SPINK1 mutációk molekuláris patomechanizmusa pancreatitisben  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
127942
típus FK
Vezető kutató Szabó András
magyar cím SPINK1 mutációk molekuláris patomechanizmusa pancreatitisben
Angol cím Molecular pathomechanism of SPINK1 mutations in pancreatitis
magyar kulcsszavak proteáz, inhibitor, mutáció, endoplazmatikus retikulum stressz
angol kulcsszavak protease, inhibitor, mutation, endoplasmic reticulum stress
megadott besorolás
Az előbbiekhez köthető betegségek biológiai alapjai (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)70 %
Apoptózis (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)20 %
Gasztroenterológia, hepatológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)10 %
Ortelius tudományág: Gasztroenterológia
zsűri Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely ÁOK Biokémiai és Molekuláris Biológiai Intézet (Debreceni Egyetem)
résztvevők Gazda Lívia Diána
Kassay Norbert
projekt kezdete 2018-11-01
projekt vége 2022-07-31
aktuális összeg (MFt) 28.928
FTE (kutatóév egyenérték) 6.66
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A krónikus pancreatitis a hasnyálmirigy súlyos gyulladásos betegsége, amelyet acinus sejt vesztés, fibrózis és leukocita infiltráció jellemez. Egyúttal velejárója lehet a hasnyálmirigy funkcionális zavara, diabetes és rák kialakulása is. Genetikai és környezeti rizikófaktorok egyaránt felelősek a betegség kiváltásáért. Mutációk a hasnyálmirigyben kifejeződő génekben, PRSS1 (kationos tripszin), CTRC (kimotripszin C), SPINK1 (serine protease inhibitor Kazal type 1) növelhetik a krónikus pancreatitis esélyét. Eddigi kutatások arra utalnak, hogy mutációk két egymástól független úton válthatnak ki pancreatitist. Az egyik patogén útvonal korai tripszin aktiválást, míg a másik fehérje hibás feltekeredést és endoplazmatikus retikulum (ER) stresszt okoz. Környezeti rizikó faktorok pl. alkohol és dohány füst szintén ER sresszt és acinus sejt pusztulást okozhatnak. A SPINK1 inhibitor funkciója a tripszin aktiváció késleltetése, és ezáltal a hasnyálmirigy védelme az önemésztéssel szemben. A tripszin útvonal mellett a SPINK1 mutációk feltekeredési hibát is eredményezhetnek. Feltételezzük, hogy a fehérje nem megfelelő feltekeredése érzékenyebbé teheti az acinus sejteket a környezeti faktorokra. Célunk a hibás feltekeredést eredményező SPINK1 missense mutációk molekuláris patomechanizmusának vizsgálata alkohol és cigaretta füst komponensek jelenlétében. A SPINK1 mutációk hatásának részletesebb megértése érdekében további célunk humán mutációk egér Spink3 modellen történő in vitro vizsgálata, amely lehetőséget nyújt jövőbeli knock-in állatmodellek kifejlesztésére, és in vivo kísérletek tervezésére.

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 krónikus pancreatitist kiválthatják környezeti és genetikai rizikófaktorok egyaránt. Azonban a betegség kialakulásának molekuláris mechanizmusa több esetben még nem ismert. Napjainkig 21 ritka, missense SPINK1 mutációt azonosítottak krónikus pancreatitisben. A funkcióvesztéses SPINK1 mutációk patogének. A mutációk többsége a SPINK1 szekréciós defektusát eredményezi a polipeptidlánc hibás feltekeredése és endoplazmatikus retenció következtében. Előzetes kísérleteink azt mutatják, hogy a SPINK1 feltekeredési hibája endoplazmatikus retikulum (ER) stresszt és sejtkárosodást okoz acinus sejtekben. Hipotézisünk az, hogy a SPINK1 mutációk környezeti faktorokkal kombinálva súlyosabb pancreatitist indukálnak, mint külön-külön. Ezért a SPINK1 mutációkat hordozó plazmiddal tranziensen transzfektált sejteket etanol és dohány füst összetevők jelenlétében tervezzük vizsgálni.
Egér modelleket gyakran használnak a pancreatitis tanulmányozásához. Napjainkig azonban csupán kevés számú genetikai állatmodell került kifejlesztésre. Azt feltételezzük, hogy a humán mutációk az ortológ egér Spink3-ban a SPINK1-hez hasonlóan káros hatást fejtenek ki. A projekt második felében mutációkat fogunk létrehozni a Spink3-ban, és azok hatását a Spink3 szekréciójára, ER stressz kialakulására és tripszin gátlására tervezzük vizsgálni. Elméletünk alapján a Spink3 knock-in állat modell alkalmas lesz a SPINK1 mutációk in vivo tanulmányozására.

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!
Epidemiológiai kutatások alapján a krónikus pancreatitis prevalenciája és incidenciája világszerte 10-100 közötti százezer egyénre vonatkoztatva. Genetikai vizsgálatok arra utalnak, hogy a mutációk szerepe jelentős a krónikus pancreatitis kialakulásában. A betegség jelenleg nem megelőzhető, és gyógymód sem áll rendelkezésre. Az alkalmazott terápia csupán enyhítő jellegű, főként fájdalomcsillapításra, enzimpótlásra és a komplikációk enyhítésére korlátozódik. Eredményeink hozzá fognak járulni a krónikus pancreatitisben előforduló génmutációk patomechanizmusának megértéséhez, és ezáltal egy jövőbeli terápia kifejlesztéséhez. Mutációk számos esetben a hasnyálmirigy által termelt fehérjék polipeptidláncának tekeredési hibáját okozhatják, amely az acinus sejtek pusztulásához vezethet. A betegség kialakulásának alaposabb megértése érdekében SPINK1 mutációk szerepét fogjuk vizsgálni. In vitro molekuláris biológiai és biokémiai módszerekkel tanulmányozni fogjuk, hogy a SPINK1 feltekeredési hibája hogyan vezet pancreatitishez. Továbbá megteremtjük az alapját eredményes állatmodellek és in vivo kísérletek kidolgozásának.

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 humán hasnyálmirigy egyik fő funkciója olyan enzimek termelése, amelyek a táplálék emésztéséhez szükségesek. Normál esetben ezek az enzimek a bélbe jutva lesznek működő képesek. A hasnyálmirigy és az általa termelt fehérjék nem megfelelő működése a szerv önemésztéséhez és súlyos szövődményekkel járó betegséghez, hasnyálmirigy gyulladáshoz vezethet. Sok esetben mutációk az enzimekben és azok szabályozó fehérjéiben fokozhatják a betegség kialakulásának esélyét. Célunk annak vizsgálata, hogy a SPINK1 nevű szabályozó fehérjében mutációk hogyan okozhatnak hasnyálmirigy gyulladást; és fejleszteni olyan állat modellt, amely segítségével hatékonyabban tanulmányozható legyen a betegség.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Chronic pancreatitis is a progressive inflammatory disease of the pancreas, characterized by acinar cell loss, fibrosis, and leukocyte infiltration. The disease is accompanied by loss of pancreatic function, and the development of diabetes and cancer. Both genetic and environmental risk factors are responsible for the development of the disease. Mutations in genes expressed by the pancreas; such as PRSS1 (cationic trypsin), CTRC (chymotrypsin C), and SPINK1 (serine protease inhibitor Kazal type 1) can act as predisposing factors for chronic pancreatitis. Mutations in susceptible genes appear to cause chronic pancreatitis via two independent pathological pathways, which involve either premature trypsin activation or protein misfolding and endoplasmic reticulum (ER) stress. Environmental risk factors such as ethanol and cigarette smoke also trigger ER stress and a consequent acinar cell death. The role of the inhibitor SPINK1 is to delay the activation of trypsin, thereby, protecting the pancreas against auto-digestion. Beside the trypsin pathological pathway, SPINK1 mutations also influence the misfolding pathway. We hypothesize that the misfolding of pancreatic proteins sensitize acinar cells to environmental risk factors. Our aim is to investigate the molecular mechanism underlying the role of SPINK1 missense mutations in pancreatitis in the presence of alcohol and cigarette smoke components. To broaden our knowledge in the field, the effect of human mutations in the mouse Spink3 will also be tested. These results will encourage the development of knock-in animal models and in vivo experiments in the future.

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.
Chronic pancreatitis may develop on the basis of environmental and congenital genetic risk factors. In many cases, the molecular mechanism by which these risk factors cause the disease is still puzzling. To date, 21 rare SPINK1 missense mutations were identified in chronic pancreatitis. Loss-of-function mutations in SPINK1 are pathogenic. The majority of these mutations cause secretion defect of SPINK1 due to misfolding and endoplasmic retention. Our preliminary data indicate that SPINK1 misfolding may induce endoplasmic reticulum stress in acinar cells leading to cell damage. We hypothesize that SPINK1 mutations in combination with environmental factors will induce a more severe form of chronic pancreatitis. Accordingly, we will transiently incubate transfected cells with SPINK1 mutants in the presence of ethanol and cigarette smoke components.
Mouse models are frequently used to study the pathophysiology of pancreatitis. However, only a small number of genetic animal models were developed to date. We hypothesize that the human mutations in the orthologous mouse Spink3 will cause similar deleterious effects as in their human counterpart. In the second part of this project, Spink3 mutants will be generated; and the effect of these mutations on Spink3 secretion, the development of endoplasmic reticulum stress and trypsin inhibition will be evaluated. According to our theory, Spink3 knock-in mouse models will be good candidates to study the in vivo mechanisms of SPINK1 mutations.

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.
Epidemiological studies have shown that both the prevalence and incidence of chronic pancreatitis are between 10 and 100 per 100,000 worldwide. Genetic studies have indicated that mutations have a huge impact in the initiation of chronic pancreatitis. Currently, there is no specific prevention or therapy available; treatment is supportive and is typically focused on management of pain, pancreatic insufficiency and complications. Our results will aid in the understanding of the pathomechanism of chronic pancreatitis initiated by SPINK1 mutations, and may prove essential in the development of new potential therapies. In many cases, mutations in pancreatic proteins induce misfolding, which may lead to acinar cell death. We will use in vitro molecular and biochemical assays to determine how SPINK1 misfolding induces cellular responses and pancreatitis. Furthermore, the basis for the generation of animal models and in vivo experiments will be established.

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.
One of the main functions of the human pancreas is the production of enzymes that are necessary for food digestion. Under normal circumstances, these digestive enzymes are secreted into the gut where they are activated. Malfunction of the pancreas and its proteins may result in the auto-digestion of the organ, leading to an inflammatory disease called pancreatitis. In many cases, mutations in these enzymes or in their regulators are risk factors for the disease. Our aim is to study how natural mutations in one of the regulator proteins; called SPINK1, are implicated in the development of pancreatitis. Our further goal is to develop animal model systems that are more suitable for the investigation of the disease.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A krónikus pancreatitis, a hasnyálmirigy gyulladásos betegsége, gyakran kialakulhat környezeti és genetikai rizikófaktorok hatására. A projektben az alkohol fogyasztás és a dohányfüst káros hatását vizsgáltuk. Az alkohol nem eredményezte a sejtek elpusztulását a vizsgált kondíciók között. Ezzel ellentétben a hidrokinon (HQ), amely az egyik legjelentősebb dohányfüst összetevő csökkentette a sejtek életképességét endoplazmatikus reticulum (ER) stressz és programozott sejthalál kiváltásával. A SPINK1 egy kisméretű inhibitor fehérje, amely a tripszin aktiválódás késleltetésével védi a hasnyálmirigyet a proteáz aktiváció, önemésztés és a pancreatitis kialakulása ellen. A SPINK1 gén mutációi fokozhatják a betegség kialakulásának esélyét. Napjainkig 22 aminosav-cserével járó mutációt azonosítottak a SPINK1 génben, amelyek többsége a fehérje hibás szerkezetét és szekréciójának csökkenését eredményezte. Eredményeink azt mutatták, hogy a hibás szerkezetű SPINK1 is képes ER stresszt kiváltani, továbbá a stressz és sejthalál mértéke fokozódik HQ kezelés hatására. Egyes SPINK1 mutációk befolyásolhatják a tripszinhez való kötődést, amelynek hatását modellezni tudtuk az analóg egér Spink3 inhibitorban is. Eredményeink hozzájárultak a krónikus pancreatitis patogenezisének megértéséhez.
kutatási eredmények (angolul)
Chronic pancreatitis, an inflammatory disease of the pancreas, frequently develops on the basis of both environmental risk factors and genetic susceptibility. In this project we studied the detrimental effects of increased alcohol consumption and cigarette smoking. We found that alcohol did not cause cell death in the investigated cell lines under our experimental conditions. In contrast, one of the major cigarette smoke constituent hydroquinone (HQ) decreased cell viability through endoplasmic reticulum stress (ER) and programmed cell death. SPINK1 is a small inhibitory protein, which delays trypsin activation and protects the pancreas against intrapancreatic protease activation, selfdigestion and the development of chronic pancreatitis. Mutations in SPINK1 can increase the susceptibility of pancreatitis. To date 22 missense mutations were identified in the SPINK1 gene. The majority of the mutations caused the disease through reduced secretion and protein misfolding. We found that mutation induced misfolding of SPINK1 can also contribute to ER stress development and the levels of ER stress and cell death increases as a result of HQ treatment. Other SPINK1 mutations can lead to the disease through reduced trypsin binding, which could also be modeled in the analogue mouse Spink3 gene. The results contributed to a better understanding of the pathogenesis of chronic pancreatitis.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=127942
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Toldi Vanda, Kassay Norbert, Szabó András: Missense PNLIP mutations impeding pancreatic lipase secretion cause protein misfolding and endoplasmic reticulum stress, PANCREATOLOGY [Epub ahead of print]:, 2021
Norbert Kassay, Vanda Toldi, József Tőzsér, András Szabó: Cigarette smoke toxin hydroquinone and misfolding pancreatic lipase variant cooperatively promote endoplasmic reticulum stress and cell death, PLoS One 17(6):e0269936, 2022
Toldi Vanda, Szabó András, Sahin-Tóth Miklós: Inactivation of mesotrypsin by chymotrypsin C prevents trypsin inhibitor degradation, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY 295: (11) pp. 3447-3455., 2020
Szabó András, Toldi Vanda, Gazda Lívia Diána, Demcsák Alexandra, Tőzsér József, Sahin-Tóth Miklós: Defective binding of SPINK1 variants is an uncommon mechanism for impaired trypsin inhibition in chronic pancreatitis, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY 296: 100343, 2021
Szabó András, Toldi Vanda, Gazda Lívia Diána, Demcsák Alexandra, Tőzsér József, Sahin-Tóth Miklós: Defective binding of SPINK1 variants is an uncommon mechanism for impaired trypsin inhibition in chronic pancreatitis, J. Biol. Chem., under review, 2021
Esteghamat Fatemehsadat, Broughton James S, Smith Emily, Cardone Rebecca, Tyagi Tarun, Guerra Mateus, Szabó András, Ugwu Nelson, Mani Mitra V, Azari Bani, Kayingo Gerald, Chung Sunny, Fathzadeh Mohsen, Weiss Ephraim, Bender Jeffrey, Mane Shrikant, Lifton Richard P, Adeniran Adebowale, Nathanson Michael H, Gorelick Fred S, Hwa John, Sahin-Tóth Miklós, Belfort-DeAguiar Renata, Kibbey Richard G, Mani Arya: CELA2A mutations predispose to early-onset atherosclerosis and metabolic syndrome and affect plasma insulin and platelet activation., NATURE GENETICS 51: (8) pp. 1233-1243., 2019
Lasher Denise, Szabo Andras, Masamune Atsushi, Chen Jian-Min, Xiao Xunjun, Whitcomb David C., Barmada M. Michael, Ewers Maren, Ruffert Claudia, Paliwal Sumit, Issarapu Prachand, Bhaskar Seema, Mani K. Radha, Chandak Giriraj R., Laumen Helmut, Masson Emmanuelle, Kume Kiyoshi, Hamada Shin, Nakano Eriko, Seltsam Katharina, Bugert Peter, Mueller Thomas, Groneberg David A., Shimosegawa Tooru, Rosendahl Jonas, Ferec Claude, Lowe Mark E., Witt Heiko, Sahin-Toth Miklos: Protease-Sensitive Pancreatic Lipase Variants Are Associated With Early Onset Chronic Pancreatitis, AMERICAN JOURNAL OF GASTROENTEROLOGY 114: (6) pp. 974-983., 2019
Toldi Vanda, Szabó András, Sahin-Tóth Miklós: Inactivation of mesotrypsin by chymotrypsin C prevents trypsin inhibitor degradation, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY 295: (11) pp. 3447-3455., 2020
András Szabó, Vanda Toldi, Miklós Sahin-Tóth: Proteolytic inactivation of mesotrypsin by chymotrypsin C protects SPINK1 from degradation, Pancreatology 19, S1-S180, P1-14, 2019
Morales Granda Nataly C., Toldi Vanda, Miczi Márió, Lassoued Meriam, Szabó András: Inhibition of mouse trypsin isoforms by SPINK1 and effect of human pancreatitis-associated mutations, PANCREATOLOGY, 2023



vissza »