 |
The role and dynamics of histone acetylation and ubiquitylation in Drosophila neurons
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116372 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Boros, Imre Miklós |
| Title in Hungarian |
Hiszton acetiláció és ubikvitiláció szerepe és dinamikája ecetmuslica idegsejtekben |
| Title in English |
The role and dynamics of histone acetylation and ubiquitylation in Drosophila neurons |
| Keywords in Hungarian |
kromatin, acetiltranszferáz, deubikvitiláz, fehérje bontás, génműködés, neurodegeneráció, memória |
| Keywords in English |
chromatin, acetyltransferase, deubiquitylase, protein degradation, gene expression, neurodegeneration, memory |
| Discipline |
| Epigenetics and gene regulation (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular genetics | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Cytochemistry |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Deák, Péter
Henn, László
Kovács, Levente
Pál, Margit
|
| Starting date |
2016-01-01 |
| Closing date |
2020-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.918 |
| FTE (full time equivalent) |
15.39 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A genom működése a nukleoszóma hisztonok cseréivel és módosításaival valósul meg. A “hiszton kód hipotézis” szerint a módosítások jelekként szolgálnak a kromatinon ható fehérjéknek. Számos esetben azonban a hiszton módosítások funkciója nem ismert és feltételezhetjük, hogy van közöttük olyan, amelyik nem génműködés szabályozó, hanem más szerepet tölt be. Például a hisztonok ubikvitilációja szolgálhat a szabad ubikvitin szint szabályozására, ami a fehérje homeostazis fenntartásához fontos. A hisztonok kicserélődése és pótlása is számos érdekes problémát vet fel, mert szintézisük döntően a sejtciklus S fázisára korlátozott. Felmerül a kérdés, hogy hogyan pótlódnak a károsodó hiszton molekulák és milyen szabályok szerint cserélődnek a nem osztódó idegsejtekben. A projekt célkitűzése válaszokat nyerni ezekre a kérdésekre idegszövetben történő hiszton módosítás és kicserélődés vizsgálatával az in vivo kísérletekre is hatékonyan használható Drosophila modellt alkalmazva. Azokra a kérdésekre keresünk választ, hogy milyen a kapcsolat a szabad és a kromatinhoz kapcsolt ubikvitin pool között, milyen deubikvitiláló enzimek játszanak szerepet ennek a szabályozásában és milyen hatása van a pool változásának a génműködésre és a fehérje homeosztázisra. Keressük a választ arra is, hogy hogyan cserélődnek a nukleoszómas hisztonok nem osztódó sejtekben, milyen szerepet játszanak a kicserélődésben az S fázison kívül is működő hiszton gének termékei és milyen az összefüggés a kicserélődés és a módosítások, valamint a génműködés intenzitása között. Vizsgálni fogjuk továbbá, hogy a hiszton kicserélődés és módosítás, illetve annak hibái hogyan befolyásolják memóriát és neurodegenerációt.
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.
Munkánk alapját annak felismerése adja, hogy a kromatin szerkezet meghatározza a genom működését és a nukleoszómák szerkezete dinamikusan változik. Ebből következik, hogy a génműködés változások okainak megértéséhez, meg kell értenünk, hogy milyen hatások határozzok meg a nukleoszómák átrendeződéseit és hogyan változik szerkezetük. A projektben ezzel a célkítűzéssel vizsgáljuk a nukleoszóma szerkezet és transzkripció intenzitás közötti ok-okozati kapcsolatokat. Legfontosabb kérdéseink arra vonatkoznak, hogy mi a hiszton ubikvitiláció szerepe és milyen a nukleoszómák hisztonjainak kicserélődése nem osztódó sejtekben. A hiszton ubikvitiláció egyes adatok szerint a transzkripcióval van szoros összeföggésben, mások szerint a sejt szabad ubikvitin szintjének szabályozásában játsztik fontos szerepet. A replikációval összehangolt hiszton szintézis hiányában, nem osztódó sejtekben helyettesítő hisztonok szintézise zajlik. Ezek fontos szerepet játszanak az olyan hosszú élettartamú sejtekben mint az idegsejtek, mert a természetes elhasználódás és a transzkripció változások az ilyen sejtekben is megkívánják a hisztonok pótlását és cseréjét. Olyan kísérleteket tervezünk, amelyekkel Drosophila idegsejtekben vizsgálhatjuk a hiszton ubikvitiláció, valamint helyettesítő hiszton H4 és specifikus H4 módosítások szerepét a hisztonok kicserélődésében és a transzkripcióban. Az eredmények feltárják majd, hogy hosszú élettartamú sejtekben hogyan biztositott a nukleoszóma szerkezet megőrzése és hogy egyes hiszton módosítások milyen szerepet játszanak a memória kialakuláshoz és fenntartáshoz szükséges transzkripció változásokban és neurodegenerative folyamatokban.
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 kromatin szerkezeti alapegységei nukleoszómák, ezért a nukleoszómák dinamikájának megismerése előfeltétel a genomi folyamatok megértéséhez. A nukleoszómák magvát hiszton fehérjék képezik, melyek döntő többsége a DNS replikációval összehangoltan szintetizálódik. Replikáció hiányában, nem osztódó sejtekben helyettesítő hiszton gének expresszálódnak. Annak ellenére, hogy számos hiszton módosítás szerepéről sok ismeretünk egyes módosítás típusok, pl a hiszton monoubikvitiláció szerepe nem egyértelmű. Hasonlóan nagyon keveset tudunk a helyettesítő, nem kanonikus hiszton H4 gének szerepéről. A projektben a Drosophila helyettesítő hiszton H4 gén és hiszton monoubikvitiláció idegsejtekben és a memória kialakításában játszott szerepének vizsgálatára alkalmas kísérleti rendszert hozunk létre. Ez a kutatási irány közvetlenül kapcsolódik az olyan próbálkozásokhoz, amelyek a hiszton módosítások befolyásolásával próbálnak új terápiás lehetőségeket feltárni. A hiszton acetilázok és deacetilázok működését befolyásoló drogok fejlesztése legjobban a rákkutatás terén előrehaladott. Egyre több adat utal arra azonban, hogy kromatin módosítások fontos szerepet játszanak idegi működésekben egészséges és megbetegedett állapotban egyaránt (pl. memória kialakításában, neurodegeneratív megbetegedésekben, mint pl. a Parkinson betegség). A terminálisan differenciálódott nem osztódó idegsejtek a kromatin átrendeződések és más epigenetikai változások más jellegzetességeket mutatnak, mint a gyorsan szaporodó sejtekben tapasztaltak. Az idegsejtek hosszú élettartama további ok a bennük lezajló hiszton módosítások vizsgálatára, mert a kor előrehaladásával a nukleoszómák mennyisége csökken. Érdekes kérdések, hogy ez a jelenség oki kapcsolatban áll-e a hisztonok pótlásában fennálló korlátokkal és összefügg-e ezzel az idegrendszer korral csökkenő aktivitása. Ezeknek a kérdésekre a válasz nyilvánvalóan nem csak a muslicát érinti, hanem általános jelentőséggel bír. A muslica ugyanakkor kiváló modellt kínál ezeknek az általános érdeklődésre számottartó kérdéseknek a megválaszolásához.
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 genomot alkotó óriási mennyiségű DNS csak speciálisan összecsomagolva fér el a sejtmagban. A csomagolási alapegységek a nukleoszómák: hiszton fehérjékből álló magra feltekert rövid DNS részletek. Mivel az összecsomagolás azt is meghatározza, hogy a DNS milyen részei hozzáférhetők, vagy rejtettek, a nukleoszómák és a hiszton fehérjék a genetikai anyag működését is meghatározzák. A projektben azokat a mechanizmusokat vizsgáljuk, amelyekkel a sejt szabályozza a DNS összecsomagolás mértékét. Vizsgálni fogjuk, azt hogyan tartja fenn a sejt a nukleoszómák szerkezetét és hogyan módosítja azt hiszton fehérjék kicserélésével, vagy megváltoztatásával azért, hogy a változtatás eredményeként specifikus géneket bekapcsoljon, vagy kikapcsoljon. Új a tervezett vizsgálatokban az, hogy a kromatin szerkezetének változása és a gének működése közötti összefüggéseket olyan hosszú életű, nem osztódó sejtekben vizsgáljuk, mint amilyenek az idegsejtek. A tervezett kísérletekkel tesztelni fogjuk azokat a hipotéziseket is, amelyek szerint a memória kialakulásában meghatározó egyes hiszton H4 módosítási formák jelenléte a gének egy adott csoportján, valamint, hogy a hiszton ubikvitiláció hibája neurodegenerációt okoz. Az eredmények hozzájárulnak majd a memória kialakulásának és fenntartásának jobb megértéséhez. E mellett pedig feltárhatnak olyan gyógyszer támadási pontokat is, amelyeken át a DNS becsomagolódási állapot megváltoztatásával neurológiai megbetegedések kezelésére lehet eljárást találni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The functions of the genome require dynamic changes in chromatin structure, which is facilitated by modifications and exchanges of nucleosomal histones. The histone code hypothesis postulates that reversible post-translational modifications of nucleosomal histones play important roles by representing signals for proteins acting on the chromatin. On several cases, however, the relationship between specific chromatin marks and chromatin functions is unclear and it is conceivable that histone modifications serve also other functions than gene expression regulation. For example it was suggested that the ubiquitylation of histones is more important for the maintenance of the ubiquitin homeostasis of the cells then for regulation of transcription. The maintenance of the histone pool itself also poses several interesting questions in particular concerning its mechanism in long living, non-dividing cells such as the neurons are. We intend to answer some of these questions by studying the role of histone mono-ubiquitylation and the exchange of histone H4 and its acetylated forms in neurons. We are interested in exploring the effects of nucleosomal histone modifications on the homeostasis of ubiquitin and histones. Furthermore, we wish to explore how histone modifications and changes in them might contribute to neuronal functions and neurodegeneration. For these studies we will use Drosophila, which serves as an excellent model for higher order metazoans. Our laboratories have experiences with use of the advanced tools of Drosophila genetics and chromatin studies. Consequently, we expect to complete the planned experiments by generating significant amount of interesting new data.
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.
We want to explore how specific post-translational modifications and exchange of nucleosomal histones contribute to genome functions in non-replicating cells. The two primary questions we aim to answer are that whether the mono ubiquitin modifications of histones serve primarily the regulation of transcription or to keep the balance of the ubiquitin pool, and whether non-replicating nerve cells have specific mechanisms to exchange and replace histones. In connection with these questions we wish to explore whether the acetylation state of H4 and ubiquitylation of H2A and H2B in neurons of the Drosophila brain play roles in nucleosome turnover, bookmarking genes for transcription, memory formation and development of neurological disorders. The experimental approach we will use include genetic analysis of mutants affecting genes involved in histone modifications and targeted expression of epitope-tagged wild-type and mutant histone variants in live animals. We will employ chromatin immunoprecipitation and genome-wide and gene specific transcriptome analysis to explore the effects of H4 acetylation and H2 monoubiquitylation on the changes of the ubiquitin and the histone pools and transcription regulation. Furthermore we will study the role of histone exchange and modifications in long term memory formation and development of neurological disorders.
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.
Chromatin research is one of the most rapidly advancing topics in biology that has direct effects on both the theoretical and the practical progress on such important fields as cancer biology, stem cell research or neurobiology. Nucleosomes are the fundamental units of chromatin structure, therefore understanding nucleosome dynamics is a prerequisite to understand genomic processes. Histone proteins form the core of nucleosomes. The majority of histones are synthesized in concert with DNA replication and our knowledge on the maintenance of the histone pool and the exchanges of histones in non-dividing cells is very limited. Similarly limited is our knowledge on the function of some of the specific nucleosomal histone modifications, most notable among them on histone mono-ubiquitylation. The project that we propose will establish an experimental system for studying histone replacement and modifications in non-dividing cells. This direction of chromatin research can lead to identification new therapeutic approaches by interfering with histone modification processes and with the protein homeostasis of the cells. The development of new drugs acting on histone modifiers is most advanced in cancer related studies. Increasing amount of data suggests, however, roles for chromatin modifications in neuronal functions both in healthy and diseased cells (memory formation, neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease). Since neurons are terminally differentiated, non-dividing cells, epigenetic changes in them might occur through mechanisms different than those in rapidly dividing cancer cells. The long life span of neurons further justifies studying questions of histone modifications and replacements in them. It is believed that by cellular aging nucleosome density is decreasing genome wide. Whether this has any relation to the size of histone pool and to the decreasing neuronal activity characteristic for advancing age are interesting questions. The answers to these questions have great significances beyond Drosophila, that is on the other hand is an excellent model to seek answers.
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 large amount of genome DNA is kept within the confines of the cell nucleus via specific packaging. The basic units of packages are the nucleosomes, consisting of a short segment of DNA wrapped around a core of histone proteins. Since the tightness of packaging also controls access to DNA, nucleosomes and histones play key roles in regulating the expression of the genetic material. Moreover, modifications on the histones are believed to serve as signals for proteins acting on the chromatin. The project will explore mechanisms which are used by the cells to vary the tightness of DNA packaging. It will characterize mechanisms by which cells maintain nucleosome structure and change it by exchanging and modifying histones in order to give way for specific genes to turn on. In particular we will study, whether specific modifications serve to regulate transcription or to regulate the available free pools of important molecules within the cells. A novelty of the proposed work is that it will study the relationship between chromatin packaging and gene functions in long-living cells, like those of the neurons. The experiments planned will test the hypothesis that for the formation of memory, neurons keep specific genes in an open chromatin structure, thus permitting their function. The expected results can contribute not only to a better understanding of memory formation, but also to the identification of novel drug targets, by which the development of various neurological diseases might be affected.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
