 |
Epigenetikai kutatásokban felhasználható, látható fénnyel aktiválható aminosavak tervezése és szintézise
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
123955 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Cserép Balázs Gergely |
| magyar cím |
Epigenetikai kutatásokban felhasználható, látható fénnyel aktiválható aminosavak tervezése és szintézise |
| Angol cím |
Design and synthesis of photocaged amino acids with visible light activation for epigenetic studies |
| magyar kulcsszavak |
epigenetika, fotoaktiválható, nem természetes aminosav, genetikai kódolás |
| angol kulcsszavak |
epigenetics, photodecaging, noncanonical amino acids, genetic encoding |
| megadott besorolás |
| Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 90 % | | Ortelius tudományág: Gyógyszerkémia | | Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 10 % |
|
| zsűri |
Kémia 2 |
| Kutatóhely |
Szerves Kémiai Intézet (HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont) |
| projekt kezdete |
2017-09-01 |
| projekt vége |
2021-05-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
15.216 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
3.00 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az epigenetika a DNS, RNS és fehérjeszinten történő olyan dinamikus változásokkal foglalkozik, mely nem jár a DNS-szekvencia megváltozásával. A kromoszómákat és az egyes gének expresszióját érintő változások hatását, és az ezekkel kapcsolatos fehérjék kifejeződésének mértékét többféleképpen is lehet befolyásolni és vizsgálni. A legelterjedtebb módszerek a géncsendesítés és -kiütés, illetve poszttranszlációs módosításokat utánzó, nem-természetes aminosavak felhasználása a hisztonok vagy közvetlenül a vizsgált fehérjék módosítására. Azonban ezek hátránya, hogy statikus rendszert eredményeznek, így a dinamikus változások kevésbé tanulmányozhatóak velük. Megoldásként a stop-kodon szupressziós technológia kínálkozik, melynek segítségével fotolabilis csoporttal védett, nem természetes aminosavak helyspecifikus beépítésére nyílik lehetőség. Ezek esetében a fénnyel való aktiválás hatására bekövetkező dinamikus változások is vizsgálhatóvá válnak. Ilyen fotoérzékeny aminosavakkal mostanra sikerrel valósították meg különböző fehérjék funkciójának szabályozását, azonban minden esetben UV fényre volt szükség az aktiváláshoz. Ahhoz, hogy a módszert komplexebb rendszerekben (pl. szövetek, állatok) is alkalmazni lehessen, az UV fény jelentette korlátokat kell kiküszöbölni és az aktiváló fény hullámhosszát a látható tartományba kell eltolni.
Jelen kutatás célja látható fénnyel aktiválható aminosavak kifejlesztése. Ennek eléréséhez különböző fotolabilis csoportokkal ellátott nem-természetes aminosavakat tervezünk előállítani, majd vizsgálni azok fotofizikai tulajdonságait, valamint genetikai úton történő beépíthetőségét.
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 kutatás kiinduló hipotézise, hogy természetes aminosavak látható fényre érzékeny csoportokkal való módosításával olyan fénnyel kontrollálható nem természetes aminosavakhoz juthatunk, melyek stop-kodon szupressziós technológiával fehérjébe építhetőek. Ilyen fotoérzékeny aminosavak epigenetikai kutatásokban való felhasználásával jobb betekinthetést nyerhetünk a gének működésébe és azok átíródásának szabályozási folyamataiba. Célunk elérése érdekében elsőként az irodalomban már ismert fotoérzékeny vázak közül különböző tulajdonságaik alapján kiválasztottuk a legmegfelelőbbnek ígérkezőket, a kumarin vázrendszereket, melyek 400 és 500 nm közé eső fénnyel aktiválhatóak. Második, nagyobb kihívást jelentő, de egyben nagyobb nyereséggel is kecsegtető célunk az úgynevezett donor – akceptor Stenhouse adduktok fényérzékeny védőcsoportként való felhasználásának megvalósítása. Ezek a fotokapcsolók 520 és 640 nm közé eső fénnyel befolyásolhatóak és egy olyan, teljesen új családot jelentének a fotovédett rendszereken belül, melyek sárga – narancssárga fénnyel aktiválhatóak. Minden újonnan előállított, fénnyel felszabadítható rendszer alkalmazhatóságát fotofizikai tulajdonságaik és stop-kodon szupressziós technológiával való beépíthetőségük alapján fogjuk vizsgálni.
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!
Az új, kumarin vázakkal módosított aminosavak előreláthatólag a kívánt fotofizikai tulajdonságokkal fognak rendelkezni és látható fénnyel aktiválhatóak lesznek. Továbbá, mivel az irodalomban más, kumarin-alapú nem-természetes aminosavakat már sikerrel építettek be stop-kodon szupressziós módszerrel, az általunk megtervezett vegyületek is várhatóan sikeresen beépíthetőek lesznek és fehérjék helyspecifikus módosítását fogják lehetővé tenni.
A nagyobb kihívást jelentő célunk, vagyis a donor – akceptor Stenhouse adduktok fényérzékeny védőcsoportként való felhasználásával olyan, teljesen új fotovédett rendszerekhez jutnánk, melyek sárga – narancssárga fénnyel aktiválhatóak. Ez a szövetekbe való mélyebb behatoló képességet jelentene, valamint megnyitná a lehetőséget olyan ortogonálisan, kétszeresen deaktivált rendszerek tervezése felé, melyek több gén egyidejű szabályozásának vizsgálatát tenné lehetővé.
Ezek fényében a projekt az epigenetikai kutatásokban alkalmazott dinamikus módszerek továbbfejlesztését eredményezheti és hozzájárul egyedi fehérjék funkciójának, aktivitásának és katalitikus tulajdonságainak vizsgálatához is, végeredményben a biomolekuláris és génszabályozó folyamatok jobb megértéséhez vezetve.
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.
Az élőlények élete során a sejtek szintjén olyan, akár az utódokban is megjelenő módosulások következnek be, melyek nem magyarázhatóak meg a DNS szekvenciában történő változásokkal. Az epigenetika ezeknek a DNS-t nem érintő, mégis a DNS, RNS és fehérje szinten is megjelenő változásoknak a kutatásával foglalkozik. Ezen folyamatok tanulmányozásához az egyes gének átíródásának és a fehérjék kifejeződésének befolyásolására alkalmas eszközökre van szükség. Az elmúlt évtizedben nem-természetes aminosavakat (melyek az élő rendszerekben nem találhatóak) már széles körben sikeresen használtak fel erre a célra. Azonban a legtöbb technika ugyanazzal a hátránnyal rendelkezik, miszerint statikus rendszereket eredményeznek, miközben az epigenetikai folyamatok dinamikusak. Megoldást a fénnyel aktiválható aminosavak nyújthatnak, melyek lehetővé teszik az aktiválás okozta változások követését és vizsgálatát. Ilyen, fénnyel felszabadítható aminosavakat már sikeresen használtak fel sejtes vizsgálatokhoz, azonban ezek aktiváláshoz minden esetben UV fényre volt szükség. Ahhoz, hogy a módszert komplexebb rendszerekben (pl. szövetek, állatok) is alkalmazni lehessen, az UV fény jelentette korlátozásokat ki kell küszöbölni és az aktiváló fény hullámhosszát a látható tartományba kell eltolni. Ez az élő sejtekre nézve kevesebb káros hatással járna és megnövelné az alkalmazott fény szövetekbe való behatoló képességét is. Jelen kutatás célja ilyen, látható fénnyel aktiválható aminosavak kifejlesztése. Ezt egyrészt különböző, már létező fotolabilis csoportok felhasználásával, másrészt egy újfajta, rendkívül hatékony fotokapcsoló fényre érzékeny védőcsoportként való alkalmazásával kívánjuk elérni.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Epigenetics aims at studying the dynamic changes that occur at the DNA, RNA and protein level in eukaryotes without altering the DNA oligonucleotide sequence. The main tools to affect protein expression and activity are gene silencing, gene knockout, or the use of non-canonical amino acids (ncAAs). However, most techniques have a significant limitation as they result in static systems, which are either turned on or off for the whole length of the experiments. A solution can be achieved by the site specific incorporation of photoactivatable amino acids by means of amber-suppression methodology to generate dynamic systems, which offers the possibility to study the changes as a result of the photodecaging process. Such photoresponsive activation/deactivation of ncAAs have already been used to control the function of proteins with high spatiotemporal resolution, but all required UV-light activation. In order to study more complex systems (i.e. tissues, animals), the limitations of UV-light have to be eliminated and the wavelength of the activating light should be shifted towards the visible regime of the spectrum.
The goal of the present research is to develop photocaged amino acids that are responsive to visible light. To achieve this aim, we will use photolabile moieties incorporated into ncAAs and test them for genetic encodability and photoresponsive characteristics.
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 hypotheis of the proposed work is that modification of amino acids with photolabile moieties responsive to visible light irradiation leads to photo-controllable non-canonical amino acids (ncAAs) that can be incorporated into proteins using amber suppression technology. Such photoresponsive ncAAs can be used in epigenetic studies in order to get better insight into the functioning and regulatory processes of genes. To achieve our aims, firstly we have selected known photolabile frameworks from the literature with certain properties, namely coumarin scaffolds, which offer activation wavelength falling between 400 – 500 nm. Our second, more challenging objective is the utilization of donor – acceptor Stenhouse adducts (DASAs) as photolabile protecting groups. These photoswitches respond to light between 520 – 640 nm and would represent a brand new family of photocaged-systems that can be activated by yellow – orange light. All new photocaged systems will be evaluated by their photophysical properties as well as their incorporation potential by means of amber suppression technology.
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 proposed coumaryl-non-canonical amino acids are expected to have the desired photophysical properties in response to visible light activation. Moreover, as other coumarin-derived amino acids have been successfully incorporated into proteins by amber-suppression methodology they hold promise for successful site-specific manipulation of proteins.
The more challenging tasks i.e. the ones based on donor – acceptor Stenhouse adducts would represent a brand new family of photocaged-systems that can be activated by yellow – orange light. This brings the possibility of deeper tissue penetration and also the ability to design orthogonal, dually caged systems with other photocaged-ncAAS enabling multi-genetic regulation schemes.
These results can lead to the development of improved dynamic methods in epigenetic studies, can be used to influence and study individual protein activity and catalytic behavior, and ultimately can help in the better understanding of biomolecular and gene-regulatory processes.
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.
During the life of a living being such changes occur on the cellular level which are often stable and heritable, but cannot be explained by changes in DNA sequence. Epigenetics aims at studying these dynamic changes that occur at the DNA, RNA and protein level without altering their DNA itself. The main tools to simulate these processes requires the ability to effect genes and protein expression. Non-canonical amino acids (artificial amino acids foreign to natural systems) have been widely and successfully used in the past decade. However, most techniques have a significant limitation as they result in static systems, which are either turned on or off for the whole length of the experiments. A solution can be achieved by photoactivatable amino acids to generate dynamic systems, which offer the possibility to study the changes as a result of the photodecaging process. Such photodecageable ncAAs have already been used, but all required UV-light activation. In order to study more complex systems (i.e. tissues, animals), the limitations of harmful UV-light have to be eliminated and the wavelength of the activating light should be shifted towards the visible regime of the spectrum. This would result in less stress and negative effects for living cells and increase tissue penetration.
The goal of the present research is the development of photocaged amino acids, which can be activated by visible light. To achieve this aim, we will use existing photolabile molecules as well as utilize efficient photoswitches which would represent a brand new family of photocaged-systems.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
