 |
The mode of action of acrolein and other abiotic stressors and their role in environmental, agricultural and food safety
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
123752 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Szarka, András |
| Title in Hungarian |
Az akrolein és más abiotikus stresszorok hatásmechanizmusa és szerepe a környezeti, az agrár és élelmiszerbiztonságban |
| Title in English |
The mode of action of acrolein and other abiotic stressors and their role in environmental, agricultural and food safety |
| Keywords in Hungarian |
akrolein, kadmium, hőstressz, ferroptozis, környezetvédelem, agrár és élelmiszerbiztonság |
| Keywords in English |
acrolein, cadmium, heat stress, ferroptosis, environment protection, agricultural and food safety |
| Discipline |
| Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 75 % | | Food safety (Council of Complex Environmental Sciences) | 25 % |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Department of Applied Biotechnology and Food Science (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Czobor, Ádám
Hajdinák, Péter
Horváth, Viola
Kapuy, Orsolya
Lőrincz, Tamás
Wunderlich, Lívius
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2023-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
22.812 |
| FTE (full time equivalent) |
20.35 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Számos környezetszennyező anyag közös hatása az oxidatív stressz, lipid peroxidok keletkezése a glutation szint csökkenése. Különösen igaz ez a reaktív telítetlen aldehidre az akroleinre, amely használatos a szerves vegyiparban, ipari és mezőgazdasági vízellátó rendszerekben csíraölőként, de megtalálható a dízel motorok kipufogógázában, a cigarettafüstben, nagy mennyiség keletkezik fa és műanyagok égésekor élelmiszerek olajban és zsírban sütésekor. A növényi és az állati sejtek is termelik (a)biotikus stresszben.
A lipid peroxidáció, a glutation hiány fontos faktorok a közelmúltban leírásra került sejthalál típus a ferroptózis esetében. Ezen sejthalál mediátorai azonban mind a mai napig nem ismertek. Az akrolein hatása és a ferroptózisban megfigyelt hasonló körülmények miatt meg kívánjuk vizsgálni az akrolein lehetséges ferroptotikus mediátor szerepét. Vizsgálataink során az ismert ferroptózist kiváltó anyag az erastin és növények esetében a hőstressz esetében vizsgáljuk az akrolein szintjét, illetve a sejthalált akroleint csapdázó anyagok jelenlétében. Az akrolein bizonyítottan csökkenti az aszkorbát szintet is, azonban az aszkorbát szintézisre és regenerációra gyakorolt hatása ismeretlen, kísérleteink során ezen folyamatokat is tanulmányozzuk. Megvizsgálunk más jelentős környezetszennyező, agrárbiztonságot befolyásoló tényezőket, mint a Cd-ot és a növényeket fertőző baktériumokat is. A folyamatra gyakorolt hatásuk miatt foglalkozni fogunk a fontos ROS szint szabályozó, alternatív növényi mitokondriális elemekkel, illetve antioxidánsokkal. Így tisztázhatjuk agrár- és élelmiszerbiztonság szempontjából fontos anyagok hatását, megteremthetjük a beavatkozás lehetőségét.
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.
Számos környezetszennyező anyag oxidatív stresszt, lipid peroxidációt, a glutation szint csökkenését váltja ki mind emlős, mind növényi sejtekben. Ilyen a talajok gyakori szennyezője a Cd, a vizek és a levegő reaktív telítetlen aldehid szennyezője az akrolein. Utóbbi nagy mennyiségben keletkezik élelmiszerek olajban és zsírban sütésekor is, ezért élelmiszerbiztonsági jelentősége is nagy. A lipid peroxidáció, a glutation hiány fontos faktorok a közelmúltban leírásra került programozott, vasfüggő sejthalál típus a ferroptózis esetében is. Állati sejtek esetében a cisztin transzport gátló erastinnel, növények esetében hőstresszel sikerült ferroptózist kiváltani első ízben. Bő esztendeje a szintén lipid peroxidációt és glutation csökkenést előidéző acetaminofenről bizonyítottuk be, hogy szintén ferroptózist vált ki. A ferroptózis mediátorai azonban mind a mai napig nem ismertek. Az akrolein szennyező mivoltán túl termelődik a sejtekben is (a)biotikus stressz esetén. Az akrolein hatása során és a ferroptózisban megfigyelt hasonló körülmények miatt meg kívánjuk vizsgálni az akrolein lehetséges ferroptotikus mediátor szerepét. Kísérleteinkkel tisztázhatjuk az akrolein esetleges szerepét a ferroptózisban, a ferroptózis lehetséges szerepét a többi megfigyelni kívánt szennyező abiotikus és biotikus faktor esetében. Felderíthetjük a vizsgált folyamatok antioxidáns háztartásra és az antioxidánsok vizsgált folyamatokra gyakorolt hatását. Ezen kísérleteink alapján beavatkozási lehetőségeket javasolhatunk, amelyek által mérsékelhető a stresszorok, agrár és élelmiszerbiztonsági kockázata.
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 pályázat várható ereményei alapkutatási oldalon segítenek tisztázni az újonnan leírt programozott sejthalál a ferroptózis lehetséges mediátorait, bővebb betekintést enged mechanizmusába. Ezen túl rávilágíthatnak, hogy a lipid peroxidáció és glutation hiány asszociált sejthalálforma számos környezetszennyező és (a)biotikus stressz által generált anyag, környezeti faktor esetében szerepet játszik a toxicitás, a sejthalál folyamatában. Segítségükkel egy valósághűbb környezetszennyezési modell állítható fel, amelyben a fenti folyamatok vizsgálhatóak. Részletesebben megismerhetjük a környezetszennyező, élelmiszerekben is előforduló akrolein hatását a növényi, állati sejtekre, azok antioxidáns védelmi rendszerére. Mindezen eredmények alapján javaslatokat tehetünk, hogy a ferroptózist kiváltó faktorok hatását tompíthassuk. Egy gyakorlati példán bemutatva: meleg nyarakon igen könnyen előfordulhat olyan magas hőmérséklet (43ºC), amely bizonyítottan ferroptózist okoz. A ferroptózis gátlószerek eszközt adhatnak a kezünkbe, amellyel a klímaváltozás okozta extremitások ellen védekezhetünk. Ehhez a példához hasonlatosan a Cd, vagy akrolein okozta sejthalált is mérsékelhetjük ferroptózis gátlószerekkel, akroleint megkötő anyagokkal, vagy speciális antioxidánsokkal. Így várható eredményeink hozzájárulhatnak a környezeti-, agrár- és élelmiszerbiztonság növeléséhez.
A ferroptózist nem egészen 5 éve írták le, kutatócsoportunk szinte kezdetektől bekapcsolódott kutatásába, nem egészen 2 évvel ezelőtt publikációnk jelent meg a témában és folyamatosan folynak a területen kutatásaink. További előnyünk, hogy mind állati, mind növényi sejtek fenntartásával, oxidatív stressz kutatásával közel 20 éve foglalkozunk. Így mind a vizsgálat alanyait, mind a vizsgálathoz szükséges módszereket ismerjük, folyamatosan használjuk, fejlesztjük. A BME laboratóriumai korszerűen felszereltek, a személyi állomány képzett, elkötelezett. Az állati sejteken folyó munkát a Semmelweis Egyetemről résztvevők segítik. A BME HPLC laboratóriumának részvétele biztosítja a stabil analitikai hátteret, amely kiemelkedően fontos a területen folyó kutatás esetében. Mindezeket a folyamatosan, a szakterület vezető lapjaiban megjelenő publikációink is alátámasztják.
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.
Számos környezetszennyező anyag pont olyan változásokat indít el az állati és növényi sejtekben, amelyről a közelmúltban leírt sejthalálforma a ferroptózis esetében beszámoltak. Ilyen a talajok gyakori szennyezője a Cd, a vizek és a levegő reaktív telítetlen aldehid szennyezője az akrolein. Utóbbi nagy mennyiségben keletkezik élelmiszerek olajban és zsírban sütésekor is, ezért élelmiszerbiztonsági jelentősége is nagy. Utóbbit a növényi és az állati sejtek is termelik külsődleges káros behatásokra. A ferroptózis sejtbeli közvetítői nem ismertek a mai napig. Az akrolein hatása és a ferroptózisban megfigyelt hasonló körülmények miatt meg kívánjuk vizsgálni az akrolein lehetséges közvetítő szerepét. Vizsgálat tárgyává tesszük a már említett Cd-on kívül az éghajlati szélsőségek miatt fontos meleget (hőstressz) és a növényeket fertőző baktériumokat is. Ezek mind egymáshoz hasonló változásokat indítanak el az élőlényekben. A folyamatra gyakorolt hatásuk miatt foglalkozni fogunk a fontos antioxidánsokkal is. Mindezen vizsgálatok során nyert eredmények alapján javaslatokat tehetünk, hogy a ferroptózist kiváltó faktorok hatását tompíthassuk. Egy gyakorlati példán bemutatva: meleg nyarakon igen könnyen előfordulhat olyan magas hőmérséklet (43ºC), amely bizonyítottan ferroptózist okoz. A ferroptózis gátlószerek eszközt adhatnak a kezünkbe, amellyel a klímaváltozás okozta szélsőségek ellen védekezhetünk. Ehhez a példához hasonlatosan a Cd, vagy akrolein okozta sejthalált is mérsékelhetjük ferroptózis gátlószerekkel, akroleint megkötő anyagokkal, vagy speciális antioxidánsokkal. Így várható eredményeink hozzájárulhatnak a környezeti-, agrár- és élelmiszerbiztonság növeléséhez
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The common effects of several environment pollutants are the generation of oxidative stress, lipid peroxides and the depletion of glutathione. It is especially true to the highly reactive unsaturated aldehyde acrolein that is used in chemical industry, as a biocide in agricultural and industrial water supply systems, it is also an abundant component of exhaust fumes. In addition acrolein is generated during the cooking or frying of food with fats or oils. It is also generated in animal or plant cells due to environmental and (a)biotic stresses.
The lipid peroxidation, the depletion of glutathione are important factors in the recently described cell death ferroptosis. However the mediators of this cell death mechanism are still unknown. The similar conditions of acrolein generation raises the hypothesis that this molecule is a good candidate for the role of ferroptotic mediator. The level of acrolein would be followed upon the addition of ferroptosis inducer erastin and heat treatment and the cell death would be investigated in the presence of acrolein scavengers. Acrolein causes a significant decrease of ascorbate in plants, but the inverse direction, the effect of acrolein on the biosynthesis and recycling of ascorbate has not been investigated yet, thus we aim at the investigation of its effects on these processes. We are going to investigate the effects of other factors such as Cd and plant bacteria which influence on the agricultural safety. Because of their influential effect the ROS regulating alternative plant mitochondrial elements and antioxidants would also be investigated. This way the factors with effects on the agricultural and food safety can be clarified.
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.
Both in animal and plant cells oxidative stress, lipid peroxidation, depletion of glutathione is caused by several environmental pollutants such as the soil contaminant Cd or the reactive unsaturated aldehyde contaminant of waters and air, acroleine. The latter is generated in high concentrations during the cooking or frying of food with fats or oils, thus it has importance in the food safety too. The lipid peroxidation, the depletion of glutathione are important factors in the recently described iron dependent cell death ferroptosis. It could firstly be induced by the inhibitor of cystine transport erastin in animal cells and by heat stress in plants. We found that acetaminophen that also induces lipid peroxidation and glutathione depletion is also involved in ferroptosis. However the mediators of ferroptosis are still unknown. Acrolein is also generated in animal or plant cells due to environmental and (a)biotic stresses. The similar conditions observed during the action of acrolein and ferroptosis we aim at the investigation of the potential mediator role of acrolein in ferroptosis. The potential role of acrolein in ferroptosis and the potential role of ferroptosis in the other investigated pollutions abiotic and biotic stresses can be clarified by our planned experiments. The influence of these stresses, pollutants to the antioxidant metabolism would also be elucidated. On the base of our experiments, results potential interventions can be suggested to mitigate the agricultural and food safety risks.
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.
On the fundamental research side the expected results of the project can contribute to the elucidation of mediators and detailed mechanism of the recently described programmed cell death type, ferroptosis. Furthermore they can clarify that this lipid peroxidation and glutathione depletion associated cell death type may play role in several environmental factor and (a)biotic stress induced cell deaths and toxicity. The results can help to set up a more realistic environmental pollution model, in that the above processes can be investigated. We can have more information on the effect of acrolein both on animal and plant cells and on their antioxidant systems. On the base of these results we can make suggestions to mitigate the effects of ferroptosis inducers. A practical example: during hot summers such a temperature (43ºC) can be reached in the field that can induce ferroptosis. The effects of extreme temperature due to the ongoing climate change may be eliminated by different ferroptosis inhibitors. Similarly the Cd and acrolein caused cell death can also be mitigated by ferroptosis inhibitors and acrolein scavengers or by special antioxidants. This way our expected results can contribute to the elevation of environmental-, agricultural- and food safety.
Ferroptosis was described approximatelly 5 years ago. Our research group has started to deal with it almost at the beginning. We already have a publication in the topic and the ferroptotic reseach is continouos in our lab. Our group deals with the maintenance and the investigation of oxidative stress and antioxidant response of both animal and plant cells for almost 20 years. Hence both the object and the methods of the research proposal are well known by our group. Our laboratories are well equiped, the staff is trained and hard working. The work with animal cells is supported by the researchers of Semmelweis University. The analitical background is ensured by the paticipation of the HPLC group in the project. All these things are supported by our publication activity.
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 effect of several environment pollutant on animal and plant cells is very similar to that was observed in the case of the recently described cell death type ferroptosis. The most important pollutants are the soil pollutant Cd, the air and water pollutant reactive unsaturated aldehyde acrolein. The latter is generated during the cooking or frying of food with fats or oils thus it has food safety importance too. Furthermore it is also generated in animal or plant cells due to environmental and (a)biotic stresses. However the cellular mediators of ferroptosis have not been identified. Because of the similarity between the effect of acrolein and the observed conditions in ferroptosis we would like to investigate the potential mediator role of akrolein. Our investigations will be spread to the effects of the already mentioned Cd, the warm climate (heat stress) and the plant pathogene bacteria. All these factors have similar effects in the living organisms. We also would like to deal with the antioxidants because of their important role in these processes. On the base of these results we can make suggestions to mitigate the effects of ferroptosis inducers. A practical example: during hot summers such a temperature (43ºC) can be reached in the field that can induce ferroptosis. The effects of extreme temperature due to the ongoing climate change may be eliminated by different ferroptosis inhibitors. Similarly the Cd and acrolein caused cell death can also be mitigated by ferroptosis inhibitors and acrolein scavengers or by special antioxidants. This way our expected results can contribute to the elevation of environmental-, agricultural- and food safety.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Tamás Lőrincz, András Szarka: In silico Analysis on the Possible Role of Mitochondria in Ferroptosis, Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 2018 | | Hajdinák, P., Czobor, Ádám, Lőrincz, T. and Szarka, A: The Problem of Glutathione Determination: a Comparative Study on the Measurement of Glutathione from Plant Cells, Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 2018 | | Szilvia Z. Tóth , Tamás Lőrincz , András Szarka: Concentration Does Matter: The Beneficial and Potentially Harmful Effects of Ascorbate in Humans and Plants, Antioxidants & Redox Signaling, 2018 | | Monika Kosztelnik, Anita Kurucz, Diana Papp, Emily Jones, Timea Sigmond, Janos Barna, Maria H. Traka, Tamas Lorincz, Andras Szarka, Gabor Banhegyi, Tibor Vellai, Tamas Korcsmaros, Orsolya Kapuy: Suppression of AMPK/aak-2 by NRF2/SKN-1 downregulates autophagy during prolonged oxidative stress, FASEB J, 2018 | | Tamás Lőrincz, Marianna Holczer, Orsolya Kapuy, András Szarka: The Interrelationship of Pharmacologic Ascorbate Induced Cell Death and Ferroptosis, Pathol Oncol Res. 2019 Apr;25(2):669-679. doi: 10.1007/s12253-018-0539-9., 2019 | | Czobor Á, Hajdinák P, Németh B, Piros B, Németh Á, Szarka A: Comparison of the response of alternative oxidase and uncoupling proteins to bacterial elicitor induced oxidative burst., PLoS One. 2019 Jan 10;14(1):e0210592. doi: 10.1371/journal.pone.0210592., 2019 | | Makk-Merczel Kinga, Szarka András: A karbonilstressz szerepe a diabetes szövődményeinek kialakulásában, Orvosi Hetilap 2019, 160. évfolyam, 40. szám, 1567–1573., 2019 | | F Sarnyai, T Szekerczés, M Csala, B Sümegi, A Szarka, Z Schaff, J Mandl: Bgp-15 protects mitochondria in acute, acetaminophen overdose induced liver injury, Pathology & Oncology Research 2020 Jul;26(3):1797-1803. doi: 10.1007/s12253-019-00721-1., 2020 | | P Hajdinák, Á Czobor, A Szarka: The potential role of acrolein in plant ferroptosis-like cell death, Plos one 14 (12), e0227278, 2019 | | P Hajdinák, M Szabó, E Kiss, L Veress, L Wunderlich, A Szarka: Genetic Polymorphism of GSTP-1 Affects Cyclophosphamide Treatment of Autoimmune Diseases, Molecules 25 (7), 1542, 2020 | | A Szarka, O Kapuy, T Lőrincz, G Banhegyi: Vitamin C and cell death, Antioxidants and Redox Signaling Published Online:7 Aug 2020https://doi.org/10.1089/ars.2019.7897, 2020 | | G Bánhegyi, A Szarka, J Mandl: Role of Ascorbate and Dehydroascorbic Acid in Metabolic Integration of the Cell Vitamin C, In: Chen, Qi; Vissers, Margreet C.M. (szerk.) Vitamin C : New Biochemical and F Boca Raton (FL), Amerikai Egyesült Államok : CRC Press, (2020) pp. 99-112., 14 p., 2020 | | M Holczer, B Hajdú, T Lőrincz, A Szarka, G Bánhegyi, O Kapuy: A double negative feedback loop between MTORC1 and AMPK kinases guarantees precise autophagy induction upon cellular stress, International journal of molecular sciences 20 (22), 5543, 2019 | | 54. B Lizák, A Szarka, Y Kim, K Choi, CE Németh, P Marcolongo, A Benedetti, G Bánhegyi, É Margittai: Glucose Transport and Transporters in the Endomembranes, International journal of molecular sciences 20 (23), 5898, 2019 | | P Hajdinák, M Szabó, E Kiss, L Veress, L Wunderlich, A Szarka: Genetic Polymorphism of GSTP-1 Affects Cyclophosphamide Treatment of Autoimmune Diseases, Molecules 25 (7), 1542, 2020 | | A Szarka, O Kapuy, T Lőrincz, G Banhegyi: Vitamin C and cell death, Antioxidants and Redox Signaling Published Online:7 Aug 2020https://doi.org/10.1089/ars.2019.7897, 2020 | | Holczer M, Hajdú B, Lőrincz T, Szarka A, Bánhegyi G, Kapuy O.: Fine-tuning of AMPK-ULK1-mTORC1 regulatory triangle is crucial for autophagy oscillation., Sci Rep. 2020 Oct 20;10(1):17803. doi: 10.1038/s41598-020-75030-8., 2020 | | Kapuy O, Makk-Merczel K, Szarka A.: Therapeutic Approach of KRAS Mutant Tumours by the Combination of Pharmacologic Ascorbate and Chloroquine., Biomolecules. 2021 Apr 28;11(5):652. doi: 10.3390/biom11050652., 2021 | | Lőrincz T, Deák V, Makk-Merczel K, Varga D, Hajdinák P, Szarka A.: The Performance of HepG2 and HepaRG Systems through the Glass of Acetaminophen-Induced Toxicity., Life (Basel). 2021 Aug 21;11(8):856. doi: 10.3390/life11080856., 2021 | | Kapuy O, Makk-Merczel K, Szarka A.: Therapeutic Approach of KRAS Mutant Tumours by the Combination of Pharmacologic Ascorbate and Chloroquine., Biomolecules. 2021 Apr 28;11(5):652. doi: 10.3390/biom11050652., 2021 | | Szarka, A.; Lőrincz, T.; Hajdinák, P.: Friend or Foe: The Relativity of (Anti)oxidative Agents and Pathways, Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 5188. https://doi.org/10.3390/ijms23095188, 2022 | | Varga, D.; Hajdinák, P.; Makk-Merczel, K.; Szarka, A.: The Possible Connection of Two Dual Function Processes: The Relationship of Ferroptosis and the JNK Pathway., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 11004. https://doi.org/10.3390/ijms231911004, 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
