Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent
Dept. of Molecular Biology (Semmelweis University)
Starting date
2014-09-01
Closing date
2018-08-31
Funding (in million HUF)
8.970
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Eukarióta sejtek fehérjéinek közel egyharmada az endoplazmás retikulumban szintetizálódik és nyeri el végső térszerkezetét. Mind a lumen oxidatív környezete mind a magas kalcium koncentráció elengedhetetlen feltétele a sikeres fehérjehajtogatásnak. Ebben a tekintetben az ER belső környezete nagyban eltér a citoszól koncentrációviszonyaitól, amit az ER membrán alacsony permeabilitása biztosít. Nemrégiben többen leírták, hogy az intraluminális Ca2+-szint csökkenés reduktív irányba tolja el az ER redox egyensúlyát. Ennek a jelenségnek sem a molekuláris mechanizmusát, sem a fiziológiás jelentőségét nem ismerjük. A kutatás célkitűzései a következőek: 1. Meg kívánjuk vizsgálni, hogy egy specifikus vagy nem specifikus transzportfolyamat okozza-e a kalciumra deplécióra létrejövő ER lumen redukciót. 2. Szeretnénk tisztázni, hogy hogyan függ az ER membrán általános permeabilitása a kalcium gradienstől. 3. Tanulmányozni akarjuk a jelenség hátterében álló nem-specifikus transzporter természetét, ami lehet a korábban már ilyen funkcióban azonosított transzlokon peptidcsatorna, vagy egy eddig ismeretlen kalcium érzékeny pórus. 4. Mivel a kalciumnak és a redox környezetnek is fontos szerepe van fehérjehajtogatásban, célunk hogy megvizsgáljuk e kettő kapcsolatát az ER fehérjehomeosztázisában.
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 fehérjék szerkezetének helyes kialakítása leginkább két tényezőtől függ az ER lumenben, a redox egyensúlytól és a magas kalcium koncentrációtól. Nemrégiben megfigyelték, hogy calcium kiáramlás redukáló irányba tolja el a lumen redox állapotát, Ez a pályázat ennek a jelenségnek a molekuláris mechanizmusát és fiziológiás jelentőségét szeretné feltárni. A következő kérdésekre keressük a választ: - Citoszólikus faktorok befolyásolják-e a kalcium deplécióra bekövetkező redox eltolódást? Lehetséges-e, hogy egy transzportfolyamat áll a jelenség hátterében? - Ha igen, vajon ez egy specifikus transzporter vagy egy nem-szelektív pórus nyílása okozza? Van-e a transzlokon peptidcsatornának, vagy más kalcium érzékeny csatornának szerepe ebben a folyamatban? - Vajon a kalcium kiáramlás kizárólag a redox egyensúlyt változtatja meg, vagy az ER membrán általános permeabilitására hat? - Mi a szerepe a kalcium efflux hatására bekövetkező reduktív eltolódásnak az organellum fehérje homeosztázisában? Védelmet nyújthat-e oxidatív károsodásokkal szemben?
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 endoplazmás retikulum lumene nagyban eltér a citoszoltól. A legszembetűnőbb különbség a sokkal oxidatívabb környezet, a redukáló citoplazmához képest; és a több nagyságrenddel magasabb kalcium koncentráció. Mindkét körülmény elengedhetetlen az organellum megfelelő működéséhez, vagyis a szekréciós és membránfehérjék hajtogatásához. A redox vagy kalcium egyensúly megbomlása selejtes fehérjék felhalmozódásához vezet, és egy olyan szignál transzdukciós útvonalat indít el, ami sejthalált okozhat. Ha feltárjuk a két legfontosabb intraluminális faktor közötti kapcsolatot, megérthetjük, hogyan szabályozódik az ER homeosztázisa. Keveset tudunk az ER membránon keresztüli transzportfolyamatokról. Számos enzimreakció zajlik a lumenben, ami külömboző szubsztrát és termék molekulák transzportját igényelné a membránon keresztül. Ennek ellenére eddig csak nagyon kevés specifikus transzportert írtak le. Lehetséges, hogy az intraluminális folyamatok inkább nem specifikus transzpporterekre támaszkodnak, amire már egy jelöltet munkacsoportunk talált a transzlokon peptidcsatorna képében. Az is elképzelhető, hogy ezzel a kutatással találunk egy új, kalciumra érzékeny pórust az ER membránban. Az ER folding zavarát számos betegségben leírták, például neurodegeneratív betegségek, a cukorbetegség, egyes szolid tumorok. Tehát ha megértjük az organellum homesztázisának pontos szabályozását közelebb kerülhetünk e betegségek gyógyításához, új gyógyszeres támadáspontokat fedhetünk fel.
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. Az endoplazmás retikulum a citoplazmától membránhálózattal elválasztott sejtszervecske, minden magvas sejt alkotórésze. Itt folyik a szekrécióra és membránokba kerülő fehérjék szintézise és helyes térszerkezetük kialakítása. A szervecske belső környezete nagyban eltér a sejt többi részétől, ami elengedhetetlen a helyes működéshez. A legfontosabb eltérések a nagyságrendekkel magasabb a kalcium koncentráció és bizonyos elektronszállító molekulák sokkal oxidáltabb állapota. Az hogy mi a két tényező közti kapcsolat, és hogy ezt hogyan szabályozza a sejt máig megoldatlan kérdés. Ebben a kutatásban azt kívánjuk vizsgálni, hogy hogyan őrzi meg ezt az állapotot a sejt, ebben milyen membránon keresztüli transzportfolyamatok vesznek részt. Sok betegség hátterében kimutatták az endoplazmás retikulum belső egyensúlyának eltolódását pl.: neurodegeneratív betegségek, cukorbetegség, bizonyos tumorok. Ezzel a kutatással közelebb juthatunk ezen kórállapotok megértéséhez, és új terápiás lehetőségeket találhatunk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. In eukaryotic cells approximately one third of the cellular proteins are synthetized on the endoplasmic reticulum, and gain the final structure inside the lumen. For successful protein folding the oxidizing milieu and the high calcium concentration of the lumen are both indispensable. These factors greatly differ from the cytosolic milieu and maintained by the poorly permeable ER membrane. Recent findings showed that calcium release from the ER lumen has high impact on the luminal redox poise, since it changes the redox balance to a more reducing direction. The mechanism and importance of this finding is still unknown. The key goals of the proposal are the following: 1. We are going to work out if there is a specific or non-specific transport process involved in the reductive shift upon calcium depletion. 2. We will examine if the general permeability of the ER membrane changes in a calcium dependent way. 3. We try to determine the nature of the non-specific transporter involved in this phenomenon, which can be the translocon peptide channel or a so far unknown calcium sensitive pore. 3. Since both calcium and redox poise important for protein maturation, we will reveal how their interplay can affect the protein folding of the ER.
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. Appropriate protein folding in the ER critically depends on the luminal redox state, but also the availability of Ca²⁺. Recent observation showed that depletion of ER calcium resulted in a reductive shift in the luminal redox poise. This proposal will focus on revealing the underlying molecular mechanisms and the physiological significance of this phenomenon. We are going to answer the following questions in details: - How this reductive shift of the ER lumen depends on cytosolic factors? Is any transport processes play role in the background of this observation? - Is it due to selective transport processes or rather opening of a non-selective pore, like the translocon peptide channel or a so far undiscovered pore? - Whether calcium release from the ER affects only the luminal redox balance or it changes the general permeability of the membrane? - What is the role of calcium depletion caused redox change in protein homeostasis of the ER? Can it serve as a protective mechanism against oxidative stress?
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 lumen of the endoplasmic reticulum greatly differs from the cytosol. The most prominent difference is the highly oxidative environment compared with the reducing cytoplasm and the several magnitude higher calcium concentration. Both circumstances are needed for proper functioning of the organelle, namely the folding of secretory and membrane proteins. Any disturbance in redox or calcium balance leads to build-up of misfolded polypeptides, and activates a signal transduction pathway, which can lead to cell death. Revealing the relationship between the most important luminal factors will help us to understand how the cell regulates the function of this critical organelle. Little is known about the transport processes through the ER membrane. There are many reactions taking place in the lumen which would require the transmembrane cross of various substrate and product molecules, although only a few specific transporters were identified so far. It is possible that the intraluminal events rely on non-specific transport processes, for which our group already found a candidate in the translocon pore. We can reveal a new mechanism regulating the membrane permeability which depends on calcium gradient. It is possible that we find a new, so far undiscovered pore which opens sensitive to calcium. ER folding problems were found in the pathomechanism of several diseases like neurodegenerative diseases, diabetes, or solid tumors. Thus clarifying the detailed mechanism of maintenance of intraluminal balance, we can get closer the treatment of these syndromes and we will be able to find new therapeutic targets.
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. The endoplasmic reticulum is an important organelle in every eukaryotic organism, separated from the cytosol by a membrane network. One of its functions is the synthesis and forming of the right structure of secretory and membrane proteins. The lumen of the endoplasmic reticulum greatly differs from the cytosol. The most prominent differences are the highly oxidative environment compared with the reducing cytoplasm and the several magnitude higher calcium concentration. Both circumstances are needed for proper functioning of the organelle, however we do not know how these two factors can influence each other. In this research project we are going to analyze how this fine balance maintained in the ER, and we will try to find new transport processes take part in its regulation. ER folding problems were found in the pathomechanism of many diseases, therefore if we understand the detailed mechanism of regulating ER homeostais, we will be able to find new therapeutic targets.
.
Final report
Results in Hungarian
Kalcium kiáramlás az endoplazmás retikulum (ER) lumenéből redukáló irányba tolja el a lumen redox egyensúlyát. Ezen jelenség molekuláris mechanizmusának felderítése volt kutatásunk fő célja. Megfigyeltük, hogy glutation- szintézis gátlása, vagy a citoszól tartalmának kihígítása a sejtmembrán szelektív permeabilizálásával megakadályozták a redox eltolódást. A luminális glutation koncentráció is növekedett kalcium depléció hatására, tovább erősítve ezen elektronszállító szerepét. A korábbi feltételezésekkel ellentétben kalretikulin, egy kalciumkötő fehérje kiütése nem befolyásolta a vizsgált folyamatot. Ezzel szemben puromycin és ciklosporin A hatására ugyanazt a gyors, reduktív irányú változást tapasztaltuk, mint kalcium kiáramlás hatására. Puromycin a transzlokon peptidcsatorna nyílását okozza, így megvizsgáltuk a transzlokont alkotó Sec61 fehérje szerepét. Sec61 csendesítés nem befolyásolta a kalcium kiáramlás kiváltotta redox egyensúlyváltozást, viszont puromycin hatása magyarázható a transzlokon pórus kalciumszivárgásban leírt szerepével. A ciklosporin A indukálta glutation beáramlás calcineurin, ciklofilin A és B-től független módon, ismeretlen mechanizmus alapján történt. Megfigyeléseink szerint a kalciumfüggő redox eltolódás glutation beáramlás és nem az ER lumenben lokalizált oxidoreduktázok működésének a következménye. Eredményeink egy még ismeretlen, kalciumra és ciklosporin A-ra érzékeny glutation transzporter létezésére utalnak.
Results in English
Depletion of luminal Ca2+ from the ER provokes a rapid and reversible shift towards a more reducing poise, but the molecular basis for this shift is currently unclear. We found that the Ca2+ mobilization dependent reduction was sensitive to the inhibition of glutathione synthesis or the dilution of cytosolic glutathione by selective permeabilization of the plasma membrane. A glutathione-centered mechanism was further indicated by a sharp increase in ER-luminal glutathione levels that occurred concomitant to Ca2+ efflux. We also show that inducible reduction of the ER lumen by glutathione is independent of the Ca2+-binding chaperone calreticulin, which has previously been implicated in this process. However, opening the translocon channel by puromycin or the addition of cyclosporine A mimicked the glutathione-related effect of Ca2+ mobilization. While the action of puromycin was ascribable to a Ca2+ mobilizing mechanism, the mechanism of cyclosporine A-induced influx of glutathione was independent of calcineurin and cyclophilin A and B and remained unclear. We conclude that the influx of cytosolic glutathione rather than the inhibition of local oxidoreductases is responsible for the reductive shift upon Ca2+ mobilization and postulate the existence of a Ca2+- and cyclosporine A-sensitive glutathione transporter in the ER membrane.
Beáta Lizák, Gergely Kosztyi, Julia Birk, Davide Montero, Richard Zimmermann, Christian Appenzeller-Herzog, Gábor Bánhegyi: Endoplasmic reticulum Ca2+ depletion triggers import of reductants from the cytosol, The structure and function endoplasmic reticulum, EMBO meeting, Girona, Spain, 26-31 October 2014., 2015
Márton M, Kurucz A, Lizák B, Margittai É, Bánhegyi G, Kapuy O: A systems biological view of life-and-death decision with respect to endoplasmic reticulum stress—The role of PERK pathway, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 18:(1) Paper 58. 19 p., 2017
