Biological basis of diseases related to the above (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Biochemistry and molecular mechanisms of signal transduction (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Gastroenterology, hepatology (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Gastroenterology
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Department of Biochemistry and Molecular Biology (University of Debrecen)
Participants
Tőzsér, József
Starting date
2016-11-01
Closing date
2019-10-31
Funding (in million HUF)
15.090
FTE (full time equivalent)
2.40
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 krónikus pancreatitis a hasnyálmirigy súlyos gyulladásos betegsége, amelyet hisztológiai elváltozások, acinus sejt vesztés, fibrózis és leukocita infiltráció jellemez. Egyúttal velejárója lehet a hasnyálmirigy funkcionális zavara, cukorbetegség és rák kialakulása is. Örökletes genetikai rizikófaktorok különösen gyermekekben tehetők felelőssé a betegség kialakulásáért. Mutációk a hasnyálmirigyben kifejeződő génekben PRSS1 (kationos tripszin), CTRC (kimotripszin C), SPINK1 (serine protease inhibitor Kazal type 1), stb. genetikailag hajlamosithatnak krónikus pancreatitisre. Tudásunk a betegség patomechanizmusának megértésében jelentősen bővült az elmúlt évtizedben. Eddigi kutatások arra utalnak, hogy a mutációk bizonyos génekben két egymástól független úton válthatnak ki pancreatitist. Az egyik útvonal korai tripszin aktiváláson, míg a másik a fehérjék felgombolyodási hibáján keresztül történik. A kutatási pályázatunk célja azt igazolni, hogy mellyek az ismert SPINK1 mutációk közül a krónikus pancreatitis rizikó faktorai; kimutatni, hogy a mutációk a SPINK1 funkcióját hogyan változtatják; valamint felderíteni azokat mechanizmusokat, amellyek fokozzák a betegség rizikóját.
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 SPINK1 proteáz inhibitor funkciója a humán tripszin izoformák gátlása, ezáltal védve a hasnyálmirigyet a proteázok bontó hatásával szemben. Mutációk akadályozhatják a SPINK1 inhibitort funkciójának betöltésében. Mivel a legtöbb SPINK1 mutáció ritka, kizárólag genetikai vizsgálatokkal nem lehet megállapítani mely mutációk felelősek a pancreatitis kialakulásáért. A SPINK1 mutációk patomechanizmusa is kevéssé ismert. Funkcionális és mechanisztikus vizsgálatokra van tehát szükség, hogy azonosítsuk a patogén mutációkat, és hogy megfejtsük a betegség kialakulásához vezető kóros útvonalakat. Korábbi kutatások arra utalnak, hogy néhány mutáció a SPINK1 inhibitor szintézisét csökkentheti, ami nem megfelelő tripszin gátláshoz vezet, ezzel növelve a betegség kialakulásának esélyét. Azonban egyébb lehetséges patomechanizmusok pl. SPINK1-tripszin kötődési affinitás gyengülés vagy a SPINK1 protein feltekeredési hibája, endoplazmatikus retikulum (ER) stressz és gyulladási folyamatok indukciójának tesztelése eddig nem történt meg.
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! Epidemiológiai kutatások alapján a krónikus pancreatitis prevalenciája és incidenciája világszerte 10-100 közötti százezer egyénre vonatkoztatva. Genetikai vizsgálatok arra utalnak, hogy a mutációk szerepe jelentős a krónikus pancreatitis kialakulásában. A betegség jelenleg nem megelőzhető, és gyógymód sem áll rendelkezésre. Az alkalmazott terápia csupán támogató jellegű, főként fájdalom csillapításra, enzim pótlásra és a komplikációk enyhítésére korlátozódik. Eredményeink hozzájárulnak majd a SPINK1 mutációk patomechanizmusának megértéséhez, és ezáltal egy jövőbeli terápia kifejlesztéséhez. In vitro biokémiai kisérleteket fogunk alkalmazni, hogy megvizsgáljuk a SPINK1 inhibitor tripszinhez való kötődési affinitását. Tanulmányozni fogjuk azt is, hogy a SPINK1 feltekeredési hibája milyen sejtes választ eredményez hasnyálmirigy acinus sejtekben.
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 humán hasnyálmirigy egyik fő funkciója olyan enzimek termelése, amelyek a táplálék emésztéséhez szükségesek. Normál esetben ezek az enzimek a bélbe jutva lesznek működő képesek. Szabályozásuk nagyon fontos, mivel a túl korai aktivációjuk a hasnyálmirigy önemésztéséhez és hasnyálmirigy gyulladáshoz vezethet. Sok esetben mutációk az enzimekben és azok szabályozó fehérjéiben fokozhatják a betegség kialakulásának esélyét. Célunk annak vizsgálata, hogy a SPINK1 nevű szabályozó fehérjében mutációk hogyan okozhatnak hasnyálmirigy gyulladást.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Chronic pancreatitis is a progressive inflammatory disease of the pancreas characterized by histological changes, acinar cell loss, fibrosis, and leukocyte infiltration which are accompanied by loss of pancreatic function, the development of diabetes and cancer. Especially in pediatric populations congenital genetic risk factors are responsible for the development of the disease. Mutations in genes expressed by the pancreas such as PRSS1 (cationic trypsin), CTRC (chymotrypsin C), SPINK1 (serine protease inhibitor Kazal type 1) can act as predisposing factors of chronic pancreatitis. Our knowledge significantly improved in the past ten years to understand the pathomechanisms of the disease development. Mutations in genetic risk factors appear to cause chronic pancreatitis via two independent pathological pathways which involve either premature trypsin activation or protein misfolding. The aim of the present grant proposal is to ascertain that exonic mutations in human SPINK1 are novel risk factors for chronic pancreatitis; to elucidate the functional consequences of SPINK1 mutations and to identify the mechanism by which these mutations increase disease risk.
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 physiological role of SPINK1 is the inhibition of trypsin isoforms, therefore protecting the pancreas against auto-digestion. Mutations may hamper the function of SPINK1. As SPINK1 exonic mutations are relatively rare, genetic analyses alone cannot elucidate their role in chronic pancreatitis. Furthermore, the mechanisms by which SPINK1 mutations induce pancreatitis remain uncertain. Functional and mechanistic studies are necessary to identify pathogenic mutations and to reveal the mechanism of chronic pancreatitis development. Earlier studies suggest that some mutations reduce SPINK1 level inside the pancreas causing insufficient trypsin inhibition and therefore increasing the risk for disease development. However, other pathological mechanisms such as reduced binding affinity to trypsin or the induction of endoplasmic reticulum (ER) stress and inflammation due to protein misfolding might also be important.
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. Epidemiological studies have showed that both prevalence and incidence of chronic pancreatitis are between 10 and 100 per 100,000 worldwide. Genetic studies have indicated that mutations have a huge impact in chronic pancreatitis initiation. Currently there is no specific prevention or therapy available; treatment is supportive and is typically focused on management of pain, pancreatic insufficiency and complications. Our results will help us understand the pathomechanism of chronic pancreatitis initiated by SPINK1 mutations and develop new potential therapies. We will use in vitro biochemical assays to determine the binding affinity of SPINK1 on tryspin and to study how SPINK1 misfolding induces cellular responses in pancreatic acinar cells.
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. One of the main functions of the human pancreas is the production of enzymes that are necessary for food digestion. Under normal circumstances these digestive enzymes are secreted into the gut where they are activated. The regulation of these enzymes is crucial, as the early activation of them results in the auto-digestion of the organ leading to an inflammatory disease called pancreatitis. In many cases mutations in these enzymes or in their regulators are risk factors for the disease. Our aim is to study how natural mutations in one of the regulator proteins, called SPINK1 are responsible for pancreatitis.
Final report
Results in Hungarian
A SPINK1 tripszin inhibitor egy kisméretű fehérje, amelyet az exokrin hasnyálmirigy termel és szekretál a bélbe. A SPINK1 feladata az emésztésben résztvevő tripszin proteáz aktiválásának késleltetése, és ezáltal a hasnyálmirigy védelme önemésztéssel és krónikus pancreatitis kialakulásával szemben. Ritka funkcióvesztéses mutációk a SPINK1-ben növelhetik a betegség kialakulásának esélyét. Célul tűztük ki annak vizsgálatát, hogy megállapítsuk mely mutációk okozhatnak betegséget, és milyen molekuláris mechanizmus áll ezek hátterében. Az irodalomban fellelhető adatokkal összhangban eredményeink azt mutatták, hogy a SPINK1 mutációk többsége szekréciós defektust eredményez emlős sejtekben. Emellett kimutattuk, hogy a nem-szekretálódó p.R67C variáns endoplazmatikus retikulum (ER) stresszt indukál, amely fokozhatja a betegség rizikóját vagy annak súlyosságát. In vivo modell tervezése céljából az p.R67C mutáció hatását megvizsgáltuk az egér Spink3 funkciójára is. A szekretálódó SPINK1 variánsok (p.K41N, p.I42M, p.P55S) között azonosítottunk gyenge inhibitoros aktivitással rendelkezőket tripszin gátlási kísérletekben. Eredményeink rámutatnak, hogy a SPINK1 mutációk szekréciós defektus, ER stressz vagy csökkent inhibitoros aktivitásuk következtében okozhatnak pancreatitist.
Results in English
SPINK1 trypsin inhibitor is a small protein which is produced by the exocrine pancreas and secreted to the gut. The role of SPINK1 is to delay trypsin activation thus protecting the pancreas against auto-digestion and the development of an inflammatory disease, chronic pancreatitis. Rare loss-of-function mutations in SPINK1 may predispose to the disease. The aim of the present project was to ascertain which mutations cause pancreatitis and to identify possible disease mechanisms. In agreement with data in the literature, our findings revealed that the majority of SPINK1 mutations resulted in secretion defect in mammalian cells. In addition, we found that the non-secreted SPINK1 variant p.R67C induces endoplasmic reticulum (ER) stress, which may increase disease risk or severity. To develop a future in vivo model, we studied the effect of mutation p.R67C on the function of the mouse Spink3. Finally, we identified readily secreted SPINK1 variants (p.K41N, p.I42M. p.P55S) possessing reduced inhibitory activity against trypsin. Our observations demonstrate that SPINK1 mutations cause pancreatitis via secretion defect, ER stress or reduced inhibitory activity.
Denise Lasher, András Szabó, Atsushi Masamune, Jian-Min Chen, Xunjun Xiao, David C. Whitcomb, M. Michael Barmada, Maren Ewers, Claudia Ruffert, Sumit Paliwal, Prachand Issarapu, Seema Bhaskar, K Radha Mani, Giriraj R Chandak, Helmut Laumen, Emmanuelle Masson, Kiyoshi Kume, Shin Hamada, Eriko Nakano, Katharina Seltsam, Peter Bugert, Thomas Müller, David A. Groneberg, Tooru Shimosegawa, Jonas Rosendahl, Claude Férec, Mark E. Lowe, Heiko Witt, Miklós Sahin-Tóth: Protease-sensitive pancreatic lipase (PNLIP) variants are associated with early onset chronic pancreatitis, American Journal of Gastroenterology (in press), 2019
Denise Lasher, András Szabó, Atsushi Masamune, Jian-Min Chen, Xunjun Xiao, David C. Whitcomb, M. Michael Barmada, Maren Ewers, Claudia Ruffert, Sumit Paliwal, Prachand Issarapu, Seema Bhaskar, K Radha Mani, Giriraj R Chandak, Helmut Laumen, Emmanuelle Masson, Kiyoshi Kume, Shin Hamada, Eriko Nakano, Katharina Seltsam, Peter Bugert, Thomas Müller, David A. Groneberg, Tooru Shimosegawa, Jonas Rosendahl, Claude Férec, Mark E. Lowe, Heiko Witt, Miklós Sahin-Tóth: Protease-sensitive pancreatic lipase (PNLIP) variants are associated with early onset chronic pancreatitis, American Journal of Gastroenterology 114, 974-983, 2019
Vanda Toldi, András Szabó, Miklós Sahin-Tóth: Mesotrypsin activation and function is regulated by chymotrypsin C, Journal of Biological Chemistry (under revision), 2020
