 |
Kinetics and dynamics of tetraplex DNA structures under complex environmental conditions determined by spectroscopic methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124697 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Smeller, László |
| Title in Hungarian |
Tetraplex DNS struktúrák kinetikájának és dinamikájának meghatározása komplex környezetben, spektroszkópiai módszerekkel |
| Title in English |
Kinetics and dynamics of tetraplex DNA structures under complex environmental conditions determined by spectroscopic methods |
| Keywords in Hungarian |
tetraplex, G-quadruplex, FTIR spektroszkópia, molekuláris zsúfoltság, feltekeredési kinetika, ion kötés |
| Keywords in English |
tetraplex, G-quadruplex, FTIR spectroscopy, fluorescence spectroscopy, molecular crowding, folding kinetics, ion binding |
| Discipline |
| Biophysics (Council of Physical Sciences) | 60 % | | Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Molecular biophysics |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Dept. of Biophysics and Radiation Biology (Semmelweis University) |
| Participants |
Adányi, Mónika
Bozó, Tamás
Gál, Róbert
Grád, Anna Nóra
Grád, Anna Nóra
Hegedüs, Imre
Molnár, Orsolya Réka
Somkuti, Judit
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2022-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
31.542 |
| FTE (full time equivalent) |
9.37 |
| 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 genetikai anyag számos kulcsfontosságú régiójában találtak nem-hagyományos szerkezetű nukleinsav szekvenciákat. Legfontosabb képviselőik a guaninban gazdag szakaszokból kialakult tetraplex struktúrák. Ezek a G-quadruplexek (GQ) megtalálhatók a telomer régióban és sok promóter régióban is, beleértve az ismert onkogének promóter régióit. Mivel a GQ-k a genetikai anyag különösen fontos pozícióiban jelennek meg a rákterápia ígéretes célpontjai.
Annak ellenére, hogy rengeteg információ gyűlt össze ezekről a struktúrákról van néhány alapvető tudományos kérdés, amit alig vagy egyáltalán nem vizsgáltak még.
A nagy nyomású spektroszkópiában szerzett tapasztalatunkkal és a rendelkezésünkre álló nagy nyomású spektroszkópiai készülékekkel térfogati információkat nyerhetünk, mint pl. a GQ kialakulás aktivációs térfogata vagy a kis molekulák GQ-hoz kötődéséhez tartozó térfogatváltozások. Olyan egzotikus fluoreszcens ionokat is fogunk keresni, melyek stabilizálják a szerkezetet.
Sejthez hasonló környezetben is végzünk kísérleteket, amit szénhidrátok és fehérjék nagy koncentrációban való adagolásával hozunk létre.
A GQ-k komplementer szála ciszteinben gazdag és i-motívumoknak nevezett egyedi struktúrákat alkot. Ezek eddig kevesebb érdeklődést váltottak ki, mivel fiziológiás környezetben kevésbé stabilak. A nyomás alatt végzett stabilitási kísérleteink fontos információkkal szolgálhatnak az i-motívumok termodinamikájáról.
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.
Annak ellenére, hogy a nukleinsavak G-quadruplexeinek (GQ) és i-motívumainak szerkezetét elég intenzíven tanulmányozták, a nagy nyomású spektroszkópiákon alapuló speciális kísérleti megközelítésünk lehetővé teszi, hogy olyan kérdéseket tegyünk fel, amit alig vagy egyáltalán nem vizsgáltak még.
A következő hat kérdést szeretnénk megválaszolni:
Nem fiziológiás fémionok stabilizálhatják-e a GQ szerkezeteket? Használhatók-e fluoreszcens ionok a GQ szerkezetek detektálására?
Van-e a GQ-eknek fehérjékéhez hasonló elliptikus fázisdiagramja, ami különbözik a kettősszálú DNS fázisdiagramjától?
Hogyan változtatja meg a sejtek belsejéhez hasonlóan zsúfolt környezet a GQ-ek stabilitását és szerkezetét?
Hogyan befolyásolható a GQ-ek feltekeredési kinetikája nyomás alkalmazásával, egzotikus ionok jelenlétével és zsúfolt környezettel?
Stabilizálhatók-e az i-motívumok nyomással?
Milyen térfogati paraméterei vannak a porfirin-GQ kölcsönhatásnak?
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 nukleinsavak szerepe nem korlátozódik a genetikai információkódolására. A nem-kódoló DNS szerepének tisztázása jelenleg egy érdekes kutatási terület. A megjelenő nem-konvencionális szerkezetek fontos szerepet játszanak a sejt életének szabályozásában. Különösen érdekesek a rövid guaninban gazdag szekvenciák, melyek négy láncból álló, G-quadruplexnek (GQ) nevezett szerkezeteket formálnak. Ezeket megtalálták a telomér régiókban, amelyek behatárolják a sejtosztódások lehetséges számát. Rákos sejtekben a telomeráz enzim a teloméreket meghosszabbítja, amelyek így halhatatlanná válnak. Mivel a GQ-ek csökkentik a telomeráz aktivitását, a GQ-ek stabilizálása egyik fontos cél a rákkutatásban. GQ szekvenciákat találtak számos onkogén és protoonkogén promóter régiójában.
GQ-eket lehet molekuláris szenzorként vagy inhibitorként is használni. Olyan GQ-eket fogunk tanulmányozni, amelyek fontos biológiai szerepet töltenek be, vagy pedig specifikusan kötődnek valamilyen fehérjéhez. Az eddigiekhez képest merőben új megközelítésmódot alkalmazunk, ugyanis a nyomást fogjuk változtatni, hogy olyan kérdéseket válaszolhassunk meg, amelyeket eddig nem lehetett vizsgálni. Laborunk nagy nyomású készülékeit használva a porfirinek vagy nem fiziológiás ionok GQ-hez való kötődésének térfogati paramétereit fogjuk meghatározni. Ezek a paraméterek mélyebb betekintést nyújtanak a kötődési mechanizmusba, ami fontos lehet ezen kölcsönhatások biológiai szerepének megértésében. A p-T fázisdiagram alakjának meghatározása alapkutatási szempontból jelentős. Eddig csak fehérjék esetében találtak olyan elliptikus fázisdiagramot, amelyet a GQ-ek esetén feltételezünk.
A nyomáskísérleteink segíthetnek megérteni a GQ-szel komplementer, ciszteinben gazdag szekvenciák termodinamikai viselkedését is. Mérsékelt stabilitásuk ellenére feltételezésünk szerint nyomással stabilizálhatóak, így térfogati paramétereik és kialakulásuk kinetikája vizsgálhatóvá válik.
A zsúfolt molekuláris környezet hatásának vizsgálata fontos a sejten belüli folyamatok megértése szempontjából. A GQ-ek kinetikai és sztatikus paramétereit ilyen mesterségesen előállított, zsúfolt környezetben is mérni fogjuk.
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 nukleinsavak a genetikai kódot hordozó hosszú polimerekként ismertek. A DNS sok régiója azonban nem hordoz genetikai kódot, hanem a sejt életének irányításában van fontos szerepe. A DNS általában kettős hélix szerkezetű, azonban sok rövidebb része quadruplex szerkezetet vesz fel, ahol kettő helyett négy bázis található egy síkban. Ezek kritikus helyeken találhatók, ahol az onkogének kifejeződését, a sejtburjánzást szabályozni tudják. A telomér régiókban (a gén szekvencia végén) található G-quadruplexek (GQ) gátolják a telomeráz enzimet, ami a rákos sejteket halhatatlanná teszi.
Újszerű megközelítésünk lehetővé teszi, hogy a GQ-ek szerkezetét, képződési kinetikáját és kölcsönhatásait más szemszögből vizsgáljuk. Nagy nyomású spektroszkópiai módszereket használunk, amivel a GQ-ek funkciójával kapcsolatos szerkezeti és térfogati információkat nyerhetünk. Ezek az új paraméterek a sejtosztódás nagyon fontos lépésének mélyebb megértését segítik elő, így a kutatásból származó információk a későbbiekben értékesek lehetnek a gyógyszerfejlesztés szempontjából.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Nonconventional nucleic acid structures were described in several crucial regions of the genetic material. The most important representatives of these structures are the tetraplex structures formed from guanine-rich sequences. These G-quadruplex (GQ) structures were found in the telomeres and in several promoter regions, including promoters of known oncogenes. Their appearance at such crucial positions makes them promising target for cancer therapy.
Although a vast amount of information has been collected about these structures, there are some basic scientific questions which were sparsely or not at all investigated.
We utilize our high pressure spectroscopic experimental experience and the series of equipments available for high pressure spectroscopic studies to obtain volumetric information, e.g.: activation volume of the formation of GQs, volume changes associated to the binding of small molecules to GQs. We will also search for exotic fluorescent ions, which can also stabilize the structure.
Cellular conditions will also be mimicked during these experiments, by adding high concentration of polysaccharides, or proteins.
The complementary strand of the GQ is rich is cysteine and also forms a unique structure called i-motif. Since this is less stable under physiological conditions, it attracted less interest. Our stabilization studies under pressure can provide important information about the thermodynamics of these motifs.
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.
Although the g-quadruplex (GQ) and i-motif structure of nucleic acids have been studied quite intensively our special experimental approach based on a series of high pressure spectroscopic methods, allows us to pose questions, which investigated only in few cases or were not at all investigated.
The six main questions we want to address are:
Can nonphysiological metal ions stabilize the GQ structures? Can fluorescent ions be used to detect GQ structures?
Do the GQ-s have an elliptic phase diagram like the proteins which is different from the phase diagram of dsDNA?
How does the crowded environment in the cell interior change the stability and structure of GQs?
How the folding kinetics of GQ is influenced by environmental factors like pressure, exotic ions, crowding conditions?
Can the i-motif be stabilized by pressure?
What are the volumetric parameters of the porphyrin-GQ interactions?
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.
Function of nucleic acids is not restricted to the coding of the genetic information. Nowadays the role of non-coding DNA is an interesting research area. Nonconventional structures can be formed here, which play important role in control of the cell life. The short guanine-rich sequences, which form four stranded structures called G-quadruplexes (GQ) are of particular importance. They are found in the telomere region which limits the number of possible cell divisions. In malignant cells the telomere is elongated by the telomerase enzyme, making the cells immortal. Since telomerase activity can be reduced by GQs, stabilization of GQs is one of the major targets in the cancer research. GQ sequences have been also found in the promoter regions of several oncogenes and protooncogenes.
On the other hand, GQs are used as molecular sensors, or as inhibitors.
Objects of our experiments are the GQs which play important biological role, or have specific binding target protein.
Our approach is different from the previous ones, because we use high pressure to address questions, which could not be answered before. Using the high pressure setups of our laboratory, we will be able to reveal specific aspects of the binding of different molecules (e.g. porphyrins physiological and nonphysiological ions). Determination of the volumetric parameters allows a deeper insight to the binding mechanism, which can be important in understanding the biological role of such interactions.
Determination of the overall shape of the p-T phase diagram has a great importance from basic scientific point of view. Up to now only proteins had such an elliptic phase diagram which we hypothesize for GQs.
Our pressure experiments could help to understand the thermodynamics of the cysteine rich sequences, which are complementary to the GQs. Their limited stability can be counteracted by high pressure, allowing the investigation of their volumetric parameters and formation kinetics.
The effect of the crowded environment on the equilibrium parameters and on kinetics of GQs is essential for understanding of the processes in the cell interior. We will mimic these conditions to study the kinetic and static parameters of GQs in cell-like environment.
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.
Nucleic acids are well known as long polymers which are carrying the genetic codes. Several parts of the DNA are however not used for genetic coding, but they have important role in the control of the cell life. Although the usual structure of DNA is the double helix, several short parts can adopt quadruplex structures, where four bases are in one plane. These are found in crucial positions, where they can control the expression of oncogenes, i.e. the proliferation of the cell. GQs in the telomere regions (i.e. at the end of the gene sequences) were found to inhibit the telomerase enzyme, which makes the cancer cells immortal.
Our novel approach allows us to study the structures, formation kinetics and interactions of GQs from a new perspective. We use high pressure spectroscopic methods, where we can obtain new information about the structure, volume, volume changes associated to the function of GQs. These new parameters will deepen our understanding about a very important step of the cell division and the information revealed by this project will be valuable for possible drug development.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
