Sejtdifferenciálódás, sejtélettan, sejtdinamika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
50 %
Sejtgenetika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
30 %
Ortelius tudományág: Molekuláris genetika
Szerv- és kórélettan (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
20 %
zsűri
Élettan, Kórélettan, Gyógyszertan és Endokrinológia
Kutatóhely
Klinikai Kísérleti Kutató Intézet (Semmelweis Egyetem)
résztvevők
Lőw Péter Németh Csilla Emese Varga Viola
projekt kezdete
2017-12-01
projekt vége
2022-11-30
aktuális összeg (MFt)
39.954
FTE (kutatóév egyenérték)
7.26
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A C-vitamin a hiszton- és DNS-demetilációt végző, az epigenetikai szabályozásban fontos szerepet játszó, Fe2+/oxoglutarát-függő dioxigenázok kofaktora. Szerepét bizonyították a citozin- és lizin-demetilációban mind sejtkultúrában, mind állatmodellekben. A C-vitamin eljutása a sejtmagba kevéssé ismert folyamat; a vegyület intracelluláris megoszlása emlős sejtekben ismeretlen, az endomembránok C-vitamin transzportereit is kevéssé vizsgálták. Korábbi munkáink szerint egy ritka örökletes emberi betegség, a kanyargós artéria szindróma hátterében a C-vitamin intracelluláris transzportzavara áll. Kísérleteinkben a teljes, illetve lokális C-vitaminhiány human kórképei (skorbut, illetve kanyargós artéria szindróma) sejtes és egérmodelljeinek felhasználásával az alábbi célokat kívánjuk elérni: (i) a C-vitamin intracelluláris megoszlásának feltárása, különös tekintettel a nukleoplazmára; (ii) a nukleoplazmai C-vitamin szint és a DNS/hiszton demetiláció közötti kapcsolat feltárása; (iii) a két kórkép patomechanizmusában kulcsszerepet játszó gének specifikus epigenetikai módosításainak feltérképezése; (iv) az epigenetikai változások fenotípusos kifejeződésének vizsgálata az említett kórképekben.
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 alapkérdése, hogy a C-vitamin intracelluláris kompartimentációja, illetve annak zavarai befolyásolják-e az epigenetikai szabályozást. Hipotézisünk szerint a C-vitamin sejtmagi koncentrációja meghatározza a Fe2+/oxoglutarát-függő dioxigenázok aktivitását. Feltételezzük, hogy a sejtmagban magas lokális aszkorbát koncentráció van jelen, melyet a diéta és a maghártya C-vitamin transzporterei szabályoznak. Úgy gondoljuk, hogy a C-vitamin (pontosabban annak oxidált formája, a dehidroaszkorbinsav) a GLUT10 transzporter segítségével jut át az endomembránokon, így a maghártyán is. Következésképpen, a GLUT10 hiánya által okozott kanyargós artéria szindrómában a nukleoplazmai aszkorbát koncentráció alacsonyabb. Feltételezzük, hogy ez emelkedett DNS/hiszton metilációhoz vezet, mely kulcsgének expressziójának módosításán keresztül felelős a betegség fenotípusáért. Azonos gondolatmenettel, az általános C-vitaminhiány (skorbut) patomechanizmusában is az események hasonló láncolatát feltételezzük.
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 aszkorbát és dehidroaszkorbát endomembránokon keresztüli transzportjával, illetve annak szerepével az intraluminális folyamatok szabályozásában munkacsoportunk régóta foglalkozik. Tavaly eljutottunk egy endomembrán dehidroaszkorbát transzporter (GLUT10) molekuláris azonosításáig. Tekintettel arra, hogy az aszkorbát epigenetikai szabályozásban betöltött szerepe egyre nyilvánvalóbb, eredményeink utólag is felértékelődtek. Az aszkorbát szubcelluláris megoszlása emlős sejtekben teljesen feltáratlan. Az általunk képviselt kompartimentációs szemlélet egy új nézőpontot nyújt az epigenetikai szabályozások vizsgálatában, melynek segítségével eljuthatunk két humán betegség, a skorbut és a kanyargós artéria szindróma patomechanizmusának molekuláris szintű megértéséhez.
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 C-vitamin felfedezése óta a vegyület egyre több fontos funkciójára derült fény. A legújabb kutatások szerint a C-vitamin az epigenetikai szabályozás igen jelentős tényezője. Az epigenetika azt vizsgálja, hogy a környezeti tényezők által kiváltott hatások hogyan öröklődnek olymódon, hogy azt nem kíséri a DNS szekvenciájának megváltozása. A C-vitamin a DNS és a hozzá kapcsolódó hiszton fehérjék egyes, az epigenetikai szabályozásban lényeges bázisának/aminosavának módosítását okozó enzimek működéséhez szükséges faktor. C-vitamin hiányban (pl. skorbutban) tehát az epigenetikai szabályozás megváltozik, ami a betegség kialakulásában is oki tényező lehet. A C-vitamint a sejtmembránokon keresztül transzporter fehérjék juttatják át, melyeknek funkciózavara/hiánya szintén epigenetikai eltéréseket okozhat, mivel a C-vitamin nem tud bejutni a sejtmagba. Ezt a mechanizmust feltételezzük egy ritka örökletes betegség, a kanyargós artéria szindróma hátterében is, melyet egy transzporter fehérje hiánya okoz. Kísérleteinkben a skorbut és a kanyargós artéria szindróma sejtes és állatmodelljén fogjuk taulmányozni a C-vitamin hiány epigenetikai hatását. Bizonyítani kívánjuk, hogy mind a teljes (skorbut) mind a lokális (kanyargós artéria szindróma) C-vitamin hiány megváltoztatja a DNS/hiszton módosítások mintázatát. A betegségek kialakulásában szerepet játszó géneken belüli módosításokat külön is vizsgálni fogjuk. Kutatásaink elvezethetnek e két betegség kialakulásának megértéséhez, és (a kanyargós artéria szindróma esetében) a terápiás lehetőségek feltérképezéséhez.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Vitamin C is the cofactor of Fe2+/oxoglutarate-dependent dioxygenases performing histone and DNA demethylation, which play an important role in epigenetic regulation. Its role has been demonstrated in cytosine and lysine demethylation both in cell culture and in animal models. The transport of vitamin C to the nucleus is a hardly understood process; intracellular distribution of the compound in mammalian cells is unknown, vitamin C transport through endomembranes is still a poorly studied process. Previous work has shown that a rare inherited human disease, the arterial tortuosity syndrome is due to a dysfunction of the intracellular transport of vitamin C. In our experiments, by using cellular and mouse models of human diseases with full or topical vitamin C deficiency (scurvy and arterial tortuousity syndrome) we intend to achieve the following objectives: (i) the exploration of intracellular distribution of vitamin C, in particular in the nucleoplasm; (ii) the exploration of the relationship between vitamin C levels and nucleoplasmic DNA / histone demethylation; (iii) the mapping of epigenetic modifications of specific genes which play a key role in the pathogenesis of the two diseases; (iv) study of phenotypic alterations caused by altered epigenetic modifications in the studied diseases.
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 basic question of the project is whether the intracellular compartmentalization of vitamin C and its disorders affect epigenetic regulation. Our hypothesis is that vitamin C concentration in the nucleus determines the activity of Fe2+/oxoglutarate-dependent dioxygenases. It is assumed that high local concentration of ascorbate is present in the nucleus, and is regulated both by diet and by vitamin C transporters of the nuclear envelope. We suppose that vitamin C (more precisely, its oxidized form, dehydroascorbic acid) penetrates endomembranes - including nuclear envelope - by means of the GLUT10 transporter. Consequently, in arterial tortuosity syndrome - caused by the lack of GLUT10 - nucleoplasmic ascorbate concentration is lower. We suppose that decreased DNA/histone demethylation occurs in the disease, which is responsible for its phenotype through the modification of key genes. With the same reasoning, we assume a similar chain of event in the pathogenesis of general vitamin C deficiency (scurvy).
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. Our group has long been engaged in studying the transport processes of ascorbate and dehydroascorbic acid through endomembranes and its role in the regulation of intraluminal processes. Last year, we reached to the molecular identification of an endomembrane dehydroascorbic acid transporter (GLUT10). Given that the role of ascorbate is becoming increasingly obvious in epigenetic regulation, our results are retrospectively valorized. The subcellular distribution of ascorbate in mammalian cells is completely unexplored. Our compartmentational approach represents a new perspective in the investigation of epigenetic regulation, which allows us to get to the understanding of the pathogenesis of two human diseases at a molecular level, namely scurvy and arterial tortuosity syndrome.
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. Since the discovery of vitamin C more and more important functions of the compound came to light. Recent research suggests that vitamin C is a very important factor in the epigenetic control. Epigenetics investigates inherited effects triggered by environmental factors, which does not involve a change in the DNA sequence. Vitamin C is an essential factor of enzymes involved in epigenetic regulation, thus may modify DNA and histone proteins. In vitamin C deficiency (eg. scurvy) the epigenetic regulation alters, which can be a causative factor in the development of the disease. Vitamin C is carried across cellular membranes by transporter proteins, whose dysfunction/absence may also cause epigenetic differences, since it hinders the entrance of the vitamin to the nucleus. This mechanism is assumed to be responsible for the development of a rare inherited disorder – arterial tortuosity syndrome – which is caused by the lack of a transporter protein. In our experiments, we plan to study the epigenetic effect of vitamin C deficiency on the animal and cellular models of scurvy and arterial tortuosity syndrome. We intend to prove that both the global (scurvy) and the local (arterial tortuosity syndrome) Vitamin C deficiency alters the DNA/histone modification patterns. We plan to examine separately the epigenetic modification pattern of genes specifically involved in the development of the diseases. Our research will improve the understanding of the mechanism of these two diseases characterized by the lack of vitamin C, and may help us to map for novel therapeutic options.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A C-vitamin számos szerepén kívül a hiszton- és DNS-demetilációt végző enzimek kofaktoraként is vitális szerepet tölt be. Kísérleteinkben a teljes, illetve lokális C-vitaminhiány humán kórképeit vizsgáltuk (skorbut, ill. kanyargós artéria szindróma - KAS) mind sejtes, mind egérmodellen.
Sikeresen létrehoztuk és használtuk mindkét betegség állatmodelljét. Létrehoztunk és validáltunk egy új módszert, mely alkalmas a C-vitamin intracelluláris megoszlásának feltárására, és humán, illetve állati sejteken, szöveteken alkalmazva elsőként tettünk kísérletet a C-vitamin sejten belüli megoszlásának vizsgálatára. Kimutattuk, hogy a C-vitamin a sejtmagban akkumulálódik, amely felhalmozódás KAS-ban sérül. Vizsgált betegségmodelljeinkben az epigenetikai mintázat megváltozását észleltük: a DNS alacsonyabb fokú hidroximetilációját magasabb globális metiláció kísérte. Ez az eltérés az epigenetikai mintázatban aszkorbát külső adásával csak abban az esetben volt kompenzálható, ha a C-vitamin transzporter ép volt – KAS modelljeinkben aszkorbát külső adása nem befolyásolta a mintázatot. Kiemelt gének régió specifikus epigenetikai vizsgálata (pl. PPARg) hasonló eredményt mutatott.
Eredményeink mutatják az első példát arra, hogy a C-vitamin transzportnak szerepe lehet az epigenetikai mintázat kialakításában. Véleményünk szerint a C-vitamin sejten belüli megoszlásának zavarai képezhetik bizonyos betegségek patofiziológiai alapját, amikor a C-vitamin hiány csak bizonyos kompartment(ek)et érint.
kutatási eredmények (angolul)
Vitamin C plays a vital role as a cofactor of histone and DNA demethylation enzymes in epigenetic pattern modification. Our aim was to investigate the epigenetic role of vitamin C and its transport in two human pathological conditions: a global and local vitamin C deficiency (scurvy and arterial tortuosity syndrome - ATS) in cellular and mouse models of the diseases.
Animal models of both diseases have been successfully generated and used. We have established and validated a new method for the investigation of intracellular distribution of vitamin C using human and animal cells/tissues, and we have analysed firstly the intracellular distribution of ascorbate. We showed that vitamin C accumulates in the nucleus, which accumulation in ATS is impaired. In the disease models we tested, we observed an altered epigenetic pattern: lower levels of DNA hydroxymethylation were accompanied with higher levels of global methylation. This difference in the epigenetic pattern was compensated by external administration of ascorbate only when the vitamin C transporter was intact - in ATS models, external administration of ascorbate did not affect the epigenetic pattern. Region-specific epigenetic analysis of selected genes (e.g. PPARg) showed similar results.
In summary, our findings represent the first example for the role of vitamin C transport in epigenetic regulation, and suggest that arterial tortuosity syndrome might be considered as a compartmentalization disorder.
Yaguchi K, Sato K, Yoshizawa K, Mikami D, Yuyama K, Igarashi Y, Banhegyi G, Margittai E, Uehara R: Mevalonate Pathway-mediated ER Homeostasis Is Required for Haploid Stability in Human Somatic Cells, Cell Structure and Function, 2020
Yaguchi K, Sato K, Yoshizawa K, Mikami D, Yuyama K, Igarashi Y, Banhegyi G, Margittai E, Uehara R: Mevalonate Pathway-mediated ER Homeostasis Is Required for Haploid Stability in Human Somatic Cells, Cell Structure and Function, 2021
