 |
Mitochondrial non-oxidative phosphorylation energy-harnessing pathways during anoxia
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129567 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Chinopoulos, Christos |
| Title in Hungarian |
Nem-oxidatív foszforilációs energiatermelő útvonalak a mitokondriumban anoxiás állapotban |
| Title in English |
Mitochondrial non-oxidative phosphorylation energy-harnessing pathways during anoxia |
| Keywords in Hungarian |
Mitokondrium, kinonok, NADH, ATP, oxigén |
| Keywords in English |
mitochondria, quinones, NADH, ATP, oxygen |
| Discipline |
| General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Biochemistry | | Metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Metabolism | | Metabolomics (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Dept. of Medical Biochemistry (Semmelweis University) |
| Participants |
Dóczi, Judit
Paál, Krisztina
Ravasz, Dóra
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2021-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
19.000 |
| FTE (full time equivalent) |
2.37 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Tankönyvi definíció szerint a sejtekben a glikolízis során 2 molekula ATP, míg oxidatív foszforilációval 30-36 molekula ATP képződik. Azonban oxigénhiányban, glükóz hiányos állapotban, illetve a légzési lánc defektusa esetén a sejtek az energiatermelés alternatív módjához folyamodnak, amit mitokondriális szubsztrátszintű foszforilációnak (mSLP) nevezünk. Laboratóriumunk számtalan bizonyítékot tárt fel arra nézve, hogy a szukcinil-KoA ligáz elegendő mennyiségű nagyenergiájú foszfátot szolgáltat a mitokondriumokban, amikor oxigénhiány áll fenn. Ehhez olyan nem-oxidatív metabolikus segédútvonalak működése is szükséges, mint a kinonok és piridin nukleotid raktárak redox reakciói. Ezenkívül a monofunkcionális C1-tetrahidofolát szintetáz (MTHFD1L) is termel ATP-t a 10-formiltetrahidrofolát tetrahidrofoláttá és formiáttá való átalakítása során. Jelen pályázatunk célja i) olyan intramitokondriális útvonalak azonosítása, melyek a kinon és a piridin nukleotid raktárak közötti redoxreakciók katalízisével támogatják az mSLP-t, valamint ii) feltárni az MTHFD1L mitokondriális ATP termelésben játszott szerepét egér szövetből izolált mitokondriumokban. Az intramitokondriális piridin nukleotidokat használó redoxreakciókat a nemrég elérhetővé vált NAD(P)ome adatbázisból (https://goo.gl/DbUiXs) választjuk ki, a kinon alapú redox-reakciókat pedig a NAD(P)ome adatbázis elkészítésével megegyező módon gyűjtjük össze. Az MTHFD1L szerepét úgy vizsgáljuk, hogy az egyensúlyi állapotot nagy mennyiségű formiát jelenlétében az ATP fogyasztás irányába toljuk el. Eredményeink segítenek felderíteni az oxidatív foszforiláció hiányában zajló ATP termelő folyamatokat.
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.
Pályázatunk két fő kérdés megválaszolását célozza: i) melyek azok a kinonok és piridin nukleotidok között zajló redoxreakciók, amelyek az mSLP támogatásán keresztül biztosítják az ATP termelést oxigénhiány esetén? valamint ii) milyen mértékben járul hozzá az MTHFD1L az intramitokondriális ATP termeléshez kémiailag indukált illetve valódi anoxiában? A kérdések megválaszolását a következőképpen tervezzük: az intramitokondriális piridin nukleotidok redoxreakcióit a nemrég elérhetővé vált NAD(P)ome adatbázisban található 352 felsorolt enzim (https://goo.gl/DbUiXs) alapján választjuk ki, melyek közül mindössze kb. 70 reakcióról ismert, hogy intramitokondriális NADH-t használ, és csak néhány képes a NADH oxidációjára, ami az mSLP alapfeltétele. A kinon alapú redoxreakciók listáját pedig a NAD(P)ome adatbázis elkészítésének bioinformatikai módszertanával megegyező módon állítjuk össze. Majd ebből a „kinom”-ból azokat a mitokondriális reakciókat választjuk ki, amelyeknél a kinonok redukciója NADH oxidációval kapcsolt. Ezután egér agyból, májból és szívből izolált mitokondriumokban farmakológiailag gátoljuk vagy támogatjuk ezeket a reakciókat, és vizsgáljuk az mSLP-t kémiailag indukált illetve valódi oxigénhiányos körülmények között. Az mSLP működését a laboratóriumunkban kidolgozott bioszenzor teszt segítségével tudjuk nyomon követni, ami az adenin nukleotid transzlokáz működési irányának meghatározásán alapul. Végül pedig a bioszenzor teszt segítségével vizsgáljuk egérből izolált mitokondriumokban az mSLP-t különböző formiát koncentrációk mellett, ezzel megállapítjuk az MTHFD1L szerepét az intramitokondriális ATP termelésben.
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!
Pályázatunk célja olyan ATP termelő folyamatok azonosítása, amelyek nem az oxidatív foszforiláció útján zajlanak. Ezek jelentősége olyan kórképekben nyilvánul meg, amelyeket oxigénhiányos állapot, a glükóz hiánya vagy a mitokondriális légzési lánc meghibásodása jellemez. Ilyen állapotok kétféleképpen alakulhatnak ki: i) egészséges szövetekben elégtelen vérellátás esetén, illetve az oxidatív foszforiláció genetikai okokból vagy mérgezés miatt bekövetkező gátlásakor, vagy ii) amikor a szöveti mikrokörnyezetben „hipoxiás biológia” alakul ki, ez például szolid tumorok belsejében figyelhető meg, amennyiben a tumorszövet túlnövi saját vérellátását. Az első (i) esetet illetően olyan lehetséges útvonalakat kívánunk azonosítani, amelyek a sejtek túléléséhez szükségesek, amikor oxigénhiány, glükózhiány, illetve a légzési lánc működési hibája következtében az oxidatív foszforiláció nem lehetséges. Azonosítani kívánjuk azokat a kinonokat is, amelyek működőképes légzési lánc hiányában az mSLP-t támogatják. Ugyanakkor a második esetben (ii) olyan lehetséges útvonalakat azonosíthatunk, amelyek alapvető szerepet játszhatnak a daganatok növekedésében és a metasztázis folyamatában. Azonban mivel vizsgálataink kizárólag egészséges egerekből származó mintákra irányulnak, eredményeinket csak közvetve vetíthetjük ki daganatos szövetekre vonatkozólag, hiszen tumoros szövetekben a metabolizmus rendkívül összetett megváltozása várható.
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 sejtek hatékony energiaellátása folyamatos tápanyagellátást és oxigenizációt igényel. A sejtben zajló energiaigényes folyamatok ezt az energiát használják fel a szöveti homeosztázis fenntartásához. Csakhogy patológiás körülmények között, bizonyos betegségekben a szövetek tápanyag- és/vagy oxigénellátása gátolt - mint például érelzáródás esetén -, és ilyenkor a szövetben hirtelen súlyos zavarok lépnek fel. Amennyiben a tápanyag- és/vagy oxigénellátás csökkenése lassan, fokozatosan alakul ki, a sejtek képesek alkalmazkodni, és alternatív, cukrot illetve oxigént nem igénylő útvonalak bekapcsolásával képesek energiát termelni az úgynevezett kinonokból. Pályázatunk célja az ilyen útvonalak azonosítása laboratóriumi egerek szövetmintáiból, széles körben alkalmazott kísérleti módszerek használatával. Az alternatív útvonalak azonosítása a jövőben lehetőséget teremthet a kinon-családba tartozó hatóanyagokkal való kezelésre, amennyiben az egészséges szövetet nagy valószínűséggel vérellátásának váratlan megszakadása fenyegeti. Eredményeink ugyanezen okból arra is rámutathatnak, hogy a kinonok fontos energiaforrásként szolgálhatnak olyan sejtekben, amelyek oxigénhiányos környezetben élnek, mint például a daganatok mikrokörnyezetében – ez esetben viszont kinonok alkalmazása kedvezőtlen a szervezet számára.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
It is a textbook definition that cells obtain 2 molecules of ATP through glycolysis and 30-36 from oxidative phosphorylation. However, in the presence of anoxia, glucose deprivation or respiratory chain defects, cells rely on alternative mechanisms for energy provision known as mitochondrial substrate-level phosphorylation (mSLP). A large body of work from our laboratory identified that succinate-CoA ligase provides a sufficient amount of high-energy phosphates inside mitochondria, when oxygen is absent. For this, adjuvant non-oxidative metabolic pathways need to operate, involving redox reactions of quinones and pyridine nucleotide pools. Furthermore, the monofunctional C1-tetrahydrofolate synthase (MTHFD1L) is also known to produce mitochondrial ATP by interconverting 10-formyltetrahydrofolate to tetrahydrofolate and formate. In the current proposal we aim to i) identify the pathways encompassing intramitochondrial redox reactions linking quinones and pyridine nucleotide pools supporting mSLP, and ii) explore the extent of contribution of MTHFD1L in generating ATP, in mitochondria obtained from mouse tissues. Intramitochondrial pyridine nucleotide redox reactions will be selected from the recently available NAD(P)ome (https://goo.gl/DbUiXs); redox reactions involving quinones will be identified in a manner identical to that for deciphering the NAD(P)ome. MTHFD1L will be addressed by shifting its equilibrium towards ATP consumption by an excess of formate. Our results will help to elucidate ATP-producing pathways occurring in the absence of oxidative phosphorylation.
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.
In the current proposal there are two main research questions: i) which pathways encompassing redox reactions of quinones and pyridine nucleotide pools support ATP provision by mSLP during anoxia? ii) to what extent does MTHFD1L contribute to intramitochondrial ATP production during chemical or true anoxia? These questions will be addressed as follows: Intramitochondrial pyridine nucleotide redox reactions will be selected from the recently available NAD(P)ome (https://goo.gl/DbUiXs) enlisting 352 enzymes; of those approximately 70 reactions are known to use NADH intramitochondrially only, but only some exhibit the capacity for NADH oxidation, a prerequisite for supporting mSLP. We will further generate a list of reactions involving quinones, following the same bioinformatics approach as for compiling NAD(P)ome. Subsequently, from this ‘quinome’ we will select those reactions linking quinone redox state with NADH oxidation in the mitochondrial matrix. Next, in isolated mitochondria from brain, liver and heart of mice we will inhibit or fuel each of these reactions using pharmacological means, and measure mSLP during chemical or true anoxia by recording the directionality of the adenine nucleotide translocase, a biosensor test developed in our laboratory. Finally, we will address mSLP using the same biosensor test by variating the concentration of formate in isolated mouse brain, liver and heart mitochondria. With the latter we will address the extent of contribution of MTHFD1L in generating ATP in the mitochondrial matrix, dictating the directionality of the adenine nucleotide translocase.
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.
In the present research we aim to identify ATP-producing pathways that follow a non-oxidative phosphorylation mode. Thus, the significance of it involves those pathologies that encompass either anoxia, glucose deprivation or defects in the mitochondrial respiratory chain. Such conditions can be met by two ways: i) when they occur in healthy tissues as a result of cessation of blood supply or some other genetic means or poisons preventing oxidative phosphorylation, or ii) when the microenvironment is such that ‘hypoxia biology’ is induced, as it may occur in the interior of solid tumors outgrowing blood vessels formation. Regarding case (i) we will identify potential pathways that are critical for cell survival when anoxia, glucose deprivation or defects in the mitochondrial respiratory chain prevent oxidative phosphorylation, and also identify suitable quinones for supporting mSLP in the absence of a functional respiratory chain; by the same token, in case (ii) we may highlight potential pathways that are crucial for tumor growth and metastasis. However, in the current proposal we will only deal with healthy murine tissues, and our results could only be used for extrapolations in cancerous tissues, as extensive metabolic rewiring is expected in the latter.
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.
Cells rely on an uninterrupted provision of foodstuffs and oxygen for efficient energy production. This energy is then used for all energy-consuming cellular processes, ensuring tissue homeostasis. However, during some pathological situations the supply of foodstuffs and/or oxygen to the tissues is blocked –as it may occur during an embolism of a blood vessel-, and under these circumstances the tissue will be acutely, and severely affected. If the interruption of foodstuffs and/or oxygen supply occurs slowly, cells have the ability to recruit alternative mechanisms for producing energy from substances called ‘quinones’, that do not rely on glucose or oxygen. In the current proposal we aim to identify such mechanisms by applying widely used experimental protocols in tissues obtained from laboratory animals. The identification of such processes may set a precedent for supporting them with substances belonging to the quinone family of molecules when the possibility of unanticipated interruption of blood supply of a healthy tissue is high. By the same token, our research may highlight the possibility that quinones are important fueling molecules for cells thriving under hypoxic conditions but that is not beneficial for the organism as it frequently occurs in the tumor microenvironment.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
