 |
Kötőfelszín és kötéserősség összefüggésének feltérképezése rendezetlen fehérjékben
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
108772 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Schád Éva |
| magyar cím |
Kötőfelszín és kötéserősség összefüggésének feltérképezése rendezetlen fehérjékben |
| Angol cím |
Relationship between interfaces and binding strength of disordered proteins |
| magyar kulcsszavak |
rendezetlenség, fehérje-fehérje kölcsönhatás, kötőfelszín, kötéserősség, specifitás |
| angol kulcsszavak |
disorder, protein-protein interaction, interface, binding strength, specificity |
| megadott besorolás |
| Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma) | 80 % | | Szerkezeti biológia (krisztallográfia és elektronmikroszkópia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma) | 20 % |
|
| zsűri |
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia |
| Kutatóhely |
Molekuláris Élettudományi Intézet (HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont) |
| projekt kezdete |
2013-09-01 |
| projekt vége |
2017-08-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
24.735 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
3.20 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A rendezetlenség fogalma ma már széles körben elfogadott, bioinformatikai becslések szerint a humán fehérjék kb. 50%-a tartalmaz legalább egy hosszú rendezetlen régiót. A rendezetlen fehérjék nem rendelkeznek jól meghatározott 3D-s szerkezettel. Gyakran játszanak szerepet szabályzó folyamatokban, például a jelátvitelben vagy a transzkripcióban. Ezek a funkciók molekuláris felismerésen alapulnak, vagyis a partnerhez való átmeneti vagy tartós kötődés által. Ahhoz, hogy megértsük ezen fehérjék működését és szerepét, nagyon fontos, hogy feltérképezzük a kötődés mechanizmusát. Elfogadott az a nézet, hogy a szerkezeti rendezetlenség szétválasztja a specifitást és a kötéserősséget, és így gyenge, reverzibilis, mégis specifikus kapcsolat jöhet létre két fehérje között. Néhány megfigyelés viszont arra utal, hogy ez általánosságban nem igaz. A rendezetlen fehérjék esetében különösen fontos kérdés a kötődés specifitása, mivel azok nem csak nélkülözhetetlen szabályzó funkciókban vesznek részt, hanem magas aggregációs hajlamuk miatt számos leépüléssel kapcsolatos betegségben is szerepet játszanak.
Feltevésünk szerint a rendezetlen fehérjék komplexeinek kötéserőssége függ a felismerés módjától és a kölcsönhatás típusától, és így létrejöhetnek gyenge és erős, specifikus és aspecifikus kölcsönhatások egyaránt. A projekt célkitűzése, hogy rendezetlen fehérjéket tartalmazó komplexek adatbázisba való összegyűjtése után, a kötőfelszínek és a kötés termodinamikai adatainak elemzésével feltérképezzük a kötéserősséget befolyásoló tényezőket, majd megpróbáljuk meghatározni, mit is jelent pontosan a specifitás, milyen jellemzők hordozzák magukban a specifitásra vonatkozó információkat.
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 elfogadott nézet szerint a szerkezeti rendezetlenség szétválasztja a kötéserősséget a specifitástól, így lehetővé válik, hogy gyenge, mégis specifikus kapcsolat jöjjön létre két fehérje között. Habár számos rendezetlen fehérje kötődik gyengén a partneréhez, alátámasztva azt az elméletet, miszerint a rendeződésből adódó kedvezőtlen entrópiacsökkenés destabilizálja a kölcsönhatást, találhatunk példát erős kötődésre is. Más adatok szintén erős kötésre utalnak. Ilyen például a kötőfelszínen nagy számban előforduló hidrofób aminosavak jelenléte, ami kedvező módon járul hozzá a kötődéssel járó entrópiaváltozáshoz, valamit a rendezetlen fehérjék azon képessége, hogy a globuláris fehérjékhez képest sokkal jobban képesek a kötőfelszínhez illeszkedni. Feltevésünk szerint a rendezetlen fehérjék komplexeinek kötéserőssége függ a felismerés módjától és kölcsönhatás típusától, és így létrejöhetnek gyenge és erős, specifikus és aspecifikus kölcsönhatások egyaránt. A projekt célkitűzése, hogy feltérképezze a kötéserősségét befolyásoló tényezőket. Olyan, rendezetlen fehérjéket tartalmazó komplexeket gyűjtünk össze, melyekre ismert a szerkezet és a kötéserősség is. A kapott adatokat nyilvánosan hozzáférhető adatbázisban tároljuk. Ezután az összegyűjtött adatok, a disszociációs állandók, termodinamikai adatok, a kötőfelszínek fizikai-kémiai tulajdonságai stb. elemzése következik. A kötődés specifitása szintén nagyon fontos kérdés. Egy új, információtartalmon alapuló leíró módszert szeretnénk kidolgozni, amellyel mennyiségileg tudnánk jellemezni a fehérje kötőfelszínek egyediségét, közelebb jutva ahhoz, hogy meghatározzuk, mi a specifitás valójában.
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!
A szerkezeti rendezetlenség fogalma ma már széles körben elfogadott, bioinformatikai becslések szerint a humán fehérjék kb. 50%-a tartalmaz legalább egy hosszú rendezetlen régiót. A rendezetlen fehérjék nem rendelkeznek jól meghatározott 3D-s szerkezettel. Gyakran játszanak szerepet szabályzó folyamatokban, például a jelátvitelben vagy a transzkripcióban. Ezek a funkciók molekuláris felismerésen alapulnak, így a rendezetlen fehérjék kölcsönhatásainak (azokban az esetekben, mikor a kötődés rendezetlen szegmens részvételével történik) megismerése elengedhetetlen fontos biológiai folyamatok megértésében. Általánosan elfogadott nézet, hogy a rendezetlenség szétválasztja a kötéserősséget a specifitástól, így lehetővé válik, hogy gyenge, mégis specifikus kapcsolat jöjjön létre két fehérje között. Néhány megfigyelés azonban arra utal, hogy ez az általánosítás nem állja meg a helyét.
A specifitás kérdése a rendezetlen fehérjék esetében azért is fontos, mert ezeket a fehérjéket gyakran egymással teljesen ellentétes folyamatokkal hozzák kapcsolatba, egyeseknek specifikus feladatot tulajdonítanak, másokat promiszkuitással (több partnerhez való kötődés képességével) illetve nagy aggregációs hajlammal jellemeznek.
Szisztematikus vizsgálatainktól azt várjuk, hogy eloszlassák azt az általánosítást, hogy a rendezetlen fehérjék esetében a specificitás és kötéserősség szétválik. Szeretnénk megmutatni, mi az összefüggés a kötődés termodinamikai paraméterei és kölcsönható felszínek között. Ezen kívül tervezzük a specifitás leírására egy olyan új típusú függvény definiálását, amely segítségével megmutathatjuk, hogy a specifitás nem kizárólag szoros kötődés eredménye lehet, hanem inkább a kötőfelszínek valamilyen egyedi mintázatából és geometriájából származik.
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 fehérjék makromolekulák, melyek alapvető funkciókat látnak el az élő sejtben. Korábbi elmélet szerint a fehérjéknek feladatuk elvégzéséhez jól meghatározott 3D-s szerkezetre van szükségük. Egy újabban felmerült és azóta széles körben beigazolódott elmélet szerint létezik a fehérjéknek egy másik csoportja, az egyedi 3D-s szerkezettel nem rendelkező, rendezetlen fehérjék. Bioinformatikai jóslások alapján a humán fehérjék 50%-a tartalmaz legalább egy hosszú rendezetlen szakaszt. A rendezetlen fehérjék fontos szabályzó funkciókban játszanak szerepet, pl. a jelátvitelben vagy a transzkripcióban. Ezek a funkciók molekuláris felismerésen alapulnak, vagyis a partnerhez való átmeneti vagy tartós kötődés által. Ahhoz, hogy megértsük ezen fehérjék működését és szerepét, nagyon fontos, hogy feltérképezzük a kötődés mechanizmusát. Általánosan elfogadott az a nézet, hogy a szerkezeti rendezetlenség szétválasztja a specifitást és a kötéserősséget. Ez azt jelenti, hogy a rendezetlen fehérjék gyenge, de mégis nagyon specifikus kötést tudnak kialakítani. Számos megfigyelés alapján mi azt gondoljuk, hogy ez általánosságban nem igaz. Azt várjuk, hogy míg egyes fehérjék gyenge és specifikus kötődésre képesek, mások, a nagymértékű szerkezeti formálhatóságuknak köszönhetően, nagyon erős kötődésre képesek. Szeretnénk feltérképezni a kötéserősséget és a specifitást befolyásoló tényezőket. A rendezetlen fehérjék esetében különösen fontos kérdés a kötődés specifitása, mivel azok nem csak nélkülözhetetlen szabályzó funkciókban vesznek részt, hanem magas aggregációs hajlamuk miatt számos leépüléssel kapcsolatos betegségben is szerepet játszanak.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The concept of structural disorder is now widely accepted, bioinformatic predictions suggest that about 50% of human proteins have at least one long disordered region. Intrinsically disordered proteins (IDPs) lack a well-defined three-dimensional structure and it has been established that IDPs are frequently associated with regulatory functions in signal transduction and transcription. These functions are carried out by molecular recognition, i.e. via transient or permanent binding to a structured partner. To understand the role and functioning of disordered proteins, it is very important to map the mechanism(s) of recognition and binding. The common view is that disorder separates binding strength from specificity. This feature would enable IDPs to engage in highly specific, yet rather weak and reversible interactions. Scattered observations, however, show that this may not be true without exceptions. Question of specificity is particularly relevant in the IDP field, because disordered proteins are not only involved in important regulatory functions, but due to their high risk of aggregation, in debilitating diseases, too.
Our hypothesis is that the binding strength of IDP complexes depends on the mode of recognition and the type of interaction, which enables weak and strong, specific and non-specific interactions alike. The aim of the project is to create a collection of complexes consist of at least one disordered protein, analyze the interfaces and thermodynamic data of binding to find out what influences the binding strength of IDPs. We will try to define what specificity really means, by determination the information content of the interface.
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 common view is that structural disorder separates binding strength from specificity – enabling weak yet specific interactions between two proteins. Although several IDPs bind their partners weakly, supporting the model that unfavorable decrease in backbone entropy upon binding might destabilize their interactions, many IDPs actually bind their partner very strongly. Certain aspects of IDP binding also suggest a strong binding, such as their preferential use of hydrophobic residues at the interface, which contributes a favorable component to entropy, and their extreme structural adaptation resulting in a fit to the binding pocket better than in the case of globular proteins. Our hypothesis is that the binding strength of disordered protein complexes depends on the mode of recognition and the type of interaction, which enables weak and strong, specific and non-specific interactions alike. The aim of the project is to find out what influences the dissociation constant (and specificity) of complexes of disordered protein. We will assemble complexes of disordered proteins for which both the structure and strength of interaction (Kd) is known, and build a publicly available database. Then we will analyze the collected data from several aspects: distribution of Kd values, question of enthalpy-entropy compensation, correlation of thermodynamic parameters with physical and chemical parameters of the interface etc. Specificity of binding is another question of interest. We plan to create a new, information-based descriptor to quantify the uniqueness of protein interface, thus getting closer to determine what specificity really means.
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 concept of structural disorder is now widely accepted, bioinformatic predictions suggest that about 50% of human proteins have at least one long disordered region. Intrinsically disordered proteins (IDPs) lack a well-defined three-dimensional structure and it has been established that IDPs are frequently associated with regulatory functions in signal transduction and transcription. These functions are carried out by molecular recognition, thus studying interactions of disordered proteins (when binding occurs via a disordered region) is essential for understanding biological processes. The common view is that structural disorder separates binding strength from specificity – enabling weak yet specific interactions between two proteins. Scattered observations, however, show that this may not be true without exceptions.
Specificity is particularly relevant question in the IDP field, because of the frequent use of opposing arguments of specificity and promiscuity. IDPs have the ability to engage in specific interactions, and are often mentioned to represent high risk to the cell due to promoting aggregation and promiscuous interactions.
Our systematic analyses of complexes of disordered proteins are expected to dissect and elucidate this most often cited advantage of structural disorder that it uncouples specificity from binding strength. We expect that our studies will throw light on the relationship of thermodynamic parameters of IDP binding and interfaces. In addition, we hope we can define a novel type of function for describing specificity, that would refine previous crude approximations by showing that specificity does not directly stem from tight binding, rather from the unique pattern and geometry of interfaces.
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.
Proteins are macromolecules that carry out most of the basic functions in the cell. Our traditional view of protein structure–function relationship is rooted in the notion that function critically depends on a well-defined 3D structure. The newly emerging concept of protein disorder leads to a new perspective in biological researches. The concept of structural disorder is now widely accepted, bioinformatic predictions suggest that about 50% of human proteins have at least one long disordered region. Intrinsically disordered proteins (IDPs) lack a well-defined three-dimensional structure, and they play important function in key regulatory processes. These functions are carried out by molecular recognition, i.e. via transient or permanent binding to a structured partner. To understand the role and functioning of disordered proteins, it is very important to map the mechanism(s) of recognition and binding. It is generally accepted in the literature that one of the major benefits of structural disorder is the separation of specificity from binding strength. This means, disordered proteins are able to create weak but very specific interactions. Our hypothesis is
that this is not true in general. We expect that certain IDPs do bind weakly and specifically, whereas others use their structural adaptability for strong binding. We would like to find out what influences the binding strength and specificity of binding. Question of specificity is particularly relevant in the case of IDPs, because besides their several essential functions they are involved in debilitating diseases too, due to their high risk of aggregation.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
