A DNS hibajavító mechanizmusok kiválasztása az elakadt replikációs villában  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
108611
típus PD
Vezető kutató Burkovics Péter
magyar cím A DNS hibajavító mechanizmusok kiválasztása az elakadt replikációs villában
Angol cím Selection of DNA repair mechanisms at the stalled replication fork
magyar kulcsszavak DNS hibajavítás, PCNA, Ubiquitin, SUMO, Werner szindróma
angol kulcsszavak DNA repair, PCNA, Ubiquitin, SUMO, Werner syndrome
megadott besorolás
Molekuláris Biológia (Orvosi és Biológiai Tudományok)90 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biológia
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok)10 %
Ortelius tudományág: Biokémia
zsűri Molekuláris és Szerkezeti Biológia, Biokémia
Kutatóhely Genetikai Intézet (MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
projekt kezdete 2013-09-01
projekt vége 2016-08-31
aktuális összeg (MFt) 23.624
FTE (kutatóév egyenérték) 2.70
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az emberi sejteket folyamatosan érik külső és belső hatások, amelyek DNS hibákat okoznak. A sejtciklus S fázisában, a replikáció során a DNS hibák speciális problémát okoznak, ugyanis a replikációt végző DNS polimerázok nem képesek nukleotidot beépíteni a hibával szemben, ezért a replikációs villa megáll. Amennyiben a replikáció nem fejeződik be időben, a sejt apoptotizál. Ezért kialakultak olyan mechanizmusok, amelyek az elakadt replikációs villák menekítésére specializálódtak. Ezek a mechanizmusok nem javítják ki a sérült DNS szakaszokat, csak biztosítják replikáció végbemenetelét, Ugyanakkor attól függően, hogy melyik útvonal működik, megnőhet mutációk számának illetve a genom átrendeződésének valószínűsége, így az útvonalválasztás alapvetően meghatározza a sejt további sorsát. Ezeknek a mechanizmusoknak a fontosságát mi sem jelzi jobban, minthogy hibás működésük számos örökletes genetikai betegséget okoz (XPV, Fanconi anemia, Werner szindróma).
Korábban kimutatták, hogy a PCNA ubiquitilálása irányítja az elakadt replikációs villák menekítését, de ennek a pontos mechanizmusa nem ismert még. Az utóbbi időben egyre több, az Ub-PCNA-t specifikus kötni képes fehérjét írtunk le mi és mások. Ezen kívül kimutatták az emberi PCNA SUMOilációját és leírták az ezzel specifikusan kölcsön hatni képes fehérjéket.
A célunk hogy az elakadt replikációs villák menekítésének szabályázásában új mechanizmusokat tárjunk fel. Ezért első sorba a PCNA ubiquitilálására, SUMOilálására és az ezekkel specifikusan kölcsönható fehérjékre koncentrálunk, mivel meggyőződésünk szerint ezek azok a fehérjék, amelyek a szabályozás finomhangolását végzik.

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.

Az elakadt replikációs villák menekítését két fő útvonal végzi. Az egyik a hibatolerancia útvonal, a másik a homológ rekombinációt használó DNS hibajavító mechanizmus. A két mechanizmus több alútvonalból áll, amelyek hibamenetesen vagy hibásan képesek a sérült DNS szakasszal szembeni replikációt biztosítani. Ezen folyamatokon belül számos olyan mechanizmus van, amely megnövekedett mutagenezist, genom átrendeződéseket, deléciókat okozhat. Éppen ezért kulcskérdés ezeknek a hibajavító mechanizmusoknak az egymáshoz való viszonyának a szabályozása. A szabályozás elsődleges végrehajtói a PCNA ubiquitiláló illetve SUMOiláló rendszerek.
Hogyan működik ez a szelekciós rendszer? Korábbi munkáink során az Ub- és SUMO-PCNA funkcióját vizsgáltuk pékélesztő modellorganizmusban. Leírtuk humán sejtekben a PCNA SUMOilációját és Ub-PCNA specifikus kötéssel rendelkező fehérjéket (SPARTAN, ZRANB3). Mivel sem az Ub- sem a SUMO-PCNA in vivo funkciója nem ismert emberi sejtekben, mi is vizsgálni szeretnénk ezt a kérdést. Továbbá az is ismert már, hogy az emberi sejtekben sokkal komplexebb az elakadt replikációs villa menekítése, mivel az élesztő fehérjéknek több orthológja is van, valamint élesztőből teljesen hiányzó rendszerek is jelen vannak, mint pl. A Fanconi anémia útvonal. Ezért részletesen szeretnénk vizsgálni az Ub- és SUMO-PCNA specifikus kötéssel rendelkező fehérjéket, amelyek legtöbbje hiányzik az élesztő sejtekből. Feltételezésünk szerint ezek a fehérjék azok, amelyek az elakadt replikációs villában működő hibajavító rendszerek finom összehangolását végzik.

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 elakadt replikációs villák menekítése létfontosságú a sejt életben maradása szempontjából. Ezt támasztja alá az a sok ismert öröklődő genetikai betegség (XPV, Fanconi Anemia (FA), Bloom- Werner-szindróma), amelyek ezen rendszerek valamelyikének hiánya (hibás működése) miatt alakulnak ki. Ezen kívül ezekben a folyamatokban részt vesznek olyan fehérjék is, amelyek hibája összefüggésbe hozható rákos elváltozásokkal (BRCA1,2, HLTF). Azonban nem csak a ezen mechanizmusok hiánya, hanem a túlműködése is káros lehet a sejt genomjának integritására. A TLS polimerázok túlműködése megnövekedett mutagenezis okoz. A homológ rekombinációs mechanizmusok túlműködése genom instabilitáshoz, nagy kromoszomális átrendeződéshez, vagy aberráns kromoszómákhoz vezethet. Ezért normál körülmények között ezen rendszerek működése nagyon precízen szabályozott.
Munkánk célja, hogy jobban megértsük azt, hogy az elakadt replikációs villában hogyan választódik ki a legmegfelelőbb villamenekítő mechanizmus. Hipotézisünk szerint a PCNA ubiquitin és SUMO módosításai az elsődleges meghatározói a szelekciónak, és a PCNA módosításait specifikusan kötő fehérjék azok, amelyek a villamenekítő rendszerek finom összehangolását végzik. Korábbi munkánk során leírtunk Ub-PCNA specifikus fehérjéket és a PCNA SUMOilálásának mechanizmusát emberi sejtekben. Pályázatunkban azt vizsgáljuk, hogy az Ub- és SUMO-PCNA kötő fehérjék hogyan befolyásoljak a megfelelő hibajavító mechanizmus kiválasztását az elakadt replikációs villában, illetve hogy ezek a fehérjék hogyan kommunikálnak egymással, ami az egymással párhuzamos villamenekítő mechanizmusok közötti kommunikáció alapja lehet. Mivel az Ub-PCNA specifikus fehérjék kiemelt szerepet játszanak súlyos örökletes genetikai betegségek (XPV, FA, Werner szindróma) kialakulásában, valamint a karcinogenezisben ezért reményeink szerint ezek a vizsgálatok közelebb visznek minket ezeknek az örökletes genetikai betegségeknek kialakulásának és a karcinogenezis folyamatának megértéséhez is.
A DNS hibajavítás, rekombináció és karcinogenezis tudományos területen várható jelentős eredményeken felül, kutatásunk finanszírozása az önálló kutatólabor létrehozásához vezető úton való elindulás szempontjából is különösen fontos.

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.

Sejtjeinket folyamatosan érik külső és belső hatások, amelyek folyamatosan károsítják a bennük található DNS-t. A sejtek osztódása során lemásolják DNS-üket, így adják át a bennük található genetikai információt az utódsejteknek. Ha a sejtosztódás során a DNS másolása nem fejeződik be egy bizonyos időn belül, vagy sok hibával megy végbe, az a sejt halálához, vagy az utódsejtek hibás működéséhez (pl. rákos elváltozáshoz, korai öregedéshez) vezethet. Éppen ezért több mechanizmus is kialakult a károsodott DNS minél pontosabb másolására. Ezek két nagy csoportba oszthatóak: az egyik a hibatolerancia útvonal, a másik a rekombinációs hibajavítás. Mindkét mechanizmus bár a DNS hibajavító folyamatok közé tartozik, ténylegesen nem szünteti meg a DNS-hibát, csak lehetővé teszik azok másolását, így a sejt osztódásának zavartalan végbemenetelét. Mivel ezeknek a mechanizmusoknak a hibás működése jelentősen növeli a rák kialakulásának kockázatát, valamint számos örökletes genetikai betegség okozója (Xeroderma pigmentosum V, Bloom és Werner szindróma, Fanconi anémia), ezért létfontosságú pontosan ismernünk ezeknek a mechanizmusoknak a működését és egymáshoz való viszonyát. Munkánk során jellemezzük azt, hogy hogyan választódik ki a megfelelő hibajavító mechanizmus. Továbbá vizsgáljuk azt, hogy ezek a hibajavító mechanizmusok hogyan kommunikálnak egymással. Ezen vizsgálatok eredményeként pedig megtudhatjuk azt, hogy hogyan éri el a sejt azt az állapotot, hogy a lehető leghatékonyabban mentse az elakadt replikációs villát, így minimalizálva az esélyét a megnövekedett mutációs rátának és a genomikus instabilitásnak, amelyek végső soron a közvetlen okai a rákos megbetegedések kialakulásának.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Human cells are continuously damaged by endogenous and exogenous agents, causing DNA lesions. In the S phase of the cell cycle the damaged DNA is a special problem for the replication of the DNA because the replicative DNA polymerases can not incorporate nucleotide opposite the damage, therefore the replication fork is stalled. If the replication is not complete, the cell will die by apoptosis. Therefore there are special mechanisms to rescue the stalled replication fork evolved. These mechanisms are not repairing the damaged DNA itself, they only make the complete replication happen.
Since the mechanism, how the stalled fork rescued could determine the risk of increased mutagenesis and genome rearrangement, therefore their regulation basically determines the destiny of the cell. The importance of these mechanisms is that their malfunctions cause many hereditary genomic disorders (XPV, Fanconi anemia, and Werner syndrome).
It has been previously demonstrated that PCNA ubiquitilation is important in the guiding of the rescue of the stalled replication forks. But the mechanism, how this regulation works is not clarified yet. Additionally we and others described proteins which are specifically bound to the Ub-PCNA and most recently the SUMOylation of the hPCNA. Its specific interacting partners are already discovered..
Our goal is to explore new aspects and novel levels of the regulatory mechanism, which selecting the fork rescue mechanism from the available set of them. We are focusing on the PCNA ubiquitin and SUMO modification and its specific interaction partners that could responsible for the fine-tuning of the selection between the different fork rescue mechanisms.

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.

Rescue of the stalled replication forks is operated by two major pathways: the Damage Tolerance and the Homologous Recombination repair (using the mechanism of homologous recombination for DNA repair). There are many branches within them ensuring the replication of the damaged DNA by error-free or error-prone manner. Some of these branches can lead to increased mutagenesis, generate genome rearrangement or deletions. Therefore the tight regulation of the relations between these systems is essential. PCNA ubiquitilating and SUMOylating systems are the primary regulators of the way.
How is this selection working? In our previous works we analyzed the function of the Ub-PCNA and SUMO-PCNA in baker yeast. In humans we described the SUMOylation of the PCNA as well as some novel Ub-PCNA binding proteins as SPARTAN and ZRNAB3. Since the in vivo function of human Ub-PCNA and S-PCNA is not clear, we would like to characterize them. Additionally the human regulatory system at the stalled replication fork is more complex when compared to yeast (there are more orthologues of the yeast proteins, or novel repair mechanisms are present e.g. Fanconi anemia pathway). Therefore we would like to characterize the Ub - and SUMO- PCNA specific binding proteins that are mainly missing from the yeast, and in our hypothesis these proteins are the fine tuning components determining the selection between the different fork rescue mechanisms.

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 rescue of the stalled replication fork is essential for the cells in order to survive. Many hereditary genetic disorders (XPV, Fanconi anemia, and Werner syndrome) are caused by the lack of or the failure of one of the fork rescue mechanisms. Moreover failure of many components of these DNA repair pathways cause different carcinogenesis processes (eg. BRCA1, BRCA2, HLTF), and they are used as tumor markers. The loss of function of these processes causes changes in the genome integrity but the overrepresentation of them can also lead to the loss of the genomic integrity. Overproduction of the TLS polymerases leads to increased mutation frequency. Overproduction of different Homologous recombination components can lead to genomic instability, gross chromosomal rearrangements and
aberrant chromosomes. Therefore under physiological (“normal”) conditions these processes are very strictly regulated.
The major goal of our research is to better understand how the different fork rescue pathways are regulated at the stalled replication fork, and how these pathways are communicating with each other. Our hypothesis is that the PCNA ubiquitin and SUMO modifications are the primary determinants of the regulation, and its modification specific interaction partners are the fine tuning effectors. We described Ub-PCNA specific proteins as SPARTAN and ZRANB3 as well as the PCNA SUMOylation in human cells. In this current study we are focusing on how Ub-PCNA and SUMO-PCNA specific proteins are contributing in the selection of the appropriate repair process at the stalled replication fork as well as how these proteins are connected to each other, which have to be the basis of the communication between the parallel pathways. Since these Ub-PCNA specific interacting proteins are involved in carcinogenesis as well as in hereditary genetic disorders as XPV, Fanconi anemia and Werner syndrome, we hope that our results will provide a better insight into the formation of these serious genetic disorders and cancer development.
Besides the expected important findings in the field of DNA repair, recombination and carcinogenesis, our research could be the first step for the initiation of an independent laboratory and research group.

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.

Living cells are continuously affected by endogenous and exogenous agents, which are damaging the DNA. Dividing cells are replicating their DNA, this way transmitting their genetic information to the daughter cells. If the replication is not finished in a certain period of time or it is erroneous, this can cause death of the cell or malfunctions (e.g. carcinogenesis or senescence) of the daughter cells. In order to replicate the damaged DNA as precisely as possible several mechanisms are developed which can be divided into two major groups: the Damage Tolerance pathway and the Recombination repair. Although they are called DNA repair mechanisms, in reality the damaged DNA is not repaired but its replication and, this way, the uninterrupted cell division is allowed. Since the malfunction of these mechanisms significantly increases carcinogenesis and causes several hereditary genetic diseases (e.g. Xeroderma pigmentosum V, Bloom syndrome, Werner syndrome, Fanconi anemia), it is essential to precisely understand the function and the regulation of them. In our work we explore how these mechanisms are selected, and how they are communicating with each other at the stalling replication fork, to minimize the risk of increased mutagenesis, genomic instability and cancer developing.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
Sejtjeinket folyamatosan érik külső és belső hatások érik, amelyek károsítják a bennük található DNS-t. A DNS másolása során ezek a hibák pontmutációkat, illetve genom instabilitást okozhatnak, amelyek hozzájárulnak a sejtek rákos elváltozásához, illetve a daganatok fejlődéséhez. Munkánk során azt vizsgáltuk, hogy hogyan működnek azok a szabályozó mechanizmusok, amelyek kiválasztják a károsodott DNS szakasz legpontosabb másolására képes azt a hibajavító mechanizmust, amely a legpontosabban képes a károsodott DNS szakaszok másolása. A szabályozás központi eleme a PCNA fehérje, mely poszt-transzlációs módosításai révén szabályozza az elakadt replikációs villában történő hibajavítás mechanizmusát. Korábban bizonyítottuk, hogy a PCNA SUMOilációja gátolja a homológ rekomnbináció- függő DNS- hibajavítást az elakadt replikációs villában. Jelen kutatásunk során megállapítottuk ennek a gátlásnak a biokémiai mechanizmusát:. E szerint a SUMO-PCNA a PARI fehérjével együttműködve meggátolja a replikatív DNS polimerárz PCNA fehérjéhez való kötődését, ami a rekombinációs intermedier struktúrában, a D-hurokban történő DNS szintézis leállítását és a D-hurok felbomlását indukálja. A PCNA ubiquitilálásának funkciójátnak vizsgálvaata során kimutattuk, hogy egy az Ub-PCNA-t specifikusan kötő fehérje, a SPARTAN, képes a DNS kötésére is, ami nagymértékben befolyásolja annak DNS hibajavításban betöltött szerepét. Azonosítottunk egy új Ub-PCNA-t specifikusan kötni képes fehérjét, a FAN1-et, amelynek helyes működéséhez szükség van az Ub-PCNA-re.
kutatási eredmények (angolul)
Our cells are continuously damaged by endogenous and exogenous factorssources that, which are induceing DNA damage. During the replication, these lesions can resulted in point mutations or genome instability, which are contributeing to in cancer formation or progression. In our work, we studied, how the regulatory mechanisms actare working to minimalize the error-prone events that, leading to point mutations or genome instability. The major regulatory element is the PCNA, whoseich post-translational modifications are regulateing the selection of the repair mechanism at the stalled replication fork. Previously, we demonstrated that in human cells the SUMOylation of PCNA inhibits the mechanism of homologous recombination at the stalled replication fork. In our current research, we clarified the biochemical mechanism of this inhibition of HR by PCNA SUMOylation. Based on our result, SUMO-PCNA interacts with the PARI protein; thiswhich complex could inhibits the interaction between the SUMO-PCNA and the replicative DNA polymerase, stopping or which stopped impedingor made impossible the DNAS synthesis at the D-loop structure. This event could may induce the resolution of the D-loop, thus, which made impassible a homologous recombination eventcannot take place. During the To analyszees of t the function of the ubiquityilated PCNA, we explored and characterized the DNA- binding activity of SPARTAN, which is an Ub-PCNA- binding protein. In addition, Moreover we explore examined a new Ub-PCNA- interacting protein, called FAN1, whoseich major function is also regulated also by the Ub-PCNA.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108611
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Burkovics P, Dome L, Juhasz S, Altmannova V, Sebesta M, Pacesa M, Fugger K, Sorensen CS, Lee MY, Haracska L, Krejci L: The PCNA-associated protein PARI negatively regulates homologous recombination via the inhibition of DNA repair synthesis., NUCLEIC ACIDS RES &: in-press, 2016
Toth A, Hegedus L, Juhasz Sz, Haracska L, Burkovics P: The DNA-binding box of human SPARTAN contributes to the targeting of Polη to DNA damage sites, in Press, 2016




vissza »