 |
Potentially active DNA transposons in the human genome: genomic parasites or domesticated residents?
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
112112 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Orbán, Tamás |
| Title in Hungarian |
Potenciálisan aktív DNS transzpozonok az emberi genomban: genomi paraziták vagy domesztikált rezidensek? |
| Title in English |
Potentially active DNA transposons in the human genome: genomic parasites or domesticated residents? |
| Keywords in Hungarian |
DNS transzpozon, piggyBac, RNS intereferencia |
| Keywords in English |
DNA transposon, piggyBac, RNA interference |
| Discipline |
| Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences) | 90 % | | Ortelius classification: Molecular genetics | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Kolacsek, Orsolya
Sándor, Sára Anna
Schamberger, Anita
|
| Starting date |
2015-01-01 |
| Closing date |
2018-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.884 |
| FTE (full time equivalent) |
5.40 |
| 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 molekuláris genomikai kutatások nyomán nyilvánvalóvá vált, hogy a transzpozonok a legtöbb élőlény genomjában jelentős számban vannak jelen. A legújabb elemzések szerint az emberi örökítő anyag ~45%-át mobilis genetikai elemek adják, de ezen felül nagyszámú génről igazolták, hogy transzpozon eredetű szekvenciákból származnak. Az eleinte főként molekuláris parazitáknak tekintett transzpozonokról kiderült, hogy fontos résztvevői a molekuláris evolúciónak. Mi több, a „cut and paste” replikációs mechanizmusú DNS transzpozonok hatékony génbeviteli eszköztárat jelentenek, amelyek potenciálisan fontos szerepet játszhatnak jövőbeli génterápiás alkalmazásokban. A két legelterjedtebb DNS transzpozonos rendszer, a mesterséges Sleeping Beauty és a rovareredetű piggyBac (PB) egyre több felhasználási területet hódít meg. Az utóbbi rendszer hátránya viszont nemcsak a nemkívánatos integrációs profil (a működő gének 5’ lókuszának preferenciája), hanem a jelentős számú hasonló endogén elem jelenléte például a humán genomban. A jelenlegi megítélésben ezek inaktív elemek, így nem veszélyeztetnék a PB-alapú transzpozonnal módosított sejtek genetikai stabilitását. Ugyanakkor egyre több bioinformatikai elemzés és kísérletes adat mutat abba az irányba, hogy ezek a PB-szerű szekvenciák a humán genomban átíródnak, és róluk akár funkcionális fehérjetermékek is keletkezhetnek. Eddig nem készültek szisztematikus vizsgálatok arra vonatkozólag, hogy ezek az elemek képesek-e „hagyományos” DNS transzpozonként működni, vagy esetleg új molekuláris funkciót nyerve „domesztikálódtak”. Ezen kérdések megválaszolása mind evolúciós, mind génterápiás szempontból alapvető fontosságú.
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 legfrissebb humán genom adatbázis alapján az emberi genomban megközelítőleg 2000 darab PB-szerű elem található. Ezek kisebb hányada a transzpozázhoz hasonló nyitott leolvasási keretet tartalmazó gén (PGBD gének), nagyobb része viszont a PB transzpozon család célszekvenciájához hasonló ismétlődő szekvencia (pl. Mer-szekvenciák). Az interneten elérhető mélyszekvenálási adatok elemzésével arra jutottunk, hogy több PGBD gén többféle humán szövetben is expresszálódik, amelyek felvetik ezek funkcionális voltát. Kétkomponensű szelekciós rendszer segítségével vizsgáljuk, hogy az adott PGBD fehérjék képesek-e felismerni és mozgatni a feltételezett célszekvenciáikat. Tesztelni fogjuk azt a fontos kérdést, hogy a génbeviteli eljárásokban használt PB rendszer és az endogén DNS transzpozonok képesek-e egymás mobilizálására. Van olyan elem, amelyet egy másik gén alternatív splicing izoformájában azonosítottak (PGBD3-at a CSB génben). Ebből kiindulva teszteljük majd azt a hipotézist, hogy bizonyos elemek alternatív exonként „domesztikálódtak”, és a mobilizációs képességük elvesztése mellett új funkcióra tettek szert, például az alternatív splicing regulációjában. Fontos kérdés, hogy a gazdagenom milyen mechanizmusokkal védekezik az ilyen invazív elemekkel szemben. Ennek kapcsán vizsgálnánk, hogy az RNS interferencia útvonalai közül melyek játszanak szerepet a PB eredetű elemek szabályozásában, feltételezve a piRNS-ek és az endogén siRNS-ek potenciális szerepét. Vizsgálataink rávilágítanak arra, hogy az inaktívnak hitt DNS transzpozonok az eredeti, vagy új funkcióval működnek-e a humán genomban, és veszélyeztetik-e a PB rendszeren alapuló génterápiás alkalmazásokat.
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 jelenlegi tudományos felfogás szerint a humán genomban a DNS transzpozonok a retrotranszpozonokhoz képest kisebb számban fordulnak elő, és nem aktívak. Ugyanakkor egyre több adat mutat abba az irányba, hogy ez az elképzelés nem állja meg a helyét, mert bizonyos DNS transzpozon eredetű elemek több emberi szövetben is expresszálódnak. Bioinformatikai analízist követően kísérletekkel kívánjuk igazolni, hogy ilyen aktív gének hagyományos mobilis genetikai elemként, vagy esetleg inaktív transzpozonként, de új molekuláris funkciót nyerve „élnek tovább” a humán genomban. Már az eddigi előkísérletek eredményei is rendkívül fontos tudományos eredménnyel bírnak, hiszen megdőlni látszik az az elképzelés, miszerint a humán genomban található DNS transzpozonok csupán inaktív maradványszekvenciák lennének. Ha sikerül igazolni, hogy bizonyos PB-elemek az emberi génállományban exonizálódtak, akkor ez egy jelentős tudományos bizonyítéka annak, hogy DNS transzpozon eredetű szekvenciák az Alu retrotranszpozonokhoz hasonló szerepet játszottak humán fehérjék evolúciójában. Mindezen túl, ha sikerül igazolni bizonyos PGBD gének szerepét az alternatív splicing regulációjában, akkor ez lesz az első példája annak, hogy egy DNS transzpozon a humán genomban való domesztikációja során erre a funkcióra specializálódott. Az RNS interferencia útvonalainak a DNS transzpozonok szabályozásában betöltött szerepét vizsgálva fontos távlatok nyílnak annak a megértéséhez, hogy az emberi genom milyen stratégiákkal védekezhet invazív genetikai elemek, elsősorban transzpozonok vagy vírusok ellen. Az eredmények közelebb visznek minket az emberi génállomány, és ezzel párhuzamosan a mobilis genetikai elemek evolúciós folyamatainak a feltérképezéséhez és megértéséhez. Evolúciós múltunk részletein túl azonban a kísérletek igen nagy jelentőséggel bírnak a transzpozon-alapú génbeviteli eljárásokra, illetve az ezekre épülő génterápiás módszerekre nézve is. Az alkalmazott PB transzpozonos génbevitel és az endogén elemek még alacsony hatékonyságú keresztreakciója is felveti a módosított sejtek későbbi genetikai instabilitásának problémáját, és ezáltal a génterápiában más típusú DNS transzpozonok (például a Sleeping Beauty) alkalmazásának szükségességét.
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 genomikai kutatások előrehaladtával kiderült, hogy az élőlények, és köztük az ember genetikai állományában sok „ugráló elem”, úgynevezett transzpozon fordul elő. A kezdetben kizárólag molekuláris parazitaként számon tartott transzpozonokról kiderült, hogy nagyon fontos szerepet játszanak az evolúcióban. Mi több, a DNS transzpozonokat génbeviteli eljárásokban, távlati célként a génterápiában is lehet alkalmazni. Előtte azonban pontosan meg kell ismernünk a transzpozonok működését, és a gazdaszervezet által történő szabályozását. A jelen kutatások az emberi DNS transzpozonok, ezeken belül is egy speciális csoport, az ún. piggyBac-szerű transzpozonok vizsgálatát tűzi ki célul. Ezekhez hasonló transzpozonokat használnak emberi sejtekbe történő génbeviteli eljárásokban, így nagyon fontos kérdés, hogy a belső transzpozonok működése nem veszélyezteti-e az így létrehozott sejtek genetikai stabilitását. Megvizsgáljuk, hogy az emberi génállományban természetes módon előforduló DNS transzpozonok képesek-e továbbra is DNS régiók közötti helyváltoztatásokra. A transzpozonok az evolúció során ugyanis a bennük felhalmozott mutációk miatt inkatívvá válhatnak, de az is megtörténhet, hogy a gazdaszervezet „domesztikálja”, vagyis saját működésének a szolgálatába állítja őket. Vizsgálni fogjuk, hogy az emberi sejtek védekeznek-e a DNS transzpozonok ellen, és hogy a vizsgált DNS transzpozonok nem tettek-e szert új „hasznos” szabályozási funkciókra. Eredményeink nem csak azért érdekesek és fontosak, mert jobban megismerjük saját genetikai működésünket és evolúciós múltunkat, hanem nagyon fontos kérdésekre adnak választ a DNS transzpozonok génterápiában történő felhasználásáról is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Molecular genomic investigations discovered that transposons are present in significant numbers in the genomes of most living organisms. Recent analysis of the human genome revealed that ~45% of our genetic material consists of mobile genetic elements and numerous other genes have been shown to be transposon-derived. First considered exclusively as molecular parasites, transposons were later proven to play important roles in evolution. In addition, mainly due to their “cut and paste” replication mechanism, DNA transposons have been readily chosen as gene delivery tools and could potentially be used in future gene therapy applications. The most widely used systems, the artificial Sleeping Beauty and the insect-derived piggyBac (PB) transposons, are already used for several applications. However, beside the non-favorable integration profile (preference for the 5’ loci of active genes), another drawback of the PB-system is the presence of similar endogenous elements in the human genome. These elements are currently believed to be inactive, not imposing the problem of genetic instability of PB-transposon modified cells. Nevertheless, bioinformatic analysis and emerging new experimental data indicate that these PB-like sequences are transcribed in the human genome and may encode potentially functional proteins. So far, no systematic investigations were carried out to examine them: whether they function as “canonical” DNA transposons, or rather became “domesticated” by acquiring new molecular function. It is crucial to answer these questions not only from the evolutionary point of view, but also concerning gene therapy applications.
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.
According to most recent genomic data analyses, the human genome contains approximately 2000 PB-like elements. A smaller fraction of these elements contains open reading frames similar to the transposase (PGBD genes), whereas the majority of them represents repetitive elements related to the target sequence motifs of PB (e.g.: Mer-sequences). Analyzing deep sequencing data we discovered that several PGBD genes are expressed in various human tissues, indicating their potential functionality. Using a two component selection system, we will examine if these PGBD proteins are capable of mobilizing their suspected target sequences. We will also address the question if the widely used PB-system and the endogenous DNA transposons can cross-mobilize each other. In addition, as one PB-like endogenous element (PGBD3) was identified in fusion with a splicing variant of a human gene (the CSB gene), we will test the hypothesis if some transposons have been “domesticated” as alternative exons, and besides losing their original mobilization potential, they gained new cellular function such as in the regulation of alternative splicing. It is also relevant to study the defense mechanisms of the host genome against such invasive genetic elements. We will examine which RNA interference pathways play a role in regulating endogenous PB-like elements, assuming the potential role of piRNAs and endogenous siRNAs. Our investigations will provide evidence if endogenous DNA transposons, which are considered to be dormant, are still active in the human genome, and whether they represent a potential danger to PB-based gene therapy applications.
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.
According to the current scientific belief, DNA transposons are less abundant in the human genome than retrotransposons, and are considered to be inactive. On the other hand, more and more data have been gathered showing that some DNA transposons are expressed in various human tissues which question the above statement. Based on our preliminary bioinformatic analysis we will attempt to prove if such active genes function as canonical mobile elements, or they have “survived” by acquiring new molecular function. These results are already of great importance since they challenge the current dogma stating that DNA transposons in the human genome are merely remnants of once active mobile elements. If we prove that certain PB-like elements have been exonized, this would be a first proof that alike Alu retrotransposons, DNA transposons also played a role in the evolution of human protein sequences. Also, if PGBD3’s role in the regulation of alternative splicing is proven, that would be a first evidence for a DNA transposon to have become domesticated with such cellular function. Investigating the role of RNA interference pathways in regulating DNA transposons will shed light on the strategies the human genome can use for the defense against invasive genetic elements, such as transposons or viruses. All these results will provide more details and a deeper understanding on the evolution of human mobile genetic elements, and therefore of the human genome. Apart from gaining more information on the evolutionary past of our genetic material, these studies have a strong impact on transposon-based gene delivery, and therefore on gene therapy applications. The cross-mobilization between the widely used PB-system and the endogenous elements (even if it happens with low efficiency) raises the problem of genetic instability for the modified cells, and argues for the need of other DNA transposons (e.g.: Sleeping Beauty) for gene therapy purposes.
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.
Scientific research of the genomic era revealed that living organisms, including humans, carry numerous „mobile elements” in their genomes, called transposons. First considered exclusively as molecular parasites, they later turned out to play important roles in evolution. In addition, DNA transposons are used in gene delivery experiments, and are emerging candidates for gene therapy applications. However, before their application we need to know exactly how they function. Our research aims to investigate human DNA transposons, with special focus on the so called piggyBac-like elements. Similar DNA transposons are already used for gene delivery into human cells so it is very important to examine if such endogenous transposons can potentially threaten the genetic integrity of the modified cells. We will examine if natural human DNA transposons are still capable of moving from one DNA locus to another. Transposons may become inactive during evolution due to the accumulation of mutations, but they may also become “domesticated” by the host genome, acquiring new functions. We will investigate whether human cells have defense mechanisms against DNA transposons and study if the examined transposons gained new regulatory functions. The results will be of great interest and importance not only by providing new insights on our genetic regulations and evolutionary inheritance but they will also have a strong impact on the applicability of DNA transposons in future gene therapy protocols.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Szebényi K, Füredi A, Kolacsek O, Pergel E, Bősze Z, Bender B, Vajdovich P, Tóvári J, Homolya L, Szakács G, Héja L, Enyedi Á, Sarkadi B, Apáti Á, Orbán TI: Generation of a Homozygous Transgenic Rat Strain Stably Expressing a Calcium Sensor Protein for Direct Examination of Calcium Signaling, Scientific Reports, 5:12645, 2015 | | Sándor S, Jordanidisz T, Schamberger A, Várady G, Erdei Z, Apáti Á, Sarkadi B, Orbán TI: Functional characterization of the ABCG2 5' non-coding exon variants: Stem cell specificity, translation efficiency and the influence of drug selection, Biochimica et Biophysica Acta – Gene Regulatory Mechanisms, 1859(7):943-51, 2016 | | Kolacsek O, Pergel E, Varga N, Apáti Á, Orbán TI: Ct shift: A novel and accurate real-time PCR quantification model for direct comparison of different nucleic acid sequences and its application for transposon quanti..., Gene, 598:43-49, 2017 | | Kolacsek O, Orbán TI: Transcription activity of transposon sequence limits Sleeping Beauty transposition, Gene, 676:184-188, 2018 | | Biró O, Fóthi Á, Alasztics B, Nagy B, Orbán TI, Rigó J Jr.: Circulating exosomal and Argonaute-bound microRNAs in preeclampsia, Gene, 692:138-144, 2019 | | Szebényi K, Füredi A, Kolacsek O, Pergel E, Bősze Z, Bender B, Vajdovich P, Tóvári J, Homolya L, Szakács G, Héja L, Enyedi Á, Sarkadi B, Apáti Á, Orbán TI: Generation of a Homozygous Transgenic Rat Strain Stably Expressing a Calcium Sensor Protein for Direct Examination of Calcium Signaling, Scientific Reports, 5:12645, 2015 | | Erdei Z, Schamberger A, Török G, Szebényi K, Várady G, Orbán TI, Homolya L, Sarkadi B, Apáti Á: Generation of multidrug resistant human tissues by overexpression of the ABCG2 multidrug transporter in embryonic stem cells, PLoS One, 13(4):e0194925, 2018 | | Apáti Á, Szebényi K, Erdei Z, Várady G, Orbán TI, Sarkadi B: The importance of drug transporters in human pluripotent stem cells and in early tissue differentiation, Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology, 12(1):77-92, 2016 | | Maa X, Lubin H, Ioja E, Kékesi O, Simon Á, Apáti Á, Orbán TI, Héja L, Kardos J, Markó IE: Straightforward and effective synthesis of gamma-aminobutyric acid transporter subtype 2-selective acyl-substituted azaspiro[4.5] decanes, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 26(2):417-23, 2016 | | Kolacsek O, Pergel E, Varga N, Apáti Á, Orbán TI: Ct shift: A novel and accurate real-time PCR quantification model for direct comparison of different nucleic acid sequences and its application for transposon quanti..., Gene, 598:43-49, 2017 | | Sándor S, Jordanidisz T, Schamberger A, Várady G, Erdei Z, Apáti Á, Sarkadi B, Orbán TI: Functional characterization of the ABCG2 5' non-coding exon variants: Stem cell specificity, translation efficiency and the influence of drug selection, Biochimica et Biophysica Acta – Gene Regulatory Mechanisms, 1859(7):943-51, 2016 | | Jemnitz K, Bátai-Konczos A, Szabó M, Ioja E, Kolacsek O, Orbán TI, Török G, Homolya L, Kovács E, Jablonkai I, Veres Z: A transgenic rat hepatocyte - Kupffer cell co-culture model for evaluation of direct and macrophage-related effect of poly(amidoamine) dendrimers, Toxicology In Vitro, 38:159-169, 2017 | | Kolacsek Orsolya: DNS transzpozon alapú génbeviteli eljárások vizsgálata emlős rendszerekben, Doktori disszertáció, ELTE TTK Biológia Doktori Iskola, 2016 | | Kornélia Szebényi, András Füredi, Orsolya Kolacsek, Enikő Pergel, Ágota Apáti, Balázs Sarkadi, Tamás Orbán: Generation of a Homozygous Transgenic Rat Strain Stably Expressing a Calcium Sensor Protein by the SB100X DNA transposon system, International Congress on Transposable Elements, Saint Malo, France, 2016 | | Orbán Tamás: Ugráló gének az emberi génállományban: molekuláris paraziták vagy domesztikált rezidensek?, ELTE TTK "Élő Adás" előadássorozat, 2016 | | Fóthi Ábel, Orbán Tamás: MikroRNS 3' izomiR-ek: pontatlan érés, vagy szabályzott bomlás termékei?, "Változatok Négy Intézetre" Doktori Konferencia, 2016 | | Wachtl Gerda, Schamberger Anita, Orbán Tamás: A humán miR-877 mikroRNS karhasználatának szabályozása, XV. “Genetikai Műhelyek Magyarországon” jubileumi minikonferencia, Szeged, 2016 | | Fóthi Ábel, Schamberger Anita, Wachtl Gerda, Orbán Tamás: Placenta- és őssejtspecifikus mikroRNS érési folyamatok összehasonlítása: 5'/3' karhasználat és az izomiRek, XV. “Genetikai Műhelyek Magyarországon” jubileumi minikonferencia, Szeged, 2016 | | Szabó Z, Héja L, Szalay G, Kékesi O, Füredi A, Szebényi K, Dobolyi Á, Orbán TI, Kolacsek O, Tompa T, Miskolczy Z, Biczók L, Rózsa B, Sarkadi B, Kardos J: Extensive astrocyte synchronization advances neuronal coupling in slow wave activity in vivo, Scientific Reports, 7:6018, 2017 | | Apáti Á, Szebényi K, Erdei Z, Várady G, Orbán TI, Sarkadi B: The importance of drug transporters in human pluripotent stem cells and in early tissue differentiation, Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology, 12(1):77-92, 2016 | | Sándor Sára: Az ABCG2 transzmembrán transzporter fehérje expressziójának szabályozása alternatív promóterhasználat és 5’UTR izoformák által, Doktori disszertáció, ELTE TTK Biológia Doktori Iskola, 2017 | | Gerda Wachtl, Tamás I. Orbán: Functional studies of the domesticated human PGBD1 transposon, Hungarian Molecular Life Sciences, Eger, 2017 | | Ábel Fóthi, Tamás I. Orbán: MicroRNA 3' isomiRs: are they products of imprecise maturation or regulated degradation?, Hungarian Molecular Life Sciences, Eger, 2017 | | Ábel Fóthi, Tamás I. Orbán: IsomiRs with long 3' non-templated additions are putative degradation intermediates, 12th Microsymposium on small RNAs, Vienna, Austria, 2017 | | Ma X, Lubin H, Ioja E, Kékesi O, Simon Á, Apáti Á, Orbán TI, Héja L, Kardos J, Markó IE: Straightforward and effective synthesis of gamma-aminobutyric acid transporter subtype 2-selective acyl-substituted azaspiro[4.5] decanes, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 26(2):417-23, 2016 | | Orbán Tamás: Egy új kor hajnalán? – Őssejtek célzott genetikai módosítása, UNISTEM Day 2017, CEU, Budapest, 2017 | | Vőfély G, Berecz T, Szabó E, Szebényi K, Hathy E, Orbán TI, Sarkadi B, Homolya L, Marchetto MC, Réthelyi JM, Apáti Á: Characterization of calcium signals in human induced pluripotent stem cell-derived dentate gyrus neuronal progenitors and mature neurons, stably expressing an advanced calcium indicator protein, Molecular and Cellular Neuroscience, 88:222-230, 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
