Exploration of JNK mediated protein-protein interactions: from structures to cellular function  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
114309
Type NN
Principal investigator Reményi, Attila
Title in Hungarian Fehérje-fehérje kölcsönhatások a JNK jelátviteli útban: a sejtes funkciók mögött rejlő szerkezetek és molekuláris interakciók vizsgálata
Title in English Exploration of JNK mediated protein-protein interactions: from structures to cellular function
Keywords in Hungarian fehérje kináz, molekuláris interakció, 3D szerkezet meghatározás, kémiai biológia, sejtes jelátvitel
Keywords in English protein kinase, molecular interactions, 3D structure determination, cehmical biology, cellular signaling
Discipline
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Ortelius classification: Molecular biology
Signal transduction (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Structural biology (crystallography and EM) (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences)
Participants Albert, Krisztián
Bartis, Domokos Gergely
Kirsch, Klára
Póti, Ádám Levente
Sebő, Anna
Zeke, András
Starting date 2015-04-01
Closing date 2020-03-31
Funding (in million HUF) 41.416
FTE (full time equivalent) 9.80
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 c-jun N-terminális kináz (JNK) a sejtek életét sokféleképpen szabályozza. Az enzim egy ún. mitogén-aktivált protein kináz (MAPK) doménből épül fel, melynek aktivitását foszforiláció révén a sejt differenciációban, mozgásban illetve stresszben szerepet játszó más jelátviteli faktorok serkentik. JNK komplexeket alkot más jelátviteli fehérjékkel a citoplazmában és a sejtmagban egyaránt. A pályázat célja olyan jelátviteli komplexek szerkezeti analízise, melyek 1) a JNK sejtmagi transzportjában, 2) az enzim poszttranszlációs módosításában, illetve 3) a JNK által szabályozott transzkripciós válaszok kiváltásában játszanak szerepet. A szerkezeti információk birtokában pedig olyan módszereket fogunk alkalmazni, melyek segítségével az enzimet illetve partner fehérjéit aminosav pozíció specifikus módon jelölhetjük. Fehérjék helyspecifikus jelölése sejten belül fiziológiás körülmények mellett hatalmas lehetőségeket rejt a JNK általi jelátviteli folyamatok molekuláris szintű megértésében. Kémiai biológiai módszerek - például mesterséges, bio-ortogonális aminosavak fehérjékbe való „kódolása” és ezek specifikus jelölése - lehetővé teszik a fehérjék lokalizációjának és kölcsönhatásaink sejten belüli, időbeli nyomon követését. Munkánkat egy nagyobb nemzetközi csapat részeként fogjuk végezni, ahol a csoport a JNK komplexek szerkezeti biokémiai és kémiai biológiai vizsgálatát végzi majd, míg az együttműködő külföldi csoportok pedig rendszerbiológiai illetve sejtbiológiai módszereket fognak alkalmazni a közös projektben. Ez a nemzetközi csapat (két ausztrál, egy olasz és egy magyar) már beadott egy párhuzamos pályázatot Ausztráliában.

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.
JNK egy széles biológia funkcióval rendelkező jelátviteli fehérje és rejtély, hogy ez a kompakt szerkezetű kináz hogyan képes a sokféle sejtes folyamatot megfelelően szabályozni. Meggyőződésem, hogy a válasz a JNK jelátviteli enzim fehérje-fehérje kölcsönhatásainak sokszínűségében rejlik. A pályázati munka azt fogja feltérképezni a szerkezeti biokémia illetve a kémiai biológia eszköztárával, hogy a kölcsönható partnerek miként kötődnek JNK-hoz. Konkrétan, vizsgálataink azokra a molekuláris mechanizmusokra fognak fókuszálni, melyek révén JNK a transzkripciót illetve a sejtmozgásban fontos mikrotubulusok szerveződését szabályozza.

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!
Jelátviteli fehérje-fehérje komplexek kialakulásának biofizikai, sejten belüli, illetve szerkezeti biológiai vizsgálatai betekintést nyújtanak abba, hogy a JNK MAP kináz milyen molekuláris mechanizmusok révén hangolja össze gének kifejeződését, sejtek osztódását, apoptózisát illetve differenciációját a környezeti ingerektől függő módon. Ezek az ismeretek fontosak lesznek a JNK jelátviteli kaszkád működési logikájának feltárásához, illetve farmakológiailag hatékony hatóanyagok tervezéséhez is. A szerkezeti biokémiai vizsgálatokon túl a pályázat célja, hogy a kutatott jelátviteli kölcsönhatásokat nemcsak in vitro, hanem a sejten belül is karakterizáljuk. Egy újszerű kémiai biológiai megközelítés pedig lehetővé teszi, hogy az in vitro munka során feltárt molekuláris törvényszerűségek jelentőségét funkcionális jelátviteli hálózatokon belül is tesztelhessük, azaz közel in vivo kísérletes környezetben. A projekt nemzetközi együttműködés természetéből adódóan lehetőséget ad kutatócserék révén külföldi tapasztalatszerzésre. Ezáltal magyarországi fiatal kutatók kapnak lehetőséget arra, hogy a különböző profilú együttműködő laborok világszínvonalú munkáját egy közös projekt keretein belül első kézből megismerhessék, s az így megszerzett tapasztalatokat majd itthoni laborokban kamatoztathassák.

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.
Sejtek komplex jelátviteli folyamatok alapján döntik el, hogy mikor osztódnak vagy pusztulnak el. Ezeknek a folyamatoknak a meghibásodása vezet szabályozatlan sejtosztódáshoz vagy sejthalálhoz, melyek aztán a rákos illetve gyulladásos betegségek kialakulásának alapvető okai. Jelátviteli folyamatok fontos szabályzó fehérjéi az úgynevezett fehérje kinázok, melyek sokszor tervszerű farmakológiai beavatkozások cél molekulái. Kinázok fehérje-fehérje kölcsönhatások, azaz molekuláris kötőerők által létrehozott fizikai kapcsolatok, révén szerveződnek jelátviteli hálózatokba. Ezek a kapcsolatok határozzák meg, hogy milyen ingerek pontosan milyen választ eredményeznek. Ahhoz tehát, hogy jelátviteli folyamatok működését patológiás esetekben hatékonyan befolyásolni tudjuk, meg kell értenünk azt, hogy kinázok milyen törvényszerűségek alapján kapcsolódnak más fehérjékhez. Munkánk során három-dimenziós, molekuláris felvételeket fogunk készíteni kinázok és kölcsönható partner fehérjéik közötti komplexekről. Továbbá vizsgálni fogjuk különböző mikroszkópos technikákkal, hogy kinázok kölcsönhatásai más fehérjékkel sejten belül mikor és hol alakulnak ki, ami fontos, mert attól függően, hogy ezek a molekulák a sejten belül hol helyezkednek el, lehetnek aktívak vagy működésképtelenek. Ezek a kutatások tehát felfedik, hogy fehérje kinázok milyen molekuláris kölcsönhatások alapján szabályozzák a sejtes jelátvitelt. Ez a tudás pedig lehetővé teszi, hogy minél kisebb mellékhatásokkal működő hatóanyagokat hozzunk létre betegségek kezelésére.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The c-Jun N-terminal Kinase (JNK) regulates many aspects of cellular life. It is comprised of a compact mitogen-activated protein kinase (MAPK) domain that is activated by phosphorylation in signaling pathways controlling cell differentiation, migration and stress responses. JNKs govern cellular fate by forming complexes with other proteins in the cytoplasm as well as in the nucleus. Our aim is to discover novel protein-protein complexes that play key roles in JNK mediated signaling and involve 1) importins that are critical for JNK's nuclear trafficking, 2) enzymes that post-translationally modify JNK and 3) transcription factors whose transcriptional activity is governed by JNK. We will characterize JNK-partner protein complexes biochemically and determine their three-dimensional structure. Next, we will devise strategies for modulating JNK signaling complex assembly and/or activation within the cell by site-specific labeling of JNK or its partner proteins. This can be accomplished by encoding unnatural amino acids with novel chemical groups into recombinant proteins allowing the use of bio-ortogonal approaches to label proteins within living cells. We will closely collaborate with internationally well-recognized Australian and Italian groups. This international team, including my group specializing in the structural and chemical biological investigation of JNK signaling complexes, has already submitted a joint proposal to the Australian Research Council with the same focus.

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.
JNK is a broad spectrum signaling regulator and we still do not know how such a compact kinase can regulate so many cellular processes. I believe that the answer lies in the diversity of its protein-protein interactions, and this proposal will explore this topic via structural and chemical biological approaches. I expect that these will give new mechanistic insight into JNK regulated transcriptional activation and microtubule dynamics in particular.

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.
Biochemical and structural characterization of key signaling complexes will reveal how JNK orchestrate diverse aspects of cellular life such as gene expression, cell division, apoptosis and differentiation. This information will be invaluable to elucidate principles of natural JNK mediated signaling circuit designs, to build novel signaling circuits with new function, and also for successful pharmaceutical intervention to modulate JNK mediated signaling in various diseases. In addition to biochemical and structural studies, one of the goals of the proposal is to investigate the formation of key protein-protein interactions in the natural (and spatial) context of the cell. This will allow us to directly test hypotheses in close physiologically relevant setups. The project will be carried as a collaboration between several labs located in Australia, Italy and Hungary. This will provide a unique opportunity for international cooperation between labs with different expertise. Hungarian young researchers will benefit from the project by visiting cooperating labs to work abroad short-term and by gaining experience in advanced techniques while working on a common project with cooperating foreign scientists.

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.
Cell contains signal transduction circuits that regulate when it should grow or divide. Malfunction in such pathways results in the uncontrolled growth associated with cancer or inflammatory diseases. The circuits are often made of proteins called kinases that communicate with one another with highly specific connections. Thus blocking kinase function is a major therapeutic strategy in the treatment of diseases. In order to efficiently interfere with the way kinases talk to other proteins, we need to elucidate the physical nature of encounters between these crucial signaling regulators and the proteins that they control. In this proposal we will obtain a three-dimensional map on protein complexes involving kinases. This will shed light on the nature of important protein-protein interactions. In addition, we will also devise experimental techniques to visualize the formation of protein kinase mediated interactions in living cells. This is important because depending on where kinases are localized in the cell they can be active or inactive or if they can form interactions with other proteins. These studies will discover how protein kinases control cellular signaling, give us three-dimensional maps on protein-protein contact surfaces which will then be more specifically targeted by drugs. These drugs could be highly effective in combating specific cancers or inflammatory diseases while exhibiting minimal side effects.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Munkánk során a JNK mitogén-aktivált protein kináz (MAPK) fehérje-fehérje kölcsönhatásait vizsgáltuk. Feltártuk azokat a szerkezeti sajátosságokat, melyek révén lineáris motívumok specifikus módon képesek kötődni a JNK-hoz és ezáltal lehetővé teszik a szubsztrátokban előforduló, fehérje-foszforiláció révén szabályozott régiók (ún. foszfókapcsolók) megfelelő szabályozását. Kidolgoztunk olyan eljárásokat, melyek segítségével a JNK kölcsönhatásai illetve aktivitása a sejten belüli teljes jelátviteli hálózatban is szelektíven tanulmányozható. A szerkezeti biokémiai és sejtes szintű vizsgálataink szintézise révén sikerült bemutatnunk, hogy a széles biológiai funkcióval bíró JNK a transzkripciós folyamatok szabályozását fehérje-fehérje kölcsönhatásainak organizmus szintű hangolásán keresztül éri el, mely során együttműködik más jelátviteli mediátorokkal (pl. p38). A komplex, kvantitatív szabályozás építőkövei a MAPK-kötő lineáris motívumok és az ezekhez funkcionálisan kapcsolt szubsztrátokban lévő foszfókapcsoló régiók. A feltárt törvényszerűségek szintetikus jelátviteli rendszerek felépítését illetve a JNK alapú patológiás folyamatok célzottabb gátlását segíthetik. Összhangban egy nemzetközi OTKA pályázat egyéb célkitűzéseivel a futamidő alatt megjelent 9 publikáció közül 7 esetben külföldi csoportokkal dolgoztunk együtt, mely nagymértékben növelte a nemzetközi kapcsolatrendszerünket.
Results in English
We investigated the protein-protein interactions of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) JNK. We showed that this enzyme, similarly to ERK and p38, uses short linear motifs to bind to substrates facilitating the phosphorylation of protein regions that work as functional switches (phosphoswitch). We developed in-cell procedures to be able to monitor protein-protein binding and activity of JNK in live cells: in the context of the full signaling kinase network. The combination of structural biochemical and cell-based techniques allowed us to understand how JNK as an ubiquitous signaling enzyme achieves biological specificity in controlling the activity of hundreds of its downstream substrates. We explored how JNK works together with other MAPKs (e.g. p38) to control transcription and found that different combinations of MAPK-binding linear motifs and functionally linked phosphoswitches guide MAPK mediated gene expression regulation. These molecular principles help the design of synthetic signaling circuits and may allow a more targeted inhibition of JNK based signaling pathologies. In agreement with the goals of an OTKA international collaboration grant, we worked together with 8 different international research teams from three different continents, which greatly increased our international visibility.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=114309
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zeke A, Bastys T, Alexa A, Garai A, Meszaros B, Kirsch K, Dosztanyi Z, Kalinina OV, Remenyi A: Systematic discovery of linear binding motifs targeting an ancient protein interaction surface on MAP kinases., MOL SYST BIOL 11: (11) , 2015
Kirsch K, Sok P, Remenyi A: Structural Reconstruction of Protein-Protein Complexes Involved in Intracellular Signaling., ADV EXP MED BIOL 896: 315-326, 2016
Zeke A, Misheva M, Reményi A, Bogoyevitch MA: JNK signaling: Regulation and functions based on complex protein-protein partnerships, MICROBIOL MOL BIOL R 80: (3) 793-835, 2016
Zeke A, Bastys T, Alexa A, Garai A, Meszaros B, Kirsch K, Dosztanyi Z, Kalinina OV, Remenyi A: Systematic discovery of linear binding motifs targeting an ancient protein interaction surface on MAP kinases., MOL SYST BIOL 11: (11), 2015
Zeke A, Misheva M, Reményi A, Bogoyevitch MA: JNK signaling: Regulation and functions based on complex protein-protein partnerships, MICROBIOL MOL BIOL R 80: (3) 793-835, 2016
Gógl G, Biri-Kovács B, Póti ÁL, Vadászi H, Szeder B, Bodor A, Schlosser G, Ács A, Turiák L, Buday L, Alexa A, Nyitray L, Reményi A: Dynamic control of RSK complexes by phosphoswitch-based regulation, FEBS JOURNAL 285:(1) pp. 46-71. (2018), 2018
Gouw M, Michael S, Samano-Sanchez H, Kumar M, Zeke A, Lang B, Bely B, Chemes LB, Davey NE, Deng Z, Diella F, Gurth CM, Huber AK, Kleinsorg S, Schlegel LS, Palopoli N, Roey KV, Altenberg B, Remenyi A, Dinkel H, Gibson TJ: The eukaryotic linear motif resource - 2018 update., NUCLEIC ACIDS RESEARCH 46:(D1) pp. D428-D434., 2018
Zeke A, Bastys T, Alexa A, Garai A, Meszaros B, Kirsch K, Dosztanyi Z, Kalinina OV, Remenyi A: Systematic discovery of linear binding motifs targeting an ancient protein interaction surface on MAP kinases., MOL SYST BIOL 11: (11), 2015
Zeke A, Misheva M, Reményi A, Bogoyevitch MA: JNK signaling: Regulation and functions based on complex protein-protein partnerships, MICROBIOL MOL BIOL R 80: (3) 793-835, 2016
Latré De Laté P, Haidar M, Ansari H, Tajeri S, Szarka E, Alexa A, Woods K, Reményi A, Pain A, Langsley G.: Theileria highjacks JNK2 into a complex with the macroschizont GPI (GlycosylPhosphatidylInositol)-anchored surface protein p104, Cellular Microbiology, 21(3):e12973, 2019
Gógl G, Biri-Kovács B, Durbesson F, Jane P, Nomine Y, Kostmann C, Bilics V, Simon M, Reményi A, Vincentelli R, Trave G, Nyitray L.: Rewiring of RSK-PDZ Interactome by Linear Motif Phosphorylation, Journal of Molecular Biology, 431(6):1234-1249, 2019
Sok P, Gógl G, Kumar GS, Alexa A, Singh N, Kirsch K, Sebő A, Drahos L, Gáspári Z, Peti W, Reményi A: MAP Kinase-Mediated Activation of RSK1 and MK2 Substrate Kinases, Structure, 28(10):1101-1113.e5, 2020
Klára Kirsch, András Zeke, Orsolya Tőke, Péter Sok, Ashish Sethi, Anna Sebő, Ganesan Senthil Kumar, Péter Egri, Ádám L. Póti, Paul Gooley, Wolfgang Peti, Isabel Bento, Anita Alexa & Attila Reményi: Co-regulation of the transcription controlling ATF2 phosphoswitch by JNK and p38, Nature Communications, 11(1):5769, 2020




 

Events of the project

  
2017-10-31 12:58:12
Résztvevők változása
2017-10-10 10:33:04
Résztvevők változása
2016-05-05 10:58:28
Résztvevők változása



Back »