 |
Interplay between dNTP metabolism, uracil DNA-repair and horizontal gene transfer in Staphylococcus aureus
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124330 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Szabó, Judit Eszter |
| Title in Hungarian |
A dezoxinukleotid anyagcsere, az uracil-DNS javítás és a horizontális géntranszfer összefüggései Staphylococcus aureus-ban |
| Title in English |
Interplay between dNTP metabolism, uracil DNA-repair and horizontal gene transfer in Staphylococcus aureus |
| Keywords in Hungarian |
Staphylococcus aureus, horizontális géntranszfer, mobilis genetikai elemek, DNS hibajavitás, uracil, dezoxinukleotid anyagcsere |
| Keywords in English |
Staphylococcus aureus, horizontal gene transfer, mobil genetic elements, DNA repair, uracil, dezoxynucleotide metabolism |
| Discipline |
| Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Molecular biology | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Papp-Kádár, Veronika
Vértessy G., Beáta
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2020-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.216 |
| FTE (full time equivalent) |
2.67 |
| 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 dUTPáz egy esszenciális enzim, mely alacsonyan tartja a dUTP/dTTP arányt, ezzel megakadályozva, hogy a dUTP uracilként a DNS-be épüljön. A DNS magas uracil tartalma toxikus, mivel a bázis kivágó hibajavító rendszer túlműködése révén a mutációs ráta növekedéséhez, és kettős száltörésekhez vezethet. Felfigyeltünk rá, hogy a S. aureus baktérium genomja nem kódol dUTPázt. Ugyanakkor a baktérium bizonyos mobilis genetikai elemei tartalmazzák a dUTPáz gént, míg más elemek egy az uracil bázis kivágó javító mechanizmusok elkerüléséért felelős faktort (SaUGI) hordoznak.
Hipotéziseink szerint:
a) A S. aureus baktérium képes tolerálni a dUTPáz hiányát valamint DNS-e uracilosodását, méghozzá a bázis kivágó javító mechanizmusok csökkent aktivitása révén.
b) A genomba integrálódott mobilis genetikai elemeken hordozott dUTPáz és a SaUGI hozzá járulhatnak a baktérium uracil-DNS toleranciájához, elsősorban a DNS uracilosodását serkentő stressz körülmények között.
c) A S. aureus mobilis genetikai elemei azért hordoznak az uracil-DNS és az uracil-DNS hibajavítás elkerülésére szolgáló géneket, hogy elkerüljék DNS-ük károsodását a horizontális géntranszfer alatt.
Ezen hipotézisek vizsgálatához célul tűztük ki, hogy
1) Meghatározzuk a S. aureus genomi uracil tartalmát, dUTP/dTTP arányát és megvizsgáljuk az uracil hibajavító rendszer enzimeinek expressziós szintjét
2) Megvizsgáljuk, hogy a genomba épülő különböző mobilis genetikai elemek, hogyan befolyásolják a baktérium uracil DNS toleranciáját
3) Megvizsgáljuk, mobilis genetikai elemek uracil tartalmát, és azt is, hogy a mobilis genetikai elemek uracil tartalma hogyan befolyásolja a horizontális géntranszfer hatékonyságát.
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 kutatás egyik alapkérdése, hogy hogyan hat a dUTPáz hiánya a S. aureus uracil-DNS toleranciájára. Hipotézisük szerint S. aureus bizonyos mértékben képes tolerálni az uracil-DNS-t az uracil-DNS javító mechanizmusok leszabályozásával. Feltételezzük azt is, hogy a további DNS uracilosodással járó stressz körülményekre a baktérium érzékenyen reagál. A fentiek te tesztelésére vizsgálni fogjuk a S. aureus uracil-DNS tartalmát, a baktérium dUTP/dTTP szintjét, valamint az uracil hibajavító rendszer enzimeinek expresszióját. A S. aureus baktériumot tovább olyan stressz körülményeknek fogjuk kitenni, amelyek a DNS uracil tartalmának növekedése irányába hatnak.
A kutatás másik alapkérdése, hogy a S. aureus mobilis genetikai elemeinek miért van szükségük a DNS uracilosodását és a DNS hibajavítást kikerülő faktorokra.
Ezzel kapcsolatban az egyik feltétezésünk az, hogy ezek faktorok hozzá járulhatnak a baktérium uracil-DNS toleranciájához, amíg az őket hordozó mobilis elemek a genomba integrálódva vannak jelen. Ennek vizsgálatához mobilis genetikai elemeket hordozó S. aureus törzsek uracil toleranciáját fogjuk vizsgálni a DNS uracilosodását serkentő stressz körülmények közt.
A másik feltételezésünk, az, hogy ezek a faktorok arra szolgálnak, hogy a mobilis genetikai elemek elkerüljék, hogy az uracil kivágó javító rendszer károsítsa DNS-üket a horizontális géntranszfer alatt. Ezen felvetés direkt vizsgálatához mesterségesen uracil tartalmú DNS-sel rendelkező mobilis genetikai elemeket fogunk létrehozni és a felhasználásukkal tesztelni fogjuk, hogy hogyan befolyásolja az uracil jelenléte a horizontális géntranszfer hatékonyságát.
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 S. aureus az egyik legjelentősebb patogén, ami kórházi és közösségekben terjedő fertőzéseket okoz világszerte. A methicillin rezisztens S. aureus (MRSA) törzseknek és az általuk okozott megbetegedéseknek kiemelt gazdasági és egészségügyi jelentősége van, mivel ezek a nehezen kezelhető kórházi fertőzések leggyakoribb okai. S. aureus-ban a mobilis genetikai elemeknek (MGE-knek) főszerepe van a virulencia faktorok és az antibiotikum rezisztencia terjedésében. Pl. az MRSA törzsek antibiotikum rezisztenciájáért is egy MGE-n hordozott gén felelős.
Jelen kutatás keretében vizsgálni kívánjuk, hogy az uracil DNS tolerancia, az uracil DNS hibajavtás és a horizontális géntranszfer összefüggéseit kívánjuk vizsgálni.. Annak ellenére, hogy a S. aureus egy intenzíven kutatott baktérium, eddig nem nagyon születtek olyan tanulmányok, amik az uracil-DNS hibajavítást tanulmányozták volna ebben a baktériumban. A fenti folyamatok horizontális géntranszferre gyakorolt hatását sem vizsgálták még korábban. Ezért a jelen kutatási projekt úttörő lesz ezen a területen és fontos új adatokkal fog hozzá járulni a S. aureus anyagcseréjének megismeréséhez.
Ami a pályázó és csapatának versenyképességét illeti, a kutatócsoport, aminek része vagyunk nemzetközileg elismert kutatást végez az uracil-DNS anyagcsere témakörében. Emellett ebben a projektben együtt fogunk működni Joshua P. Ramsay-vel, aki S. aureus mobilis genetikai elemek szakértője. Ez a kollaboráció megteremti a tervezett kutatási projektekhez szükséges kompetenciák egyedi kombinációját.
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 Staphylococcus aureus az egyik legjelentősebb patogén baktérium. Az általa okozott megbetegedéseket különösen nehéz kontrolálni, mivel a baktérium különböző populációi képesek egymás között hatékonyan cserélgetni és terjeszteni olyan géneket, amik növelik fertőző képességüket vagy képessé teszik őket arra, hogy ellenálljanak az antibiotikumos kezelésnek. Ezek a gének általában ún. mobilis genetikai elemeken helyezkednek el. A folyamatot pedig, amiben a baktériumok a mobilis genetikai elemeket cserélgetik, horizontális géntranszfernek nevezzük.
Az uracil az egyik leggyakoribb hiba, ami előfordulhat a DNS-ben. A túl sok uracilt tartalmazó DNS-t az uracil-DNS javító enzimek bázis kivágó aktivitása szétdarabolhatja. A DNS uracil tartalma és az uracil-DNS toxicitása a DNS építő anyagok előállításáért felelős nukleotid anyagcserétől, és az uracil-DNS hibajavító rendszertől függ.
S. aureus baktériumból hiányzik az egyik fontos uracil DNS elkerülért felelős fehérje. Ezzel szemben a baktérium bizonyos mobilis genetikai elemei olyan géneket hordoznak, amik az uracil-DNS elkerüléséért és az uracil-DNS hibajavító mechanizmusok kikerüléséért felelősek. Feltételezésünk szerint a mobilis genetikai elemek azért hordozzák ezeket a géneket, hogy elkerüljék DNS-ük károsodását a horizontális géntranszfer során. Emellett ezek a gének részben pótolhatják a S. aureus-ból egyébként hiányzó, hasonló funkciójú gének szerepét.
Kutatásunk célja, hogy megvizsgáljuk ezeket a hipotéziseket. A várt eredményeknek nagy orvos biológiai jelentősége van, mivel új lehetőségeket nyithatnak meg a virulencia faktorok és antibiotikum rezisztencia terjedésének megállítására.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The dUTPase protein is an essential enzyme which has main role in keeping uracil out of DNA by ensuring a low dUTP/dTTP ratio. High amount of uracil in DNA may be toxic, because it transforms uracil excision repair into a hyperactive futile cycle potentially leading to increased mutation rates and double strand breaks. Our recent results show that Staphylococcus aureus lacks the gene for dUTPase. However, mobile genetic elements of S. aureus carry dUTPase and also genes blocking uracil-DNA repair.
Our hypotheses are the followings
a, S. aureus strains possess a somewhat elevated dUTP/dTTP ratio in the absence of dUTPase and tolerate uracil incorporation into their genomic DNA, probably by down-regulating U-DNA repair
b, Mobile genetic elements integrated into S. aureus contribute to the U-DNA tolerance of these strains by encoding U-DNA modifying proteins. This contribution may be even more important under U-DNA promoting conditions
c, DNA uracilation interferes with horizontal gene transfer and therefore, mobile genetic elements carry factors to avoid U-DNA and U-DNA repair.
To investigate these hypotheses we defined three specific aims:
1) We will determine the degree of uracilation in S. aureus strains and relate DNA uracilation to the dUTP/dTTP ratio and the expression levels of U-DNA repair genes.
2) We will investigate the U-DNA tolerance of S. aureus strains in the absence, and in the presence of different integrated mobile genetic elements. We will identify uracil promoting stress conditions and include these in the study.
3) We will investigate the influence of DNA uracilation on the efficiency on horizontal gene transfer.
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 first question of the proposed research is how the lack of dUTPase enzyme influences the uracil-DNA tolerance of S. aureus. We think that S. aureus possesses a somewhat elevated dUTP/dTTP ratio and able to tolerate uracil incorporation into its’ genomic DNA, probably by down-regulating U-DNA repair. We will determine whether this is the case. We also think that, although S. aureus is able to tolerate uracil incorporation resulting from the absence of dUTPase, it may be sensitive for stress conditions that promote further uracilation of their DNA. Thus we plan to identify uracil promoting stress conditions and apply it on the bacterium to see how sensitive it is for these stresses.
The second question of the research proposal is why mobile genetic elements carry factors to avoid uracil-DNA and uracil-DNA repair, if S. aureus is able to survive without a dUTPase enzyme?
On one hand we think that mobile genetic elements integrated into S. aureus genome contribute to the uracil tolerance of S. aureus strains with these factors, especially under uracil-DNA promoting stress factors. We will test this by applying uracil promoting stresses on S. aureus strains carrying U-DNA and U-DNA avoiding factors.
On the other hand we also think that mobile genetic elements carry these factors, because DNA uracilation interferes with horizontal gene transfer. To check this we will measure the uracil content of mobile DNA subjected to horizontal gene transfer. We will also artificially create mobile genetic DNA that contains uracil and we will test whether the presence of uracil affects the efficiency of horizontal transfer.
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 dUTPase protein is an essential enzyme which has main role in keeping uracil out of DNA by ensuring a low dUTP/dTTP ratio. High amount of uracil in DNA may be toxic, because it transforms uracil excision repair into a hyperactive futile cycle potentially leading to increased mutation rates and double strand breaks. Our recent results show that Staphylococcus aureus lacks the gene for dUTPase. However, mobile genetic elements of S. aureus carry dUTPase and also genes blocking uracil-DNA repair.
Our hypotheses are the followings
a, S. aureus strains possess a somewhat elevated dUTP/dTTP ratio in the absence of dUTPase and tolerate uracil incorporation into their genomic DNA, probably by down-regulating U-DNA repair
b, Mobile genetic elements integrated into S. aureus contribute to the U-DNA tolerance of these strains by encoding U-DNA modifying proteins. This contribution may be even more important under U-DNA promoting conditions
c, DNA uracilation interferes with horizontal gene transfer and therefore, mobile genetic elements carry factors to avoid U-DNA and U-DNA repair.
To investigate these hypotheses we defined three specific aims:
1) We will determine the degree of uracilation in S. aureus strains and relate DNA uracilation to the dUTP/dTTP ratio and the expression levels of U-DNA repair genes.
2) We will investigate the U-DNA tolerance of S. aureus strains in the absence, and in the presence of different integrated mobile genetic elements. We will identify uracil promoting stress conditions and include these in the study.
3) We will investigate the influence of DNA uracilation on the efficiency on horizontal gene transfer.
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.
Staphylococcus aureus is one of the most important pathogen causing health care-associated infections worldwide. This pathogen is especially difficult to treat because it can effectively exchange and thus propagate genes providing antibiotic resistance and increased virulence among its populations. The genes providing these important properties are usually located on so called mobile genetic elements, and the event in which they are exchanged between different cells is called horizontal gene transfer. The success of horizontal gene transfer events depends also on the DNA quality of the mobile genetic elements.
Uracil is one of the most abundant erroneous bases that may occur in DNA. Heavily uracilated DNA may be degraded by uracil-DNA repair. Nucleotide metabolism and uracil-DNA repair together determine the uracil content of DNA. Our recent results have suggested that 1, S. aureus is somewhat deficient in uracil-DNA repair and 2, mobile genetic elements carry genes that modify nucleotide metabolism and uracil-DNA repair. The fact that mobile genetic elements carry these genes, indicates that the uracil content of mobile genetic DNA will influence the efficiency of its horizontal gene transfer. Besides, the nucleotide metabolism and uracil DNA modifying gene of the mobile genetic elements may contribute also to the uracil tolerance of the S. aureus strains deficient in uracil-DNA repair. We will investigate both possibilities.
The anticipated results will have high biomedical importance, as they may provide a possibility for treating S. aureus infections and for inhibiting the spread of virulence factors and antibiotic resistance between S. aureus populations.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Szabó Judit, Suranyi Eva, Mébold Bence, Trombitás Tamás, Cserepes Mihály, Tóth Judit: A user-friendly, high-throughput tool for the precise fluorescent quantification of deoxyribonucleoside triphosphates from biological samples, NUCLEIC ACIDS RESEARCH 48: (8) p. e45., 2020 | | Cserepes Mihály, Türk Dóra, Tóth Szilárd, Pape Veronika F S, Gaál Anikó, Gera Melinda, Szabó Judit Eszter, Kucsma Nóra, Várady György, Vértessy Beáta G, Streli Christina, Szabó Pál Tamás, Tovari Jozsef, Szoboszlai Norbert, Szakács Gergely: Unshielding multidrug resistant cancer through selective iron depletion of P-glycoprotein expressing cells., CANCER RESEARCH 80: (4) pp. 663-674., 2020 | | Benedek Andras, Temesvary-Kis Fanni, Khatanbaatar Tamjidmaa, Leveies Ibolya, Suranyi Eva Viola, Szabo Judit Eszter, Wunderlich Livius, Vertessy Beata G.: The Role of a Key Amino Acid Position in Species-Specific Proteinaceous dUTPase Inhibition, BIOMOLECULES 9: (6) 221, 2019 | | Nyiri K, Mertens HDT, Tihanyi B, Nagy GN, Kohegyi B, Matejka J, Harris MJ, Szabo JE, Papp-Kadar V, Nemeth-Pongracz V, Ozohanics O, Vekey K, Svergun DI, Borysik AJ, Vertessy BG: Structural model of human dUTPase in complex with a novel proteinaceous inhibitor, SCIENTIFIC REPORTS 8: (1) 4326, 2018 | | Nyiri K, Mertens HDT, Tihanyi B, Nagy GN, Kohegyi B, Matejka J, Harris MJ, Szabo JE, Papp-Kadar V, Nemeth-Pongracz V, Ozohanics O, Vekey K, Svergun DI, Borysik AJ, Vertessy BG: Structural model of human dUTPase in complex with a novel proteinaceous inhibitor, SCI REP 8: (1) Paper 4326. 15 p., 2018 | | Szabó, Judit Eszter és Mébold, Bence és Surányi, Éva Viola és Vértessy, Beáta és Cserepes, Mihály és Szakács, Gergely és Dobay, Orsolya és Szabó, Dóra és Tóth, Judit: An improved and widely accessible dNTP quantitation tool, FEBS3+ conference Programme and Book of Abstracts, ISBN 978-615-5270-47-5, 2018 | | Benedek Andras, Temesvary-Kis Fanni, Khatanbaatar Tamjidmaa, Leveies Ibolya, Suranyi Eva Viola, Szabo Judit Eszter, Wunderlich Livius, Vertessy Beata G.: The Role of a Key Amino Acid Position in Species-Specific Proteinaceous dUTPase Inhibition, BIOMOLECULES 9: (6) 221, 2019 | | Szabó Judit, Suranyi Eva, Bébold Bence, Trombitás Tamás, Cserepes Mihály, Tóth Judit: A user-friendly, high-throughput tool for the precise fluorescent quantification of deoxyribonucleoside triphosphates from biological samples, NUCLEIC ACIDS RESEARCH, 2020 | | Cserepes Mihály, Türk Dóra, Tóth Szilárd, Pape Veronika F S, Gaál Anikó, Gera Melinda, Szabó Judit Eszter, Kucsma Nóra, Várady György, Vértessy Beáta G, Streli Christina, Szabó Pál Tamás, Tovari Jozsef, Szoboszlai Norbert, Szakács Gergely: Unshielding multidrug resistant cancer through selective iron depletion of P-glycoprotein expressing cells., CANCER RESEARCH, 2019 | | Benedek Andras, Temesvary-Kis Fanni, Khatanbaatar Tamjidmaa, Leveies Ibolya, Suranyi Eva Viola, Szabo Judit Eszter, Wunderlich Livius, Vertessy Beata G.: The Role of a Key Amino Acid Position in Species-Specific Proteinaceous dUTPase Inhibition, BIOMOLECULES 9: (6) 221, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
