranszfer aktivitásáról, valamint a fehérjeszerkezetnek az optimális elektrontranszfer útvonalat meghatározó szerepéről. Új kutatási irányt nyitunk meg a CYB561 fehérjék tanulmányozásában, amennyiben vizsgáljuk az elektrondonor és hem, a két hem, és az elektronakceptor és hem közötti elektronmozgás kinetikáját (hasonlóan a korábban citokróm c-vel végzett kutatásunkhoz). Ezek a munkák eddig nem ismert új információkat szolgáltatnak majd a fehérjemátrix szerepéről a molekulán belüli irányított elektronmozgásokban. Elsőként szándékozunk megmutatni a kapcsolatot, amennyiben van ilyen, ezen fehérjék és a bennük lévő hemek redukció hatására bekövetkező konformációváltozása és a fehérjék funkciója között. Optimális esetben az eddig ismeretlen nagyfelbontású szerkezetét is meghatározzuk néhány CYB561 fehérjének. Eredményeink közvetve más kutatási irányokra is hathatnak, illetve alapvető információt szolgáltathatnak a (növényi, állati, humán) CYB561 kutatásban. Az egér és humán szekvenciák közötti nagyon nagy (>90%) hasonlóság miatt a daganatfejlődést gátló bármely CYB561 fehérjére kapott ismeretek új perspektívát nyithatnak a rákkutatásban, az orvostudományban, vagy a gyógyszerkutatásban.
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 C-vitamin (aszkorbinsav) nélkülözhetetlen az állatok és emberek számára; létfontosságú molekula a sejteken belüli redox folyamatok szabályozásában. Az aszkorbinsav szolgáltat elektronokat a citokróm b561 (CYB561) fehérjecsalád tagjai számára is. Ilyen membránon átnyúló fehérje járul hozzá az ingerületátviteli folyamatokban szerepet játszó molekulák szintéziséhez vagy a vas felvételhez. Egyes CYB561 fehérjék szerepet játszanak a daganatfejlődés aszkorbinsav-függő gátlásában is. Ezen fehérjék megismerése és tanulmányozása tehát igen fontos a mindennapi életünk szempontjából. Célunk a CYB561 fehérjék biofizikai, biokémiai, szerkezeti és funkcionális jellemzése, különös tekintettel a legkevésbé ismert, daganatfejlődést gátló fehérjékre. Modern vizsgálati módszerek alkalmazásával a kutatásunk végére összehasonlítjuk ezen daganatfejlődést gátló fehérjék számos tulajdonságát a már ismert, más CYB561 fehérjék tulajdonságaival, és rámutatunk a hasonlóságokra és különbségekre. Genetikai módosítási technikák segítségével megvizsgáljuk egyes fontos pozícióban levő aminosavak szerepét a fehérje működésében. Molekula-modellezés segítségével rámutatunk a fehérjék szerkezet-funkció kapcsolatára. Modellezzük a fehérjén belüli elektronmozgást és vizsgáljuk a fehérjemátrix szerepét az elektronmozgás folyamatában. Megpróbáljuk elsőként meghatározni egyes CYB561 fehérjék nagyfelbontású szerkezetét Röntgen-krisztallográfiás módszerrel. Eredményeinkről beszámolunk nemzetközi és hazai konferenciákon, valamint rangos nemzetközi tudományos folyóiratokban.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Ascorbate, an essential component of the redox homeostasis of cells, is the principal electron donor to a family of di-heme membrane proteins, cytochromes b561 (CYB561s), catalyzing trans-membrane electron transport. CYB561s occur in a wide range of animal and plant phyla, in a variety of organs and cell types. They participate in ascorbate regeneration during neurotransmitter synthesis, in the reduction of Fe3+ to enable iron uptake, and some recently discovered family members possess tumor suppressor activity. Our goal is the biophysical, biochemical, structural and functional characterization of CYB561s, with particular emphasis on the putative tumor suppressor proteins. We will determine the redox potential of the hemes, their interactions, physical properties of the heme pockets, potential interaction between substrate binding sites, ligand specificities and binding site properties of the recombinant versions of these proteins purified from yeast cells. We will study how the protein conformation responds to substrate binding and reduction/oxidation of the hemes. Mutating conserved amino acids will enable to determine the correlation (if any) between the tumor suppressor and the redox activities (participation in ascorbate and/or iron metabolism). We will predict the structure of the proteins by molecular modelling, based on spectroscopic data (UV-VIS, EPR, RR, CD). We will try to determine their X-ray crystal structure. Based on the available structural information we will calculate the potential electron transfer pathways, in order to learn how the protein matrix and perhaps individual conserved amino acids may facilitate the trans-membrane electron transfer.
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 hardly know more about these tumor suppressor proteins than what is based on sequence homology, namely, that they belong to the CYB561 protein family. The main hypothesis, derived from analogy is that these proteins also participate in the ascorbate and iron metabolism of cells. In order to test this and elucidate the details, the project will attempt to answer the following research questions: (1) What biophysical, biochemical and structural properties (e.g. heme binding, substrate specificity and binding, interaction between the two hemes and between the substrate binding sites and the hemes, direction of electron transfer versus the redox potential gradient) characterize the CYB561 proteins and, in particular, the TSCytb and Cyb561d1 proteins? (2) What is the role of some highly conserved amino acid residues in the structure (integrity) and function (substrate specificity, redox activity) of CYB561s? (3) What connection can be inferred between the (bio)physical parameters and the tumor suppressor activity, how are the properties of the tumor suppressor proteins related to the characteristics of other members, with already known function, of this protein family? (4) What is the relationship between the trans-membrane electron transfer activity of these proteins, their putative anti-cancer activity, and the ascorbate and/or iron metabolisms? (5) How does the high (potentially atomic) resolution structure of CYB561s support their trans-membrane electron transfer function and how does the conformation of these proteins respond to substrate binding, to reduction and oxidation of the hemes?
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 number of known CYB561 proteins is continuously growing, and their diverse functions in cell redox metabolism as well as widespread appearance make them increasingly interesting. The more we know of these proteins the more we will know of the ascorbate and/or iron metabolism and the role of ascorbate in cellular processes, particularly in the redox regulation, in neurotransmitter synthesis and, potentially, also in tumor suppression. The research program will yield detailed, comparative information about the physico-chemical properties of members of the CYB561 protein family, with special emphasis on the similarities and differences between those proteins with known function in the redox homeostasis of cells, and those with (the putative) tumor suppressor function. The expected results will also widen our knowledge about the electron transfer activity of these di-heme trans-membrane proteins, and on the effect of the protein structure on optimal directional electron transfer. We plan to open a new research direction in the cytochrome b561 field by measuring the kinetics of electron transfer between the electron donor, the two hemes and the electron acceptor, based on our experience in the kinetic spectroscopy of electron transfer reactions in other cytochromes. These studies will yield hitherto unavailable information on the role of the protein matrix and its organization in directional electron transfer in these proteins. We intend to be the first in demonstrating whether or not conformational changes of the protein and the hemes upon reduction and electron transfer contribute to the protein function. In optimal case we will also obtain the hitherto unavailable atomic resolution structure of some of the CYB561 proteins. Our results will indirectly stimulate the research with or provide basic information for all (plant, animal, human) CYB561s. Because of the very high (>90%) sequence homology between the mouse and human proteins, the new knowledge about any tumor suppressor CYB561 might open new perspectives for cancer research, medicine and drug chemistry as well.
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.
Vitamin c (ascorbic acid) is an essential nutrient for humans and animals, an important molecule in the control of the reduction/oxidation state of animal and plant cells. Ascorbic acid is the reducing agent for members of the cytochrome b561 (CYB561) protein family, too, whose function as electron transporters across various biological membranes is important in neurotransmitter synthesis or iron uptake. Certain CYB561s show ascorbic acid dependent tumor suppressor activity, which makes this protein family even more interesting and important to investigate. Our goal is the biophysical, biochemical, structural and functional characterization of CYB561s, with particular emphasis on the least characterized putative tumor suppressor proteins. By the end of this project, and by employing numerous up-to-date techniques and protocols we will have compared various properties of these proteins, show how much they are different from better known members of the protein family. Using genetic engineering techniques, we will replace crucial amino acid building blocks of CYB561s by amino acids with altered properties, to determine their role in the function of these proteins. We will establish structure-function relationships in these proteins by modelling their structure with appropriate computer programs. We will also model the route of the transported electrons inside the proteins, and determine how the protein matrix is designed for electron transfer. We will also attempt to be the first to determine the structure of any CYB561 experimentally by X-ray crystallography. We will present our results at international and domestic conferences and publish them in scientific journals.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Bérczi, A., Zimányi, L.: The trans-membrane cytochrome b561 proteins: structural information and biological function, Curr. Protein Pept. Sci, 2014 | | Deák, Á., Sebők, D., Csapó, E., Bérczi, A., Dékány, I., Zimányi, L., Janovák, L.: Evaluation of pH- responsive poly(styrene-co-maleic acid) copolymer nanoparticles for the encapsulation and pH- dependent release of ketoprofen model drug, European Polymer Journal (submitted for publication), 2019 | | Bérczi, A., Péter, M., Deák, Á., Balogh, G.E., Janovák, L., Kincses, A., Zimányi, L.: Styrene Maleic Acid Copolymers versus Dodecyl-beta-D-Maltoside in Solubilizing Integral Membrane Proteins; Why or Why not the One or Another?, Biochim. Biophys. Acta - Biomembranes (submitted for publication), 2019 | | Gyevi-Nagy, L., Lantos, E., Gehér-Herczegh, T., Tóth, Á., Bagyinka, C., and Horváth, D.: Reaction fronts of the autocatalytic hydrogenase reaction, J. Chem. Phys., 2018 | | Zimányi, L., Fábián, L., Bérczi, A.: The structural basis for the electron transfer function of cytochrome b561 proteins, Biochim. Biophys. Acta, 2014 | | Zimányi, L., Fábián, L., Bérczi, A.: Homology modeling of cytochrome b561 proteins: structural basis for substrate binding and the transmembrane electron transfer., Book of abstracts, Regional Biophysics Conference, Smolenice, Slovakia, 2014 | | Zimányi, L., Bérczi, A.: The structural basis for the electron transfer function of cytochrome b561 proteins, Proceedings of the Molecular Machinery COST Conference, Visegrád, Hungary, 2014 | | Bérczi, A., Laskay, K., Zimányi, L.: Structure-function relations in cytochrome b561 proteins, Eur. Biophys. J., 2015 | | Zimányi, L., Laskay, K., Márton, Zs., Bérczi, A.: Structure-function relationships across the cytochrome b561 protein family, abstract book, lecture at the Romanian Biophysical Conference, Temesvár, 2015 | | Márton, Zs., Laskay, K., Bérczi, A., Zimányi, L., Rákhely, G., Tóth, A.: Properties of a heterologously expressed putative tumor suppressor cytochrome b561 protein with various affinity tags placed at different locations, abstract book, poster at the Romanian Biophysical Conference, Temesvár, 2015 | | Laskay, K., Bérczi, A., Zimányi, L.: Szerkezet-funkció összefüggések citokróm b561 fehérjékben, 45. Sümegi Membrán-Transzport Konferencia, 2015 | | Laskay, K., Bérczi, A., Zimányi, L.: Szerkezet-funkció összefüggések citokróm b561 fehérjékben, Magyar Biofizikai Társaság 25. kongresszusa, 2015 | | Márton, Z., Laskay, K., Bérczi, A., Tóth, A., Rákhely, G., Zimányi, L.: Expression and spectral analysis of recombinant cytochrome-b561 proteins, Book of abstracts, Regional Biophysics Conference, Trieste, Italy, 2016 | | Laskay, K., Márton, Z., Bérczi, A., Tóth, A., Rákhely, G., Zimányi, L.: Rekombináns citokróm-b561 fehérjék spektrális analízise, 46. Sümegi Membrán Transzport Konferencia, 2016 | | Bérczi, A., Laskay, K., Márton, Z., Tóth, A., Rákhely, G., Zimányi, L.: Alfa-tokoferol és egyik analógjának kölcsönhatása citokróm-b561 fehérjékkel, 46. Sümegi Membrán Transzport Konferencia, 2016 | | Bérczi, A., Domokos, R., Deák, Á., Szegletes, Z., Janovák, L., Dékány, I. Zimányi, L.: Solubilization of trans-membrane proteins by styrene-maleic acid (SMA) copolymers, Book of abstracts, 19th IUPAB and 11th EBSA Congress, Edinburgh, 2017 | | Bérczi, A., Domokos, R., Deák, Á., Szegletes, Z., Janovák, L., Dékányi, I., Zimányi, L.: Sztirol-maleinsav (SMA) kopolimerek mint biomembránt szolubilizáló detergensek, A Magyar Biofizikai Társaság XXVI. Kongresszusa, ISBN 978-963-12-9447-7, 2017 | | Leitgeb, B., Bérczi, A., Zimányi, L.: Citokróm b561 fehérjék és szubsztrátjaik közötti kölcsönhatások vizsgálata elméleti módszerekkel, A Magyar Biofizikai Társaság XXVI. Kongresszusa, ISBN 978-963-12-9447-7, 2017 | | Leitgeb, B., Bérczi, A., Zimányi, L.: Citokróm b561 fehérjék és szubsztrátjaik közötti kölcsönhatások vizsgálata elméleti módszerekkel, A Magyar Biofizikai Társaság XXVI. Kongresszusa, ISBN 978-963-12-9447-7, 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
