Identification of drug targets for ischemic heart disease and its comorbidities by bioinformatic target prediction based on trascriptomic data followed by experimetal validation of predicted targets
Gyógyszertámadáspontok azonosítása iszkémiás szívbetegségben és komorbiditásaiban transzkriptomikai adatok bioinformatikai predikciójával és a támadáspontok kísérletes validálásával
Title in English
Identification of drug targets for ischemic heart disease and its comorbidities by bioinformatic target prediction based on trascriptomic data followed by experimetal validation of predicted targets
Experimental pharmacology, drug discovery and design (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Ortelius classification: Pharmacological sciences
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Panel
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent
Dept. of Pharmacology and Pharmacotherapy (Semmelweis University)
Participants
Ágg, Bence Károly Giricz, Zoltán Görbe, Anikó Makkos, András Petrovics, Tünde Sághy, Éva
Starting date
2017-10-01
Closing date
2019-09-30
Funding (in million HUF)
19.670
FTE (full time equivalent)
1.83
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Jelenleg nincs a piacon az infarktus területét csökkenteni képes kardioprotektív gyógyszer, melynek fő oka a gyógyszercélpontok keresésének hipotézis vezérelt, elfogult módszertana, illetve a fejlesztés során komorbiditás modellek használatának hiánya. Célunk, hogy különféle kombinált kardioprotekciós és komorbiditás modellekből nyert mikroRNS és hírvivő RNS (mRNS) teljes expressziós profilok hálózatelméleti elemzése segítségével leküzdjük a hipotézis vezérelt megközelítések korlátait. A jelen projektben expressziós profilok alapján in silico prediktált potenciális molekuláris gyógyszercélpontokat tervezünk azonosítani majd kísérletesen validálni.
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 kardioprotektiv gyógyszerfejlesztések eddig nem vezettek eredményre, melynek legfőbb okai a kis hatékonyságú hipotézis-vezérelt gyógyszercélpont keresés, illetve az iszkémiás szívbetegségben jellemző komorbiditásokat is figyembe vevő kísérleti modellek hiánya. Korábban ismertté vált, hogy pl. hiperlipidémia, diabétesz, obezitás jelenlétében a szív endogén kardioprotektív adaptációs mechanizmusai (iszkémiás kondicionálás) károsodnak. Ezért olyan új molekuláris gyógyszercélpontokra van szükség, melyek a jellemző komorbiditások jelenlétében is védelmet biztosíthatnak az iszkémiás szívizomnak. Az iszkémiás kondícionálási eljárások jelentős transzkript és fehérje szinten bekövetkező expressziós változásokat indukálva az iszkémia ellen védett fenotípust eredményeznek, melyet a komorbiditások fennállása jelentősen befolyásol. Hatékony gyógyszercélpontok elfogulatlan azonosítása nagy hatékonyságú transzkriptomikai eljárásokkal és az azt követő bioinformatikai predikcióval elérhető. A prediktált gyógyszercélpontok validálása pedig utat nyithat új kardioprotektív gyógyszerfejlesztéséhez. Célok: 1. Iszkémia/reperfúziós károsodás, iszkémiás kondícionált, és komorbid állapotokban nagy áteresztő képességű omik-ai eljárásokkal feltérképezni a mikroRNS és mRNS expressziós profil változásokat.
2. A feltárt expresziós profil változások alapján bioinformatiai eljárások segítségével (pl. hálózat analízis) kulcs szabályozó pontok (lehetséges gyógyszercélpontok) azonosítása.
3. a bioinformatikai analízis során prediktált molekuláris célpontok validálása transzkript és fehérje szinteken.
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! Az iszkémiás szívbetegségek magas prevalenciája következtében a kardioprotektív gyógyszercélpontok azonosítása sürgető feladat. A nagy áteresztőképességű omikai módszerek alkalmazása és az adatok bioiformatikai analízise rövid idő alatt számos molekuláris célpont azonosítását teszi lehetővé. A validált célpontok új terápiás lehetőséget jelentenek iszkémiás szívbetegségek terápiájában. A vizsgálatok közvetlen elméleti jelentősége a mikroRNS és mRNS profil változásának feltérképezése iszkémiás szívbetegségben és komorbiditásaiban. Ezen adatok publikussá tétele más kutatók számára is hasznos további kutatásokra használható adathalmazokat biztosít ezáltal csökkentve a kutatások költségét és lerövidítve a gyógyszerfejlesztéshez vezető út idejét. A kutatások hosszútávú gyakorlati jelentősége az új, komorbiditásokban is hatékony kardioprotektív molekuláris célpontokon alapuló gyógyszerfejlesztés lehetősége.
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. Jelenleg nem érhetők el olyan gyógyszerek (úgynevezett szívet védelmező - kardioprotektív - hatóanyagok), melyek egy szívinfarktust követően elősegítik az életképes szívizomszövet megmentését. Ennek egyik elsődleges oka az lehet, hogy az ilyen hatóanyagok keresésére irányuló kísérleti megközelítések jelentős hiányosságokkal bírnak. Ennek a problémának a megoldására célul tűztük ki, hogy olyan állatmodelleken végezzük el kísérleteinket, melyek a mesterségesen előidézett szívinfarktus mellett egyéb társbetegségekben is szenvednek, mint pl. a magas koleszterin szint, cukorbetegség, vagy az elhízás, mely jelentős mértékben befolyásolja az elsődleges kórállapotot. Szintén szerepel a terveink között olyan laboratóriumi mérések elvégzése a fenti állatmodellektől származó biológiai minták felhasználásával, melyek átfogó információkat szolgáltatnak a vizsgált megbetegedések háttérben álló molekuláris eltérésekről. Ezeket a mélyreható molekuláris szintű eredményeket a kutatócsoportunk által fejlesztett szoftverek segítségével elemeznénk, melyek a hálózatelmélet közelmúltban feltárt lehetőségeit kiaknázva lehetővé tennék a legvalószínűbb gyógyszercélpontok előrejelzését. Amennyiben sikeresen tudjuk igazolni ezen gyógyszercélpontokat, úgy az általunk alkalmazott megközelítés reményeink szerint hosszú távon új kezelési eljárások/gyógyszerek kifejlesztését is lehetővé teheti.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. There is no available cardioprotective pharmaceutical agent on the market that could reduce the infarct size, mainly because of the hypothesis-driven, biased methodology of drug target identification and the lack of the application of comorbidty models during the drug development process so far. Thus our aim is to overcome the limitations of the standard hypothesis driven approaches by the network theoretical analysis of complete microRNA and messenger RNA (mRNA) expression profiles assessed from various combined cardioprotection and comorbidity models. Based on the expression profiles here we predict potential molecular drug targets by in silico methods and experimentally validate some predicted targets.
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. There are still no cardioprotective drugs on the market which could limit myocardial infarct size, the main factor that determine post-infarction prognosis. The reason for this on the one hand is the hypothesis-driven methodology for durg target indentification, and on the other hand the lack of use of relevant comorbidity models in drug development. It has been established that comobities (hyperlipidaemia, diabetes or obesity) abrogate endogenous cardioprotective mechanisms, therefore, there is a need for drug targets which can induce cardioprotection in the presence of comorbidities. The ischemic conditioning technics induce significant changes in expression profiles of the heart at transcriptomic and protein levels, but the protected phenotype can be influenced by different comorbidities. The identification of new drug targets can be enabled by high-throughput transcriptome assays and in silico bioinformatic target prediction . The validation of the in silico predicted targets may lead to novel drug development projects for cardioprotection. Aims: 1. application of high-throughput transcriptome assays to describe the transcriptome profile changes at microRNA and mRNA levels in conditions of ischemia-reperfusion injury, ischemic conditioning, and different comorbidities.
2. Based on the transcriptomic changes, identification of key regulatory points (potential drug targets) by bioinformatic tools (e.g. network analyis)
3. Validation the predicted targets at the transcriptomic and protein levels.
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. There is an emerging need for developing new cardioprotective agents that can limit ischemia reperfusion injury of the heart. The application of high-throughput transcriptome assays followed by bioinformatic analysis result in the fast identification of various potencial drug targets. . Validation of such targets can lead to novel therapeutic options in ischemic heart disease. . The rirect basic science result of our project will be the description of microRNA and mRNA profile changes in ischemic heart diseases and comorbidities. Furthemore, the e publication of these data sets can by used by the scientific community thereby reducing the time and resources for of early stage drug development projects. The long term result of this project included providing the basis to develop novel cardiopotective drugs with optimal efficacy in the presence of comobidities.
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. Currently drugs that could help us to rescue viable heart tissue after a heart attack (the so called cardioprotective agents) are not available, mainly because the experimental approaches to find such agents have major weaknesses. To solve this problem we aim to use animal models that besides the artificially induced heart attack, also suffer from other diseases, like high cholesterol, diabetes, or obesity, that could significantly alter the presentation of the primary disorder. We also plan to perform laboratory measurements from the biological samples gathered from the above mentioned animal models, that provide us with comprehensive information about the molecular alterations in the background of the examined diseases. These detailed molecular findings could be analyzed with the use of softwares developed by our team, that by exploiting the potentials in recently established network theoretical principles enable us to predict the most likely drug targets. Upon successful validation of these drug targets, our studies could hopefully be the basis of the development of new therapeutic approaches of heart attack.
Final report
Results in Hungarian
The aim of the present project was to predict novel molecular drug targets by using unbiased network theoretical analysis of global miRNA and mRNA expression profiles in conditions of ischemia-reperfusion injury, ischemic conditioning and different comorbidities and to validate the predicted targets. Target prediction was performed from cardiac miRNA or mRNA fingerprints of ischemia-reperfusion, 4 comorbidities i.e. obesity, hypercholesterolemia, prediabetes, sensory neuropathy and 1 comedication models. Selected targets were validated at mRNA and protein levels. Sensory neuropathy affected cardiac miRNA expression network targeting IGF-1, SLC2a-12, EIF-4e and ULK-2. Hypercholesterolemia affected cardiac miRNA expression network targeting Adrb2 and Ppp3r1. Prediabetes affected cardiac miRNA expression network targeting Jazf1, Zkscan1 and Rap2C. Optimization of plasma and saliva sample collection and miRNA sequencing was performed in this project. The EntOptLayout software was successfully validated and published. All miRNA-target networks generated in this project was visualized by EntOptLayout. This project led to the discovery of important novel drug targets and resulted in several international publications (3 accepted, 1 submitted, 4 under preparation).
Results in English
Jelen projekt célja, hogy új gyógyszertargeteket prediktáljunk hipotézis-mentes megközelítéssel, iszkémia-reperfúzió, iszkémiás kondícionálás és különböző komorbiditás modellekből nyert miRNS és mRNS teljes expressziós profilok hálózatelméleti elemzésével, valamint a prediktált targetek validálásával. A miRNA és mRNA expressziós profil bioinformatikai elemzését elvégeztük iszkémia-reperfúzió, 4 komorbiditás (obezitás, hiperkoleszterinémia, prediabétesz, szenzoros neuropathia) és 1 komedikáció modellből. A kiválasztott targeteket mRNS és protein szinten validáltuk. A szenzoros neuropathia a kardiális miRNS expressziós hálózat változását okozta, az IGF-1, SLC2a-12, EIF-4e és ULK-2 molekulákon fejtve ki hatását. A hiperkoleszterinémia a kardiális miRNS expressziós hálózat változását indukálta, az Adrb2 és Ppp3r1 molekulákon fejtve ki hatását. Prediabétesz a kardiális miRNS expressziós hálózat változását indukálta Jazf1, Zkscan1 és Rap2C molekulákon fejtve ki hatását. A plazma és nyál mintagyűjtés és miRNS szekvenálás optimalizálását elvégeztük jelen projektünkben. Az EntOptLayout szoftvert sikeresen validáltuk és az eredményeket publikáltuk. Az összes ezen projekt keretében generált miRNS-target hálózatot az EntOptLayout szoftver segítségével ábrázoltuk. Jelen projekt fontos új gyógyszertargetek felfedezéséhez vezetett ás számos nemzetközi publikációt eredményezett (3 elfogadott, 1 közlésre benyújtott, 4 szerkesztés alatt).
Éva Sághy, Imre Vörös, Bence Ágg, Bernadett Kiss, Gábor Koncsos, Zoltán V. Varga, Anikó Görbe, Zoltán Giricz, Rainer Schulz, Péter Ferdinandy: Prediabetes induces cardiac miRNA expression changes targeting Jazf1, Zkscan1, Rap2c mRNAs, British Journal of Pharmacology (közlésre elküldve), 2019
