Molecular recognition via natural and artificially evolved linear peptide motifs: structural, thermodynamic and kinetic principles  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
81950
Type NK
Principal investigator Nyitray, László
Title in Hungarian Molekuláris felismerés lineráris peptid motívumokkal: szerkezeti, termodinamikai és kinetikai alapelvek
Title in English Molecular recognition via natural and artificially evolved linear peptide motifs: structural, thermodynamic and kinetic principles
Keywords in Hungarian fehérje-fehérje kölcsönhatás, lineáris motívum, globuláris fehérje, affinitás, specifitás, térszerkezet, fág-bemutatás
Keywords in English protein-protein interaction, linear motif, globular protein, affinity, specificity, 3D-structure, phage-dsiplay
Discipline
Structural biology (crystallography and EM) (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Department of Biochemistry (Eötvös Loránd University)
Participants Bakos, Anita
Gráf, László
Héja, Dávid
Kardos, József
Kernya, Linda Katalin
Kiss, Bence
Kovács, Mihály
Málnási Csizmadia, András
Micsonai, András
Pál, Gábor
Pál-Gábor, Henriett
Patthy, András
Radnai, László
Reményi, Attila
Süveges, Dániel
Szenes, Áron
Szilágyi, László
Venekei, István
Starting date 2010-06-01
Closing date 2014-08-31
Funding (in million HUF) 92.251
FTE (full time equivalent) 15.62
state closed project
Summary in Hungarian
Az életfolyamatok molekuláris szintjén fehérje-fehérje kölcsönhatások (FFK) játsszák a főszerepet. A normális vagy patológiás fehérjeműködések megértéséhez ismernünk kell azon alapelveket, amelyek meghatározzák egy-egy FFK erősségét és fajlagosságát. Ez egyúttal olyan működésalapú gyógyszermolekulák fejlesztésének lehetőségét is ígéri, melyekkel célzottan beavatkozhatunk egyes életfolyamatokba. Alapvetően kétféle FFK ismert. Az egyiknél globuláris fehérjék ismerik fel egymást nagy, konformációs epitópokkal. A kötésben résztvevő aminosav-csoportok a szekvenciában szétszórva találhatók. A másik, sokszor szabályozó szerepet betöltő, széles körben elterjedt és egyszerűbb típusnál egy globuláris fehérje a másik fehérjén lineáris peptid motívumot (LPM) ismer fel, amely gyakran szerkezet nélküli régióban található. Tanszékünk négy fő modellrendszert tanulmányoz: motorfehérjéket, szerin-proteázokat, protein-kinázokat és állványfehérjéiket és az amiloid képződést. Ezek fontos, a pályázatunk gerincét képező közös eleme, hogy mindegyikben szerepet játszik az LPM-en keresztüli felismerés. A pályázatban kétféle motorfehérje-kapcsolt központi „hub” fehérje, ötféle - a fajlagosság széles spektrumát mutató - humán szerin-proteáz és kétféle amiloid-képző fehérje LPM-kötését vizsgáljuk. Tanszékünk kutatóközössége rendkívül sokféle szaktudást reprezentál. Ez egyedülálló lehetőséget ad arra, hogy átfogóan vizsgáljuk az LPM kölcsönhatások alapvető biofizikai és evolúciós törvényszerűségeit. A kutatás során irányított evolúciós, bioanalitikai, fluoreszcens spektroszkópiai, klasszikus és gyorskinetikai, termodinamikai valamint röntgenkrisztallográfiai megközelítéseket ötvözünk.
Summary
Protein-protein interactions (PPIs) are at the heart of all life processes at the molecular level. Knowing the fundamental rules that govern the strength and specificity of these interactions would be essential for a deep understanding of normal or pathological protein functions. Moreover, such knowledge would promise means of interfering with life processes through developing mechanism-based drugs. There are two types of PPIs, one involves large conformational epitopes with binding site residues dispersed in the primary structures of the proteins. In the other widespread type of PPIs a linear peptide motif (LPM), which is often localized in a disordered region of one of the interacting partners, binds to a globular protein. These interactions are simpler, easier to describe and well suited for regulatory functions. Our Department studies four major model systems: motor proteins, serine proteinases, protein kinases and their scaffold proteins and amyloid formation. A unifying theme of these, which provides the scaffold of this project, is that all of them involve molecular recognition through LPMs. The highly diverse expertise available at our Department provides us with the unique opportunity to generate a comprehensive description of LPM recognition of several globular proteins: two motor protein associated hub proteins, five human serine proteinases with diverse substrate specificities, and two amyloid forming proteins. We will combine directed evolution, bioanalytical tools, fluorescence spectroscopy, steady state and transient kinetics, thermodynamic analyses and X-ray crystallography to reveal fundamental biophysical and evolutionary principles that govern molecular recognitions through LPMs.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A fehérje-fehérje kölcsönhatások azon típusát vizsgáltuk, ahol egy globuláris fehérje egy másik fehérjén lineáris motívumot (LM) ismer fel. Feltártuk egy csomóponti fehérje, az LC8 kölcsönhatásainak specifitását, meghatároztuk több komplex térszerkezetét, valamint több tucat potenciális LC8 kötőpartnert azonosítottunk irányított evolúcióval. Feltártunk egy, az S100 családban eddig ismeretlen kölcsönhatási módot a metasztázisok kialakulásában fontos Ca-kötő S100A4 fehérje és egy miozin LM között. Az új szerkezeti ismeret alapkutatási és terápiás célú inhibitortervezést tesz lehetővé. A szerin proteináz inhibitorok egyik osztálya LM hurokrégióval köt az enzimhez. Ilyen hurkok irányított evolúciójával előállítottuk a komplementrendszer első útvonal-szelektív inhibitorait, melyek terápiás lehetőségeket nyitnak pl. az infarktus kezelésében. További enzimek LM preferenciáit is meghatároztuk. A protein-kinázok közötti kölcsönhatásokat megszabó dokkoló motívumok jelentősen hozzájárulnak a MAPK jelátviteli útvonalak válaszának specifitásához. Több ilyen komplex térszerkezetét meghatároztuk és feltártuk a LM-ok közvetítette kölcsönhatások szerkezeti sokféleségét. Az Alzheimer-kór és más betegségek hátterében álló amiloid aggregátumok β-lánc szerkezetű LM-ok kölcsönhatásával jönnek létre. Új eredményeket értünk el az amiloid-kialakulás környezeti feltételeinek vizsgálata, az aggregátumok stabilitásának mérése és a β-lánc szerkezetek CD spektroszkópiával történő analízise terén.
Results in English
We studied protein-protein interactions (PPI) where a globular protein recognizes a linear motif (LM) of the partner protein. We explored the specificity and high-resolution structure of several PPIs of LC8, a eukaryotic hub protein. Moreover, we predicted dozens of potential binding partners for LC8 based on directed protein evolution. We determined the 3D-structure of a metastasis-associated Ca-binding protein S100A4 in complex with an LM from a myosin revealing a novel interaction mode in this family. This allows the design of S100A4 inhibitors for basic research and therapy. A diverse class of serine-proteinase inhibitors binds the enzyme through a loop that is considered as an LM. Based on directed evolution of such loops we developed pathway selective complement inhibitors. These inhibitions offer novel therapies for diseases like heart attack. We determined the LM preferences of other proteinases as well. LMs (so-called docking motifs) have important contribution to the specificity of MAPK signaling pathways. We determined the structure of several complexes formed between protein-kinases and LMs and explored their conformational diversity. Amyloid fibers, protein aggregates characteristic to Alzheimer’s and other diseases, are formed by interactions of β-strands that are considered as LMs. We published novel results on the effects of environmental factors in amyloid formation, stability of the fibers, and analysis of β-sheet secondary structures by CD spectroscopy
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81950
Decision
Yes





 

List of publications

  
Rapali Péter: Mapping the protein-protein interaction network of LC8 dynein light chain via characterizing its binding motif by in vitro directed evolution and biophysical approaches, PhD értekezés, Eötvös Loránd Tudományegyetem, 2013
Bodor, A., Radnai, L., Hetényi, Cs., Rapali, P., Láng, A., Kövér, K.E., Perczel, A., Wahlgren, W.Y., Katona, G., and Nyitray, L.: DYNLL2 dynein light chain binds to an extended linear motif of myosin 5a tail that has structural plasticity, Biochemistry, közlésre elfogadva, 2014
L. Radnai, P. Rapali, Z.Hódi, D. Süveges, T. Molnár, B. Kiss, B. Bécsi, F. Erdődi, J. Kardos, M. Kovács and L. Nyitray: Affinity, avidity and kinetics of target sequence binding to LC8 dynein light chain (DYNLL) isoforms, J.Biol.Chem. 285: 38649-38657, 2010
Rapali, P., Radnai, L., Süveges, D., Harmat, V., Tölgyesi, F., Wahlgren, W.Y., Katona, G., Nyitray, L., Pál, G.: Directed evolution reveals the binding motif preference of the LC8/DYNLL hub protein and predicts large numbers of novel binders interactors in the human proteome., PLoS One, 18;6(4):e18818., 2011
Gáspári, Z. and Nyitray, L.: Coiled coils as models of protein structure evolution., BioMol Concepts, 2:199–210, 2011
P. Rapali, A. Szenes, L. Radnai, A. Bakos, G. Pál, L. Nyitray: DYNLL/LC8: A Light Chain Subunit of the Dynein Motor Complex and Beyond, FEBS J. 278(17):2980-96, 2011
Szabó A, Héja D, Szakács D, Zboray K, Kékesi KA, Radisky ES, Sahin-Tóth M, Pál G.: High Affinity Small Protein Inhibitors of Human Chymotrypsin C (CTRC) Selected by Phage Display Reveal Unusual Preference for P4' Acidic Residues., J Biol Chem. 286(25):22535-45., 2011
Wahlgren WY, Pál G, Kardos J, Porrogi P, Szenthe B, Patthy A, Gráf L, Katona G.: The catalytic aspartate is protonated in the Michaelis complex formed between trypsin and an in vitro evolved substrate-like inhibitor: a refined mechanism of serine prot, J Biol Chem. 286(5):3587-96., 2011
Kardos J, Micsonai A, Pál-Gábor H, Petrik É, Gráf L, Kovács J, Lee YH, Naiki H, Goto Y.: Reversible heat-induced dissociation of β2-microglobulin amyloid fibrils., Biochemistry. 50(15):3211-20., 2011
Yamamoto K, Yagi H, Lee YH, Kardos J, Hagihara Y, Naiki H, Goto Y.: The amyloid fibrils of the constant domain of immunoglobulin light chain., FEBS Lett. 584(15):3348-53., 2010
Orbán G, Völgyi K, Juhász G, Penke B, Kékesi KA, Kardos J, Czurkó A: Different electrophysiological actions of 24- and 72-hour aggregated amyloid-beta oligomers on hippocampal field population spike in both anesthetized and awake rats., Brain Res. 1354:227-35., 2010
Kiss B, Duelli A, Radnai L, Kékesi KA, Katona G, Nyitray L.: Crystal structure of the S100A4-nonmuscle myosin IIA tail fragment complex reveals an asymmetric target binding mechanism., Proc Natl Acad Sci U S A. 109(16):6048-53., 2012
Kocsis A, Kékesi KA, Szász R, Végh BM, Balczer J, Dobó J, Závodszky P, Gál P, Pál G.: Selective inhibition of the lectin pathway of complement with phage display selected peptides against mannose-binding lectin-associated serine protease (MASP)-1 and -2: s, J Immunol. 185(7):4169-78., 2010
Szego EM, Csorba A, Janáky T, Kékesi KA, Abrahám IM, Mórotz GM, Penke B, Palkovits M, Murvai U, Kellermayer MS, Kardos J, Juhász GD: Effects of estrogen on beta-amyloid-induced cholinergic cell death in the nucleus basalis magnocellularis., Neuroendocrinology 93(2):90-105, 2011
Gáspári Z, Süveges D, Perczel A, Nyitray L, Tóth G.: Charged single alpha-helices in proteomes revealed by a consensus prediction approach., Biochim Biophys Acta. 1824(4):637-46., 2012
Rapali P, García-Mayoral MF, Martínez-Moreno M, Tárnok K, Schlett K, Albar JP, Bruix M, Nyitray L, Rodriguez-Crespo I.: LC8 dynein light chain (DYNLL1) binds to the C-terminal domain of ATM-interacting protein (ATMIN/ASCIZ) and regulates its subcellular localization., Biochem Biophys Res Commun. 28;414(3):493-8., 2011
Héja D, Kocsis A, Dobó J, Szilágyi K, Szász R, Závodszky P, Pál G, Gál P.: Revised mechanism of complement lectin-pathway activation revealing the role of serine protease MASP-1 as the exclusive activator of MASP-2., Proc Natl Acad Sci U S A. 26;109(26):10498-503, 2012
Héja D, Harmat V, Fodor K, Wilmanns M, Dobó J, Kékesi KA, Závodszky P, Gál P, Pál G.: Monospecific Inhibitors Show That Both Mannan-binding Lectin-associated Serine Protease-1 (MASP-1) and -2 Are Essential for Lectin Pathway Activation and Reveal Structura, J Biol Chem. 287(24):20290-300., 2012
Szenes A, Pál G.: Mapping Hidden Potential Identity Elements by Computing the Average Discriminating Power of Individual tRNA Positions., DNA Res. 19(3):245-58., 2012
P. Rapali, D. Süveges, Á. Szenes, L. Nyitray and G. Pál: Refinement of LC8 dynein light chain binding partner prediction by a directed evolution method, FEBS3+ Meeting Book of Abstracts (ISBN 978-953-95551-4-4), 2012
A. Bakos, B. Biri, P. Rapali, Z. Bánóczi, F. Hudecz and L. Nyitray: Induction Of Apoptosis In Melanoma Cells Using Dynll/Lc8 Dynein Light Chain Binding Peptides, FEBS3+ Meeting Book of Abstracts (ISBN 978-953-95551-4-4), 2012
L. Radnai, A. Duelli, É. Bulyáki, B. Biri, P. Rapali, G. Katona, J. Kardos, L. Nyitray: Ligand Binding Induced Polymerization Of The Lc8 Dynein Light Chain (Dynll), FEBS3+ Meeting Book of Abstracts (ISBN 978-953-95551-4-4), 2012
Bulyáki É., Szabó E., Gelencsér A., Szalainé Ágoston B., Tompa P., Kardos J.: Az ERD14 rendezetlen szerkezetű chaperon amiloidképződést gátló hatásának vizsgálata, Biokémia 35(3) 28, 2011
P. Rovó, P.Stráner, A. Láng,I. Bartha, K. Huszár, L. Nyitray, and A. Perczel: Structural Insights into the Trp-Cage Folding Intermediate Formation, Chemistry-A European Journal 19(8):2628-40., 2013
Garai A, Zeke A, Gógl G, Töro I, Fördos F, Blankenburg H, Bárkai T, Varga J, Alexa A, Emig D, Albrecht M, Reményi A: ) Specificity of linear motifs that bind to a common mitogen-activated protein kinase docking groove, Sci Signal. 5(245):ra74, 2013
Glatz G, Gógl G, Alexa A, Reményi A.: Structural mechanism for the specific assembly and activation of the extracellular signal regulated kinase 5 (ERK5) module., J. Biol. Chem. 288(12):8596-609., 2013
Gógl G, Törő I, Reményi A.: ) Protein-peptide complex crystallization: a case study on the ERK2 mitogen-activated protein kinase., Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 69(Pt 3):486-9., 2013
Gál P, Dobó J, Beinrohr L, Pál G, Závodszky P.: Inhibition of the serine proteases of the complement system., Adv Exp Med Biol. 735:23-40, 2013
Megyeri M, Harmat V, Major B, Végh Á, Balczer J, Héja D, Szilágyi K, Datz D, Pál G, Závodszky P, Gál P, Dobó J.: Quantitative characterization of the activation steps of mannan-binding lectin (MBL)-associated serine proteases (MASPs) points to the central role of MASP-1 in the initi, J Biol Chem. 288(13):8922-34., 2013
Micsonai, A., Szabó, E., Wien, F., Refregiers, M., Kardos, J.: Improved Secondary Structure Determination and Fold Prediction by Circular Dichroism Spectroscopy., Biophys. J., 104 S1 567A-567A., 2013
Duelli A, Kiss B, Lundholm I, Bodor A, Petoukhov MV, Svergun DI, Nyitray L, Katona G: The C-terminal random coil region tunes the Ca²⁺-binding affinity of S100A4 through conformational activation, PLoS One 15;9(5):e97654, 2014
Molnár, Tamás; Vörös, Judit; Szeder, Bálint; Takáts, Kornél; Kardos, József; Katona, Gergely; Gráf, László: Comparison of complexes formed by a crustacean and a vertebrate trypsin with bovine pancreatic trypsin inhibitor - the key to achieving extreme stability?, FEBS JOURNAL 280(22):5750-63, 2013
Ikenoue T, Lee YH, Kardos J, Yagi H, Ikegami T, Naiki H, Goto Y.: Heat of supersaturation-limited amyloid burst directly monitored by isothermal titration calorimetry., Proc Natl Acad Sci U S A. 111(18):6654-9., 2014
Muta H, Lee YH, Kardos J, Lin Y, Yagi H, Goto Y.: Supersaturation-limited amyloid fibrillation of insulin revealed by ultrasonication., J Biol Chem. 289(26):18228-38., 2014
Gógl G, Törő I, Reményi A.: Protein-peptide complex crystallization: a case study on the ERK2 mitogen-activated protein kinase., Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 69(Pt 3):486-9., 2013
Major B, Kardos J, Kékesi KA, Lorincz Z, Závodszky P, Gál P.: Calcium-dependent conformational flexibility of a CUB domain controls activation of the complement serine protease C1r., J Biol Chem. 285(16):11863-9., 2010
Kovacs E, Harmat V, Tóth J, Vértessy BG, Módos K, Kardos J, Liliom K.: Structure and mechanism of calmodulin binding to a signaling sphingolipid reveal new aspects of lipid-protein interactions., FASEB J. 24(10):3829-39., 2010




 

Events of the project

  
2013-10-04 14:15:45
Résztvevők változása
2012-10-19 08:31:00
Résztvevők változása
2011-10-14 09:38:12
Résztvevők változása
2011-08-26 13:03:30
Résztvevők változása
2011-08-22 12:42:12
Résztvevők változása
2011-04-19 14:14:29
Résztvevők változása



Back »