Mechanism of nucleocytoplasmic trafficking of myosin phosphatase targeting subunit and its significance in the regulation of distinct cellular processes  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
111715
Type PD
Principal investigator Kiss, Andrea
Title in Hungarian A miozin foszfatáz regulátor alegység nukleocitoplazmatikus transzportjának mechanizmusa és szerepe különböző sejtfolyamatok szabályozásában
Title in English Mechanism of nucleocytoplasmic trafficking of myosin phosphatase targeting subunit and its significance in the regulation of distinct cellular processes
Keywords in Hungarian protein foszfatáz-1, miozin foszfatáz, protein kináz és foszfatáz inhibitorok/aktiválószerek, nukleocitoplazmatikus transzport, sejtproliferáció, sejtdifferenciáció, retinoblasztóma fehérje, merlin
Keywords in English protein phosphatase-1, myosin phosphatase, protein kinase and phosphatase inhibitors/activators, nucleocytoplasmic transport, cell proliferation, cell differentiation, retinoblastoma protein, merlin
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent Department of Medical Chemistry (University of Debrecen)
Starting date 2014-09-01
Closing date 2019-08-31
Funding (in million HUF) 9.000
FTE (full time equivalent) 2.39
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Citoszkeletális és sejtmagi fehérjék defoszforilációja, aktivitásuk/szubcelluláris lokalizációjuk szabályozása révén a miozin foszfatáz változatos szerepet tölt be a sejtfolyamatok regulációjában. MYPT1 regulátor alegységének sejtorganellumok közötti vándorlása fontos tényező lehet a miozin foszfatáz szubsztrátfehérjék defoszforlációjának szabályozásában, azonban a MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzportjának mechanizmusát mindeddig nem vizsgálták. Ennek megfelelően kutatásunk fő célkitűzései a következők:
1. A MYPT1 regulátor alegység nukleocitoplazmatikus transzportmechanizmusának feltárása a szubcelluláris lokalizációt befolyásoló foszforilációs helyek, valamint a reverzibilis foszforilációért felelős kinázok és foszfatázok azonosítása révén.
2. A MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzlokáció szerepének vizsgálata a sejtproliferáció, apoptózis és sejtdifferenciáció szabályozásában kulcsszerepet betöltő fehérjék lokalizációjának és aktivitásának regulációjában.
3. A PP1cδ-MYPT1 komplexet szelektíven disszociáló membránpermeábilis peptid szintézise és alkalmazása a miozin foszfatáz által szabályozott sejtfolyamatok intakt sejtekben történő vizsgálatára.
Eredményeink új lehetőségeket tárhatnak fel a miozin foszfatáz által defoszforilálható jelátviteli molekulák befolyásolására: (a) a MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzportját irányító kinázok és foszfatázok aktivátorai/inhibitorai lokalizációját befolyásolva szabályozhatják a miozin foszfatáz szubsztrátjainak foszforilációs szintjét; (b) a miozin foszfatázt szelektíven disszociáló peptid alkalmazása alternatív módszert biztosíthat a miozin foszfatáz jelátviteli szerepének vizsgálatára.

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 miozin foszfatáz regulátor alegység (MYPT1) szubcelluláris eloszlása fontos szabályozó tényező a miozin foszfatáz sejtmagi és citoplazmában található szubsztrátfehérjéinek defoszforilációjában. Az eltérő lokalizációjú szubsztrátmolekulákkal történő asszociáció a MYPT1 sejtorganellumok közötti dinamikus és szabályozott vándorlását igényli. Irodalmi adatok és előzetes eredményeink alapján a MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzlokációja foszforiláció által szabályozódik, amely vélhetően a holoenzim disszociációját eredményezi, azonban a mechanizmus részletei nem ismertek. Kutatásaink során az alábbi fő kérdésekre keressük a válaszokat:
1. Milyen mechanizmus szabályozza a MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzportját? Mely foszforilációs helyek határozzák meg a MYPT1 szubcelluláris lokalizációt, és melyek a reverzibilis foszforilációért felelős kinázok és foszfatázok?
2. A MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzlokációja hogyan befolyásolja a miozin foszfatáz sejtmagi és citoplazmatikus szubsztrátfehérjéinek foszforilációs szintjét, szubcelluláris lokalizációjukat, valamint aktivitásukat az általuk szabályozott sejtfolyamatokban?
A kérdések megválaszolására változatos metodikájú kísérletek elvégzését tervezzük. A kísérletek eredményei hozzájárulhatnak a miozin foszfatáz széleskörű jelátviteli szerepének mélyebb megértéséhez.

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 miozin foszfatáz a sejt csaknem valamennyi szubcelluláris frakciójában megtalálható és számos sejtfolyamat (sejtproliferáció, apoptózis, sejtdifferenciáció) szabályozásában vesz részt az e folyamatokban kulcsszerepet betöltő fehérjék defoszforilációja révén. A miozin foszfatáz protein foszfatáz-1 katalitikus alegységből (PP1cδ) és a hozzá kapcsolódó miozin foszfatáz regulátor alegységből (MYPT1) épül fel, amely fontos szerepet játszik a holoenzim sejten belüli célrairányításában és a szubsztrátmolekulával történő kölcsönhatás kialakításában. Jelentősége ellenére a MYPT1 szubcelluláris eloszlását irányító mechanizmus részletei nem ismertek. Mindezek alapján célul tűztük ki, hogy meghatározzuk a MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzportjának mechanizmusát, azonosítsuk a transzlokációt kiváltó foszforilációs hely(ek)et és a reverzibilis módosítást katalizáló protein kinázokat és foszfatázokat, valamint tanulmányozzuk a transzlokáció következtében a miozin foszfatáz szubsztrátjainak foszforilációs szintjében, aktivitásukban és az általuk szabályozott jelátviteli folyamatokban bekövetkező változásokat. Ezen kívül olyan membránpermeábilis peptid előállítását tervezzük, amely a PP1cδ-MYPT1 holoenzim szelektív disszociációja révén lehetővé teheti a miozin foszfatáz szerepének specifikus vizsgálatát intakt sejtekben. Kísérleteink eredményei hozzájárulhatnak a miozin foszfatáz sejtfolyamatokban betöltött szerepének részletesebb megismeréséhez, és új lehetőségeket tárhatnak fel a miozin foszfatáz által defoszforilálható jelátviteli molekulák farmakológiai befolyásolására.

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 pályázat során a miozin foszfatáz nevű enzim vizsgálatát tervezzük, amely fontos funkciót tölt be számos sejtfolyamat szabályozásában azáltal, hogy reverzibilis módosítások révén képes más fehérjék aktivitását befolyásolni. Az általa regulált fehérjék a sejtek életképességét, a sejthalál és túlélés egyensúlyát szabályozzák, amelyek felborulása tumoros elváltozások kialakulásához vagy a kemoterápiás szerekkel szembeni rezisztenciához vezethet. Ezek a célfehérjék a sejten belül különböző sejtszervecskékben helyezkednek el, így a miozin foszfatáz vándorlása szükséges a velük való kölcsönhatások kialakításához. Célkitűzésünk, hogy feltárjuk a miozin foszfatáz sejten belüli vándorlását meghatározó mechanizmusokat, és megvizsgáljuk ezek jelentőségét a sejt életében döntő szerepet játszó folyamatok szabályozásában. Kísérleteink eredményei hozzájárulhatnak, új terápiás célokra is alkalmazható gátlószerek kifejlesztéséhez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Myosin phosphatase (MP) - composed of protein phosphatase-1 catalytic subunit (PP1cδ) and a regulatory subunit termed MYPT1 – has been shown to be implicated in the mediation of many signaling processes via dephosphorylating key regulatory proteins at distinct subcellular locations. The activity of MP on these substrates might be regulated by translocation of MYPT1 between different cellular compartments upon specific signals, however, the mechanism that governs the intracellular trafficking is poorly understood. In light of this the major goals of the proposal are:
1. Uncovering the mechanism of nucleocytoplasmic trafficking of MYPT1 regarding the phosphorylation site(s) and the interconverting kinase(s) and phosphatase(s) that mediate its cellular localization.
2. Studying the role of MYPT1 translocation in the regulation of diverse cellular processes such as proliferation, apoptosis and cell differentiation, by mediating the cellular location and activity of key players via MP-dependent dephosphorylation or as a binding partner.
3. Development of novel cell-permeable peptide that specifically disrupts PP1cδ-MYPT1 interaction, and can be applied as selective chemical tool to study the functions of MP in intact cells.
The results of the above projects may provide novel tools to mediate the phosphorylation level of nuclear as well as cytoplasmic substrates of MP by two means: (a) modulating the subcellular localization of MYPT1 using inhibitors or activators of the respective kinases and phosphatases that control its nucleocytoplasmic trafficking; (b) disruption of subunit interaction with cell-permeable peptide that alters the intracellular signaling regulated by MP.

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.
Our preliminary results and data from the literature show that myosin phosphatase (MP) has diverse functions at different cellular locations, which requires a dynamic MYPT1 that can actively translocate in and out of the nucleus in a regulated manner. Shuttling of MYPT1 appears to be dependent on its phosphorylation, and may require its dissociation from PP1cδ, however, the details of this mechanism are still obscure. Distribution of MP between the nucleus and cytoplasm may be an important determinant of the phosphorylation level of its nuclear as well as cytoplasmic substrates.
The present proposal pursues two major questions:
1. What is the mechanism of nucleocytoplasmic trafficking of MYPT1 regarding the phosphorylation site(s) and the interconverting kinase(s) and phosphatase(s) that mediate its subcellular localization and the subunit interaction of MP?
2. How does the intracellular trafficking of MYPT1 affect the phosphorylation and/or the subcellular localization of the nuclear as well as cytoplasmic substrates and interacting partners of MP?
These questions are raised based on the results of our preliminary experiments and the application of a wide variety of methodologies are planned to answer them. The results of the study may contribute to the better understanding of the diverse signaling of MP.

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.
Myosin phosphatase (MP) plays an important role in the regulation of many cellular processes (cell proliferation, apoptosis, survival, cell differentiation, etc.) via dephosphorylating key regulatory proteins acting in the cytoplasm as well as in the nucleus. MP is composed of a protein phosphatase-1 (PP1cδ) catalytic subunit which is associated with a regulatory protein termed myosin phosphatase targeting subunit (MYPT1), which directs MP to specific substrates at distinct cellular locations. However, the mechanism that mediates the distribution of MYPT1 inside the cell is largely unknown. Therefore, our aims are to reveal the major phosphorylation events (including the kinases and the phosphatases responsible for the reversible modification) that drive the subcellular trafficking of MYPT1 and then to determine its impact on the phosphorylation and activity of MP’s substrates and the alteration of the related signaling pathways. Our experiments also involve development and use of cell-permeable peptid that specifically disrupt PP1cδ-MYPT1 interaction facilitating the selective modulation MP’s signaling in living cells. The results of our studies can contribute to the better understanding of the diverse cellular functions of MP, and may provide novel therapeutic tool for the pharmacological modulation of distinct cellular processes.

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.
In this proposal we investigate myosin phosphatase, an enzyme that has important functions in many cellular processes since it is able to modulate the activity of other proteins and thereby regulate their functions. It acts on proteins that are involved in the regulation of cell viability, cell death or survival, which may implicate myosin phosphatase in cancer development and drug resistance. These target proteins are found in different organelles of the cells, thus myosin phosphatase must wander between these cellular locations to interact with them. Our aims are to uncover the mechanism underlying the trafficking of myosin phosphatase between different cellular compartments and to investigate its role in the regulation of important cellular events deciding cell fate. The data gained may contribute to the development of novel therapeutic drugs.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A miozin foszfatáz (MP) a sejt csaknem valamennyi szubcelluláris frakciójában megtalálható és számos sejtfolyamat (sejtproliferáció, apoptózis, sejtdifferenciáció) szabályozásában vesz részt az e folyamatokban kulcsszerepet betöltő fehérjék defoszforilációja révén. A MP protein foszfatáz-1 katalitikus alegységből (PP1cδ) és miozin foszfatáz regulátor alegységből (MYPT1) épül fel, amely fontos szerepet játszik a holoenzim sejten belüli célrairányításában és a szubsztrátmolekulával történő kölcsönhatás kialakításában. Jelentősége ellenére a MYPT1 szubcelluláris eloszlását irányító mechanizmus részletei nem ismertek. A pályázat legfőbb eredményei az alábbiak: Új foszforilációs helyként azonosítottuk a MYPT1 Ser20 oldalláncát, amely a sejtmagi lokalizációs szignál, valamint a PP1c-kötőhely közelsége miatt befolyásolhatja a MYPT1 nukleocitoplazmatikus transzportjának mechanizmusát. Kimutattuk, hogy a MYPT1-Ser20 foszforilációs állapota nem befolyásolja a MYPT1 és a PP1cδ kölcsönhatását. Megerősítettük, hogy a Chk1 kináz képes a MYPT1-Ser20 oldalláncot foszforilálni. A Chk1 gátlása csökkenti, de nem akadályozza meg a MYPT1 nukleocitoplazmatikus exportját, jelezve, hogy a Ser20 oldallánc foszforilációja nem játszik kizárólagos szerepet e folyamat szabályozásában. Makrofág differenciáció során a MYPT1 a sejtmagból a citoplazmába vándorol, míg a MP aktiválása a differenciáció gátlását eredményezi, ami a MP szabályozó szerepére utal a sejtdifferenciáció szabályozásában.
Results in English
Myosin phosphatase (MP) plays important role in the regulation of many cellular processes, such as contractility, cell cycle, mitosis, and gene expression regulation via dephosphorylating key regulatory proteins acting in the cytoplasm and in the nucleus. MP is composed of a protein phosphatase-1 (PP1cδ) catalytic subunit associated with a regulatory protein termed myosin phosphatase targeting subunit 1 (MYPT1), which directs MP to specific substrates at distinct cellular compartments. Subcellular localization of MYPT1 appears to be dependent on its phosphorylation, however, the details of this mechanism are largely unknown. The major results of the research project are as follows: We identified Ser20 as a novel phosphorylation site of MYPT1, which is close to both the nuclear localization signal and the PP1c binding motif of MYPT1, therefore, it could modulate its nucleocytoplasmic trafficking. We have demonstrated that binding of MYPT1 to PP1cδ is independent of MYPT1-Ser20 phosphorylation. We have confirmed that check point kinase 1 (Chk1) can phosphorylate MYPT1-Ser20. Inhibition of Chk1 blocks only partially the nucleocytoplasmic translocation of MYPT1, suggesting that phosphorylation of Ser20 might not be the exclusive regulator of this process. MYPT1 translocates form the nucleus to the cytoplasm during macrophage differentiation, while the activation of MP attenuates the macrophage phenotype, suggesting a crucial role of MP in cell differentiation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=111715
Decision
Yes





 

List of publications

  
Dedinszki D, Kiss A, Márkász L, Márton A, Tóth E, Székely L, Erdődi F: Inhibition of protein phosphatase-1 and -2A decreases the chemosensitivity of leukemic cells to chemotherapeutic drugs, CELL SIGNAL 27: 363-372, 2015
Dedinszki D, Sipos A, Kiss A, Bátori R, Kónya Z, Virág L, Erdődi F, Lontay B: Protein phosphatase-1 is involved in the maintenance of normal homeostasis and in UVA irradiation-induced pathological alterations in HaCaT cells and in mouse skin, BBA-MOL BASIS DIS 1852: (1) 22-33, 2015
Emese Tóth, Ferenc Erdődi, Andrea Kiss: Activation of myosin phosphatase sensitizes cancer cells to chemotherapeutic drugs, Europhosphatase 2019: From Molecular Mechanisms to System-wide Responses, Debrecen, Hungary, 11-16 June 2019, 2019
Emese Tóth, Ferenc Erdődi and Andrea Kiss: Activation of myosin phosphatase increases the chemosensitivity of leukemic cells, Book of abstracts - FEBS3+ conference, 2018
Andrea Kiss, Emese Tóth and Ferenc Erdődi: Phosphorylation of Ser20 residue might be involved in the regulation of nucleocytoplasmic trafficking of myosin phosphatase target subunit 1, Europhosphatase 2017: Phosphatases in cell fates and decisions. Paris, France, 23 – 28 July 2017, 2017
Kiss A, Erdődi F, Lontay B: Myosin phosphatase: unexpected functions of a long-known enzyme, BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-MOLECULAR CELL RESEARCH 1866: (1) pp. 2-15., 2019
Kónya Zoltán, Bécsi Bálint, Kiss Andrea, Horváth Dániel, Raics Maria, Kover Katalin E., Lontay Beáta, Erdődi Ferenc: Inhibition of protein phosphatase-1 and-2A by ellagitannins: structure-inhibitory potency relationships and influences on cellular systems, JOURNAL OF ENZYME INHIBITION AND MEDICINAL CHEMISTRY 34: (1) pp. 500-509., 2019
Czifra G, Szöllősi A, Nagy Zs, Boros M, Juhász I, Kiss A, Erdődi F, Szabó T, Kovács I, Török M, Kovács L, Blumberg PM, Bíró T: Protein kinase Cδ promotes proliferation and induces malignant transformation in skeletal muscle, JOURNAL OF CELLULAR AND MOLECULAR MEDICINE 19: (2) pp. 396-407., 2015
Bécsi B, Kiss A, Erdődi F: Interaction of protein phosphatase inhibitors with membrane lipids assessed by surface plasmon resonance based binding technique., CHEMISTRY AND PHYSICS OF LIPIDS 183: pp. 68-76., 2014
Andrea Kiss, Ferenc Erdodi: Role of phosphorylation in the regulation of nuclear transport of myosin phosphatase targeting subunit, Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, Debrecen, 2014, 2014
Dedinszki D, Kiss A, Márkász L, Márton A, Tóth E, Székely L, Erdődi F: Inhibition of protein phosphatase-1 and -2A decreases the chemosensitivity of leukemic cells to chemotherapeutic drugs, CELL SIGNAL 27: 363-372, 2015
Andrea Kiss, Emese Tóth and Ferenc Erdődi: Phosphorylation of Ser20 residue might be involved in the regulation of nucleocytoplasmic trafficking of myosin phosphatase target subunit 1, Europhosphatase 2017: Phosphatases in cell fates and decisions. Paris, France, 23 – 28 July 2017., 2017
Horvath D, Sipos A, Major E, Konya Z, Batori R, Dedinszki D, Szollosi A, Tamas I, Ivan J, Kiss A, Erdodi F, Lontay B: Myosin phosphatase accelerates cutaneous wound healing by regulating migration and differentiation of epidermal keratinocytes via Akt signaling pathway in human and murine skin., BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1864: pp. 3268-3280., 2018
Kiss A, Erdődi F, Lontay B: Myosin phosphatase: unexpected functions of a long-known enzyme, BBA-MOL CELL RES &: p. &., 2018
Kónya Z, Bécsi B, Kiss A, Tamás I, Lontay B, Szilágyi L, Kövér KE, Erdődi F: Aralkyl selenoglycosides and related selenosugars in acetylated form activate protein phosphatase-1 and -2A, BIOORGAN MED CHEM 26: (8) pp. 1875-1884., 2018



Back »