 |
Quantitative reconstruction of dNTP homeostatic networks: application development for anticancer and antimicrobial discovery
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124527 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Tóth, Judit |
| Title in Hungarian |
dNTP homeosztatikus hálózatok kvantitatív rekonstrukciója: rákellenes és antimikrobiális kutatást támogató alkalmazás fejlesztése |
| Title in English |
Quantitative reconstruction of dNTP homeostatic networks: application development for anticancer and antimicrobial discovery |
| Keywords in Hungarian |
mutagenezis, nukleotid anyagcsere, kinetikai modell, validálás, web szerver, citosztatikum |
| Keywords in English |
mutagenesis, nucleotide metabolism, kinetic model, validation, web server, cytostatics |
| Discipline |
| Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Metabolism | | Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Molecular Life Sciences (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Füzesi, Dóra
Hirmondó, Rita
Molnár, Dániel
Surányi, Éva Viola
Szabó, Judit Eszter
Tankó, Éva
Trombitás, Tamás
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2022-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.944 |
| FTE (full time equivalent) |
15.81 |
| 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 tervezett munka során egy olyan, könnyen használható interaktív alkalmazást fejlesztünk, amely a dezoxinukleotid (dNTP) anyagcsere-hálózatok dinamikájának pontos reprodukciójára képes. Az eszköz alkalmas lesz hatóanyagok és/vagy mutációk intracelluláris dNTP-készletekre gyakorolt hatásának precíz meghatározására, hatékonyan elősegítve mind az alapkutatást, mind pedig a gyógyszerfejlesztést. A szolgáltatás egyik fő felhasználási területe a rákkutatás. A rosszindulatú átalakulások fő okát, a mutációk felhalmozódását a dNTP-készletek eltolódása illetve növekedése egyaránt nagymértékben felgyorsítja. A jóváhagyott rákgyógyszerek jelentős része a nukleotid-anyagcsere enzimein ható antimetabolit. A humán dNTP anyagcsere-dinamika pontos predikciójára képes alkalmazás ezért nagy előnyt jelenthet a rákellenes gyógyszerfejlesztésben. A rákképződésben betöltött szerepe mellett a dNTP-dinamika a bakteriális növekedés és gyógyszer-rezisztencia kialakulásában is központi jelentőséggel bír, előrevetítve a tervezett alkalmazás hasznát az antibakteriális szerek kutatás-fejlesztésében is. Tervezett munkánk célja (1) az ember illetve két baktériumfaj dNTP homeosztatikus hálózatának kinetikai rekonstrukciója, (2) a sejtbeli enzim- és dNTP-koncentrációk (mint bemeneti paraméterek) precíz kísérletes meghatározása, valamint (3) a modellek kísérletes validációja. A létrehozandó dNTPQuRe alkalmazás grafikusan reprezentált hálózatban teszi megfigyelhetővé a dNTP-készleteknek a perturbációk hatására bekövetkező változásait. A rendszer dinamikusan változó támadható pontjainak, “üvegnyak”-enzimeinek azonosítása különösen hasznos lehet a gyógyszer-érzékenyítés új módjainak felderítésében.
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 meglévő anyagcsere-predikciós eszközök modellegyenleteket kérnek bemenetként, amihez a felhasználó jelentős háttértudása szükséges. E feltétel jelentősen korlátozza a szolgáltatások molekuláris biológiai felfedező kutatásokban való hasznosíthatóságát. E korlátot egy könnyen használható webes alkalmazás létrehozásával kívánjuk feloldani, amely a dezoxinukleotid (dNTP) anyagcsere-hálózatok dinamikájának pontos reprodukciójára képes. Az eszköz hatékonyan alkalmazható lesz hatóanyagok és genetikai változások intracelluláris dNTP-készletekre gyakorolt hatásának pontos predikciójára. A szolgáltatás két hasznosítási kulcsterülete a rákkutatás és az antibiotikum-fejlesztés. Ezért a humán dNTP anyagcsere-hálózat mellet két baktériumfaj, a Mycobacterium tuberculosis és az Escherichia coli ilyen hálózati modelljét is létrehozzuk. A három szervezet egyúttal a dTTP-bioszintézis különböző természetes stratégiáit is képviseli. Alkalmazásunk elősegíti a hipotézisalkotást, a kísérlettervezést és a hatóanyag-fejlesztést, a következő kérdések megválaszolásával: Hogyan változtatja meg egy adott hatóanyag és/vagy mutáció a dNTP-készleteket a nevezett szervezetekben? Az adott hatóanyag vagy mutáció eltolódást, növekedést vagy csökkenést okoz a dNTP-készletekben? (E változások bármelyike lényegesen befolyásolhatja a mutációk keletkezését, a karcinogenezist, a gyógyszer-rezisztenciát és/vagy -érzékenységet.) Mik a gyógyászatban kihasználható különbségek a humán sejtek és a patogén baktériumok anyagcsere-dinamikája között? Melyek az érzékenységi forró pontok (“üvegnyak”-enzimek) a rendszerben, és ezek hogyan változnak meg a hatóanyagok vagy mutációk hatására?
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!
Pályázatunk célja egy olyan könnyen használható interaktív alkalmazás létrehozása, amely képes a dezoxinukleotid (dNTP) anyagcsere-hálózatok dinamikájának pontos reprodukciójára. Ez az eszköz hatékonyan alkalmazható lesz hatóanyagok és/vagy genetikai változások (mutációk) intracelluláris dNTP-készletekre gyakorolt hatásának lehetőségek szerinti legpontosabb predikciójára, így elősegítve mind az alapkutatást, mind a gyógyszerfejlesztést. A jelenleg rendelkezésre álló útvonal- predikciós eszközök a felhasználó jelentős háttértudását igénylik, ami súlyosan korlátozza ezen alkalmazások használatát a molekuláris biológiai felfedező kutatásokban. Fejlesztendő alkalmazásunk egyedi sajátsága, hogy jelentős szakmai előfeltételek nélkül is használható lesz. Interaktív alkalmazásunk egyik fő felhasználási területe a rákkutatás. A rákos elváltozások nagy része spontán vagy indukált mutációk akkumulációjával jön létre. A spontán mutációk a rákos szövetekben legalább 200-szor gyakrabban fordulnak elő, mint az egészséges kiindulási szövetben. A mutagenezist a dNTP-készletek eltolódása illetve kiegyenlített akkumulációja egyaránt felgyorsítja. A jóváhagyott rákellenes szerek jelentős része a nukleotid-anyagcsere enzimein ható antimetabolit (DNS-prekurzor- vagy folsav-analóg; pl. gemcitabin, 5-fluorouracil, metotrexát). A humán dNTP anyagcsere-hálózatok dinamikáját pontosan prediktálni képes alkalmazás tehát jelentősen elősegítheti a rákellenes gyógyszerek fejlesztését. A rákban betöltött jelentősége mellett a dNTP-dinamika a bakteriális növekedés és gyógyszer-rezisztencia központi tényezője is. Ezért alkalmazásunkat kiterjesztjük a Mycobacterium tuberculosis és Escherichia coli baktériumok dNTP anyagcsere-hálózataira is, ami a bakteriális és humán dNTP anyagcsere-dinamika közötti, gyógyászatban kihasználható különbségek felderítése révén fogja elősegíteni az antibakteriális szerek tervezését.
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.
Pályázatunk célja egy olyan interaktív internetes alkalmazás fejlesztése, amely képes pontosan jelezni a hatóanyagoknak és/vagy genetikai változásoknak (mutációknak) a DNS-építőkövek (dNTP-molekulák) sejtbeli készleteire gyakorolt hatását. Fejlesztendő alkalmazásunk egyedi sajátsága, hogy a felhasználótól nem kívánja meg az anyagcsere-hálózatok részletes előzetes ismeretét. Szabadon hozzáférhető alkalmazásunk fő felhasználási területei a rákkutatás és az antibiotikum-fejlesztés. A rák jelentős részben mutációk felhalmozódása révén jön létre. A mutációk a rákos szövetekben legalább 200-szor gyakrabban képződnek, mint az egészséges szövetekben. A sejtbeli dNTP-készletek megváltozása nagyban felgyorsítja a mutációk képződését. A dNTP-készleteket szabályozó enzimek számos rákellenes gyógyszer (pl. gemcitabin, 5-fluorouracil, methotrexát) célpontjai, mivel kulcsfontosságúak a sejtosztódásban és a sejtek túlélésében. A humán dNTP-anyagcsere dinamikáját pontosan előjelezni képes alkalmazásunk tehát nagyban elősegítheti a rákellenes gyógyszerek fejlesztését. A dNTP-készletek precíz fenntartása a baktériumok növekedésében is központi fontosságú, ezért a mikroorganizmusok anyagcseréjére is kiterjesztett alkalmazásunk jelentősen elősegítheti a baktériumok gyógyszer-rezisztenciájának megelőzését és antibiotikumok fejlesztését is. A humán dNTP-anyagcsere modellje mellett ezért megalkotjuk a tuberkulózis kórokozójának (Mycobacterium tuberculosis), illetve a biológiai kísérletekben leggyakrabban használt baktériumnak (Escherichia coli) a modelljét is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In the proposed work we will develop an easily accessible interactive application that faithfully reproduces the dynamics of deoxynucleotide (dNTP) metabolic networks. This tool will be used for precise prediction of the effect of drugs and/or genetic variations/mutations on intracellular dNTP pools, thereby aiding both basic discovery and drug development. A key field benefitting from this service is cancer research. Mutagenesis, a root cause of malignancies, is greatly stimulated by either imbalance or expansion of dNTP pools. Many approved anticancer drugs are antimetabolites, which act on enzymes of nucleotide metabolism. An application with a high predictive power in human dNTP metabolic dynamics can therefore be of substantial value in future anticancer drug development. Besides its importance in cancer, dNTP dynamics is a central aspect affecting bacterial growth and drug resistance, highlighting the utility of our planned application in antimicrobial research and development, too. In the planned work we aim at the i) kinetic reconstruction of human and two different microbial dNTP homeostatic networks, ii) accurate determination of cellular enzyme and dNTP concentrations as input parameters, and iii) experimental validation of the models. The resulting application, dNTPQuRe, will allow the user to change enzyme activity and metabolite concentration parameters within the graphically represented network and observe changes in the dNTP pool upon perturbation. The quantitative determination of bottleneck enzymes, changing dynamically in response to parameter changes, will be particularly useful in exploring new ways for drug sensitization.
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 use of existing online biochemical pathway and flux prediction tools requires a series of model equations as input, which implies substantial prior knowledge in metabolic enzyme kinetics by the end user. This prerequisite seriously limits the utility of these services in routine practical molecular biology. We wish to overcome this limitation by developing an easily accessible interactive web application that faithfully reproduces the dynamics of deoxynucleotide (dNTP) metabolic networks. This tool will be readily applicable for the prediction of the effect of drugs or genetic variations on intracellular dNTP pools with the highest attainable precision. The key fields benefitting from this service are cancer research and antibiotic development. Therefore, we will reconstruct the human homeostatic dNTP network and those of two microbes, Mycobacterium tuberculosis and Escherichia coli, also representing three different strategies for dTTP biosynthesis. The planned application will be suitable for hypothesis generation, experiment design and drug development, in relation to the following questions: How does a particular drug and/or mutation change the dNTP pools in either of the named organisms? Does this specific condition cause an imbalance, expansion and/or depletion of dNTP pools? (Any of these changes can severely affect mutation formation/carcinogenesis, drug resistance and/or sensitivity.) What are the biomedically exploitable dNTP metabolic differences between human cells and pathogenic bacteria? Where are the hotspots of sensitivity (“bottleneck” enzymes) within the system, and how do these change upon drug treatment/mutations?
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 focus of this proposal is the development of an easily accessible interactive application that faithfully reproduces the dynamics of deoxynucleotide (dNTP) metabolic networks. This tool will be readily applicable for the prediction of the effect of drugs and/or genetic variations/mutations on intracellular dNTP pools with the highest attainable precision, thereby aiding both basic discovery and drug development. There exist several online pathway prediction tools. However, the use of these program packages requires substantial prior knowledge by the end user, seriously limiting the utility of existing services in routine molecular biological discovery. Our application will be unique in that it can be used without any prerequisites. A key field benefitting from our freely accessible interactive service is cancer research. Cancer results in large part from the accumulation of spontaneous or induced mutations, spontaneous mutations being 200-fold more frequent than in normal tissues. Mutagenesis is greatly stimulated either by unbalanced dNTP pools or, intriguingly, also by balanced accumulation of all four dNTPs. Many approved anticancer drugs are antimetabolites, analogs of DNA precursors or those of folate, which act on enzymes of nucleotide metabolism (e.g. gemcitabine, 5-fluorouracil, and methotrexate). An application with a high predictive power in human dNTP metabolic dynamics can therefore be of substantial value in future anticancer drug development. Besides its importance in cancer, dNTP dynamics is a central aspect of bacterial growth and drug resistance. Therefore, we aim to develop the Mycobacterium tuberculosis and the Escherichia coli dNTP network applications as well, which will aid antibiotic drug design by revealing exploitable differences between human and bacterial dNTP metabolism.
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 focus of this proposal is the development of an interactive web application for the prediction of the effect of drugs and/or mutations (genetic changes) on the intracellular pools of DNA building blocks called dNTPs. Our application will be unique in that it can be used without any prior knowledge by the end user in metabolic network reconstructions. The key fields benefitting from our freely accessible interactive service are cancer research and antibiotic development. Cancer results in large part from the accumulation of mutations. Spontaneous mutations are 200-fold more frequent in cancer tissues than in normal ones. The formation of mutations is greatly stimulated by the perturbation of the cellular dNTP pools. The enzymes that regulate dNTP pools are essential for cell division and viability and are the targets of many approved anticancer drugs (e.g. gemcitabine, 5-fluorouracil, and methotrexate). An application with a high predictive power in human dNTP metabolic dynamics can therefore be of substantial value in future anticancer drug development. The maintenance of healthy dNTP pools is also a central aspect of bacterial growth and, thus, applications tailored to microbes will be useful in understanding bacterial drug resistance and will aid antibiotic development. Therefore, besides modeling human dNTP metabolism, we will develop models for Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, and for Escherichia coli, the most widely studied model bacterium.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
