 |
Membrane and protein interactions of disordered regions in transmembrane proteins
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
127961 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Hegedűs, Tamás Zoltán |
| Title in Hungarian |
Transzmembrán fehérjék rendezetlen régióinak membránokkal és fehérjékkel kialakított kölcsönhatása |
| Title in English |
Membrane and protein interactions of disordered regions in transmembrane proteins |
| Keywords in Hungarian |
transzmembrán fehérjék, rendezetlen fehérjék, fehérje-lipid és fehérje-fehérje kölcsönhatások, foszforiláció, számításos biológia, egyedi molekula erőspektroszkópia, SPR, NMR |
| Keywords in English |
transmembrane proteins, intrinsically disordered protein, protein-lipid and protein-protein interactions, phosphorylation, computational biology, single molecule force spectroscopy, SPR, NMR |
| Discipline |
| Computational biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Structural biology (NMR) (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Dept. of Biophysics and Radiation Biology (Semmelweis University) |
| Participants |
Csizmadia, Georgina
Farkas, Bianka Vivien
Kissné Laár, Eszter
Maróti, János Endre
Molnár, Edit
Padányi, Rita
Tordai, Hedvig
Tóth, Ágota
Tóth, Péter
|
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2023-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
47.946 |
| FTE (full time equivalent) |
13.68 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Transzmembrán (TM) fehérjék rendezetlen régióinak (IDR, intrinsically disordered region) kölcsönhatásai számos szabályozó folyamatban játszanak fontos szerepet, s ezek a kölcsönhatások nem csak fehérje partnerekkel, hanem a membrán kettősréteggel is kialakulhatnak. Ahhoz, hogy ezeket a kölcsönhatásokat patológiás folyamatokban módosítani tudjuk, atomi szinten kell ismernünk e membránkötő motívumokat (memMoRF, membrane Molecular Recognition Feature). Megfigyeltük, hogy egyes memMoRF szerkezetek láthatóak a PDB adatbázisban, ezért ezeket bioinformatikai módszerekkel összegyűjtjük és elemezzük. Ezen adatok egy standard memMoRF halmazt szolgáltatnak, ami TM fehérje specifikus rendezetlenség jósló program fejlesztését is lehetővé teszi. Az IDR konformációs terét limitálja a sejtmembrán és a TM hélixek, amennyiben két hélix között helyezkedik el. Ezért valószínűsíthető, hogy az eddig főleg oldatban vizsgált IDR-ekről szerzett ismereteink részben torzultak. Bioinformatikai kutatásunk kiegészítve molekuladinamikai szimulációkat végzünk feltételezéseink ellenőrzésére úgy, hogy kényszerfeltételeket alkalmazunk az IDR végein és összehasonlítjuk a memMoRF-ok lipidhez illetve fehérje partnerhez való kötődési folyamatát is. Kísérletesen jellemezzük a klinikailag fontos CFTR fehérje rendezetlen régiójának membrán és fehérje kapcsolatait SPR, NMR és egyedi-molekula erőspektroszkópiai módszerek alkalmazásával. Eredményeink hozzájárulnak az IDR-ek regulációs kölcsönhatásainak megértéséhez, és előmozdítják a cisztás fibrózisban, a tumorgenezisben és neurodegeneratív betegségekben szerepet játszó memMoRF-okat tartalmazó fehérjék modulálására irányuló törekvéseket.
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.
Bár transzmembrán (TM) fehérjék rendezetlen régióinak (IDR) fehérjékkel és biológiai membránokkal kialakított kölcsönhatása rendkívül fontos számos fiziológiás és patológiás folyamatban, e rendezetlen szakaszok kötődése nem eléggé ismert atomi szinten ahhoz, hogy stratégiákat dolgozzunk ki e kapcsolatok módosítására. Célunk, hogy a membránkötő motívumok (memMoRF) kötődés hatására bekövetkező feltekeredését és foszforilációjuknak a kölcsönhatásokra kifejtett hatását molekuláris szinten jellemezzük. Főbb kérdésink: (1) TM fehérjék mely rendezetlen régiója tartalmaz membrán kettősréteggel kölcsönhatásba lépő szekvenciákat? Melyek a memMoRF-ok szerkezeti és szekvenciális tulajdonságai? (2) A végek közötti távolság rögzítése hogyan szűkíti a konformációs teret? (3) Mi az eltérés memMoRF-ok membránhoz és fehérjéhez történő kötődésének mechanizmusában? Milyen különbségek figyelhetők meg a nem-foszforilált és foszforilált régiók kötődése között? (4) Kötődik-e a CFTR R doménje lipid kettősréteghez? Ez a kötődés hogyan változtatja meg konformációját és a CFTR szabályozásának jelenlegi hipotézisét? Milyen különbségek figyelhetők meg a kötődésben eltérő körülmények között (pl. foszforiláció) egyedi-molekula erőspektroszkópiai kísérletekben? (5) A kiválasztott rendezetlen/rendezett TM fehérje régiókkal végzett in silico vizsgálataink alapján létrehozunk egy memMoRF adatbázist és számításos munkafolyamatokat definiálunk memMoRF-ok kölcsönhatásának jellemzésére.
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!
IDP-k fehérje-fehérje kölcsönhatásait intenzíven tanulmányozzák, de IDR-ek membránkötődése kevéssé ismert, kivéve néhány, neurodegeneratív betegségben szerepet játszó globuláris fehérjéét. Kevés adat áll rendelkezésünkre TM fehérjék IDR-jéről, melyek között vannak igen fontos, az immunválaszban és tumorgenezisben szerepet játszó fehérjék is. Hogy ezt az űrt betöltsük és a memMoRF-ok membránhoz illetve fehérjékhez történő kötődésének különbségét megértsük, tanulmányoznunk kell a kölcsönhatások molekuláris mechanizmusát. Ez nélkülözhetetlen olyan gyógyszerfejlesztésekhez is, amelyek IDR-kölcsönhatások módosításával a normál működés helyreállítását célozzák. Kutatásunk jelentőségét az alábbiak jelzik:
Még senki sem fedezte fel, hogy egyes memMoRF-ok rendelkeznek atomi koordinátákkal, azaz láthatóak a PDB adatbázisban. Elemezzük TM fehérjék szerkezetét és IDR-jeik szekvenciáját memMoRF-ok azonosításának érdekében. Jellemezzük szekvenciájukat és konformációjukat.
Létrehozunk egy memMoRF adatbázist, amely elősegíti IDR és membrán kölcsönhatások tanulmányozását és TM fehérjékre specifikus rendezetlenséget jósló algoritmus fejlesztését. Inicializálni fogjuk egy ilyen algoritmus létrehozását.
Molekuladinamika szimulációk segítségével kvantitatív módon jellemezzük a memMoRF-ok biológiai membránhoz és fehérje partnerekhez történő kötődését. Tudomásunk szerint nincs olyan tanulmány, amely e folyamatok mechanizmusát és energetikáját összehasonlítaná. Megvizsgáljuk, hogy egy membrán kettősrétegnek, a végek közti távolság rögzítésének, és a foszforilációnak milyen hatása van IDR-ek konformációs sokaságára. Ezeket kísérletesen is vizsgáljuk a CFTR R doménjén.
Az R domén membránkötődésének bizonyítása SPR és NMR kísérletekkel forradalmasíthatja elképzelésünket a nagy rendezetlen régiók sejten belüli szerveződéséről és a CFTR fehérje szabályozásáról.
Egyedi-molekula erőspektroszkópia módszerekkel vizsgáljuk a CFTR R domén foszforiláció-függő kötődését lipid kettősréteghez és az NBD1-hez. Az R domén pontosabb megismerése nemcsak a CFTR reguláció megismeréséhez járul hozzá, hanem mutáns formáinak klorid áteresztőképességét fokozó gyógyszerek fejlesztéséhez is.
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.
Fehérjék rendezetlen régiói (IDRs, intrinsically disordered regions) fontos szerepet játszanak számos sejtszintű folyamatban, mint például a génszabályozás és a jelátvitel. Az IDR-ek vizsgálata nehéz, azonosításukban és működésük megértésében különösen fontos szerepet töltenek be a számítógépes módszerek. Vízoldékony fehérjék rendezetlen régióit intenzíven tanulmányozzák, míg transzmembrán (TM) fehérjék rendezetlen szakaszait kevéssé, annak ellenére, hogy a gyógyszerek közel fele TM fehérjén keresztül fejti ki hatását. Ezért nincs jó hatásfokú, TM fehérjére specifikus, rendezetlenséget jósló algoritmus sem. Azon megfigyelésünk alapján, hogy egyes TM fehérjék sejtmembránhoz közel található IDR-je kísérletesen meghatározott szerkezetekben is megfigyelhető, célul tűztük ki egy ilyen algoritmus létrehozását. Összegyűjtjük TM fehérjék rendezetlen régióit és jellemezzük szekvenciájukat. Mivel ezek a membránkötött szakaszok általában szabályozó szekvenciákat is tartalmaznak, molekuladinamikai szimulációkkal tanulmányozzuk foszforilált és nem-foszforilált formáik kölcsönhatását lipid és fehérje partnerekkel. Ez megnyitja a lehetőségét IDR kölcsönhatásokat moduláló vegyületek fejlesztéséhez. Hipotéziseink és számításos eredményeink alátámasztásához kísérleteket is végezünk a cisztás fibrózis transzmembrán regulátor fehérje IDR szakaszával. Eredményeink hozzájárulnak a szabályozó kölcsönhatások jobb megismeréséhez és olyan fejlesztések megvalósításához, amelyek a cisztás fibrózisban, tumorok keletkezésében és neurodegeneratív betegségekben szerepet játszó fehérjék fehérje-membrán kölcsönhatásait célozzák.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Interactions of intrinsically disordered regions (IDRs) in transmembrane (TM) proteins are important in many regulatory processes and can be formed not only with a protein partner but also with a membrane bilayer. Developing strategies to modulate these interactions in pathological cases requires atomic level knowledge on the membrane binding molecular recognition features, which we name memMoRFs. We noticed that structures of certain memMoRFs are visible in the PDB database, thus we will perform a large scale bioinformatics study to identify as many memMoRFs as possible and analyze their sequences. This data will yield a gold standard set of memMoRFs, contributing to the development of a disorder predictor for TM proteins. IDR folding on membrane and the constrained distance between the IDR ends, if located between TM helices, limit the conformational space. Therefore, we predict that our current knowledge on IDR-ensembles based on studies in solution is biased. To complement our in silico studies, we will assess this hypothesis by molecular dynamics simulations in both the absence and presence of constraints at IDR ends and also compare the molecular events of memMoRF binding to a bilayer and a protein binding partner. We will experimentally characterize the membrane and protein interactions of the IDR of the clinically important CFTR, as well as the effect of constraining its ends, using SPR, NMR, and single molecule force spectroscopy methods. Our results will contribute to the basic understanding of regulatory interactions of IDRs and facilitate efforts to modulate proteins with memMoRFs involved in cystic fibrosis, tumorigenesis, and neurodegenerative disorders.
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 interactions of intrinsically disordered regions (IDRs) of transmembrane (TM) proteins with ordered polypeptides and biological membranes are extremely important in numerous physiological and pathological processes, the binding mechanism of disordered segments are not known at a level sufficient enough to design strategies for modulating these types of interactions. We aim to characterize the molecular events associated with binding of membrane molecular recognition features (memMoRFs) and the effect of phosphorylation on their interactions. Our main questions are the following: (1) Which disordered segments of TM proteins do contain sequences that can associate to a membrane bilayer? What are the structural and sequence properties of memMoRFs? (2) How does constraining the distance of the ends of an IDR limit the conformational space? (3) What is the difference between the mechanism of memMoRF binding to a membrane bilayer and to a protein? How does the binding of non-phosphorylated and phosphorylated disordered regions to a membrane or a protein diverge? (4) Does CFTR R domain bind to a membrane bilayer? In what ways does this binding affect R domain conformation and the current paradigm of regulation? What differences in IDR binding under different conditions (e.g. phosphorylation) are revealed by single molecule force spectroscopy experiments? (5) Based on our results from the in silico investigation of ordered/disordered regions of TM proteins, we will create a memMoRF web database and define computational pipelines for studying memMoRF 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.
Protein-protein interactions of IDPs have been studied extensively, but much less is known on binding of IDRs to membranes, excluding a few globular proteins of neurodegenerative disorders. Data on IDRs of TM proteins, including ones playing crucial roles in regulatory processes, such as in immune response and tumorigenesis, are sparse. To fill this gap and understand the differences between (mem)MoRF binding either to membranes or proteins, studies on the molecular mechanism of forming these interactions are required. They are also indispensable in drug development modifying IDR interactions and restoring normal function. The significance of our research includes:
It has not been noticed before that certain memMoRFs possess atomic coordinates thus are visible in the PDB database. We will analyze the structures of TM proteins and the sequence of IDRs to identify memMoRFs. Their sequences and conformations will be characterized.
A memMoRF database will be created to facilitate studies of IDR/membrane interactions and the development of a disorder predictor specific for TM proteins. We will initiate this progress.
Using molecular dynamics simulations, we will evaluate the binding of memMoRFs to biological membranes and protein partners in a quantitative manner. There is no study comparing the mechanism and energetics of these processes. To this end, we will assess how a membrane bilayer, the distance between the ends, and phosphorylation influence the conformational ensemble of IDRs. These will also be tested experimentally on CFTR R domain.
Confirming the membrane binding of R domain by SPR and NRM will revolutionize our thinking about the organization of longer disordered regions in the cell and the mechanism of CFTR regulation.
We will employ single-molecule force spectroscopy methods to investigate the phosphorylation dependent binding of CFTR R domain to lipid membranes and NBD1. A more in-depth understanding of the interactions of R domain will contribute not only assist in exploring CFTR regulation but in drug development to facilitate chloride permeation of mutant channels.
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.
Intrinsically disordered regions (IDRs) in proteins play important roles in many cellular functions, such as gene regulation and signal transduction. Their investigation is challenging and in silico methods play a profound role in IDR identification and in the learning of their conformations. IDRs of soluble proteins are studied extensively, while studies on disordered regions in transmembrane (TM) proteins, which are targeted and bind approximately half of the current prescription drugs, are sparse. Importantly, there is no current tool capable of predicting disorder in TM proteins with high accuracy. Based on our observation, numerous IDRs in TM proteins localized close to the cell membrane are visible in experimentally determined structures, we aim to establish the basis of such a predictor. We will collect IDR structures of TM proteins and characterize their sequence for the predictor development. Since these membrane-bound IDRs usually involve regulatory sequences, we will describe their binding to both lipids and proteins in the absence and presence of phosphorylation with the use of molecular dynamics simulations. This will open the horizon for rational development of drugs for modulation of IDR interactions. In order to verify some of our hypotheses and in silico results, we will perform experiments with the regulatory disordered region of the clinically important cystic fibrosis transmembrane regulator protein. Our results will contribute to the comprehension of regulatory interactions and will facilitate efforts to modulate both soluble and TM proteins with membrane-binding regions, involved in cystic fibrosis, tumorigenesis, and neurodegenerative disorders.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
