 |
The role of MASP-3 serine protease in embyogenesis
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124261 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Kiss, Bence |
| Title in Hungarian |
Egy fontos szabályozó szerin-proteáz a MASP-3 újonnan felismert szerepkörének feltárása a veleszületett immunitásban és az embriogenezisben |
| Title in English |
The role of MASP-3 serine protease in embyogenesis |
| Keywords in Hungarian |
MASP-3, emriogenezis, komplement rendszer, irányított evolúció |
| Keywords in English |
MASP-3, embryogenesis, innate immunity, direceted evolution |
| Discipline |
| Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Molecular biology | | Biochemistry and molecular mechanisms of signal transduction (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Enzimology |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Department of Biochemistry (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Pál, Gábor
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2021-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.216 |
| FTE (full time equivalent) |
2.87 |
| 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 MASP-3 a természetes immunválasz lektin útjának nemrégiben felfedezett szerin proteáz (SP) enzime. Bár az enzim ép SP doménnel rendelkezik, egyetlen természetes szubsztrátja sem volt ismert, így szerepe rejtélyes maradt. Oroszlán és mtsai. kimutatták, hogy nyugvó vérplazmában a MASP-3 jelentős része aktivált formában van, valamint képes hasítani a pro-D-faktort, mely a természetes immunválasz alternatív útjának indító enzime (J. Immunol. 2016, 196:857).
Azóta MASP-3-specifikus inhibitort is sikerült evolválnunk, és egyértelműen bebizonyítottuk, hogy a MASP-3 a pro-D-faktor kizárólagos aktivátora nyugvó vérben (Scientific Reports 2016, 6, Article number: 31877).
A MASP-3 és a MASP-1 a MASP1 gén alternatív splice termékei. Azon MASP1 gén mutációk, melyek MASP-3 enzimaktivitás vesztéséhez vezetnek, súlyos fejlődési zavarokkal járó betegséget, 3MC szindrómát okoznak. A MASP-3 tehát szerteágazó folyamatokban vesz részt: összeköti a lektin és alternatív utakat, valamint szerepet játszik az embriogenezisben.
A MASP-3 embriogenezisben betöltött szerepének tisztázására biokémiai módszereket fogok kombinálni KO állatkísérletekkel, mely utóbbihoz a zebrahalat, a 3MC szindróma bevált modelljét használom; MASP-3 KO állatokat készítek a CRISPR-cas9 rendszer segítségével. Az újonnan fejlesztett MASP-3 inhibitor és a KO modell segítségével megkeresem a MASP-3 természetes szubsztrátjait és aktivátorait, mely eredmények segítségével fényt deríthetek arra, hogy a MASP-3 milyen módon vesz részt a természetes immunitás és embriogenezis szabályozó útvonalaiban.
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 MASP-3 a komplementrendszer (KR) lektin útjának egyik szerin proteáz enzime. Fiziológiás szerepe sokáig teljesen ismeretlen volt. Nemrégiben megmutattuk a MASP-3 egyik fontos szerepét: a pro-D-faktort aktív enzimmé alakítja, ami előfeltétele az alternatív út beindulásának. Nyitott kérdés, hogy nyugvó vérben a MASP-3 zimogén hogyan válik aktív proteázzá. A MASP-3 új, az egyedfejlődésben betöltött szerepére utal az a felfedezés, hogy a proteáz aktivitásának elvesztésével járó mutációkat találtak 3MC szindrómás betegekben. A patogenezis molekuláris mechanizmusa azonban teljességgel ismeretlen.
A MASP-3 tehát szerteágazó folyamatokban játszik kulcsszerepet: a veleszületett immunitás két effektor útvonalát kapcsolja össze (alternatív és lektin út), és az embriogenezisben is részt vesz. Az immunválaszban betöltött szerepével kapcsolatban már eddig is alapvető felfedezéseket tettünk, azonban még számos nyitott kérdés maradt: (1) milyen enzimek aktiválják fel a MASP-3-at nyugvó vérben; (2) mekkora a zimogén / aktív MASP-3 molekulák aránya nyugvó vérben (ugyanez a kérdés a D-faktor esetében is fennáll); vajon az aktivátor enzimek állítják be ezt az arányt?
A MASP-3 proteolitikus aktivitásának elvesztését okozó mutációk megzavarják az egyedfejlődést. Ez egyértelműen arra utal, hogy a MASP-3 egyedfejlődési jelpálya fehérjét (vagy fehérjéket) hasít. Ezeknek a szubsztrát fehérjéknek az azonosítására zebrahal 3MC modellt és az új MASP-3 inhibitorunkat fogjuk használni. Biztosak vagyunk abban, hogy eredményeink az emberi rendszerre is alkalmazhatók lesznek. Alapvető kérdés, hogy a MASP-3 egyedfejlődési szerepe összefügg-e a komplement-rendszerrel, vagy teljesen független attól.
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 MASP-3 enzim természetes immunitásban és embriogenezisben játszott szerepére csak az utóbbi időben derült fény. 2016-ban kifejlesztettük az első MASP-3 specifikus inhibitort, és bebizonyítottuk, hogy nyugvó humán vérben a MASP-3 a D-faktor kizárólagos aktivátora. Ez alapvető fontosságú felfedezés, hiszen a D-faktor a KR alternatív útjának indító enzime, azaz a MASP-3 gátlása az alternatív út aktivitásának attenuációjához vezethet. Mivel az alternatív út mindhárom KR aktiválódási útvonalat felerősíti, a MASP-3 gátlása az egész KR-t csillapíthatja, ami új utat nyithat a KR függő betegségek kezelésében. Ilyen súlyos megbetegedések például az atipikus hemolitikus urémiás szindróma, iszkémia/reperfúziós sérülés (infarktus, szélütés), vaksághoz vezető időskori makula degeneráció.
A MASP-3 minden gerincesben megtalálható, ezért valószínű, hogy a természetes immunválaszban betöltött szerepe is konzervált. Azonban a MASP-3-nak van más, nemrég felfedezett szerepe is. A MASP-3 génjében bekövetkezett, proteolitikus aktivitás vesztéssel járó mutációk fejlődési rendellenességeket okoznak. A MASP-3 mintázatfelismerő molekulákhoz kötődik. Ezek közül a CL-K1 erősen kifejeződik embrionális sejtekben. A Cl-K1 funkcióvesztéses mutációi hasonló egyedfejlődési zavarokhoz vezetnek.
Emberben ezt a betegséget 3MC szindrómának hívják. Bár ez egy ritka betegség, ám az érintett jelátviteli útvonal általános és fontos lehet. Ezt támasztja alá a megfigyelés, miszerint a MASP-3 proteáz aktivitása szükséges a velőcső sejtek vándorlásához, melyek sokféle sejttípussá differenciálódnak pl. arckoponya porc és csont, simaizom, perifériás és bél neuronok.
Összefoglalván, a MASP-3 aktivátorainak és szubsztrátjainak azonosításával megtalálhatjuk azokat a beavatkozási pontokat, amelyeken keresztül a komplement-függő betegségek kezelhetők, és feltárhatjuk a MASP-3 embriogenezisben betöltött szerepét, az érintett jelpályákat. Ezáltal fontos felfedezéseket tehetünk a korai egyedfejlődéssel kapcsolatosan.
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.
Az emberi vérben olyan fehérje hasító (proteáz) enzimek találhatók, amelyek hierarchikus kaszkádokba szerveződnek. Egy jól ismert példa erre a véralvadás. A komplementrendszer (KR) is ilyen kaszkád. Az immunrendszer részeként megsemmisíti patogén mikrobákat és a megváltozott saját sejteket.
Emellett súlyos megbetegedésekben is szerepet játszik, pl. atipikus hemolitikus urémiás szindróma, iszkémia/reperfúziós sérülés (infarktus, szélütés), vaksághoz vezető időskori makula degeneráció. A KR három útvonalon, a klasszikus, a lektin és az alternatív úton keresztül aktiválódhat. Nemrégiben igazoltunk egy fontos kapcsolatot a KR lektin és alternatív útja között. A kulcsszereplő itt a MASP-3 nevű proteáz enzim.
Idén kifejlesztettük az első MASP-3 specifikus gátlószert és megmutattuk, hogy az emberi vér aktív MASP-3-at tartalmaz, ami képes aktiválni a D-faktor előalakját (pro-D-faktor). Mivel az aktív D-faktor az alternatív út indító enzime, mely az egész komplement kaszkádot felerősíti, a MASP-3 blokkolásával általános KR gátlást érhetünk el.
A MASP-3 egy másik fontos szerepére a közelmúltban derült fény: a MASP-3 enzim aktivitásának elvesztésével járó mutációk súlyos fejlődési rendellenességhez (3MC szindróma) vezetnek. A betegség molekuláris mechanizmusa ma még ismeretlen.
Az egyedülálló MASP-3 inhibitorunk segítségével tisztázni fogjuk a MASP-3 szerepét a természetes immunitás és az egyedfejlődés molekuláris mechanizmusában, ami alapvető felfedezésekhez vezethet ezeken a tudományterületeken, és új utakat nyithat a KR függő betegségek kezelésében.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
MASP-3 is the latest-discovered serine protease (SP) of the lectin pathway (LP), an important arm of innate immunity. In spite of having an SP domain, MASP-3 lacked any established natural substrate and its role remained enigmatic. Oroszlán et al. showed that in resting (unactivated by any means) blood a significant fraction of MASP-3 is activated and is able to activate pro-factor D (pro-FD) into FD, which is the key initiating enzyme of the alternative pathway (AP) (J. Immunol. 2016, 196:857).
Last year we evolved a MASP-3 inhibitor and unequivocally proved that MASP-3 is a key regulator as it is the exclusive pro-FD activator in resting blood (Scientific Reports 2016, 6, Article number: 31877).
MASP-3 (along with MASP-1) is a splice product of the MASP1 gene. MASP1 gene mutations resulting in the loss of MASP-3 enzymatic activity cause 3MC syndrome, a serious developmental disorder. In all, MASP-3 is a key regulator of diverse functions: it links the LP and the AP, and plays a role in embryogenesis.
To decipher the functions of MASP-3 in innate immunity and embryogenesis I am going to combine biochemical and gene knock-out (KO) animal studies using zebrafish, a proven model for the 3MC syndrome. To generate MASP-3 KO animals I will be perform targeted mutagenesis with the CRISPR/Cas9 system. Using the recently designed MASP-3 inhibitor and the KO model I will search for natural activators and substrates of MASP-3 and reveal its regulatory mechanisms in innate immunity and embryogenesis.
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.
MASP-3 is a serine protease component of the lectin pathway (LP) of the complement system (CS) an important arm of innate immunity. For long its function in CS and beyond was unknown. We have recently proven that activated MASP-3 has an essential function: it converts pro-factor D into active factor D (FD), the initiator enzyme of the alternative pathway (AP) of the CS. How MASP-3 under resting conditions in the blood becomes activated is unresolved. A new embryogenetic role of MASP-3 was detected through the notion that genetic loss of the MASP-3 protease activity leads to 3MC syndrome. However, the underlying molecular mechanism of the disease is unknown.
In all, MASP-3 emerges as a key regulator of diverse functions: in innate immunity it links the LP and AP of the CS, and it also plays a role in embryogenesis. We have already made a significant contribution to the first part. To this end we have the following open questions: (1) what are the enzymes that activate zymogen MASP-3 in resting blood; (2) what is the normal steady-state active to zymogen ratio of MASP-3 in resting blood (the same applies for FD); (3) is this ratio regulated through the activating enzymes?
Genetic loss of MASP-3 protease activity derails normal embryogenesis. This strongly suggests the existence of specific signaling pathway proteins that need to be cleaved by MASP-3. We aim to identify these by using our novel MASP-3 inhibitor and zebrafish as a proven model of the 3MC syndrome. We are confident that the findings will provide important clues on how the human system is organized. It is intriguing whether this MASP-3 function is CS-related or represents an entirely separate pathway.
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.
MASP-3 has recently emerged as a key serine protease both in innate immunity and embryogenesis. We have developed the first MASP-3 inhibitor in this year and proved that in resting (non-activated by any means) human blood MASP-3 is the only pro-factor D activator. As factor D (FD) is the key initiator of the alternative pathway (AP) of the complement system (CS), this MASP-3 activity has utmost importance. Consequently, the inhibition of MASP-3 could down-regulate the AP. Since AP provides a general amplification loop for all three CS pathways, MASP-3 inhibition might attenuate the entire CS offering potential new treatments for CS mediated diseases, such as atypical hemolytic uremic syndrome, ischemia reperfusion injury including stroke and cardiac attack as well as blindness caused by age-related macula degeneration.
All vertebrates have MASP-3 suggesting that its recently recognized central role in innate immunity might be conserved. However, MASP-3 has another, recently observed role. Protease inactivating mutations of MASP-3 cause developmental abnormalities. MASP-3 is associated with pattern recognition molecules. One of them, CL-K1, is highly expressed in embryonic cells. Loss of function CL-K1 mutations lead to similar developmental problems.
The corresponding condition in humans is the 3MC syndrome. Although the prevalence of 3MC syndrome is low, the affected signaling pathway appears to be generally important in vertebrates, since MASP-3 protease activity is required for neural crest cell migration. As neural crest cells differentiate into many cell types including the craniofacial cartilage and bone, smooth muscle, peripheral and enteric neurons, the emerging pathway can be fundamental.
In all, by revealing the activators and substrates of MASP-3 we can identify intervention points through which complement-mediated diseases can be targeted, and we can also reveal the mechanism of MASP-3 action in embryogenesis. This latter could lead to important discoveries in embryonic development.
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.
Human blood contains protease (protein cleaving) enzymes organized in hierarchic “cascade” systems. A well-known example is the blood clotting system. The complement system (CS) is another important cascade. Being an integral part of immunity it eliminates pathogen microbes and pathologic self-structures.
However, it is also involved in life-threatening or debilitating medical conditions such as atypical hemolytic uremic syndrome, ischemia reperfusion injuries including stroke and cardiac attack as well as blindness caused by age-related macula degeneration.
The CS is activated by three interconnected routes: the classical (CP), the lectin (LP) and the alternative pathway (AP). We have recently proved a fundamental link between the LP and AP. It is provided by a serine protease, MASP-3.
We developed the very first MASP-3 inhibitor and showed that human blood contains activated MASP-3, which is able to activate pro-factor D (pro-FD) into FD. As FD is the key initiator of the AP, this MASP-3 activity has great importance. The AP provides a general amplification loop for CS therefore inhibition of MASP-3 could dampen complement activity in general.
Another important function of MASP-3 has been discovered recently: mutations resulting in the loss of MASP-3 enzymatic activity cause 3MC syndrome, a serious developmental disorder by an unknown mechanism.
In all, by inhibiting MASP-3 with our unique compound we aim to uncover the mechanistic details of MASP-3 action both in immunity as well as in embryogenesis, which can lead to breakthrough discoveries in embryogenesis and immunology and new approaches to treat complement mediated diseases.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
