 |
The regulatory role of small GTPases, and their interactors in lysosomal degradation
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
125108 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Takáts, Szabolcs |
| Title in Hungarian |
Kis GTPázok és kölcsönható partnereik szerepe a lizoszomális lebontó útvonalak szabályozásában |
| Title in English |
The regulatory role of small GTPases, and their interactors in lysosomal degradation |
| Keywords in Hungarian |
autofágia, endocitózis, lizoszóma, Rab3GAP, Rab5, Rab18 |
| Keywords in English |
autophagy, endocytosis, lysosome, Rab3GAP, Rab5, Rab18 |
| Discipline |
| Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Molecular genetics | | Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Molecular biology |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Department of Anatomy, Cell and Developmental Biology (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Boda, Attila
Csizmadia, Tamás
Glatz, Gábor
Hegedűs, Krisztina
Lippai, Mónika
Rubics, András
Tóth, Sarolta
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2019-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
20.000 |
| FTE (full time equivalent) |
4.65 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az autofágia és endocitózis során a hibás sejtalkotók, illetve a kívülről felvett anyagok lizoszómákban való lebontásával és újrahasznosításával a sejt képes megújítani önmagát. Így a lizoszomális lebontó útvonalak jelentősége óriási, a hibájuk pedig számos kórkép kialakulásához, neurodegenerációhoz, rákhoz, korai öregedéshez vezet. Ennek ellenére a lizoszomák keletkezését szabályozó faktorokról keveset tudunk. Ezért is kiemelt jelentőségű a pályázatunk alapjául szolgáló közlemény, melyben azonosítottuk a HOPS komplexet, mint az autofagoszóma-lizoszóma fúzió nélkülözhetetlen szereplőjét. A HOPS-hoz hasonló pányvázó faktorok a membránokhoz asszociált Rab GTPázokkal kölcsönhatva látják el feladatukat. Közéjük tartozik a Rab5 is, melynek aktivitása kiemelkedően fontos a lizoszómák keletkezéséhez, ugyanakkor a Rab5 működését e folyamat során szabályozó faktorokat alig ismerünk. Irodalmi adatok szerint a Rab3GAP komplex képes kötni és inaktiválni a Rab5-öt, előzetes eredményeink pedig azt mutatják, hogy a Rab3GAP hiányában sérül az autofág lebontás. A támogatási időszakban azt fogjuk kutatni, hogy a Rab3GAP valóban a Rab5 inaktiválásán keresztül befolyásolja-e a lizoszómák keletkezését. Továbbá kivizsgáljuk, hogy a Rab3GAP által aktiválódó Rab18 maga is részt vesz-e ebben a folyamatban. A Rab18 és a Rab3GAP hibái emberben egy súlyos idegrendszeri betegséghez, a Warburg Micro szindrómához (WMS) vezetnek. Így kutatásunk annak megértésére is irányul, hogy a lizoszómák működési hibája vezet-e a WMS kialakulásához. Pályázatunkban nagy hangsúlyt kap a kutatóképzés is. A projekt két-két doktorandusz és MSc hallgató számára fog publikációs, illetve szakdolgozati lehetőséget nyújtani.
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 lizoszómák keletkezésének egyes lépéseit különböző, a Rab családba tartozó kis GTPáz fehérjék szabályozzák. A különböző Rab-ok működése térben és időben szigorúan szabályozott, ily módon biztosítható, hogy a lizoszómákba mindig az érési stádiumuknak megfelelő anyagok jussanak el. A lizoszóma biogenezis korai fázisa elsősorban a Rab5 aktivitásától függ. Jelentősége ellenére azonban a Rab5 működését a lizoszóma érés során befolyásoló faktorok alig ismertek. Előzetes vizsgálataink során, a Rab5 ismert kölcsönható partnerei közül az autolizoszomális lebontás fontos szabályozójaként azonosítottuk a Rab3GAP komplexet. A támogatási időszakban végzett kutatásunk során szeretnénk bebizonyítani, hogy a Rab3GAP a Rab5 aktivitásának szabályozásán keresztül befolyásolja az autolizoszómák érését. Irodalmi adatok szerint a Rab3GAP in vitro képes inaktiválni a Rab5-öt, de a jelenség sejtélettani jelentősége nem ismert. Így célunk annak megértése, hogy a Rab5 túlműködése felelős-e a Rab3GAP mutánsokban található kóros autolizoszómák kialakulásáért. Ismert, hogy Rab3GAP a Rab18 aktivátoraként is működik. Kutatásunk során tisztázni fogjuk, hogy a Rab3GAP a Rab18-cal közösen vagy attól függetlenül vesz-e részt a lizoszómák érésében. Ezzel párhuzamosan szeretnénk megérteni a Rab5 és a Rab18 közötti hierarchikus viszonyt is. A lizoszómák működési hibája gyakran eredményez súlyos idegrendszeri elváltozásokat. Emberben a Rab18 és a Rab3GAP hiánya egy hasonló kórképet, Warburg Micro szindrómát (WMS) okoz. Munkánk során arra is keresni fogjuk a választ, hogy a WMS-t okozó mutációk is megzavarják-e a lizoszómák keletkezését és ez lehet-e oka a betegség kialakulásának.
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 lizoszomális rendszer egészséges működése rendkívül fontos a sejtek számára. Számos idegrendszeri betegség – például az Alzheimer és Parkinson kór, ataxia illetve a lizoszomális tárolási betegségek – kapcsolatba hozható a lizoszómák és a beléjük irányuló lebontó útvonalak, az autofágia és endocitózis hibájával. Eddigi ismereteink szerint a Rab5 kis GTPáz felelős a lizoszóma biogenezis korai lépéseinek irányításáért. Noha e folyamat rendkívül érzékeny a Rab5 kiegyensúlyozott működésére, az ezt szabályozó fehérjék alig ismertek. Munkánk során a Rab5 új gátló faktoraként tervezzük azonosítani a Rab3GAP komplexet, mely a Rab5 aktivitását korlátozva segíti a lizoszómák keletkezését. Emellett megvizsgáljuk a Rab3GAP egy másik kölcsönható partnerének, a Rab18-nak is a lehetséges szerepét a folyamatban. Kutatásunktól azt várjuk, hogy a Rab3GAP és Rab18 révén felfedezzük a lizoszóma érés egy eddig ismeretlen, hierarchiában a Rab5 után következő szabályozási szintjét. Munkánk így közelebb vihet a Rab18 és Rab3GAP hibája miatt kialakuló Warburg Micro szindróma, valamint más a lizoszómákhoz kapcsoldó betegségek patomechanizmusának megértéséhez, s ezzel új hatóanyagok, kezelési módok kifejlesztésének lehet a kiindulópontja. Kísérleteinkez Drosophila modellrendszert használunk, mely számos előnyt nyújt más, a témában kutató, emlős sejteket használó laborokkal szemben: A lizoszomális kompartment több szövettípusában (zsírszövet, szem, nefrociták) jól tanulmányozható. Az emlős és a Drosophila gének közti magas fokú homológia mellett, utóbbi könnyebben alkalmazható molekuláris genetikai vizsgálatokra. Végül, a muslica bevett in vivo modellje számos emberi idegrendszert érintő betegségnek.
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.
Valamennyi sejtünk túléléséhez és egészséges működéséhez szükséges, hogy az elhasználódott, vagy meghibásodott anyagait lebontsa és újrahasznosítsa. Azok a sejtek, melyek e képességüket elvesztik gyorsabban öregszenek és korábban elpusztulnak, ami végső soron olyan súlyos, főleg az idegrendszert érintő betegségek kialakulásához vezet, mint például az ataxia, az Alzheimer és a Parkinson kórok. A sejtben a lebontandó anyagok kiválogatását és szállítását két folyamat, az autofágia és az endocitózis végzik, melyek végül szállítmányukat a lizoszómának nevezett sejtszervecskébe juttatják, ahol az megemésztődik, a felszabaduló építőkövek pedig újrahasznosulnak. A lizoszómák keletkezése és működése tehát alapvető fontosságú, hibájuk pedig többek között a felsorolt betegségekhez vezethet. Tervezett munkánk során a Rab3GAP komplexet és a Rab18 fehérjét szeretnénk azonosítani, mint a lizoszómák kialakulásának új, eddig nem ismert szabályozóit. Előzetes eredményeink azt mutatják, hogy a Rab3GAP fehérje komplex hibája súlyosan megzavarja a lizoszómák működését. A szakirodalom alapján a Rab3GAP kapcsolatba hozható a lizoszómák keletkezésének más, már ismert szereplőivel is. Célunk annak megértése, hogy a Rab3GAP és az általa aktivált Rab18 miként vesz részt a lizoszómák kialalkulásában. Munkánk jelentőségét növeli, hogy e két faktor hibája felelős a Warburg Micro szindróma (WMS), egy alig ismert hátterű idegrendszeri betegség kialakulásáért is. Reményeink szerint kutatásunk a lizoszóma érés egy teljesen új szabályozási szintjét fogja feltárni, mely hozzájárulhat a WMS kialakulásának jobb megértéséhez és közelebb vihet az említett betegségek elleni új kezelési módok kifejlesztéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Damaged organelles or uptaken material are both degraded by the lysosomal system utilizing autophagy or endocytosis respectively. As both of these processes are essential for cellular rejuvenation and function, defects of these pathways may lead to several diseases, such as neurodegeneration, cancer or accelerated aging. In spite of their importance, only a handful of factors regulating lysosome maturation have been identified. Among these, in a study that forms the basis of our proposal, we have identified HOPS as a key tethering complex in autophagosome-lysosome fusions. Tethers including HOPS act through their interactions with membrane-associated Rab GTPases. One example of such a protein is Rab5, which is an important regulator of lysosomal maturation. However, factors controlling Rab5 activity during this process are yet to be identified. According to the literature, the Rab3GAP complex is able to bind and inactivate Rab5. Indeed, our preliminary experiments show that the lack of Rab3GAP perturbs autophagic degradation. During the grant period we aim to understand whether Rab3GAP influences lysosomal function through inhibition of Rab5. We also analyze the role of Rab18, a GTPase activated by Rab3GAP, in the context of lysosomal degradation. Disturbance of either Rab18 or Rab3GAP function leads to a neurodegenerative disorder, the Warburg Micro Syndrome (WMS). Thus, the goal of our research is to elucidate whether the emergence of WMS is connected to lysosomal defects. The education of young scientists is a priority of our proposal, as we give two PhD and two master students the opportunity for publishing scientific papers and writing their master thesis.
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.
Each step of lysosome maturation is regulated by different Rab family small GTPases. The activity of Rabs is strictly regulated spatially and temporally. This ensures that all immature lysosomes acquire the appropriate protein composition required for their maturation. The early stage of lysosome formation depends on Rab5 activity. Despite its importance, our knowledge is limited about the factors that affect Rab5 function in lysosome maturation. In course of our preliminary experiments that analyzed known Rab5 interactors we have identified Rab3GAP complex as an important regulator of autolysosomal degradation. During the grant period, we would like to prove that the Rab3GAP affects autolysosome maturation through regulation of Rab5 activity. According to previous studies, Rab3GAP inactivates Rab5 in vitro, but the physiological significance of this activity has not been addressed yet. Our planned research aims to understand whether hyperactivation of Rab5 is responsible for the occurrence of aberrant lysosomes in Rab3GAP mutants or not. It is known that Rab3GAP functions as a Rab18 activator, too. During our work, we will clarify whether Rab3GAP participates in lysosome maturation together with, or independently of Rab18. In parallel, we would like to understand the hierarchy between Rab5 and Rab18. The malfunction of lysosomes often causes severe neurological diseases. Defects of human Rab18 and Rab3GAP result in a similar disorder, called Warburg Micro Syndrome (WMS). During our work, we will analyze whether the mutations causing WMS disturb lysosome maturation and whether this effect is responsible for the pathogenesis of WMS.
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.
Maintaining cellular health is highly dependent on proper functioning of lysosomes. The emergence of several neurodegenerative disorders, such as Alzheimer’s and Parkinson’s, ataxia and the lysosomal storage diseases, can be related to disfunction of lysosomes or the associated degradative pathways, autophagy and endocytosis. According to our current knowledge, the Rab5 small GTPase is responsible for controlling the early steps of lysosomal biogenesis. Although this process is highly sensitive to the fine-tuned activity of Rab5, its regulatory partners are less known. During the grant period, we aim to identify Rab3GAP complex as a novel factor involved in the regulation of lysosome maturation through inhibition of Rab5. We also plan to elucidate the role of another Rab3GAP interactor, Rab18 in this process. Our expectation is that Rab3GAP and Rab18 represent a novel regulatory level during lysosome maturation hierarchically downstream from Rab5. In this way, we get closer to understand the pathogenesis of Warburg Micro Syndrome, a disorder caused by the lack of Rab18 and Rab3GAP or other lysosome related diseases. Our results may serve as a basis on the way to develop new drugs and treatments. In the course of our work, we will use Drosophila model system as it provides several advantages compared to cultured mammalian cells: It is easy to study the lysosomal compartment in several tissues (fat body, eye, nephrocytes). Considering the high homology between the mammalian and Drosophila genes, the latter is much more suitable for molecular genetic research. Finally, Drosophila is a popular and frequently used in vivo model for several human neurological diseases.
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.
Degrading and recycling of aged or damaged components are necessary for the function and survival of cells. Those cells that lose this ability age faster and die earlier, which finally results in severe neurological disorders such as ataxia, Alzheimer’s and Parkinson’s disease. Two cellular processes, autophagy and endocytosis are responsible for selecting and delivering components for degradation. During this processes the cargo reaches the organelle called lysosome, where it gets digested and the released building blocks are recycled. Consequently, the normal development and function of lysosomes are essential for cells and their disturbance can result in the previously mentioned diseases. During our planned work we would like to identify the Rab3GAP complex and the Rab18 protein, as novel regulators of lysosome formation. Our preliminary experiments show that loss of Rab3GAP severely perturbs the lysosomal function. According to the literature, Rab3GAP interacts with other known regulatory factors of lysosome formation. Our aim is to understand how the Rab3GAP and its subsequently activated partner Rab18 participate in lysosome formation. The mutations of these two factors are responsible for the pathogenesis of Warburg Micro Syndrome (WMS), a poorly known neurological disease, which further increases the significance of our studies. By the end of our project, we hope that we will be able to reveal a new regulatory level of lysosome maturation. Our results may help to understand the defects leading to the emergence of WMS and get closer to develop new treatments against this and other diseases mentioned above.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
