Telomer fehérjék működése, evolúciója és lehetséges szerepe fajok képződésében
Angol cím
The function, evolution and supposed role in speciation of fast evolving telomere proteins
magyar kulcsszavak
telomer, koevolúció, fajképződés, DNS törés javítás,
angol kulcsszavak
telomere, coevolution, speciation, DNA break repair
megadott besorolás
Molekuláris Biológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
50 %
Ortelius tudományág: Molekuláris evolúció
Sejtgenetika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
25 %
Ortelius tudományág: Molekuláris genetika
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
25 %
zsűri
Molekuláris és Szerkezeti Biológia, Biokémia
Kutatóhely
Biokémiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Grézal Gábor Péter Kiss István Nagy Eniko Pál Margit Pankotai Tibor Újfaludi Zsuzsanna Vamos Edith
projekt kezdete
2012-01-01
projekt vége
2015-12-31
aktuális összeg (MFt)
35.497
FTE (kutatóév egyenérték)
7.00
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
ÖSSZEFOGLALÓ (laikus) A sejtekben a kromoszómák végeit specifikus telomer fehérjék védik, amelyek jelzésként szogálnak a DNS töréseket javító fehérjék számára, hogy “ez a DNS vég nem sérülés eredménye, nem szabad másikkal összekapcsolni”. Ha a jelzés elmarad, a kromoszómák össztapadnak, osztódáskor eltöredeznek, ami a sejt pusztulásához, vagy daganat kialakulásához vezet. Korábbi munkánk eredményeként egy kromoszóma vég védelemben szerepet játszó Drosophila gént jellemeztünk, amelynek hibája gyakori telomer összeragadásokat okoz. A projektben e gén által termelt fehérje szerkezetét és működését fogjuk analizálni. Tervezett kísérleteink eredményei arra adhatnak választ, hogy milyen mértékű a telomer védelmét biztosító fehérjék hasonlósága a különböző élőlényekben és hogyan biztosítják azok a megkülönböztető jelzést. Kísérleteket tervezünk annak a hipotézisünknek a tesztelésére, hogy a telomer védelmét biztosító fehérjék hozzájárulnak a fajok kialakulásához. Megfigyelhető, hogy e fehérjék evolúciós változása nagyon gyors. Ezért elképzelésünk szerint, gátként szogálhatnak, ami az alkalmazkodás során fokozatosan változó genetikai állománnyal rendelkező egyedek csoportjait új fajokká különíti el. E hipotézis igazolása jelentős új hozzájárulást jelentene az evolúció egy alapvető lépésének megértéséhez. Helyessége a tervezett kísérletekkel megerősíthető. A kísérletekben nyerhető adatok ugyanakkor abban az esetben is érdekesek lesznek ha a hipotézist cáfolják, mert a Drosophilákban megfigyelt telomer védelem pontos megismerése alapot adhat fontos kórokozókat (malária, sárgaláz) terjesztő szúnyogok elleni szelektív rovarirtó szerek kifejlesztéséhez.
ÖSSZEGZÉS A projektben telomer védelmet biztosító fehérjék szerkezetét, működését, evolúciós változását és fajképződésben feltételezett szerepét fogjuk vizsgálni. Kísérleti rendszerünk alapja a Drosophila dtl/tgs1 gén, aminek szerkezetét és közreműködését a telomerek fenntartásában mi írtuk le (Komonyi és mti. 2005 és 2009). A dtl/tgs1 két fehérje termék szintézisét biztosítja: A DTL a telomert védő terminin komplex része, A TGS1 pedig RNS végeket módosító enzim. Célunk a két fehérje telomer védelemben betöltött szerepének megismerése és annak megértése, hogy mi biztosítja működésük összhangját a kétszálú DNS törések javításával. Genetikai és biokémiai módszereket fogunk alkalmazni a két fehérje funkciójának elkülönített analízisére és aktivitásuk, valamint kölcsönható partnereik jellemzésére. A kromoszóma végi terminin komplex fehérjéit rendkívül gyors evolúciós változás jellemzi, míg a telomer védelmében szerepet játszó más fehérjék evolúciósan konzerváltak. E megfigyelés alapján fetételezzük, hogy a terminin fehérjék szerepet játszhatnak a fajok kialakulásához vezető szaporodási gát létrehozásában. Hipotézisünk ellenőzésére tervezzük a 12 ismert Drosophila faj terminin fehérjéinek részletesen összehasonlítását és közös evolúciójuk jellemzőinek meghatározását bioinformatikai módszerekkel . A hipotézis kísérletes ellenőrzésére pedig fajok közötti génátviteli kísérleteket fogunk végezni, annak eldöntésére, hogy a fehérjék megváltozása hozzájárulhatott-e fajok elkülönüléséhez. Kísérleteink gyakorlati eredménye lehet genetikai screenek kialakítása kétszálú DNS töréseket javító rendszer komponenseinek jellemezésére, és kórokozót terjesztő szúnyogok elleni szelektív rovarirtó szerek lehetséges támadáspontjának azonosítása.
SZIGNIFIKANCIA A telomerek biológiájára vonatkozó kérdések központi helyet kapnak a molekuláris biológiai kutatásokban, mert megválaszolásuk betekintést ígér a genom épségének és stabilitásának megőrzését, a sejt öregedését, az őssejt és daganatsejt képződést szabályozó mechanizmusokba. A projektben tervezett kísérletek a Drosophila kromoszómák végeit védő terminin fehérjék vizsgálatára több okból érdeklődésre számottartó eredményeket szolgáltatnak majd: Adatokat nyújtanak a telomer szerkezet evolúciós megőrzöttségéről és az alkotó kompenensek összehangolt változásairól. Betekintést ígérnek a két, egymással látszólag ellentétes, de részben ugyanazon fehérjék működésével biztosított folyamat, a telomer vég védelem és a DNS törés javítás összehangolt szabályozásába. A DNS töréseket javító és telomer védelemben is közreműködő ATM/ATR kinázok reakció útjainak ismerete fontos, hiszen ezek az evolúcióban jól megőrzött kinázok és jeltovábbítási útvonalaik sok humán daganat kialakulásában szerepet játszanak. Érdekes módon a telomert védő fehérjék másik csoportja - a Drosophila terminin és emlős shelterin fehérjék -, ellentétben az ATR/ATM kinázokkal, feltűnően gyorsan változtak az evolúció során. Feltételezésünk szerint ez szerepet játszhat a fajok elkülönülésében. Az erről felállított hipotézisünk megerősítésére tervezett összehasonlítása 12 Drosophila faj ismert szekvencia adatainak bioinformatikai módszereket, önmagában is jelentős eredményt jelenthet. A Drosophila genetika fejlettsége miatt ugyanakkor a hipotézis kísérletes megerősítésére is lehetőség kínálkozik fajok közötti génátvitel megvalósításával. E lehetőség kihasználása az evolúció egyik alapvető kérdésének megközelítésére a projekt egyedi értékét jelentheti. A telomer evolúciója és fajképződés összefüggésére felállított hipotézisünk bizonyulhat akár helyesnek, vagy hibásnak, a terminin fehérjék vizsgálata bármely esetben fontos adatokkal szolgál majd egy másik, a gyakorlati alkalmazáshoz közelebb álló szempontból: a szerzett ismeretek olyan specifikus rovarirtók lehetséges támadási pontjait azonosíthatják, amellyekkel súlyos járványokat terjesztő szúnyogok elvileg szelektíven irthatók.
angol összefoglaló
SUMMARY Recently we have described that mutations of the bicistronic Drosophila gene dtl/tgs1 result in frequent telomere associations (TAs) and loss of trimethylguanosine (TMG) cap of sn- and snoRNAs (Komonyi et al 2005. and 2009). In this project we aim to study the mechanism of telomere protection by the analysis of the two dtl/tgs1 encoded proteins (DTL, TGS1). We will collect data to test our novel hypothesis that the fast evolving genes of chromosome end protecting proteins both in insects and mammals, are genes of speciation, which play a role in diversification of species. Taking advantage of the available 12 Drosophila genome sequence data we will study the co-evolution of telomere protecting proteins by bioinformatics, and test interspecies complementation capability of those proteins. Functional studies of DTL will include isolation of telomere protecting complexes, detections of protein-protein and protein-nucleic acid interactions and biochemical analysis of DTL activity. We will determine whether TMG cap containing RNA has a role in telomere formation. Microscopic analysis of TAs resulting from the loss of DTL function, and genetic interaction studies between dtl/tgs1 and genes playing a role in DNA double strand break repair will be used to determine the molecular mechanism leading to telomere fusions.
SIGNIFICANCE Studying telomere formation and maintenance is a central issue in molecular biology since it promises keys to answer questions on protection of genome integrity and stability, cell senescence, stem cell biology and tumor formation. Several reasons give significance for the expected results of the planned experiments: they will provide new data on the evolutionary conservation of telomere structure, on co-evolution of proteins interacting in a complex, and on the interplay of the seemingly contradictory two functions of DNA break repair and chromosome end protection, which are performed simultaneously, partly by the same proteins. Uncovering regulatory connections between DNA end joining and chromosome end protection could lead to identification of tools by which ATR function can be modulated. Considering the role of ATM/ATR in tumor formation, this could have far reaching consequences. The plan includes experimental testing of our new hypothesis that rapid change of telomere protecting proteins plays a role in setting barriers betwee species in evolution. Irrespective whether this assumption on the speciation role of DTL and other terminin proteins proves to be true or false, a detailed analysis of the functions of these proteins could be particularly relevant, since mosquito vectors (Anopheles, Culex, Aedes) of deadly pathogens harbor dtl-like genes, while in other groups of insects there are no recognizable orthologs. Consequently, in the lack of interference with the function of structurally related ubiquitous cellular factors, terminin proteins are good candidates to target in selective insecticide development.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Expressziós rendszereket hoztunk létre a Drosophila telomer komplex kialakításában szerepet játszó fehérjék (DTL, HOAP, Hip-Hop, Ver, HP1) kívánt kombinációkban történő előállítására.
Olyan genotípus kombinációkat alakítottunk ki transzgénekkel, amelyekkel a dtl/tgs1 bicisztronos gén termékeinek működése elkülönítve, testi sejtekben és ivarvonalban is vizsgálható.
Drosophila terminin komplexet alkotó fehérjék összehasonlításával megállapítottuk, hogy fehérjéken belül egyes domének eltérő sebességű evolúciós változást mutathatnak.
Drosophila melanogaster terminin fehérjék kölcsönhatásainak vizsgálatával bizonyítottuk terminin alkomplexek kialakulását és javasoltuk a terminin komplex képződéséről alkotott elképzelés módosítását.
Kimutattuk, hogy a DTL fehérje specifikusan kapcsolódik a kromoszóma végek retrotranszpozon szekvenciáihoz.
Megállapítottuk, hogy a DTL fehérje nem vesz közvetlenül részt kettősszálú DNS törések érzékelésében és javításuk első lépéseiben.
Megállapítottuk, hogy a TGS1 metiltranszferáz nélkülözhetetlen a peteképződésben, hiányában kromatin szerveződési hibák alakulnak ki.
Megállapítottuk, hogy a különböző Drosophila fajok terminin fehérjéi közötti kölcsönhatások és müködési helyettesítések nem támasztják alá azt a hipotézist, hogy a terminin fehérjék gyors evolúciós változása reprodukciós izolációhoz vezet és szerepet játszik új faj kialakulásában.
kutatási eredmények (angolul)
We have established various systems for the expression of Drosophila telomere protecting proteins either one by one or in any desired combinations.
By the use of transgenes we have constructed various genotype combinations which permit functional analysis of the bicistronic dtl/tgs1 gene both in the stoma and the germ line.
By the analysis of Drosophila terminin proteins we have demonstrated that domains within a protein can display different speed of evolution.
By the analysis of interactions among Drosophila terminin proteins we have demonstrated formation of terminin subcomplexes and proposed a modification of the existing model of terminin formation.
We have demonstrated specific binding of the DTL protein to reprotransposon sequences at chromosome ends.
We have demonstrated that the DTL protein is not involved directly in the recognition of DS DNA breaks or in the early steps of the repair of those.
We have demonstrated that the TGS1 methyltransferase is essential for egg formation, its absence results in chromatin disorganization.
We have concluded that the observed interactions and functional replacements between terminin proteins of different Drosophila species argue against the proposed possible role of rapid evolution of terminin proteins in speciation.
Balázs Vedelek, András Blastyák, Imre Miklós Boros: Heterologous expression and in vitro analysis of accelerately evolving Drosophila proteins involved in telomere maintenance, In: Róbert Hohol, Zsuzsanna Heiszler, Nóra Éles-Etele (szerk.) (szerk.) Hungarian Molecular Life Sciences 2015: Programme & Book of Abstracts. Budapest: Diamond Congress Ltd, 2015. pp. ., 2015
Vedelek B, Blastyak A, Boros IM: Cross-Species Interaction between Rapidly Evolving Telomere-Specific Drosophila Proteins., PLOS ONE 10: (11) e0142771, 2015
Vedelek Balázs, Blastyák András, Boros M Imre: Gyorsan evolválódó Drosophila telomer specifikus fehérjék vizsgálata in vitro, XIV. Minikonferencia "Genetikai Műhelyek Magyarországon" Szeged, 2015. szeptember 4. Előadás , 2015
