 |
Transcriptome analisis of transmembrane proteins
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
119287 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Tusnády, Gábor |
| Title in Hungarian |
Transzmembrán fehérjék transzkriptom analízise |
| Title in English |
Transcriptome analisis of transmembrane proteins |
| Keywords in Hungarian |
Transzmembrán fehérje, expresszió, alternatív gén termék, differenciális expresszió |
| Keywords in English |
Transmembrane protein, expresion, alternative gen |
| Discipline |
| Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Dobson, László
Laczka, Csilla
Langó, Tamás
Molnár, János
Reményi, István
Varga, Julia Kornélia
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2022-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
40.788 |
| FTE (full time equivalent) |
12.85 |
| 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 jelen pályázat fő kutatási területe a transzmembrán fehérjék transzkriptom vizsgálata. Két fő kérdést szeretnénk megválaszolni: egyrészt azt, hogy a mRNS szinten megjelenő alternatív splicing révén létrejövő különböző, transzmembrán fehérjét kódoló aminosav szekvenciák topológiája hogyan változik, és a topológia megváltozása hogyan hat a fehérje expressziójára, annak funkcionális helyére való eljutására. Másrészt azt vizsgáljuk, hogy a különböző, gyakran előforduló ráktípusokban (emlőrák, tüdőrák, májrák, vastagbélrák, stb.), hogyan változik meg a transzmembrán fehérjék splicingja és expressziója. Az első kérdéskört mind kísérletes (módosított topológiájú modell transzmembrán fehérje expressziójának vizsgálata áramlási citometriával, illetve konfokális mikroszkóppal, valamint funkcionális vizsgálata), mind bioinformatikai eszközökkel vizsgáljuk, a második területen a TCGA és CCLE adatbázisban elérhető nagymennyiségű mRNS szekvenálási adatot dolgozzuk fel. Ezen túlmenően vizsgáljuk majd a különböző sejtek felszínén és az egyes membránnal határolt sejtalkotó részecskék felszínén megjelenő transzmembrán fehérjéket kombinált proteomikai és bioinformatikai módszerekkel. Ezen vizsgálatok alapján fontos adatokat kaphatunk általánosságban a transzmembrán fehérjék expressziójáról, alternatív géntermékek képződéséről. Ezek az adatok hozzásegíthetnek a rákos folyamatok korai diagnosztikájához illetve a rák fejlődésének prognózisához, továbbá segíthet a megfelelő, akár személyre szabott gyógyszeres kezelés beállításában.
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 izoformáit leíró adatbázisokban található transzmembrán fehérjék nagy része a kanonikus formához képest megváltozott topológiával rendelkezik a topológia becslő algoritmusok szerint, de csak kevés tanulmány született eddig, amelyben ilyen megváltozott topológiájú transzmembrán fehérjét karakterizálnak. Hipotézisünk szerint az adatbázisokban megtalálható alternatív splice variánsokat kódoló mRNS-ek alapján csak azokban az esetekben képződhet funkcióképes transzmembrán fehérje, amennyiben az alternatív splicing révén a transzmembrán fehérje topológiája nem változik meg. Ezt a hipotézist szeretnénk kísérletes és elméleti úton igazolni, ami amellett, hogy segítené azon mRNS-ek azonosítását, amelyekről valóban képződhet megfelelő szerkezettel rendelkező transzmembrán fehérje, segíthet a mRNS szekvenálási adatok helyes értelmezésében. Ez a tudás a TCGA adatbázisban fellelhető mRNS szekvenálási adatok feldolgozása során nagy segítséget jelent, hogy pontosan meg tudjuk határozni azokat a transzmembrán fehérjéket, amelyek a különböző ráktípusokban funkcióképes állapotban termelődnek, illetve differenciáltan expresszálódnak. Mivel a transzmembrán fehérjék nagy része a plazmamembránban is megjelenik, ezért a sejtek külső részén megjelenő sejtfelszíni részeik ellen termeltetett antitesttel könnyen detektálhatóak, ami fontos szempont a rák korai diagnózisához és prognózisához szükséges biomarkerek kifejlesztésében.
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 biotechnológia hatalmas fejlődésének eredményeképpen ma már rendkívül olcsón és gyorsan meg lehet határozni az egyes élőlényekben, illetve azok különböző sejtjeiben levő DNS és RNS nukleotid szekvenciáit. Az elmúlt években robbanásszerűen megnőtt a különböző szekvenálási adatokat tartalmazó adatbázisok mérete. Ezen szekvenálási adatok feldolgozása óriási kihívás a bioinformatika számára. Az irodalomban sorra jelennek meg azok a bioinformatikai eljárások és adatbázisok, amelyek a különböző mRNS szekvenálási adatokat dolgozzák fel oly módon, hogy becslést adnak arra, vajon az adott mRNS-ből képződhet-e funkcionális fehérje. Ezekben az adatbázisokban azonban azt látjuk, hogy a transzmembrán fehérjék vizsgálata rendkívül kezdetleges, általában csak valamilyen topológia becslő eljárás eredményét adják meg az adott nukleotid szekvencia átírásából képződő transzmembrán fehérjére. Csoportunkban közel két évtizede foglalkozunk transzmembrán fehérjék topológia és szerkezet becslésével, valamint néhány éve kezdtünk el foglalkozni az új generációs szekvenálási adatok feldolgozásával és az így nyerhető adatok helyes interpretálásával. Jelen pályázatban e két területet összekapcsolásával szeretnénk megvizsgálni, hogy a különböző transzmembrán fehérjéket kódoló, alternatív splicing révén keletkező mRNS-ek közül melyek azok, amelyek „értelmes” fehérjét kódolnak, azaz a nukleotid szekvenciának aminosav szekvenciára történő lefordítása után stabil, a biológiai funkció elvégzésre alkalmas és a megfelelő helyre eljutó transzmembrán fehérje keletkezik. Mivel az alternatív splicing fontos szerepet játszik az egyedfejlődésben, a szöveti jellemzők kialakításában és a rák kialakulásában, ezért a kutatási eredményeinket ezeken a területeken lehet majd alkalmazni. Ezek közül a legfontosabb az alternatív splicing révén létrejövő transzmembrán fehérjék szerepének a tisztázása a rák kialakulásában, amely elvezethet új, a jelenleginél pontosabb és specifikusabb diagnosztikai és prognosztikai biomarkerek azonosításához.
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 transzmembrán fehérjék fontos szerepet játszanak az élő szervezet különböző biológiai funkcióiban, sok életfolyamatban vesznek részt az információáramlástól kezdve az anyagcsere-folyamatokig, az energiatermelő folyamatoktól a mozgásig. A transzmembrán fehérjék további jelentőségét mutatja az a tény is, hogy a gyógyszerek többsége transzmembrán fehérjéken fejti ki hatását, vagy ilyen fehérjékkel hat kölcsön. Az eddig meghatározott genomok szekvencia analízise szerint ezen fehérjék teszik ki a genomban kódolt fehérjék mintegy negyedét. A genomban levő DNS nukleotid szekvenciáról először mRNS képződik a kód átírásával, majd a kód lefordításával a polipeptid lánc. A mRNS érése során az intronok kivágódnak (splicing) és a megmaradt RNS részek (exonok) fordítódnak le aminosav szekvenciára. Ez az érési folyamat az alternatív splicing révén eltérő lehet az egyedfejlődés során, a különböző szövetekben, vagy a rákos folyamatok eredményeképpen, és így ugyanarról a génről több különböző polipeptid lánc képződhet. Van olyan emberi gén, amelyről több mint 35.000 különböző mRNS képződik. Egyes becslések szerint a közel 20 ezer génről több százezer különböző fehérje képződhet. Csoportunkban az elmúlt években jelentős eredményeket értünk el a transzmembrán fehérjék elméleti és kísérletes szerkezet vizsgálatában, jelen pályázatban ezt a tudásunkat szeretnénk kamatoztatni a transzmembrán fehérjék alternatív splicing illetve egyéb, expressziójukat meghatározó körülmények vizsgálatában. A vizsgálat eredményei nagyban hozzájárulnak majd a rák kialakulásának, illetve fejlődésének megértéséhez, illetve pontos diagnosztikai markerek azonosításához.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main research area of the current proposal is the investigation of the transcriptome of transmembrane proteins. We attempt to answer two important questions: 1, how is the topology of transmembrane proteins encoded by alternatively spliced mRNAs altered and how does altered topology affect the expression, function and trafficking of transmembrane proteins. 2, we will investigate alternative splicing events and the differential expression of transmembrane proteins in the most frequent cancer types (breast, lung, liver, colon etc.). To answer the first question we will investigate the expression and localization of model transmembrane proteins with modified topology by flow cytometry and confocal microscopy. Additionally we will perform bioinformatical studies. The second question requires the processing of mRNA sequences in the TCGA and CCLE databases. In addition, we will investigate the transmembrane proteins present on the cell and organelle surfaces by combined proteomic and computer assisted theoretical methods. These investigations will result in large set of data about the expression and alternative splicing of transmembrane proteins, which may lead to the development of diagnostic biomarkers for early detection of various cancer types and as potential prognostic markers. It may also help the development and adjustment of personalized medication and targeted cancer treatments.
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.
The results of topology prediction methods show that the topologies of the majority of the various isoforms of transmembrane proteins listed in the databases differ from the topology of the principal or canonical form. However, there are only a few reports about the experimental characterization of the isoforms potentially resulting proteins with altered topologies. Our hypothesis is that the mRNAs of various isoforms may code functional transmembrane proteins only if the topology of the alternative form does not differ from the topology of the canonical form. We will investigate this hypothesis by experimental and theoretical methods that, in addition to the identification of mRNAs that code functional transmembrane proteins, might help in better interpretation of next generation sequencing data. This knowledge will provide great help in processing the data obtained from the TCGA database. The knowledge obtained from our planned work will promote to identify those alternatively spliced transmembrane protein mRNAs that result in a properly folded transporter. Our results may also help to identify those functionally relevant transcripts that are differentially expressed in various cancer types. Since the majority of transmembrane proteins are displayed in the plasma membrane, the antibodies produced against the extracellular part of transmembrane proteins can easily detect these proteins, which is an important feature to develop biomarkers for the early diagnosis and prognosis of cancer development.
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.
Transmembrane proteins mediate fundamental biological processes such as cell signaling, transport of membrane-impermeable molecules, cell–cell communication, cell recognition and cell adhesion. The structural characterization of these proteins is of great importance in the understanding of various disease mechanisms and in drug discovery, as more than half of medically applied drugs interact or react with these proteins. Due to the recent rapid development of biotechnology tools and due to the drop in next generation DNA and RNA sequencing costs, the size of databases containing sequencing data has been exponentially grown. The analysis of these data poses a challenge for the field of bioinformatics. In the literature there are numerous examples of bioinformatical methods aiming to predict whether an alternative protein isoform translated from an alternatively spliced mRNA may result in a functional protein. Moreover, databases were built around these methods. However, in these databases information for transmembrane proteins are based on a very preliminary approach, namely the nucleotide sequences are translated to amino acid sequences, and then a topology prediction algorithm is utilized. Our research group has been engaged in the prediction of the topology and the structure of transmembrane proteins over the last two decades and we started to work on the right interpretation of next generation sequencing data a few years ago. In the current research, we plan to examine the transmembrane protein isoforms translated from alternatively spliced mRNAs by joining these two areas, with special focus on the potential of these isoforms to perform their biological functions. Because alternative splicing plays an important role in ontogenesis, in the formation of tissue features and in carcinogenesis, our future results may be utilized in the fields analyzing these processes. The knowledge obtained by our work may be relevant to ascertain the role alternative transmembrane protein isoforms in the formation of tumors. This may lead to the development of new, more accurate diagnostic and prognostic biomarkers.
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.
Cells as well as cell compartments in the eukaryotic cell are surrounded by membranes. As the lipid bilayer forming the membrane is impermeable for water and water soluble materials, special gates are needed to allow their transit. These gates are formed by transmembrane proteins. Transmembrane proteins play essential roles in various biological processes, yet the study of their structure and function is a very complicated, often unsolved issue. Many drugs also exert their effect on transmembrane proteins or interact with them. According to the sequence analysis of genomes determined so far, about quarter of the genes encode transmembrane proteins. The nucleotide sequence of DNA is first transcribed into mRNA and then mRNA is translated into a polypeptide chain. During the maturation of mRNA, introns are spliced out and the remaining sequences, called exons, are used for translation. Alternative splicing may happen during ontogenesis, in different tissues or as a result of malignus transformation of the cell, leading to the formation of different protein products from the same gene. A human gene may have up to 35,000 alternative products. Some estimates suggest that hundreds of thousands different proteins may be produced from the 20,000 human genes. Lately, our group has reached notable results in the theoretical and experimental research of the structure of transmembrane proteins. We would like to exploit this knowledge to examine alternative splicing and other factors that affect the expression of transmembrane proteins. Our results may help the understanding of the formation and development of cancer as well as the identification of accurate diagnostic markers.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Varga J and Tusnady, GE: TMCrys: predict propensity of success for transmembrane protein crystallization., Bionformatics 34, 3126-3130, 2018 | | Barath, D, Jaksa-Czotter, N, Molnar, J, Varga, T, Balassy, J, Szabo, LK, Kirilla, Z, Tusnady, GE, Preininger, E and Varallyay, E: Small RNA NGS Revealed the Presence of Cherry Virus A and Little Cherry Virus 1 on Apricots in Hungary, Viruses 10, E318., 2018 | | Dobson, L, Meszaros, B and Tusnady, GE: Structural Principles Governing Disease Causing Germline Mutations, J Mol Biol S0022-2836, 31101-X, 2018 | | Varga Julia K, Tusnády Gábor E: The TMCrys server for supporting crystallization of transmembrane proteins., BIOINFORMATICS, 2019 | | Farkas, B, Csizmadia, G, Katona, E, Tusnady, GE and Hegedus, T: MemBlob database and server for identifying transmembrane regions using cryo-EM maps, Bioinformatics, btz539, 2019 | | Anna Müller, Tamás Langó, Lilla Turiák, András Ács, György Várady, Nóra Kucsma, László Drahos & Gábor E. Tusnády: Covalently modified carboxyl side chains on cell surface leads to a novel method toward topology analysis of transmembrane proteins, Scientific Reports, in press, 2019 | | Langó T., Pataki Z.G., Turiák L., Ács A., Varga J.K., Várady G., Kucsma N., Drahos L., Tusnády G.E.: Partial proteolysis improves the identification of the extracellular segments of transmembrane proteins by surface biotinylation, SCIENTIFIC REPORTS 10: (1) 8880, 2020 | | Kozák E, Szikora B, Iliás A, Jani P K, Hegyi Z, Matula Zs, Dedinszki D, Tőkési N, Fülöp K, Pomozi V, Várady Gy, Bakos É, Tusnády G E, Kacskovics I, Váradi A: Creation of the first monoclonal antibody recognizing an extracellular epitope of hABCC6., FEBS LETTERS, 2020 | | Bakos É., Tusnády G.E., Német O., Patik I., Magyar C., Németh K., Kele P., Özvegy-Laczka C.: Synergistic transport of a fluorescent coumarin probe marks coumarins as pharmacological modulators of Organic anion-transporting polypeptide, OATP3A1, BIOCHEMICAL PHARMACOLOGY 182: (December 2020) 114250, 2020 | | Csizmadia G., Farkas B., Katona E., Tusnády G.E., Hegedűs T.: Using MemBlob to Analyze Transmembrane Regions Based on Cryo-EM Maps, In: Gáspári, Zoltán (szerk.) Structural Bioinformatics, Springer US (2020) pp. 123-130., 2020 | | Czimer Dávid, Porok Klaudia, Csete Dániel, Gyüre Zsolt, Lavró Viktória, Fülöp Krisztina, Chen Zelin, Gyergyák Hella, Tusnády Gábor E., Burgess Shawn M., Mócsai Attila, Váradi András, Varga Máté: A New Zebrafish Model for Pseudoxanthoma Elasticum, FRONTIERS IN CELL AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY 9: 628699, 2021 | | Dobson Laszlo, Zeke András, Tusnády Gábor E: PolarProtPred: Predicting apical and basolateral localization of transmembrane proteins using putative short linear motifs and deep learning, BIOINFORMATICS, 2021 | | Tálas András, Huszár Krisztina, Kulcsár Péter István, Varga Julia K, Varga Éva, Tóth Eszter, Welker Zsombor, Erdős Gergely, Pach Péter Ferenc, Welker Ágnes, Györgypál Zoltán, Tusnády Gábor E, Welker Ervin: A method for characterizing Cas9 variants via a one-million target sequence library of self-targeting sgRNAs, NUCLEIC ACIDS RESEARCH 49: (6) e31, 2021 | | Zeke A., Dobson L., Szekeres L.I., Langó T., Tusnády G.E.: PolarProtDb: A Database of Transmembrane and Secreted Proteins showing Apical-Basal Polarity, JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY 433: (11) 166705, 2021 | | Laszlo Dobson, Gábor E Tusnády: MemDis: Predicting Disordered Regions in Transmembrane Proteins, Int J Mol Sci . 2021 Nov 12;22(22):12270. doi: 10.3390/ijms222212270., 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
