A systems biological view of choosing between autophagy and apoptosis after endoplasmic reticulum stress  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
104110
Type PD
Principal investigator Kapuy, Orsolya
Title in Hungarian Az endoplazmás retikulum stressz által kiváltott autofágia-apoptózis közti döntési folyamat rendszer szintű tanulmányozása
Title in English A systems biological view of choosing between autophagy and apoptosis after endoplasmic reticulum stress
Keywords in Hungarian autofágia, apoptózis, matematikai modellezés, molekuláris biológia, Gadd34, CHOP
Keywords in English autophagy, apotosis, mathematical modelling, molecular biology, Gadd34, CHOP
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)75 %
Signal transduction (Council of Medical and Biological Sciences)25 %
Panel Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent Dept. of Medical Chemistry, Molecular Biology and Pathobiochemistry (Semmelweis University)
Starting date 2012-09-01
Closing date 2015-10-31
Funding (in million HUF) 9.015
FTE (full time equivalent) 2.22
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A sejtes szerveződések egyik legfontosabb tulajdonsága a belső homeosztázisuk fenntartása különböző külső ingerek hatására. A kiválasztó- és membránfehérjék szintjének megfelelő egyensúlya az endoplazmás retikulumban (ER) kerül szabályozásra. Különböző ER stresszek hatására akkumulálódó nem feltekeredett fehérjék aktiválják az úgynevezett „nem feltekeredett fehérje választ” (UPR). Az UPR elsődleges szerepe, hogy autofágia segítségével a hibás fehérjék szintjét csökkentse, ezáltal megpróbáljon visszatérni a korábbi vagy egy új homeosztázisba, míg túl intenzív stressz esetén apoptotikus sejthalált indukál. Érdeklődésünk az UPR PERK-ágának a megismerésére irányul, mivel mind a citoprotektív, mind az „öngyilkossági” folyamatok kulcs szabályozó komponensei a PERK-ág ATF4 nevű elemének a szubsztrátjai, amelyeket Gadd34-nek és CHOP-nak hívnak. Ennek következtében a Gadd34 által indukált autofágia és a CHOP-aktivált apoptózis szabályozásbeli kapcsolatainak a megismerése döntő fontosságú. Eredményeink megerősítik, hogy az autofágia aktivációs kinetikája egyenletes, míg az apoptózis – a további hibák elkerülése végett – irreverzibilis kapcsolóként működik. Elképzelésünk szerint a túlélési és „öngyilkossági” folyamatok aktivációjának sorrendjében és pontos karakterisztikájának meghatározásában egy negatív és egy pozitív visszacsatolási hurok játszik szerepet. A tudományos kérdéseket a rendszerbiológia eszközeivel vizsgáljuk. A mi célunk, hogy kísérleti eredményeinkkel és azok matematikai modellekbe történő illesztésével egy átfogó képet adjunk az UPR PERK-ágának a szabályozási hálózatáról, amely különböző ER stresszek hatására aktiválódik.

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.

Ahhoz, hogy az ER stressz hatására aktiválódó, az autofágia és az apoptózis közötti döntést szabályozó hálózatot feltérképezzük, négy kérdést fogalmazunk meg.
1. A metyrapone önmagában elegendő, hogy ER stressz hatására autofágiát indukáljon? Feltételezésünk szerint a metyrapone, az ER luminális piridin nukleotidok egyensúlyának felborításával, egyedül elég ahhoz, hogy indukálja a UPR függő túlélési folyamatokat, ugyanakkor az így létrehozott ER stressz szintje nem elegendő az apoptózis bekapcsolásához.
2. AZ UPR PERK-ágát felépítő kulcselemeinek melyek a karakterisztikus tulajdonságai? A PERK, eiF2a, ATF4, Gadd34 és CHOP molekulák jelenlétét és aktivációs profilját követjük időben, különböző stress szintek mellett, megfigyelve, hogy képesek-e autofágiát és/vagy apoptózist indukálni. Evvel az analízissel a komponensek aktivációs sorrendje is meghatározható.
3. Vajon a CHOP aktivációs profilja bistabil karakterisztikát követ? Elképzelésünk szerint a Gadd34 ATF4-re gyakorolt negatív visszacsatolása és a CHOP pozitív visszacsatolási hurka, egy küszöbértékhez köti a CHOP aktiválódását, amely egy tranziens autofágia indukciót tesz lehetővé még nem tolerálhtó stressz esetén is.
4. Melyek a kulcs ágai a Gadd34-CHOP pozitív visszacsatolási huroknak? Azt igazoljuk, hogy CHOP pozitívan hat a Gadd34-re, míg Gadd34 képes rá hogy közvetett módon, ATF4-en keresztül serkentse a CHOP átírását.
A kutatásaink végén egy matematikai modellt szeretnénk felépíteni, amely az ER stressz hatására bekövetkező autofágia és apoptózis közötti döntési folyamatot vizsgálja. Különböző modellezési eszközöket felhasználva megmutatjuk a visszacsatolási hurkok szerepét a szabályozási hálózatban.

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!

Ennek a kutatómunkának a középtávú célja, hogy meghonosítsunk egy új, úgynevezett rendszerbiológiai szemléletet a laborunkban. A sejtek endoplazmás retikulum (ER) stressz függő válaszának megismerése különböző típusú ER stresszorok hatására – különös tekintettel az autofágia és az apoptózis közötti döntési képességükre – lehetőséget biztosít arra, hogy egy molekuláris biológiai kérdést egy új perspektívából vizsgáljunk meg. A kísérleti eredmények matematikai modellekkel történő kombinációja lehetővé teszi, hogy a szabályozásért felelős mechanizmusokat mélyebben megérthessük. A molekuláris biológiai módszerek lehetővé teszik a hálózat kulcselemeinek azonosítását, míg a modellezési eszközök rávilágítanak a rendszer dinamikai tulajdonságaira. A két módszer együttes alkalmazása képessé tesz minket arra, hogy a szabályozási hálózat egy olyan modelljét dolgozzuk ki, amely lehetővé teszi, hogy ismert mutánsokat magyarázzunk meg és jóslásokat is tegyünk. Az így megalkotott modell ezáltal egy pontos irányt adhat a további kutatásoknak. Mivel a rendszerbiológiai megközelítés segít abban, hogy a szabályozási hálózat kulcs részére fókuszáljunk, a matematikai modellezés akár csökkentheti a kutatás költségeit is. A „nem feltekeredett fehérje válasz” (UPR), egyik ER stressz generált ágát meghatározó kinetikai viselkedésnek a megértése lehetőséget teremt számunkra, hogy később az UPR másik két ágát is megismerhessük az élet-halál közötti döntésnek a szabályozásában. Egy általános képet kapni az UPR három szabályozási hálózatáról döntő fontosságú. Távlati céljai a munkának orvosi jelentőségűek. Az új kísérleti eredmények arra utalnak, hogy az ER stressz szorosan kapcsolódik az általános vagy degeneratív betegségekhez (úgymint Huntington-kór, Parkinson-kór, Alzheimer-kór), és ER stressz ugyancsak megfigyelhető különböző májbetegségekben (vírusos hepatitisz B és C, alkohol-indukált májelváltozások). Súlyos ER stressz cukorbetegséghez is vezethet. Ebből kifolyólag az UPR szignalizációs útvonal és a feltekeredett fehérjék ER-ben lévő egyensúlyának tanulmányozása, mint gyógyászati célpontok, növekvő szerepet kell kapnia az elkövetkező években.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Az élet és halál közötti döntés talán az egyik legfontosabb képessége a szervezeteket felépítő sejteknek. A sejtes rendszereknek képeseknek kell lenniük arra, hogy adaptálódjanak a különböző környezeti hatásokhoz az úgynevezett autofágiával, amely során a sejt elemészti a sérült részeket. Ugyanakkor intenzív stressz – a további hibák elkerülése miatt – apoptotikus sejthalálhoz vezet. Ezáltal a túlélési és „öngyilkossági” folyamatok közötti döntési mechanizmusnak megértése kulcsfontosságú. A kiválasztó- és membránfehérjék megfelelő egyensúlya az endoplazmás retikulumban (ER) van fenntartva, míg a nem feltekeredett fehérjék a „nem feltekeredett fehérje válasz” (UPR) által vannak követve. A kísérleti eredmények arra engednek következtetni, hogy az UPR egyik ága kifejezetten fontos a szabályozás szempontjából, hiszen mind az apoptózis, mind az autofágia szabályozását magában foglalja. Terveink szerint az élet-halál közötti döntési folyamat megértéséhez az UPR előbb említett ágát tanulmányozzuk. Szeretnénk megvizsgálni az autofágia folytonos aktivációját és az apoptózis irreverzibilis kapcsoló szerinti működését. A megfelelő szabályozási hálózat mind molekuláris biológiai technikákkal, mind matematikai modellekkel tanulmányozva lesz. A célunk az, hogy egy átfogó képet kapjunk a szabályozási hálózatról, ezáltal nemcsak már bizonyított mutánsokat vizsgálhatunk, de jóslásokat is tehetünk. Ezek a kutatások közelebb vihetnek minket a különböző neurodegeneratív betegségek (úgymint Parkinson-kór, Alzheimer-kór) megértéséhez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

One of the most important tasks of a cellular system is to maintain its intrinsic homeostasis against external stimuli. To keep the proper balance of level of secreted and membrane proteins is controlled in the endoplasmatic reticulum (ER). Accumulation of misfolded proteins due to different ER stresses leads to the activation of unfolded protein response (UPR). The primer role of UPR is to reduce the bulk of damages and try to drive back the system to the former or a new homeostatic state by autophagy, while excessive stress results in apoptotic cell death. Our interest is focusing on studying the PERK-induced branch of UPR, since the key inductor elements of both cytoprotective and self-killing pathways are downstream substrates of PERK-activated ATF4, called Gadd34 and CHOP, respectively. Therefore to reveal the regulatory connections between Gadd34-induced autophagy and CHOP-activated apoptosis are crucial. Our results confirm that controlling autophagy can follow a smooth activation kinetic, whereas entering apoptosis is a well-known irreversible switch-like process avoiding further cellular damages. We claim that the proper order and characteristic feature of activation of surviving and self-killing mechanisms are controlled by a negative and a positive feedback loop. We approach the questions from a systems biological perspective. Our goal is to give comprehensive view of the control network of ER stress-dependent activation of PERK-induced branch of UPR by acquiring experimental data and integrating them into mathematical models.

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.

To explore the essential elements of the control network choosing between autophagy and apoptosis due to endoplasmic reticulum (ER) stress we will address four clearly defined questions.
1. Is drug metyrapone alone sufficient to induce autophagy after ER stress? Our hypothesis is that metyrapone promotes unfolded protein response (UPR) dependent survival by imbalancing the ratio of luminal pyridine nucleotides in ER, however this stress level is not enough to turn on apoptosis.
2. What is the characteristic feature of key elements of PERK-branch of UPR after ER stress? We follow PERK, eiF2a, ATF4, Gadd34 and CHOP activities during different level of ER stresses in time to figure out their presence and activation profile resulting in autophagy and/or apoptosis. From this analysis we also get an information about the order of their induction.
3. Does CHOP activation profile have a bistable characteristic behaviour? Our idea is that Gadd34-dependent negative feedback on ATF4 together with a positive feedback on CHOP creates a threshold for CHOP induction, resulting in a short window for autophagy even under severe ER stress.
4. What are the crucial connections of Gadd34-CHOP positive feedback loop? We will confirm that CHOP acts positively on Gadd34 transcription, and we also prove that Gadd34 is able to activate CHOP indirectly through ATF4 in the presence of high level of stress.
The final part of our research is building up a mathematical model of decision making between autophagy and apoptosis after ER stress. Different kind of modelling tools will be applied to show the importance of the feedback loops to manage the proper dynamical feature of the control system.

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 intermediate purpose of this project is to accomplish a new systems biological view in our lab. Exploring the endoplasmic reticulum (ER) stress-dependent response of cells caused by different type of ER drugs to choose between autophagy and apoptosis give us a possibility to investigate a molecular biological question from another perspective. By combination of the data received from experimental results with mathematical modelling, we can get a much deeper understanding about the underlying control network. The molecular biological techniques can identify the essential components of the network, while the modelling tools can reveal the dynamical feature of the systems. These two methods together make possible for us to build up a simple model of the control network to describe well-known mutant behaviours; moreover it will be also very useful to suggest predictions further on. Therefore the model being developed in this project might give us an exact directionality of further studies. Since systems biological view helps us to focus on the essential part of the regulatory system, mathematical modelling might reduce the cost of investigation, too. Exploring the kinetic behaviour of one branch of the ER stress-generated unfolded protein response (UPR) can give us an opportunity to study the other two branches of UPR in terms of controlling decision making between life and death. A generic view from the control network of three signalling pathways of UPR would be an essential step in discovery the regulatory system. The long-term significance of this project shows medical purposes. Recent experimental data have shown that ER stress is tightly connected to generic or degenerative disorders (such as Huntington’s diseases, Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease), and ER stress is also observed in various liver disease (such as chronic viral hepatitis B and C, alcohol-induced liver injury). Severe ER stress also plays a role in generating diabetes. Therefore studying the signalling pathways of UPR and the balance of folded proteins in the ER due to find tempting targets for therapeutic intervention have receiving increasing attention in the last years.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Choosing between life and death is one of the most important tasks of cells building up an organism. The cellular system has to be capable to adapt to different environmental conditions that process is controlled by so called autophagy by self-eating the damaged cell compartments. However excessive stress level results in apoptotic cell death to avoid fatal errors. Therefore the understanding of decision making process between survival and killing mechanisms is crucial. The proper balance of secreted and membrane proteins is maintained in the endoplasmatic reticulum (ER), while the accumulation of misfolded proteins is monitored by the unfolded protein response (UPR). Experimental results have suggested that one of the branches of UPR is really interesting in terms of controlling by involving the activation of both autophagy and apoptosis. However the precise mechanism is yet to be clear. We are planning to explore this branch of UPR to get an answer how the decision making between life and death has been carried out. We would like to analyse the smooth activation of autophagy and the irreversible switch-like characteristic of apoptosis. The underlying protein network and its connections will be studied by molecular biological techniques and mathematical modelling, too. Or goal is to present a comprehensive picture about the control system, to explain already proven mutants and predicted phenotypes can be also defined. These studies might bring us closer to understand the mechanism of different neurodegenerative diseases (such as Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease).





 

Final report

 
Results in Hungarian
A sejtes szerveződések egyik legfontosabb tulajdonsága a belső homeosztázisuk fenntartása különböző külső és belső ingerek hatására. A kiválasztó- és membránfehérjék szintjének megfelelő egyensúlya az endoplazmás retikulumban (ER) kerül szabályozásra, amelyben kulcsszerepet játszik a „nem-feltekeredett fehérje válasz” (UPR). Az UPR elsődleges szerepe, hogy az autofágia segítségével a hibás fehérjék szintjét csökkentse, ám ha ez nem megoldható apoptotikus sejthalált indukáljon. Ezen szabályozási hálózat vizsgálata során mind molekuláris biológiai, mind elméleti biológiai módszereket alkalmazva az alábbi eredményeket értük el: 1. Az ER luminális piridin nukleotidok hiánya egy autofágia függő túlélési folyamatot indít be, ami az mTOR útvonalhoz köthető. 2. Az mTOR útvonal gátlása az autofágia függő túlélés erősödéséhez vezet ER stressz esetén. 3. Az ER stressz válasz mechanizmusának átfogó vizsgálata megerősítette, hogy az autofágia függő túlélés mindig megelőzi az apoptotikus sejthalált, és az apoptózis indukciója egy visszafordíthatatlan kapcsolószerű aktiválódást mutat, amikor az ER stressz elér egy kritikus értéket.
Results in English
One of the most important tasks of a cellular system is to maintain its intrinsic homeostasis against external and internal stimuli. To keep the proper balance of level of secreted and membrane proteins is controlled in the endoplasmatic reticulum (ER) via the unfolded protein response (UPR). The primer role of UPR is to reduce the bulk of damages and try to drive back the system to the former or a new homeostatic state by autophagy, while excessive stress results in apoptotic cell death. To study the control network both molecular and theoretical biological techniques were used. Our new results are the followings: 1. The depletion of ER luminal pyridine nucleotides activates autophagy-dependent survival connected by mTOR pathway. 2. Inhibition of mTOR pathway increases cell viability via autophagy induction with respect to ER stress. 3. A comprehensive study of ER stress response mechanism confirmed that autophagy-dependent survival always precedes apoptotic cell death and apoptosis induction has an irreversible switch like characteristic when ER stress reaches a critical threshold.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104110
Decision
Yes





 

List of publications

 
Kapuy O, Vinod PK, Mandl J, Bánhegyi G.: A cellular stress-directed bistable switch controls the crosstalk between autophagy and apoptosis, Mol Biosyst. 2013 Feb 2;9(2):296-306. doi: 10.1039/c2mb25261a. Epub 2012 Dec 7., 2013
Kapuy O, Bánhegyi G.: Depletion of luminal pyridine nucleotides in the endoplasmic reticulum activates autophagy with the involvement of mTOR pathway, Biomed Res Int., 2013
Kapuy O, Lizák B, Stiller I, Bánehgyi G.: A systems biological perspective of cellular stress-directed programmed cell death, Comp Mol Bioscience., 2014
Kapuy O, Vinod PK, Bánhegyi G.: mTOR inhibitors increase cell viability via autophagy induction during endoplasmic reticulum stress, FEBS Open Bio., 2014
Holczer M, Márton M, Kurucz A, Bánhegyi G, Kapuy O: Comprehensive Systems Biological Study of Autophagy-Apoptosis Crosstalk during Endoplasmic Reticulum Stress, Biomed Res Int., 2015




Back »