 |
Method development for the study of the structure and interactions of intrinsically unstructured proteins
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
125597 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Kardos, József |
| Title in Hungarian |
Szerkezetvizsgáló módszer fejlesztése a rendezetlen fehérjék szerkezetének és kölcsönhatásainak vizsgálatára |
| Title in English |
Method development for the study of the structure and interactions of intrinsically unstructured proteins |
| Keywords in Hungarian |
CD spektroszkópia, rendezetlen fehérjék, másodlagos szerkezet, fehérje-fehérje kölcsönhatások, MD szimuláció, ab initio számítások |
| Keywords in English |
circular dichroism spectroscopy, intrinsically disordered proteins, secondary structure, protein-protein interactions, MD simulations, ab initio calculations |
| Discipline |
| Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Biochemistry | | Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Molecular biophysics |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Department of Biochemistry (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Bulyáki, Éva
Kun, Judit
Legeza, Örs
Micsonai, András
Molnár, Tamás
Sinchi Tenesaca, Johanna Priscila
Szikora, Bence
Tantos, Ágnes
Vadászi, Henrietta
|
| Starting date |
2017-11-01 |
| Closing date |
2020-04-30 |
| Funding (in million HUF) |
19.988 |
| FTE (full time equivalent) |
6.27 |
| 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 cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópia széles körben használt módszer a fehérjék másodlagos szerkezetének tanulmányozására. A fejlett műszerezettség ellenére a spektrumok kiértékelésére született korábbi módszerek csak az α-helikális szerkezetet tudták megfelelő pontossággal becsülni. Az általunk alkotott módszerrel, mely figyelembe veszi a β-lemezes szerkezetek orientációját és csavarodását, a β-szerkezet tartalom pontosabban meghatározhatóvá vált, és lehetőség nyílt a fehérjék térszerkezeti besorolásának, foldjának predikciójára is (Micsonai és mtsai (2015) PNAS, 112, E3095). Ezzel a másodlagos és harmadlagos szerkezet gyorsan és olcsón prediktálható, amely előnyös a biotechnológia és gyógyszerkutatás számára. A módszer akkor nyer különös fontosságot, amikor az atomi felbontású szerkezetvizsgáló módszerek nem használhatóak a nagy molekulaméret vagy a minta nem kristályosíthatósága miatt, mint például az egyes neurodegeneratív betegségek hátterében álló fehérjeaggregáció esetén. A módszert leíró publikáció széles nemzetközi fogadtatásra lelt, webszerverünkön pedig az elmúlt másfél évben több, mint 26000 kiértékelést végeztek. A módszer az eddigieknél pontosabb becslést ad a rendezetlen szerkezetekre is, azonban e területen fejlesztésre szorul. A pályázat keretében ilyen fehérjék CD spektrumait vesszük föl és segítségükkel fejlesztjük tovább az algoritmust. Kísérletet teszünk a CD spektrumok fehérjeszerkezetből történő elméleti számítására is, így jobban megérthetjük, hogy a molekulapályák és kvantumkémia szintjén milyen járulékok határozzák meg a CD spektrum létrejöttét, továbbá lehetőséget nyújtana az in silico szerkezeti modellek kísérleti verifikálására is.
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 távoli UV CD spektrumot a fehérjék amid csoportjainak elektronikus átmenetei adják, amelyek érzékenyek a fehérje másodlagos szerkezetére. Korábban nem volt pontosan tisztázott, hogy a spektrális komponensek hátterében milyen szerkezeti motívumok állnak, így a szerkezeti információ korlátozottan volt kinyerhető. Az eddigi szerkezetbecslő algoritmusok elsősorban az alfa-hélix becslésére voltak alkalmasak. Problémát jelentett a béta-szerkezetek spektrális és szerkezeti sokszínűsége. Kimutattuk, hogy a béta-lemezek orientációjának és csavarodásának figyelembe vételével jelentősen megjavítható a szerkezetbecslés pontossága. Jelenleg a legpontatlanabb a rendezetlen szerkezet becslése. Megfigyeltük, hogy a rendezetlen és az erősen jobbra csavart béta-lemezes szerkezet egymáshoz közeli CD járulékokat ad, amely a bizonytalanságot okozhatja. Célul tűztük ki, hogy ezt a két szerkezet egymástól jobban megkülönböztetve pontosabb becslést adjunk a rendezetlen tartalomra.
Jelenleg még senkinek sem sikerült olyan módszert kidolgozni, amely a CD spektrumot a térszerkezetből elméleti úton határozza meg. Ez arra utal, hogy az eddigi modellek túlzott elhanyagolásokat alkalmaztak. Empirikus megközelítésünk eredményeit felhasználva, célunk olyan ab initio módszert kidolgozni, amellyel a CD spektrumok jól leírhatóak.
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 CD spektroszkópia széles körben használt módszer a fehérjék szerkezetének és konformációváltozásainak tanulmányozására. Évente több mint 1000, fehérje CD spektroszkópiát használó tudományos cikk jelenik meg (PubMed alapján), melynek nagy része – megfelelő kiértékelés hiányában – kizárólag kvalitatív következtetéseket tartalmaz. A módszer akkor válik igazán fontossá, amikor a nagyfelbontású módszerek (röntgenkrisztallográfia és NMR) nem, vagy korlátozottan használhatóak. Ilyen a rendezetlen fehérjék szerkezetvizsgálata. Ma már világossá vált, hogy a fehérjék szerkezetének körülbelül 40%-a rendezetlen, ugyanakkor a rendezetlen szakaszok funkcióval rendelkeznek. Nagy igény mutatkozik a pontos szerkezetbecslő módszerekre. Továbbfejlesztett módszerünkkel lehetővé válik a rendezetlen fehérjék és fehérjerégiók eddigieknél pontosabb elemzése. Plusz előnyt jelent, hogy a módszer gyors és olcsó, ezért alkalmazható előzetes szerkezetvizsgálatra, kölcsönható partnerek szűrésére a gyógyszerkutatásban, fehérjestabilitás és –konformáció vizsgálatára a biotechnológiában. Ab initio számításaink jelentősen hozzájárulhatnak a fehérje CD spektroszkópia elméleti, molekuláris, kvantumkémiai szintű hátterének megértéséhez.
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.
Az utóbbi években nyilvánvalóvá vált, hogy a fehérjék szerkezet-funkció paradigmája, miszerint a csak a rendezett, jól definiált szerkezet lát el funkciót, átértékelésre szorul. A természetes formában rendezetlen fehérjék, vagy fehérjék rendezetlen régiói számos fontos élettani vagy sejtfolyamatban játszanak szerepet. Funkciós zavaraik állhatnak különféle kórképek hátterében, mint például a rák, anyagcsere- vagy (neuro)degeneratív betegségek. A rendezetlen fehérjék flexibilis szerkezetének tanulmányozására kísérleti módszerek korlátozottan állnak rendelkezésünkre, mivel nem kristályosíthatóak és nehezen vizsgálhatók nagyfelbontású technikákkal. A CD spektroszkópia régóta használatos módszer a fehérjék másodlagos szerkezetének tanulmányozására, azonban a korábban elérhető analizáló módszerek a szerkezetet pontatlanul becsülték, különös tekintettel a β-lemezes és a rendezetlen szerkezetre. Kutatócsoportunk kifejlesztett egy új módszert, amellyel több és pontosabb szerkezeti információ nyerhető a CD spektrumokból (Micsonai és mtsai. (2015) PNAS, 112, E3095). A módszer jól használható többek között a neurodegeneratív betegségekben szerepet játszó fehérjeaggregátumok, amiloid szálak szerkezetének jellemzésére is. Jelen projekt keretében ezt a módszert fejlesztjük tovább a rendezetlen fehérjék szerkezetvizsgálatára. A CD spektrumok fehérjeszerkezetből történő elméleti számítása még nem megoldott feladat. Célul tűztük ki, hogy ezen a területen is előrehaladást érjünk el a legkorszerűbb ab initio módszerek adta lehetőségek vizsgálatával.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
CD spectroscopy is a widely used technique for the study of protein secondary structure. Despite the well-developed instrumentation, previous CD analysis algorithms could estimate only alpha-helices with acceptable accuracy. We recently developed a new method which, by taking into account the orientation and twisting of beta-sheets, gives more reliable estimation for beta-sheet content, moreover it is capable of predicting the protein fold (Micsonai et al (2015) PNAS, 112:E3095). Using this method the secondary structure and fold can be estimated fast and inexpensive way, which is usefull for biotechnology and pharmaceutical industry. It is especially important when the atomic resolution techniques are not avaiable because of the large size of the molecules or in the lack of crystals, such as the case of protein aggregation that is associated with neurodegenerative desiases. Our publication received wide international response and our webserver was used to analyse more than 26000 CD spectra in the 1.5 years from worldwide. Compared to the previos methods, our algorithm provides a better estimation for disordered structures, however needs further improvement. In this project we record the CD spectra of unstructured proteins in order to further develop the method.
We make an attempt for ab initio calculation of the CD spectra from the atomic coordinates of the protein structure. It will widen our understanding of the role of the molecular orbitals and quantum-chemical contributions in determining the CD spectrum. Such a method could be usefull for the experimental verification of the in silico structural models by comparing the theoretical and measured spectra.
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 far UV CD spectrum of proteins is a result of the electronic transitions of the peptide groups, which is sensitive for the secondary structure. It has not been fully understood which structural motifs determine the spectral components, limiting the structural information gained. Previously available algorithms provided acceptable estimation mainly for the alpha-helical content. An inherent problem was the spectral and structural diversity of beta-structures. We prooved that the orientation and twist of beta-sheets are responsible for the observed diversity. By taking into account these properties we develop a new method for an accurate secondary structure prediction. At the moment estimation of disordered structure has the lowest accuracy, and needs further improvement. We observed that highly right-hand twisted beta-sheets have spectral components similar to that of disordered structures, making the estimation inaccurate. Our aim is to optimize our method for a better distinction between these two structural elements, and improve the estimation of disordered structure significantly.
The presently available theoretical methods cannot provide a reliable calculation of the protein CD spectra from atomic resolution structures indicating the oversimplification of these calculations. Using our empirical experience we aim to work out an ab initio method for a better description of CD spectra.
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.
CD spectoscopy is a widely used technique for the study of the structure and conformational changes of proteins. There are over 1000 arcticles published annually using protein CD spectroscopy (PubMed search), however, in the lack of reliable methods, most of these works provide no quantitative evaluation for the secondary structure content. CD spectroscopy becomes indispensable when atomic resolution techniques are not available or problematique. Such an example is the structural characterization of disordered proteins. It has become clear that around 40% of polypeptide chains of the living system are in disordered conformation, however, they are functional in this state. There is a high interest for reliable structure determination. Our improved method will make possible a more accurate characterization of the unstructured proteins and protein regions. The method is fast and inexpensive, and can be usable for preliminary structure characterization before expensive high-resolution techniques, screening for binding partners in pharmaceutical industry, for the study of protein fold and stability in biotechnology. We hope our ab initio calculations will enlighten the molecular, quantum-chemical background of protein CD spectroscopy.
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.
In the recent years, it has become more evident that the structure-function paradigm of proteins, i.e., a well-ordered, folded structure is required for the function, needs reconsideration. Now it is clear that the Intrinsically unstructred proteins (IUPs) or disordered protein regions play fundamental role in various processes of the living cell. Aberrant function of theses proteins can be associated with cancer, methabolic or (neuro)degenerative diseases. There are limited experimental methods available for the structural studies of unstructured proteins because the use of atomic resolution techniques, such as X-ray crystallography or NMR is problematic. Circular dichroism spectroscopy is a widely used technique for the secondary structure estimation of proteins. However, the earlier CD spectrum analysis algorithms were unreliable, especially for beta-structured and disordered proteins. We developped a new algorithm which provides more accurate and increased structural information from the CD spectra (Micsonai et al. (2015) PNAS, 112, E3095). The method is useful for the study of protein aggregates and amyloids that are associated with several neurodegenerative diseases, such as Alzheimer’s. In this project we aim to improve our method for accurate structure prediction of unstructured proteins.
The theoretical calculation of the CD spectra from the atomic coordinates of proteins is an unresolved issue. Our goal is to make an advance in this field by using state-of-the-art ab initio methods.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Micsonai A, Wien F, Bulyaki E, Kun J, Moussong E, Lee YH, Goto Y, Refregiers M, Kardos J.: BeStSel: a web server for accurate protein secondary structure prediction and fold recognition from the circular dichroism spectra, NUCLEIC ACIDS RESEARCH 46:(W1) pp. W315-W322. (2018), 2018 | | Szabó B, Murvai N, Abukhairan R, Schád É, Kardos J, Szeder B, Buday L, Tantos Á.: Regions of Mixed Lineage Leukemia 4 (MLL4) Protein Are Capable of RNA Binding, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 19 : 11 Paper: E3478 (2018), 2018 | | Adachi M, Noji M, So M, Sasahara K, Kardos J, Naiki H, Goto Y.: Aggregation-phase diagrams of β2-microglobulin reveal temperature and salt effects on competitive formation of amyloids versus amorphous aggregates, Journal of Biological Chemistry, 293:(38) pp.14775-14785., 2018 | | Hildebrand N, Michaelis M, Wurzler N, Li Z, Hirst JD, Micsonai A, Kardos J, Gil-Ley A, Bussi G, Köppen S, Piane MD, and Ciacchi LC: Atomistic details of chymotrypsin conformational changes upon adsorption on silica, ACS BIOMATERIALS SCIENCE & ENGINEERING, accepted, manuscript ID: ab-2018-00819m.R1, 2018 | | András Micsonai, Éva Bulyáki, and József Kardos: BeStSel: From Secondary Structure Analysis to Protein Fold Prediction by Circular Dichroism Spectroscopy, ch 11. in Methods in Molecular Biology, vol. 2199; DOI: 10.1007/978-1-0716-0892-0_11, 2020 | | Micsonai A, Murvai N, Bulyáki É, Szabó B, Wien F, Lee YH, Réfrégiers M, Goto Y, Tompa P, Han KH, Tantos Á, Kardos J: Improved structural estimation of disordered proteins by CD spectroscopy: Method development and application., BPS18 62nd Annulal Biophysical Meeting of Biophysical Society, San Francisco, February 17-21, 2018., 2018 | | Micsonai A, Wien F, Kun J, Vadászi H, Réfrégiers, Kardos J: Protein fold recognition by circular dichroism spectroscopy, BPS18 62nd Annulal Biophysical Meeting of Biophysical Society, San Francisco, February 17-21, 2018, 2018 | | Murvai, Nikoletta ; Kalmar, Lajos ; Szalaine Agoston, Bianka ; Szabo, Beata ; Tantos, Agnes ; Csikos, Gyorgy ; Micsonai, András ; Kardos, József ; Vertommen, Didier ; Nguyen, Phuong N. et al.: Interplay of Structural Disorder and Short Binding Elements in the Cellular Chaperone Function of Plant Dehydrin ERD14, Cells, 07 Aug 2020, 9(8), 2020 | | Eszter Boros, Fanni Sebák, Dávid Héja, Dávid Szakács, Katalin Zboray, Gitta Schlosser, András Micsonai, József Kardos, Andrea Bodor and Gábor Pál: Directed evolution of canonical loops and their swapping between unrelated serine proteinase inhibitors disprove the interscaffolding additivity model, JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY 431: 557–575 (2019), 2019 | | Michaelis M, Hildebrand N, Meißner RH, Wurzler N, Li Z, Hirst JD, Micsonai A, Kardos J, Delle Piane M, Colombi Ciacchi L: Impact of the Conformational Variability of Oligopeptides on the Computational Prediction of Their CD Spectra, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 123: 6694-6704 (2019), 2019 | | Eszter Boros, Fanni Sebák, Dávid Héja, Dávid Szakács, Katalin Zboray, Gitta Schlosser, András Micsonai, József Kardos, Andrea Bodor and Gábor Pál: Directed evolution of canonical loops and their swapping between unrelated serine proteinase inhibitors disprove the interscaffolding additivity model, JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY 431: 557–575 (2019), 2019 | | Michaelis M, Hildebrand N, Meißner RH, Wurzler N, Li Z, Hirst JD, Micsonai A, Kardos J, Delle Piane M, Colombi Ciacchi L.: Impact of the Conformational Variability of Oligopeptides on the Computational Prediction of Their CD Spectra, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 123: 6694-6704 (2019), 2019 | | Tünde Juhász, József Kardos, Zsolt Dürvanger, Veronika Harmat, Károly Liliom: Comparison of ligand binding and conformational stability of human calmodulin with its homolog from the malaria parasite Plasmodium falciparum, FASEB BIOADVANCES, DOI: 10.1096/fba.2020-00013 (2020), 2020 | | András Micsonai, Frank Wien, Éva Moussong, Éva Bulyaki, Judit Kun, Beáta Szabó, Nikolett Murvai, Péter Tompa, Young-Ho Lee, Kyou-Hoon Han, Yuji Goto, Ágnes Tantos, Matthieu and József Kardos: New perspectives in the structural analysis of proteins by ECD spectroscopy, CD2019, 17th International Conference on Chiroptical Spectroscopy 23-27 June 2019, Pisa, Italy, 2019 | | András Micsonai, Frank Wien, Éva Moussong, Éva Bulyaki, Judit Kun, Beáta Szabó, Nikolett Murvai, Péter Tompa, Young-Ho Lee, Kyou-Hoon Han, Yuji Goto, Ágnes Tantos, Matthieu Réfrégiers and József Kardos: BeStSel: a web server for improved protein secondary structure estimation and fold prediction from the ECD spectra, CD2019, 17th International Conference on Chiroptical Spectroscopy 23-27 June 2019, Pisa, Italy, 2019 | | András Micsonai, Frank Wien, Éva Moussong, Éva Bulyaki, Judit Kun, Beáta Szabó, Nikolett Murvai, Péter Tompa, Young-Ho Lee, Kyou-Hoon Han, Yuji Goto, Ágnes Tantos, Matthieu and József Kardos: New perspectives in the structural analysis of proteins by ECD spectroscopy, CD2019, 17th International Conference on Chiroptical Spectroscopy 23-27 June 2019, Pisa, Italy, 2019 | | András Micsonai, Frank Wien, Éva Moussong, Éva Bulyaki, Judit Kun, Beáta Szabó, Nikolett Murvai, Péter Tompa, Young-Ho Lee, Kyou-Hoon Han, Yuji Goto, Ágnes Tantos, Matthieu Réfrégiers and József Kardos: BeStSel: a web server for improved protein secondary structure estimation and fold prediction from the ECD spectra, CD2019, 17th International Conference on Chiroptical Spectroscopy 23-27 June 2019, Pisa, Italy, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
