Tirozin-foszforilációs jelpályák keresztregulációja szerin/threonin kinázok által, illetve ezen folyamatok szerepe a II. típusú diabétesz pathomechanizmusában
Tirozin-foszforilációs jelpályák keresztregulációja szerin/threonin kinázok által, illetve ezen folyamatok szerepe a II. típusú diabétesz pathomechanizmusában
Angol cím
Cross-regulation of tyrosine kinase based signalling by serine/threonine kinases and their role in the pathomechanism of type II diabetes
magyar kulcsszavak
II-es típusú diabétesz, inzulin receptor szubsztrát, tirozin kináz, crosstalk
angol kulcsszavak
type II diabetes, insulin receptor substrate, tyrosine kinase, crosstalk
megadott besorolás
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
60 %
Ortelius tudományág: Biokémia
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
20 %
Az előbbiekhez köthető betegségek biológiai alapjai (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
20 %
zsűri
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely
Molekuláris Élettudományi Intézet (HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont)
projekt kezdete
2016-10-01
projekt vége
2019-09-30
aktuális összeg (MFt)
15.087
FTE (kutatóév egyenérték)
2.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A diabetes mellitus hatékony, kuratív kezelése a 21. század egyik legnagyobb megoldatlan orvosi problémája. Ennek egyik fő oka, hogy a sok évtizedes intenzív kutatás ellenére sem ismerjük a II. típusú diabetes kialakulásáért felelős folyamatok molekuláris szintű részleteit. A jelenlegi kutatási téma egyik fő célja éppen ezen mechanizmusok vizsgálata, kölönös tekintettel az inzulin receptor szubsztrát (IRS) fehérjék szabályozására. In silico szerkezeti modelljeink alapján két, teljesen új mechanizmust feltételezünk (motívum-eltérítés, "hijacking", illetve előfoszforiláció, "priming"), amelyek az IRS fehérjék szerin/threonin kinázok általi szabályozásának kulcsai lehetnek. Ezen elképzelések kísérletes tesztelése lehetővé tenné hogy jobban megértsük hogy a tirozin kináz és mitogén-aktivált proteinkináz (MAPK) jelpályák hogyan képesek egyes szubsztrátokon kölcsönhatni. Az egyes mechanizmusokat eleinte külön kísérletsorozatokban tesztelnénk, jól kontrollált in vitro körülmények között, tisztított fehérjékkel. Ezután sejtes rendszerekben tervezzük tovább vizsgálni ezen jelenségeket. A megfelelő komplexek atomi felbontású szerkezetét szintén szeretnénk meghatározni. Végül, de nem utolsósorban egy olyan, konszenzus szekvencia alapú módszer kidolgozását is célul tűztük ki, amely a megfelelően szabályozott motívumokat a humán proteomból kiszűrni képes. Ezzel a jövőben azonosíthatunk egyéb olyan fehérjéket is, amelyek az IRS-sekhez hasonló szabályozást mutatnak.
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. A kutatási program közvetlen célja az inzulin receptor szubsztrát (IRS) fehérjék stressz kinázok (mindenekelőtt a JNK) általi szabályozásának felderítése. A legfontosabb kérdés, hogy a tirozin kináz foszforilációs célhelyek közvetlen közelében bekövetkező Ser/Thr foszforilációs események hogyan befolyásolják a "normál" jelátviteli folyamatokat. A modelljeink alapján többféle, teljesen új mechanizmust feltételezünk - amelyek mind pozitív, mind negatív szabályozásra képesek. Ezen elméleti modellek ("hijacking", "priming") kísérletes bizonyítása egy teljesen új fejezetet nyitna a különböző jelpályák kölcsönhatásának tanulmányozása terén, amelyek mind fiziológiás, mind patológiás folyamatokban kritikus fontosságúak.
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! A jelen kutatási témát jelentős mértékben motiválja az alapkutatás iránti érdeklődésem, és annak felhasználása fontos orvos-biológiai problémák megoldása érdekében. A jelen projekt haszna több szintű lenne: Először is, jelentősen bővítené egyes fehérjék foszforiláció-függő szabályozásáról alkotott elméleti és kísérletes ismerteinket. Másodszor, rendszer-szintű ismereteket adna arról, hogy a különféle jelpályák milyen újszerű módokon képesek egymást keresztbe szabályozni a sejteken belül. Harmadszor (és az én meglátásom szerint ez a legfontosabb) az itt megszerzett tudást viszonylag direkt módon lehetne inhibitor-tervezésben és a gyógyászatban hasznosítani. A kísérleti program kockázatát (ami önmagában elég jelentős) csökkenti az a tény, hogy az első lépésben számos különféle molekuláris jelenséget vizsgálnánk, párhuzamos módon.
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 diabétesz gyógyítása a 21. század egyik legnagyobb megoldatlan orvosi problémája. A sok-sok évtizedes intenzív kutatás ellenére ma sem tudjuk, hogy a diabétesz pontosan hogyan is alakul ki molekuláris szinten, és mely molekulák felelősek elsősorban a betegségért. Ezen megoldatlan rejtélyek feltárása lehetővé tehetné hogy a kezdődő diabétesz gyógyítására újfajta gyógyszereket fejlesszünk ki; ezenkívül más betegségek kialakulását is talán jobban megérthetjük majd ezen tudás birtokában.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. An effective, curative treatment of diabetes is one of the greatest unsolved medical problems of the 21th century. This is especially so due to our lack of knowledge of the molecular-level pathomechanism of type II diabetes. The current project is aimed to uncover some of these mechanisms, in particular those tied to the regulation of the insulin receptor substrate (IRS) protein. Based on in silico modeling, we propose two, entirely novel mechanisms (pathway "hijacking" and tyrosine kinase "priming") as being the missing key to understanding IRS protein modulation by serine/threonine kinases. Experimental testing of these ideas as well as their generalizations would help us unravel how various signaling pathways, such as the mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and tyrosine kinases can cross-regulate each other on particular substrate proteins. Different mechanisms are to be initially tested separately, in well-controlled in vitro systems, allowing precise quantitation. Later on, cellular model systems will be used to further validate the biochemical models. I also plan to determine the atomic resolution tree-dimensional structure of protein/phospho-peptide complexes. Finally, I will develop new, consensus sequence based methods to search for instances of motif hijacking and priming in a systematic manner. This will enable me to assess the generality of tyrosine and serine/threonine kinase activity cross-regulation at the level of simple motifs located in disordered regions of signaling relevant proteins.
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. The immediate goal of the project is to uncover how IRS proteins are regulated by stress-regulated kinases (most importantly, JNK), and the impact of these signaling processes in the pathomechanism of diabetes itself. The main question is how MAPK-dependent Ser/Thr phosphorylation in close proximity to tyrosine-kinase targeted sites subverts "normal" signaling processes. We propose several novel mechanisms - both positive and negative regulation - that are currently based on in silico models only, and need experimental evaluation. Proving any of these proposed mechanisms (such as the "hijacking" or "priming" scenarios) would open a new window into how different pathways can interact with each other at a molecular level to give novel physiological as well as pathological outcomes.
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. The current research proposal is motivated by my interest at both basic science as well as its direct application to unsolved bio-medical problems. The potential gains of the current project are several-fold: First, it would widen our experimental and theoretical knowledge on phosphorylation-dependent regulation of certain proteins. Second, it would give us a systems-level insight of how various regulatory pathways interact with each other through completely novel mechanisms. Third (and in my opinion, this is the most important point), this knowledge can be relatively easily translated into pharmaceutical design and clinical practice. The risk of the project is mitigated by the fact that multiple scenarios are to be tested in a parallel manner at the first step.
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. An effective, curative treatment of diabetes is one of the greatest unsolved medical problems of the 21th century. Despite extensive research in the past century, we still know remarkably little as to how diabetes is caused at a molecular level and what molecules are responsible. We do know, however, that cells process insulin signals via different information processing highways which are both comprised of enzymes. In my proposal I will examine how two different intracellular information processing highways comprised of these different types of enzymes converge on a pivotal protein molecule which is directly responsible for insulin resistance. Uncovering these secrets would help us to develop new medicaments more effectively treating early-stage diabetic patients.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatási témám célja annak felderítése volt, hogy az inzulin jelpáját és más folyamatokat hogyan modulálja a egymáshoz térben nagyon közel bekövetkező tirozin és szerin foszforiláció. Hasonló eseményeket korábbi vizsgálatok egyértelműen kapcsolatba hoztak a diabétesszel illetve daganatos megbetegedésekkel. A kezdeti kísérleteim vezettek az SHP2 foszfatáz, mint azon enzim felfedezéséhez, ami ezen helyeket felismeri. Eltérően egyéb, általunk viszgált foszfotirozin-kötő fehérjéktől illetve tirozin kinázoktól, az SHP2 aktivitása kritikusan függ a második módosítási helytől. Az SHP2 csak akkor képes hatékonyan hidrolizálni a foszfotirozinokat az olyan szubstrátokról, mint az IRS fehérjék, vagy a CD28, ha azok Ser/Thr foszforilációval is rendelkeznek. Meglepő módon azonban a második foszforilációs hely pozíciója változhat. Viszgálatainkban sikerült továbbá feltérképeznünk a duplán foszforilált peptidek SHP2 általi kötésének szerkezeti alapjait. Ezen megfigyelések (más, tőlünk független publikációkkal együtt) magyarázatot kínálnak az inzulin jelpálya SHP2 általi dezenzitizációjára. Továbbá a jövőben segítségünkre lehetnek abban, hogy újfajta SHP2 inhibitorokat fejlesszünk a csökkent glüköztolerancia kezelésére.
kutatási eredmények (angolul)
My project aimed at exploring how insulin signalling and other pathways are modulated if tyrosine and serine phosphorylation events occur in close proximity. Such events were previously implicated in diseases like type II diabetes and cancer. My initial experiments led to the discovery of SHP2 phosphatase as an enzyme recognizing such sites. Unlike the examined tyrosine kinases or other pTyr binding partners, the catalytic activity of this enzyme is highly dependent on the second modification site. SHP2 can only remove tyrosine phosphates efficiently from substrates like IRS proteins or CD28, if they are also Ser/Thr phosphorylated. Interestingly, the position of second phosphorylation can vary across sites. Our studies have also uncovered the structural basis of dually-phosphorylated peptide recognition by SHP2. These observations (together with independently published results) suggest a mechanism for SHP2 in insulin pathway desensitization. They might also help to develop newer SHP2 inhibitors to treat impaired glucose tolerance.
