Insight into the Enzyme Action at Levels of modular Organization, Atomic Interactions and Quantum-Mechanics. School of Protein Biophysics  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
61915
Type NI
Principal investigator Závodszky, Péter
Title in Hungarian Enzimreakciók vizsgálata a moduláris szerveződés, az atomi kölcsönhatás és a kvantummechanika szintjein. A fehérje biofizika tudományos iskolája
Title in English Insight into the Enzyme Action at Levels of modular Organization, Atomic Interactions and Quantum-Mechanics. School of Protein Biophysics
Keywords in Hungarian fehérjék, enzimek, komplement, hőstabilitás, flexibilitás, modulok, konformáció
Keywords in English protein, enzyme, complement, heat stability, flexibility, modules, conformation
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Enzymology, BRC, Hungarian Academy of Sciences
Participants Barna, László
Beinrohr, László
Borbola, Ildikó
Cseh-Szilágyi, Katalin
Dobó, József
Gál, Péter
Gyimesi, Gergely
Hajdú, István
Juhász, Tünde
Kamondi, Szilárd
Kazinczyné Dr. Vas, Mária
Kocsis, Andrea
Major, Balázs
Pollnerné dr. Flachner, Beáta
Sebestyén, Edina
Szavicskó, István
Végh, Barbara Márta
Vonderviszt, Ferenc
Starting date 2006-02-01
Closing date 2009-01-31
Funding (in million HUF) 43.500
FTE (full time equivalent) 19.74
state closed project
Summary in Hungarian
Az enzimműködés megértése az elmúlt évszázadban folyamatosan fejlődött, de távol áll még a tökéletestől. Jóval a három dimenziós szerkezetmeghatározó eszközök, (NMR. Röntgen krisztallográfia) elterjedése előtt az enzimműködés funkciónális vonatkozásait a fehérje flexibilitás alapján képzelték el. Jelenleg nagy mennyiségű szerkezeti információ érhető el, és a szerkezetek flexibilis természete is bizonyítást nyert. Megközelítésünk szerint az enzimfunkció felderítése és megértése a szerkezeti stabilitás és flexibilitás finom egyensúlyán alapul. Komplex módszerek együttesével tervezzük ezt az összefüggést felderíteni különböző szerveződési szinteken: a domének szubmolekuláris szintjén, az amionsavak atomi szintjén, és a kvantumeffektuson szubatomi szintjén.
A szerkezeti elemek az enzimműködésben játszott szerepének felderítésében a következő célokat tűztük ki.
1) A modularitás szerepének felderítése a multidomének enzimek specificitásában, szabályozásában és stabilitásában
2) Az enzimreakciók rendellenes hőmérsékletfüggésének térszerkezeti hátterének vizsgálata
3) A kvantumhatások, mint az alagúteffektus szerepének tisztázása az enzimatiku skatalízisben (H-, H+ és e- transzfer reakciók esetén)
A célok eléréséért modellenzimekkel végzünk vizsgálatokat, amelyeken már tapasztalokat szereztünk, és a következő eredményeket tervezzük elérni:
1) A komplement rendszer működésének és szabályozásának megértése molekuláris szinten , és a reakciómechanizmus alaposabb megismerése egy multidomén szerin proteáz enzimcsalád esetén (C1r, C1s, MASP-1,2,3)
2) A konformációs stabilitás, flexibilitás és enziműködés közötti összefüggések általános felderítése modellenzimek felhasználásával
3) Az anomális hőmérsékletfüggés kvantifikálása enzimatikus H-, H+ és e- transzfer reakciók esetén, valamint az alagúteffektus enzimreakciók lejátszódásában való hozzájárulásának ellenőrzése.
Summary
The understanding of enzymatic action has been steadily developing throughout the last century, however, it is far from complete. Long before the spread of three dimensional structure determining tools such as NMR and X-ray crystallography , the explanation of functional aspects of enzymatic actions has been derived using the concepts based on protein flexibility. At present, vast amount of structural information is available and the flexible nature of structures has also been evidenced. Our approach of exploring and understanding enzyme function is based on the assumption of a fine balance of structural stability and flexibility. We plan to apply an arsenal of complex methods in order to investigate this relationship at different structural levels: the sub-molecular level of domains, the atomic level of amino acids and the subatomic level of quantum effects.
To elucidate the role of structural elements in enzymatic functions we set our goals:
1) Explore the role of modularity in the specificity, regulation and stability of multidomain enzymes.
2) Examine the structural background of the anomalous temperature dependence of enzymatic reactions.
3) Investigate the role of quantum effects such as tunnelling in enzymatic catalysis (in H-, H+ and e- transfer reactions)
To achieve these goals we plan to work with model enzymes we have accumulated expertise with and are thriving to reach the following results:
1) Understand the function and regulation of the complement system at molecular level, and obtain an insight into the mechanism action in the case of a family of multidomain serine proteases as C1r, C1s, MASP-1,2,3
2) Draw general conclusions on the relationship among conformational stability, flexibility and enzyme function using model enzymes.
3) Quantitate the anomalous temperature dependence of enzymatic H-, H+ and e- transfer reactions and identify the degree of the contribution of quantum effects e.g. tunnelling.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az elmúlt 3 év koherens kutató munkája során születtek speciális tudományos eredmények és levontunk ezekből általános következtetéseket is. Munkánk mérlege a nemzetközi folyóiratokban megjelent 30 közlemény összesen 130 IF-al. Molekuláris immunológiai kutatásaink keretében meghatároztuk 4 komplement proteáz és a C1-inhibitor szerkezetét, különösen az utóbbi hozott számunkra nagy nemzetközi elismerést. A szerkezetek és funkcionális eredményeink alapján általánosan elfogadott aktiválási modellt dolgoztunk ki a komplement rendszer lektin útjának szabályozási mechanizmusára. Jelentősnek tartjuk a C1-inhibitor heparin által történő potencirozásának mechanizmusára javasolt, szerkezeti alapú modell kidolgozását, a flagellin fehérje egyik rendezetlen szakaszának export szignálként történő azonosítását (szabadalom is született belőle), a foszfoglicerátkináz enzim domén záródásban résztvevő allosztérikus jeltovábbító hálózat azonosítását, az enzimaktivitás rendhagyó hőmérsékletfüggésének a konformációs flexibilitás alapján történő értelmezését a izopropilmalát dehidrogenáz esetében, átmeneti zóna felfedezését a rendezett és rendezetlen szerkezetet kódoló aminósav szekvencák között. A komplement fehérjék és funkcionális komplexeik, a flagelláris rendszerek, multidomén enzimek együttes vizsgálata lehetővé tette a fehérjék önszerveződésével, a molekuláris szintű felismeréssel és az allosztérikus jeltovábbítás mechanizmusával kapcsolatos általános következtetések levonását.
Results in English
We have determined the structure of C1-Inhibitor and four complement proteinases: C1r, MASP1, MASP2 in zymogen form and MASP2 in activated form. Based on our structural and functional studies we concluded a mechanistic model for the activation of the lectin pathway of the complement system. We also devised a structure based model for the heparin potentiation of C1-Inhibitor. An intrinsically disordered sequence of the bacterial flagellin protein was identified as an export signal (patented). Other significant achievements: the mapping of an allosteric network involved in the ligand induced hinge closure of phosphoglycerate kinase, the interpretation of the odd temperature dependence in the catalytic activity of isopropylmalate dehydrogenase in terms of concerted conformational fluctuations, discovery of the twilight zone between amino acid sequences encoding ordered and disordered conformations. Our coherent studies on the functional protein complexes of the complement system, on flagellar systems, multidomain enzymes enabled us to make some general conclusions regarding the self assembly, recognition and allosteric behaviour of proteins and protein complexes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=61915
Decision
Yes





 

List of publications

  
Osvath S, Jackel M, Agocs G, Zavodszky P, Kohler G, Fidy J.: Domain interactions direct misfolding and amyloid formation of yeast phosphoglycerate kinase., Proteins. 2006 Mar 1;62(4):909-17., 2006
Vegh BM, Gal P, Dobo J, Zavodszky P, Vonderviszt F.: Localization of the flagellum-specific secretion signal in Salmonella flagellin., Biochem Biophys Res Commun. 2006 Jun 23;345(1):93-8., 2006
Szilágyi A.,: A mathematically related singularity and the maximum size of protein domains.,, Proteins. 2008 Jun;71(4):2086-8., 2008, 2008
Vonderviszt F,Gal P, Vegh B, Zavodszky P, Dobo J: EXPORT OF RECOMBINANT PROTEINS BY FLAGELLAR EXPORT APPARATUS, WO2006117582, 2006
Gál P, Barna L, Kocsis A, Závodszky P.: Serine proteases of the classical and lectin pathways: similarities and differences., Immunobiology. 2007;212(4-5):267-77., 2007
Szilagyi A, Kardos J, Osvath Sz, Barna L, Zavodszky P: Protein folding., In: Lajtha A, Banik N (eds.): Handbook of Neurochemistry and Molecular Neurobiology, Volume 7, Chapter 10. Springer,, 2007
Krarup A, Wallis R, Presanis JS, Gál P, Sim RB.:: Simultaneous activation of complement and coagulation by MBL-associated serine protease 2.,, PLos ONE 2007 Jul 18;2(7):e623, 2007
Széplaki G, Varga L, Laki J, Dósa E, Rugonfalvi-Kiss S, Madsen HO, Prohászka Z, Kocsis A, Gál P, Szabó A, Acsády G, Karádi I, Selmeci L, Garred P, Füst G, Enz L.:: Low C1-inhibitor levels predict early restenosis after eversion carotid endarterectomy.,, Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2007 Dec;27(12):2756-62, 2007
Varga L, Széplaki G, Laki J, Kocsis A, Gál P, Bajtay Z, Wieslander J, Daha MR, Garred P, Madsen HO, Füst G, Farkas H.:: Depressed activation of the lectin pathway of complement in hereditary angioedema.,, Clin. Exp. immunol. 2008 Jul;153(1):68-74., 2008, 2008
Krarup A, Gulla KC, Gál P, Hajela K, Sim RB: The action of MBL-associated serine protease 1 (MASP1) on factor XIII and fibrinogen.,, Biochim Biophys Acta. 2008 Sep;1784(9):1294-300., 2008, 2008
Muskotál A, Király R, Sebestyén A, Gugolya Z, Végh BM, Vonderviszt F.:: Interaction of FliS flagellar chaperone with flagellin.,, FEBS Lett. 2006 Jul 10;580(16):3916-20., 2006, 2006
Sebestyén A, Muskotál A, Végh BM, Vonderviszt F.,: The hypervariable D3 domain of Salmonella flagellin is an autonomous folding unit.,, Protein Pept Lett. 2008;15(1):54-7., 2008, 2008
Varga A, Szabó J, Flachner B, Roy B, Konarev P, Svergun D, Závodszky P, Périgaud C, Barman T, Lionne C, Vas M.,: Interaction of human 3-phosphoglycerate kinase with L-ADP, the mirror image of D-ADP.,, Biochem Biophys Res Commun. 2008 Feb 22;366(4):994-1000. 2008, 2008
Gondeau C, Chaloin L, Lallemand P, Roy B, Périgaud C, Barman T, Varga A, Vas M, Lionne C, Arold ST.,: Molecular basis for the lack of enantioselectivity of human 3-phosphoglycerate kinase.,, Nucleic Acids Res. 2008 Jun;36(11):3620-9., 2008, 2008
Gondeau C, Chaloin L, Varga A, Roy B, Lallemand P, Périgaud C, Barman T, Vas M, Lionne C.,: Differences in the transient kinetics of the binding of D-ADP and its mirror image L-ADP to human 3-phosphoglycerate kinase revealed by the presence of 3-phosphoglycerate.,, Biochemistry. 2008 Mar 18;47(11):3462-73., 2008, 2008
Hajdú I, Bothe C, Szilágyi A, Kardos J, Gál P, Závodszky P.,: Adjustment of conformational flexibility of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase as a means of thermal adaptation and allosteric regulation.,, Eur Biophys J. 2008 Sep;37(7):1139-44.,2008, 2008
Szabó J, Varga A, Flachner B, Konarev PV, Svergun DI, Závodszky P, Vas M.,: Communication between the nucleotide site and the main molecular hinge of 3-phosphoglycerate kinase.,, Biochemistry. 2008 Jul 1;47(26):6735-44., 2008, 2008
Dobó J, Harmat V, Sebestyén E, Beinrohr L, Závodszky P, Gál P.,: Purification, crystallization and preliminary X-ray analysis of human mannose-binding lectin-associated serine protease-1 (MASP-1) catalytic region.,, Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun. 2008 Sep 1;64(Pt 9):781-4., 2008, 2008
Gráczer E, Varga A, Melnik B, Semisotnov G, Závodszky P, Vas M.,: Symmetrical refolding of protein domains and subunits: example of the dimeric two-domain 3-isopropylmalate dehydrogenases.,, Biochemistry. 2009 Feb 10;48(5):1123-34.,2009, 2009
Fülöp K, Barna L, Symmons O, Závodszky P, Váradi A.,: Clustering of disease-causing mutations on the domain-domain interfaces of ABCC6.,, Biochem Biophys Res Commun. 2009 Feb 13;379(3):706-9., 2009, 2009
Nandor G Than, Roberto Romero, Morris Goodman, Amy Weckle, Jun Xing, Zhong Dong, Yi Xu, Federica Tasquini, Andras Szilagyi, Peter Gal... Peter Zavodszky...,: Birth of anthropoid primate placenta-specific galectins that promote immune cell death.,,, PNAS in press 2009, 2009
Vonderviszt F., Závodszky, P., Kamondi Sz., Bársony I.: Modified Flagellins And Flagellar Filaments Useful As Receptors And Methods For The Preparation Thereof, US2008096229, 2007
Vonderviszt F., Závodszky, P., Kamondi Sz., Bársony I.: Modified Flagellins And Flagellar Filaments Useful As Receptors And Methods For The Preparation Thereof, WO2006077448, 2006
Dobó, J., Harmat, V., Beinrohr, L., Sebestyén, E., Závodszky, P., and Gál, P.: Structure of the catalytic region of a promiscuous serine protease, MASP-1, Mol. Immunol. 45, 4136, 2008
Gál, P., Láng, A., Szilágyi, K., Lőrincz, Zs., Hajdú, I., Perczel, A. and Závodszky, P.: Flexibility analysis based on NMR studies reveals intensive contact between tandem CCP modules in the C1r complement protease, Mol. Immunol. 44, 174, 2006
Hajdú I., Szilágyi A., Kardos J., Závodszky P.: A link between hinge-bending domain motions and the temperature dependence of catalysis in IPMDH, Biophysical Journal, in press, 2009
Vas M, Varga A: Insight into the mechanism of domain movements and its role in the enzyme function: example of 3-phosphoglycerate kinase, Curr Prot Pept Sci, in press, 2009
Gál P., Dobó J., Závodszky P, Sim R. B.: Early complement proteases: C1r, C1s and MASPs. A structural insight into activation and functions, Mol. Immunol, in press, 2009
Beinrohr L, Dobó J, Závodszky P, Gál P.,: C1, MBL-MASPs and C1-inhibitor: novel approaches for targeting complement-mediated inflammation.,, Trends Mol Med. 2008 Dec;14(12):511-21., 2008, 2008
Beinrohr L, Harmat V, Dobó J, Lörincz Z, Gál P, Závodszky P.: C1 inhibitor serpin domain structure reveals the likely mechanism of heparin potentiation and conformational disease., J Biol Chem. 2007 Jul 20;282(29):21100-9., 2007
Osvath S, Herenyi L, Zavodszky P, Fidy J, Kohler G.: Hierarchic finite level energy landscape model: to describe the refolding kinetics of phosphoglycerate kinase., J Biol Chem. 2006 Aug 25;281(34):24375-80., 2006
Szilágyi A, Györffy D, Závodszky P.,: The twilight zone between protein order and disorder.,, Biophys J. 2008 Aug;95(4):1612-26., 2008, 2008
József Kardos, Veronika Harmat, Anna Palló, Orsolya Barabás, Katalin Szilágyi, László Gráf, Gábor Náray-Szabó, Yuji Goto, Péter Závodszky, Péter Gál: Revisiting the mechanism of the autoactivation of the complement protease, Molecular Immonology 2008 Mar;45(6):1752-60., 2008, 2008
Gál P, Végh B, Závodszky P and Vonderviszt F.,: Export signals.,, Nat Biotechnol 24, 900-1., 2006, 2006
Gráczer E, Varga A, Hajdú I, Melnik B, Szilágyi A, Semisotnov G, Závodszky P, Vas M.: Rates of unfolding, rather than refolding, determine thermal stabilities of thermophilic, mesophilic, and psychrotrophic 3-isopropylmalate dehydrogenases., Biochemistry. 2007 Oct 16;46(41):11536-49., 2007
Varga A, Flachner B, Konarev P, Graczer E, Szabo J, Svergun D, Zavodszky P, Vas M.: Substrate-induced double sided H-bond network as a means of domain closure in 3-phosphoglycerate kinase., FEBS Lett. 2006 May 15;580(11):2698-706., 2006
Szabó J, Varga A, Flachner B, Konarev PV, Svergun DI, Závodszky P, Vas M.,: Role of side-chains in the operation of the main molecular hinge of 3-phosphoglycerate kinase.,, FEBS Lett. 2008 Apr 16;582(9):1335-40., 2008
Kamondi S, Szilágyi A, Barna L, Závodszky P.: Engineering the thermostability of a TIM-barrel enzyme by rational family shuffling., Biochem Biophys Res Commun. 2008 Oct 3;374(4):725-30., 2008



Back »