|
 |
Details of project |
|
|
| Identifier |
119386 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Pál, Gábor |
| Title in Hungarian |
Konzorcium, társ p.: Kapcsolatok a komplementrendszer három aktiválódási útvonala között: A szerin proteázok egyedi funkciói |
| Title in English |
Consortional assoc.: Crosstalk between the three complement activation pathways: The individual roles of the serine proteases |
| Keywords in Hungarian |
természetes immunitás, komplementrendszer, szerin proteáz |
| Keywords in English |
natural immunity, complement system, serine protease |
| Discipline |
| Immunology (Council of Medical and Biological Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Immunology | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Enzimology |
|
| Panel |
Immunity, Cancer and Microbiology |
| Department or equivalent |
Department of Biochemistry (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Harmat, Veronika
Kiss, Bence
Szakács, Dávid
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2021-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
23.000 |
| FTE (full time equivalent) |
3.18 |
| 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 komplementrendszer (KR) a természetes immunválasz kulcsfontosságú eleme. A KR az immunrendszer részeként képes felismerni, megjelölni és megsemmisíteni a veszélyes struktúrákat: a behatoló patogéneket és a megváltozott saját sejteket. A KR egy proteolitikus kaszkádrendszer, ami három útvonalon – a klasszikus, a lektin és az alternatív úton – keresztül aktiválódhat. Jóllehet a három aktiválódási utat egymástól függetlennek szokták tekinteni, számos kölcsönhatás van közöttük. Valójában a KR szerin proetázai egymás szubsztrátjai és aktivátoraiként funkcionális hálózatot alkotnak vérünkben. Ha meg akarjuk érteni a komplement aktiváció valódi mechanizmusát, a hálózat egyes szerin proteáz elemeinek a szerepét kell vizsgálnunk erre alkalmas módszerrel. Nemrégiben specifikus inhibitorokat fejlesztettünk a lektin út három szerin proteáza (MASP-1, -2, -3) ellen. Ezeknek az inhibitoroknak a használatával tisztáztuk a lektin út aktiválódásának pontos mechanizmusát, és igazoltunk egy alapvető kapcsolatot a lektin út és az alternatív út között. Jelenlegi pályázatunkban a fenti megközelítést szeretnénk alkalmazni a klasszikus és az alternatív út proteázaira, valamint a szabályzásban szerepet játszó proteázra is. Irányított evolúción alapuló módszerrel specifikus inhibitort készítünk a C1r és C1s (klasszikus út), a D-faktor (alternatív út) és az I-faktor (reguláció) ellen. Ezeknek az inhibitoroknak az alkalmazásával különböző enzimológiai és funkcionális kísérleteket, szerkezeti méréseket végzünk, azért, hogy meghatározzuk az egyes proteázok szerepét a komplement kaszkádban és a természetes immunválaszban.
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 komplementrendszer (KR) egy több mint 30 fehérjéből álló bonyolult hálózat, amely az aktivációs felszíntől függően három különböző útvonalon keresztül aktiválódhat. A klasszikus (KÚ) , a lektin (LÚ) és az alternatív út (AÚ) aktiválódása a C3 komponens hasításához vezet, ami beindítja a közös terminális útvonalat. A három aktiválódási utat általában egymástól független, lineáris kaszkádként szokták kezelni. Valójában a KR, hasonlóan a többi vérben található kaszkádrendszerhez, egy csomóponti hálózatnak tekinthető, amely sokféleképpen kapcsolódik más proteolitikus hálózatokhoz. Ha meg akarjuk érteni a KR működési mechanizmusát, akkor külön-külön meg kell vizsgálnunk az egyes szerin proteázok szerepét és fel kell térképeznünk a kölcsönhatásaikat a hálózat más elemeivel. Kutatási koncepciónk lényege az, hogy szelektíven gátoljuk az egyes proteázokat in vitro evolvált specifikus inhibitorok segítségével. Ez a megközelítés egyedülálló a KR kutatásában. A korábbiakban ezt a megközelítést rendkívül sikeresen alkalmaztuk a lektin út esetében. Tisztáztuk az aktiválás valódi mechanizmusát és felfedeztünk egy fontos kapcsolatot a LÚ és az AÚ között. Ebben a pályázatban specifikus inhibitorokat fogunk fejleszteni a C1r és a C1s (KÚ), a D-faktor (AÚ) és az I-faktor (reguláció) ellen. A project végére teljes készletünk lesz a KR beindításában és szabályozásában résztvevő enzimeket specifikusan gátló inhibitorokból. In vitro kísérletek segítségével részletesen feltárjuk a KR aktiválódásának és szabályozásának mechanizmusát. Inhibitoraink ugyancsak megteremtik a lehetőségét annak, hogy az egyes komplement aktiválódási utak szerepét vizsgáljuk különböző betegségek állatmodelljeiben.
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 komplementrendszer (KR) a természetes immunitás részeként kulcsfontosságú szerepet tölt be a fertőzések elleni védekezésben és összekapcsolja a veleszületett és a szerzett immunválaszt. Megsemmisíti és eltávolítja a fertőző mikrobákat, a sejttörmeléket, és gyulladást kelt azáltal, hogy vészjelzések küld az immunsejteknek. A KR normális működése elengedhetetlen a homeosztázis fenntartása szempontjából; azonban a KR egy kétélű kard: könnyen megtámadhatja a saját egészséges sejteket is, ha szabályzása sérül. Egyre nyilvánvalóbbá válik, hogy a KR kontroll nélküli aktivációja különböző betegségek kialakulásához, fenntartásához és súlyosbodásához járul hozzá. A KR-rel kapcsolatos betegségek listája hosszú és egyre csak bővül, magában foglalva olyan népbetegségeket, amelyek egyre komolyabb problémát jelentenek a fejlett ipari társadalmakban: például szívinfarktus, szélütés, időskori makuladegeneráció, Alzheimer-kór. Nem véletlen, hogy a KR-be való terápiás beavatkozásban rejlő ígéretes lehetőségeket egyre több kutató, orvos és gyógyszergyár ismeri fel. Ahhoz, hogy hatékony gyógyszereket tudjunk fejleszteni a betegséget okozó komplement aktiválás ellen, meg kell ismernünk minden egyes komponens pontos szerepét a KR aktivációjában és regulációjában. Ennek a célnak az elérése érdekében specifikus, szubsztrát-szerű inhibitorokat fogunk fejleszteni a KR klasszikus és alternatív útjának beindításában, valamint a KR szabályzásában résztvevő proteázok ellen. Ezek az inhibitorok egyrészről értékes kutatási eszközök lesznek a szerin prozeázoknak a komplement hálózatban betöltött szerepének vizsgálatára, valamint a különböző kaszkádrendszerek közötti kölcsönhatások feltárására. Másrészt ezek az inhibitorok gyógyszerfejlesztési programok kiindulási molekuláiként szolgálhatnak. A KR kutatása világszerte új lendületet vett napjainkban. Számos kutatócsoport és gyógyszergyár kapcsolódott be (elsősorban gyógyszerfejlesztési céllal) a KR kutatásába. Konzorciumunk nagy nemzetközi elismerést vívott ki az elmúlt évek során a KR kutatásában, és minden reményünk megvan arra, hogy megőrizzük előnyös pozíciónkat, ha kutatásainkat tudjuk finanszírozni.
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 komplementrendszer egy fehérjemolekulákból álló hálózat a vérünkben, amely az immunrendszer részeként fontos feladatokat lát el a fertőzések elleni védelemben és a veszélyesen megváltozott saját struktúrák (pl. rákos sejtek, sejttörmelék) eltávolításában. A rendszer több mint harminc fehérjemolekulából áll, amelyek közül kiemelten fontosak a fehérjebontó enzimek (proteázok). Ezek az enzimek veszély esetén egymást lavinaszerű folyamatban aktiválják, hatékony választ alakítva ki ezzel a fertőző mikrobák és veszélyes saját struktúrák ellen. A komplementrendszer három különböző útvonalon: a klasszikus, a lektin és az alternatív úton keresztül aktiválódhat. Az eddigi kutatások során ezeket az útvonalakat különállóként kezelték, jóllehet a proteázok összefüggő hálózatot alkotnak a vérben. Kutatási tervünk lényege az, hogy olyan gátlószereket fejlesztünk ki irányított fehérjeevolúcióval, amelyek csak egy meghatározott proteázt gátolnak a hálózaton belül. Egy adott komponens gátlásán keresztül feltérképezhetjük, hogy a proteáz milyen szerepet tölt be az aktiválódás mechanizmusában, a hálózat milyen más elemeire van hatással. Az előző OTKA projektünkben sikeresen alkalmaztuk ezt a megközelítést a lektin út esetében. Tisztáztuk a lektin út aktiválódásának mechanizmusát, az egyes proteázok szerepét, és kimutattunk egy fontos kapcsolatot a lektin út és az alternatív út között. A jelenlegi kutatási tervünkben a másik két aktiválódási útvonal, a klasszikus és az alternatív út enzimei ellen fejlesztünk inhibitorokat. Ezek az inhibitorok egyrészt fontos alapkutatási eszközök lesznek, másrészt súlyos betegségek kezelését célzó gyógyszerek fejlesztésének első kiindulópontját jelentik.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The complement system (CS) is a key component of innate immunity. Although the CS is a component of the immune system, it has similarly broad spectrum of functions: recognizes, labels and eliminates dangerous structures such as invading pathogens and altered host cells. The CS is a proteolytic cascade that can be initiated through three activation routes: the classical, the lectin and the alternative pathway. Although the three activation pathways are generally considered as independent, they are interconnected in many ways. In fact the serine proteases of the CS are substrates and activators of one another forming a functional network in the blood. If we aim to understand the true mechanism of action of the CS, we need to study the roles of the individual serine protease members of this network. We have recently developed specific inhibitors against all three lectin pathway proteases: MASP-1, -2 and -3. Using these inhibitors we clarified the exact mechanism of lectin pathway activation and we proved a fundamental link between the lectin and the alternative pathway. In the present project we are going to extend this approach to the serine proteases of the classical and the alternative pathways, and to the single known negative regulator protease of the complement activation. Namely, we will develop specific inhibitors against C1r, C1s (classical pathway), factor D (alternative pathway) and factor I (regulation) by means of directed evolution. We are going to use these inhibitors in various structural studies, enzymological and functional assays, to reveal the exact role of the proteases in the complement cascade and their contribution to the innate immune response.
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 complement system (CS) is a sophisticated network of over 30 proteins and depending on the activation stimuli it can be triggered through three different pathways. The classical (CP), the lectin (LP) and the alternative pathway (AP) of complement activation result in the cleavage of C3 which initiates the common terminal pathway. The three initiation pathways are usually considered as independent linear cascades. In reality the CS, like the other blood-borne proteolytic cascades, should be depicted as a hub-like network that is also connected to other systems. If we aim to clarify the mechanism of action of the CS, we have to study the role of the individual CS proteases separately and map their interactions in the network. Our approach, which is unique on the complement field is to selectively block individual CS proteases via in vitro evolved mono-specific inhibitors. We have already demonstrated the great power of this approach in the case of the LP when we corrected the old model and revealed the genuine activation mechanism of the pathway. Moreover, in a very recent study we proved a fundamental link between LP and AP. In this project we will evolve specific inhibitors against C1r and C1s (CP), factor D (AP) and factor I (regulation). As a result, we will have a complete set of specific inhibitors against the proteases that initiate and regulate the complement cascade. In vitro measurements will provide a detailed model about the molecular mechanism of activation and regulation of the CS. Our novel inhibitors will also open up the way to study the individual physiologic and pathologic roles of the three complement activation pathways in animal models.
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.
The complement system (CS) is a key component of the innate immune defense against infection and it also bridges the innate to the adaptive immune response. It eliminates invading microbes and cellular debris, and triggers inflammation by sending danger signals to the cellular immune system. Normal activity of the CS is indispensable for maintaining homeostasis; however the CS is a double-edged sword: if not properly controlled it can attack and destroy host cells. It becomes more and more evident that uncontrolled CS activation contributes to the development, maintenance and worsening of numerous diseases and pathological conditions. The inventory of the CS-related diseases is long and includes major causes of death and disability in the industrialized world. These include myocardial infarction, stroke, age-related macular degeneration and Alzheimer’s disease. It is no wonder that therapeutic modulation of the complement system has been recognized as a promising approach by many researchers, clinicians and pharmaceutical companies. In order to develop novel and effective drugs against pathological complement activation, it is important to reveal the exact role of each complement components in the activation and regulation. After succeeding with lectin pathway inhibitors, we are going to develop, via directed protein evolution, specific substrate-like inhibitors against the classical and alternative pathway initiating complement proteases and against a central CS regulating protease. On the one hand our inhibitors will be useful research tools for deciphering the exact roles of the individual serine proteases in the complement network and to reveal the crosstalks between the proteolytic cascade systems. On the other hand our inhibitors can serve as lead molecules for future drug development projects aiming to develop anti-complement drugs. The research of the complement system has gained new impetus recently. Numerous research groups and pharmaceutical companies have launched their complement research program worldwide. Our collaborative research groups have been internationally recognized as a leading CS-studying team. If the project is funded we can deliver even more breakthrough findings on how the CS works.
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 complement system (CS) is a network of proteins in our blood. As being the part of our immune system it fights against infections and eliminates the dangerously altered host cells (e.g. cancer cell, cell debris). The CS consists of more than 30 proteins amongst which the most important components are the enzymes that digest proteins (proteases). These enzymes activate each-other in a cascade-like manner mounting a powerful response against infective microbes and dangerously altered self-structures. The complement system can be activated via three different routes: the classical (CP), the lectin (LP) and the alternative pathway (AP). These pathways have been considered as independent ones so far, although the proteases of the CS form an interacting network in the blood. Our approach is to develop specific inhibitors that will block only a given member of the protease network by means of directed evolution. Inhibiting a defined component we can map its interactions with other elements of the network and reveal its role in the mechanism of activation. In our previous OTKA project we applied the above principle in the case of the LP. We clarified the mechanism of activation, the role of the individual proteases, and proved an important link between the LP and AP. In the present project proposal we propose to develop specific inhibitors against the other two pathways: the CP and AP. On the one hand these inhibitors will be extremely useful tools in the basic research of the CS, on the other hand they can serve as lead molecules for developing drugs treating complement-related diseases.
|
|
|
|
|
