Study of chromatin structural changes during Double Strand Break repair  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
112118
Type PD
Principal investigator Pankotai, Tibor
Title in Hungarian A kromatin szerkezeti változások szerepének azonosítása a kettõs szálú DNS törések javításában
Title in English Study of chromatin structural changes during Double Strand Break repair
Keywords in Hungarian DNS törés, DNS hibajavítás, Kromatin, transzkripció, rákkutatás
Keywords in English DNA damage, DNA repair, Chromatin, Transcription, cancer
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Ortelius classification: Molecular biology
Epigenetics and gene regulation (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Ortelius classification: Molecular genetics
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Department of Pathology (University of Szeged)
Starting date 2015-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 27.295
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.
Az eukarióta sejtekben a DNS kromatin szerkezetbe tömörül, ami befolyásolja a DNS károsító kémiai anyagok és sugárzások hozzáférhetőségét az egyes kromoszómális régiókhoz. Ugyanakkor befolyásolja a DNS hibajavító komplexek hozzáférhetőségét is a DNS törésekhez, ezáltal hatással van a DNS hibajavítás sebességére. A kettős szálú törések során a DNS mindkét szála érintett, és a hibajavítás idejének növekedése emeli a kromoszómális transzlokációk kialakulásának esélyét. A pályázat célkitűzése annak megértése hogyan történik a DNS törések azonosítása az eukarióta kromatin szerkezetben és a törések milyen kromatin szerkezeti változásokat hoznak létre a hibajavítás során. Célunk új hiszton módosítások azonosítása a DNS törések javítása alatt és a javítás után, amely segíthet megérteni a kromatin szerkezet szabályozó szerepét a DNS javítás során. Ezlehetővé teszi ebben a folyamatban még nem azonosított hiszton módosítások megismerését, amelyek mintegy kromatin memória jelek kijelölik a sérült DNS szakaszt a javítás után, és további eddig nem ismert hiba ellenőrző folyamatokat aktiválhatnak. Következő lépésként azokat a hiszton módosító komplexeket szeretnénk azonosítani, amelyek szabályozzák ezeket a kromatin szerezeti változásokat. A pályázatból származó eredmények segítenek megérteni, hogy a kromatin szerkezet milyen hatással van a kromoszómális transzlokácó kialakulásának valószínűségére, ezáltal a rákos folyamatok kialakulására.

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.
Korábbi tanulmányok igazolták, hogy a kromatin szerkezet hatással van a kettős szálú DNS törések hibajavításának sebességére, de az eredmények nem szolgáltattak információt arra vonatkozóan, hogy ezek a folyamatok hogyan szabályozódnak időben és a kromatin szerkezet szintjén. Arról is kevés adat áll rendelkezésre, hogy milyen kromatin változások mennek végbe a DNS törés hibajavítása során egy eukromatikus vagy egy heterokromatikus régióban. Célunk azonn hiszton módosítások azonosítása, amelyek segítenek a kromatin szerkezet fellazulásában a DNS javítás során és az eredeti kromatin szerkezet visszaállításában a javítás befejezése után. További lépésként a kromatin módosító komplexeket kívánjuk azonosítani, amelyek szükségesek a kromatin fellazítás és a tömörítés során. Végül szeretnénk olyan hiszton módosításokat azonosítani, amelyek a DNS törés javítása után kijelölik a javított DNS szakaszt további ellenőrzésre. A kérdéseink megválaszolásához Drosophila modell állatokat használunk, amelyekben egyedülálló lehetőség nyílik az endogén hiszton régió eltávolítására és az általunk vizsgálni kívánt hiszton mutációk visszajuttatására. Későbbiekben a Drosophila modell rendszerben nyert eredményeinket egér és humán sejtkultúrás rendszerekben is tesztelni kívánjuk,ezáltal olyan kromatin szerkezeti változások azonosítására nyílik lehetőségünk, amelyek érvényesek és általánosak minden magasabb rendű eukarióta szervezetre.

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 kettős szálú DNS törések kialakulásában szerepet játszanak külső források, mint kémiai ágensek és ionizáló sugárzások vagy belső források, mint a replikációs hibák, amelyek a genom stabilitására hatva transzlokációkat okoznak és rákos folyamatok kialakulásához vezetnek. Az eukarióta sejtekben a DNS-t templátként használó folyamatok kromatin szerkezeti változásokat hoznak létre, ezáltal a kromatin szerkezet maga befolyással van a DNS hibák kijavításának sebességére és az aktivált hibajavító útvonal kiválasztására is. A DNS törés kialakulása után a kromatin szerkezet fellazul, ami lehetővé teszi a javító faktorok gyorsabb kötődését a törés helyén, ezáltal növelve a javítás sebességét. A kromatin szerkezet fellazulásának elmaradása vagy a folyamatban történő bármilyen hibás működés a hibajavítást lassítja, ezáltal megnöveli a mutációk és transzlokációk kialakulását, így nagyobb valószínűséggel alakul ki rákos folyamat és gyorsabb sejtöregedés. A kromatin szerkezeti változások szerepének megértése a kettős szálú DNS törés során esélyt adhat eddig még nem ismert rákellenes terápiás célpontok azonosítására. Az általunk használni kívánt Drosophila modell rendszer egyedülálló lehetőséget biztosít az egyes hiszton módosítások a DNS hibajavításban betöltött szerepének tisztázására, amelyre eddig semmilyen más modell rendszerben nem volt lehetőség. Így az általunk használni kívánt kísérleti rendszer nagymértékben hozzájárulhat olyan eddig nem ismert kromatin szerkezetet érintő folyamatok megértésében, amelyek nemcsak új rákterápiás célpontok azonosítását teszi lehetővé, hanem rákellenes gyógyszerek tesztelésének lehetőségeit 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.
Az eukarióta sejtekben a DNS tömör kromatin szerkezetbe szerveződik, amely a DNS törés kialakulása után fellazul, hogy lehetővé tegye a hibajavító fehérje komplexek kötődését az érintett DNS régióba. A kettős szálú DNS törés az egyik legveszélyesebb DNS sérülés, mivel a hiba érinti mindkét DNS szál integritását, így nagy valószínűséggel vezet transzlokációkhoz, ami megnöveli a rákos folyamatok kialakulásának esélyét. A DNS folytonosságának hiánya a DNS-t templátként használó transzkripció és replikáció megakadásához és hibás működéséhez vezet, amely mutációk kialakulását okozhatja a gének kódoló régiójában. A kettős szálú DSN törés során a kromatin fellazító lépéseket a kromatin módosító fehérje komplexek szabályozzák. Az utóbbi időben számos tanulmány bizonyította, hogy a kromatin szerkezet felnyílása nélkül a DNS hibajavító komplexek nem képesek a hiba megfelelő sebességű javítására, ezáltal a DNS törés tovább van jelen a sejtben és növeli a transzlokáció kialakulásának esélyét. A DNS javítás befejezése után a kromatin szerkezet eredeti állapotába rendeződik vissza, így a kromatin módosító komplexek jelenléte esszenciális a kettős szálú DNS törés javítása során mind a kromatin szerkezet felnyitásához, mind az alap állapot visszaállításához. A pályázat célja a kromatin szerkezeti változások követése kettős szálú DNS törés alatt: eredményeink hozzájárulhatnak annak megértéséhez, hogyan befolyásolja a kromatin szerkezet a DNS törések kialakulását és javítási sebességét, ezáltal a kromoszómális átrendeződések valószínűségét. A folyamat kulcs fehérjéinek azonosítása segítheti új rákellenes terápiás célpontok azonosítását, ezáltal új gyógyszerek kifejlesztését is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In eukaryotic cells any process which involves DNA has to take place in the context of chromatin structure. The chromatin structure affects the probability of the damaging agents to cause DNA breaks and the recruitment of the repair proteins. The improper repair or persistence of breaks leads to translocations and genome instability which often results in tumour formation. From the different types of DNA damages the Double-Strand breaks (DSBs) are the most deleterious because they affect the integrity of both DNA strands. Our goal is to understand what makes eukaryotic cells able to recognize the appearance of a DSB, and how does the chromatin structure change around the break during repair and after it took place. The answers to these questions will provide information on whether specific chromatin structures predispose sites for chromosome breakage and whether memory of previous DSBs is retained in the chromatin structure. We plan to setup an experimental system by which we will be able to study how do unique histone modifications affect the DSB repair. Furthermore the roles of chromatin modifying complexes necessary for these specific histone modifications will be investigated. The answers to these questions have significant importance in understanding the mechanisms which give rise to frequent chromosomal break points often detected in tumors. Progress in integrating the chromatin dimension in DSB repair will help to understand how DNA damage may impact on genome stability.

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.
Although there is increasing evidence that chromatin changes are essential for efficient DSB repair, the existing data are based mainly on approaches which allowed visualizing the changes at a single time-point after DSB induction. Usually, the chromatin modifiers that are known to be involved in gene expression and transcriptional regulation were tested for their function in DNA repair. Moreover, very little is known about the specificity of chromatin modifiers towards breaks inflicted in compacted versus open chromatin. Furthermore, the detailed kinetics of the action of these chromatin modifiers and the effects of modifications generated by them has not been described yet. Our primary objective is to understand how the Double Strand breaks occurring in different chromosomal positions. We try to address what are the major chromatin marks and the chromatin modifier complexes necessary to regulate the changes in the chromatin structure. We plan to identify chromatin marks present after the repair had taken place which could potentially serve as a signal highlighting the damaged and repaired region for further processes. To study chromatin changes during DSB repair we plan to take advantage of a Drosophila model system which allows generating targeted single point mutations at the N-terminal tail of a histone. Secondly the data obtained from the Drosophila screen will be tested in mammalian cells as well. Thus, this will allow us to study whether additional histone modifications in eukaryotic cells have indeed a causative role in the process, and if yes than at which stage of it.

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.
DNA Double-Strand breaks occur frequently in the genome during replication or are caused by DNA damaging agents and affect genome stability resulting in translocations often leading to cancer formation. In eukaryotic cells the repair of broken DNA occurs in the context of highly structured chromatin. Chromatin structure alterations are thus thought to influence not only the efficiency and kinetics of repair but also, importantly, the choice of the repair pathway in cells. In response to DNA damage, chromatin undergoes rapid local and global decondensation, a process that has been proposed to facilitate genome surveillance by enhancing access of DNA damage response (DDR) proteins to sites of damage. Inaccurate repair of DNA caused by chromatin structure alterations or the absences of repair factors leads to mutations, chromosomal rearrangements and alteration of gene expression in turn can lead to cancer and aging. This underlines the importance of DDR studies in the context of chromatin for the identification of novel potential therapeutic targets in cancer treatment. Our experimental system in Drosophila allows a unique setup to study the changes in chromatin marks during and after the repair. A powerful model for studying these aspects of chromatin structure changes has not been established in any other experimental system until now. A better understanding of DSB repair mechanism can lead to identification of novel potential therapeutic targets in cancer treatment.

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 our cells the DNA is packed to a protein backbone which is called chromatin. Specific regions of this compacted structure open and close when different process like information transmission of the DNA to RNA (transcription) takes place. This opened or closed chromatin structure affects the probability of damage the DNA and has also impact on the repair of these DNA breaks as well. Slower repair speed or improper repair can also increase the probability of chromosome rearrangement by causing genome instability which is one of the early steps of cancer development. Our project will focus on understanding those changes in the chromatin structure and on how structural changes in the chromatin are regulated and thus how they affect the DNA damage repair speed as well. We will also try to identify the novel proteins necessary for these chromatin changes and plan to understand how they are regulated in space and time. Understanding the regulation of the changes in chromatin structure during DNA repair will help to decipher how DNA damage influences genome stability by affecting the translocation frequency.These result will help identifying new key targets in DNA damage repair and the final goal is to develop new anti cancer drugs and therapies.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kísérleteink során olyan expressziós rendszert hoztunk létre, mely alkalmas a Drosophila hisztonok pontmutációt tartalmazó változatainak termelésére. A projekt megvalósításához 20 egyedi aminosav pozícióban hoztunk létre missense pontmutációkat a H2A, a H2B, a H3 és a H4 kódoló régiójában, melyek hiszton poszttranszlációs módosítást mimikáló vagy gátló aminosavakat kódolnak. A hiszton mutációk létrehozásával kimutattuk, hogy a H3K14 és a H4K5 acetiláció jelenléte szükséges a kettős-szálú DNS törések kijavításához és hogy a fent említett acetilációs módosítások kialakulásáért feltehetőleg a GCN5-tartalmú komplexek felelősek. Továbbá igazoltuk, hogy a H3K14 és a H4K5 acetiláció DNA-PK és ATM kináz függő. Létrehoztunk egy új, STORM szuperrezolúciós mikroszkópián alapuló rendszert, amely segítségével egyedi hibajavítási fókuszokban tudtuk vizsgálni a H3K14 és a H4K5 acetiláció, valamint a hibajavítás helyén megjelenő yH2AX eloszlását. Kimutattuk, hogy az UV károsodás hatására bekövetkező mátrix-metalloproteináz génklaszter aktivációjához a H3K9 acetiláció szintjének emelkedése szükséges. Megállapítottuk, hogy a DNS károsodások javításakor a p53 jelenléte szükséges az RNS polimeráz II ubiquitin-függő proteoszómális degradációjához. Kollaborációban Deák Péter csoportjával együtt elindítottunk egy kísérletsorozatot, amelyben azonosítottunk és jellemeztünk 4 új deubiquitiláz fehérjét, amely jelenléte szükséges a DNS károsodások kijavításához.
Results in English
During our experiments, we have established a system suitable for the expression of point mutations containing Drosophila histones. To approach this, we generated point mutations at 20 discrete amino acid positions in the H2A, H2B, H3 and H4 genes in order to mimic or permit post-translational modifications. By generating these histone PTM mutations, we showed that the presence of H3K14 and H4K5 acetylation is important for DNA double-strand break repair and that the GCN5-containing complexes are presumably responsible for these acetylation steps. Furthermore, we have also demonstrated that the increased level of H3K14 and H4K5 acetylation is DNA-PK and ATM kinase-dependent. We could set up a novel, super-resolution STORM microscopy-based system with which we were able to study the distribution of H3K14ac, H4K5ac and yH2AX, a specific marker of DSBs, within a single repair focus. We have demonstrated that following UV damage, the H3K9 acetylation is essential for the activation of the MMP gene cluster. We published that P53 has an essential role upon DNA damage-induced transcription elongation blockage and we demonstrated that the presence of P53 is important for the ubiquitin-dependent proteasomal degradation of RNAPII. Finally, in collaboration with Peter Deak, we established a histone deubiquitylase (DUB) screen, in which we have identified and characterized 4 DUBs that could take part in DNA double-strand break repair.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112118
Decision
Yes





 

List of publications

  
Pahi Z, Borsos BN, Vedelek B, Shidlovskii YV, Georgieva SG, Boros IM, Pankotai T: TAF10 and TAF10b partially redundant roles during Drosophila melanogaster morphogenesis, TRANSCRIPTION 8:(3) Paper 10.1080/21541264.2017.1327836., 2017
Kristó Ildikó, Bajusz Csaba, Borsos Barbara N, Pankotai Tibor, Dopie Joseph, Jankovics Ferenc, Vartiainen Maria K, Erdélyi Miklós, Vilmos Péter: The actin binding cytoskeletal protein Moesin is involved in nuclear mRNA export, BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-MOLECULAR CELL RESEARCH 1864:(10) pp. 1589-1604., 2017
Majoros Hajnlaka, Újfaludi Zsuzsanna, Nagy Zita, Borsos Barbara, Hudacsek Viktória, Coin Frederic, Boros Imre, Pankotai Tibor: A serpin protein is involved in cellular response upon UV irradiation, FEBS DNA REPAIR WORKSHOP. Konferencia helye, ideje: Smolenice Castle, Szlovákia, 2017.05.07-2017.05.11. Smolenice: University of Oxford, 2017. pp. 70-71. (ISBN:978-80-972, 2017
Edina Gyukity-Sebestyen, Mária Harmati, Gabriella Dobra, Istan B Nemeth, Johanna Mihály, Agnes Zvara, Eva Hunyadi Gulyas, Robert Katona, Istvan Nagy, Peter Horvath, Tibor Pankotai, Miklós Erdélyi, Zoltan Janos Vereb, Tamas Biro, Lajos Kemeny, Krisztina Buzas: Intercellular communication between melanoma and stroma cells induce PD-1 overexpression and tumour progression, JOURNAL OF EXTRACELLULAR VESICLES 6:(sup1) Paper OT5.02., 2017
Borsos BN, Pankotai T, Kovacs D, Popescu C, Pahi Z, Boros IM: Acetylations of Ftz-F1 and histone H4K5 are required for the fine-tuning of ecdysone biosynthesis during Drosophila metamorphosis., DEVELOPMENTAL BIOLOGY 404:(1) pp. 80-87. (2015), 2015
Pahi Z, Kiss Z, Komonyi O, Borsos BN, Tora L, Boros IM, Pankotai T: dTAF10-and dTAF10b-Containing Complexes Are Required for Ecdysone-Driven Larval-Pupal Morphogenesis in Drosophila melanogaster, PLOS ONE 10:(11) Paper e0142226. (2015), 2015
Borsos Barbara: A humán P53 fehérje transzkripció elongációban betöltött, eddig nem azonosított szerepének jellemzése, Doktori disszertáció, 2017
Páhi Zoltán Gábor: TAF10 fehérjék szerepe Drosophila melanogaster-ben, Doktori disszertáció, 2017
Varga Árpád, Pankotai Tibor: Cloning of an engenieered histone cluster in Drosophila melanogaster., 18th Symbiose Greece, 2015 szeptember, Alexandroupoli., 2015
Szűcs Diána, Pankotai Tibor: Developing new plasmid for studying histone PTM during DNA repair., 18th Symbiose Greece, 2015 szeptember, Alexandroupoli., 2015
Tibor Pankotai, Celine Bonhomme, Audrey Furst, Dirk Eick, Isabella Sumara, Evi Soutoglou: Mechanistic insights into the transcriptional arrest in the presence of Double Strand Breaks, 6th Central European Genome stability and Dynamics Meeting, 2015
Borsos, Barbara és Huliák, Ildikó és Újfaludi, Zsuzsanna és Pukler, Peter és Boros, Imre Miklós és Pankotai, Tibor: Beyond transcriptional initiation: Novel role of human P53 in transcriptional elongation, NUCLEIC ACIDS RESEARCH. ISSN 0305-1048 UNDER REVISION, 2015
Barbara N. Borsos, Ildikó Huliák, Hajnalka Majoros, Zsuzsanna Ujfaludi, Ákos Gyenis, Peter Pukler, Imre M. Boros, Tibor Pankotai: Human p53 interacts with the elongating RNAPII complex and is required for the release of actinomycin D induced transcription blockage, Scientific Reports 7, Article number: 40960 (2017) doi:10.1038/srep40960, 2017
Szűcs Diána, Pankotai Tibor: A DNS károsodások által kiváltott esjtválaszok tanulmányozása emlős sejtekben és in vivo Drosophila modellrenszerben., Szűcs D, Pankotai T, 2016
Varga Árpád, Szűcs Diána, Pankotai Tibor: Setting up new experimental system to study the link between functional histone PTMs and double strand break repair., 19th Symbiose Meeting, 2016
Pankotai Tibor: Kromatin szerkezeti változások azonosítása kettős szálú DNS törések hibajavítása során., XV. "Genetikai Műhelyek Magyarországon, Győrffy Barna díjazott előadás, 2016
Barbara Borsos, Zsuzsanna Újfaludi, Celine Bonhomme, David Chen, Evi Soutoglou, Tibor Pankotai: Transcriptional outcomes in response to DNA damage, 2nd Danube conference on epigenetics, Budapest., 2016
Borsos, Barbara Nikolett és Huliák, Ildikó és Újfaludi, Zsuzsanna és Boros, Imre Miklós és Pankotai, Tibor: Beyond initiation: Human P53 plays role in transcription elongation., Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, 2016, Szeged., 2016
Szűcs, Diána és Varga, Árpád és Viszinger, Evelin és Berzsenyi, Ivett és Ollé, Bence és Borsos, Barbara és Páhi, Zoltán Gábor és Majoros, Hajnalka és Újfaludi, Zsuzsanna és Pankotai, Tibor: Drosophila as a new tool to study the chromatin structural changes activated by DNA damages., Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, 2016, Szeged., 2016
Újfaludi, Zsuzsanna és Borsos, Barbara és Bonhomme, Celine és Chen, David és Soutoglou, Evi és Pankotai, Tibor: Transcriptional outcomes (fates) in response to DNA damage., Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, 2016, Szeged., 2016
Borsos Barbara, Majoros Hajnalka, Újfaludi Zsuzsanna, Páhi Zoltán, Pankotai Tibor: DNS-hibák és ami mögöttük van, ÉLET ÉS TUDOMÁNY LXXI: (6) 180-182, 2016




 

Events of the project

  
2023-08-09 12:02:10
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Pathológia (Szegedi Tudományegyetem), Új kutatóhely: Pathológiai Intézet (Szegedi Tudományegyetem).
2021-01-18 10:01:18
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Orálbiológiai és Kísérletes Fogorvostudományi Tanszék (Szegedi Tudományegyetem), Új kutatóhely: Pathológiai Intézet (Szegedi Tudományegyetem).
2019-04-23 15:02:28
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Biokémiai és Molekuláris Biológiai Tanszék (Szegedi Tudományegyetem), Új kutatóhely: Orálbiológiai és Kísérletes Fogorvostudományi Tanszék (Szegedi Tudományegyetem).



Back »