A rendezetlen fehérjék kötő motívumainak, lieáris epitopjainak és amiloidogén régióinak összehasonlító jellemzése  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
111056
típus ANN
Vezető kutató Tompa Péter
magyar cím A rendezetlen fehérjék kötő motívumainak, lieáris epitopjainak és amiloidogén régióinak összehasonlító jellemzése
Angol cím Comparative analysis of recognition motifs, linear epitopes and amyloidogenic regions in intrinsically disordered proteins
magyar kulcsszavak Rendezetlen fehérjék, kötő régió, amiloidogén régió, fehérje szerkezet
angol kulcsszavak Disordered proteins, binding region, amyloidogenic region, antigenic region, protein structure
megadott besorolás
Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)50 %
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)50 %
Ortelius tudományág: Biokémia
zsűri Molekuláris és Szerkezeti Biológia, Biokémia
Kutatóhely Enzimológiai Intézet (Természettudományi Kutatóközpont)
résztvevők Horváth Tamás
Kalmár Lajos
Magos Zoltán
Mészáros Attila
Murvai Nikoletta
Némethné Szabó Beáta
Schád Éva
Tantos Ágnes
projekt kezdete 2014-04-01
projekt vége 2018-03-31
aktuális összeg (MFt) 32.934
FTE (kutatóév egyenérték) 8.73
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A rövid kötő motívumok kulcsszerepet játszanak a rendezetlen fehérjék működésében. Három ilyen típusú motívumot különböztetünk meg, melyek különböző evolúciós nyomás alatt állnak: a felismerő elemek fehérje-fehérje kölcsönhatásokat közvetítenek, az amiloidogén szakaszok aggregációért felelősek és a lineáris epitópok (antigén régiók) az immunrendszer által felismer szakaszok. Mindhárom motívumra jellemző, hogy jellemzően hidrofób aminosavak alkotják őket, ám míg felismerő elemek nagy hatékonysággal lépnek interakcióba, az amiloidogén régiókkal, ezt el kell kerülni; az epitópok kötődése a megfelelő antitesthez pedig hasznos az ön-felismerésben, de hátrányos a patogén számára. Kutatásba kezdtünk annak érdekében, hogy megértsük, hogyan alakították ezek az eltérő igények ezt a három motívum-típust. Ennek a pályázatnak a keretein belül ezeket a kutatásokat szeretnénk folytatni és kibővíteni informatikai és kísérletes szerkezeti vizsgálatokkal. Ennek elérése érdekében a következőket tervezzük: (i) felállítjuk a három motívum típus adatbázisát és összehasonlítjuk őket a specifikus szekvencia-jellegzetességek alapján, (ii) megjósoljuk és kiértékeljük a szerkezeti és metaszerkezeti hasonlóságaikat és különbségeiket, és (iii) mutációkkal vizsgáljuk a kiemelt jelentőségű aminosavak szerepét a fehérjék szerkezetének kialakításában (NMR mérésekkel) valamint interakciós képességükben (biofizikai módszerekkel). Eredményeink információval szolgálhatnak a rendezetlen fehérjék rövid kötő motívumainak szerkezeti és funkcionális evolúciójáról, valamint az orvostudomány számára is hasznosíthatóak lesznek az amiloidózisok, a jelátvitelhez kapcsolódó betegségek és a virális mimikri kutatásában.

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.

• Mik azok a fő jellegzetességek, melyek megkülönböztetik a rendezetlen fehérjék amiloid-képző-, kötő- és antigén régióit egymástól?
• Hogyan használhatjuk fel ezeket a különbségeket az orvosi kutatásban?
• Képesek vagyunk pusztán az aminosav szekvencia alapján eldönteni, hogy egy bizonyos fehérje szakasz hogyan fog viselkedni?
• Meg tudjuk változtatni a fehérje szakasz viselkedését a meghatározott aminosavak mutációja által?
• Képesek vagyunk átjárást biztosítani a különböző csoportok között (alkothatunk-e egy amiloid képző régióból kötő elemet és fordítva)?

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 rendezetlen fehérjék számos fontos fiziológiai folyamatban vesznek részt, és számos súlyos betegség (amiloidózisok, prion betegségek, különböző ráktípusok) kialakulásáért felelősek. Mivel funkciójukat és rendellenes működésüket is elsősorban más molekulákkal való kapcsolatok kialakításán keresztül töltik be, igen fontos megértenünk a kapcsolatok kialakulásának hátterét. A pályázatunk fő célkitűzése, hogy megértsük, hogyan alakul kis és miben különbözik egymástól leginkább a rendezetlen fehérjék három legfontosabb interakciós szekvencia típusa (amiloidogén régiók, felismerő elemek és lineáris epitópok). Tudomásunk szerint még nem foglalkoztak ezzel a kérdéssel tudományos igényességgel, és az említett szakaszok félrevezető hasonlósága miatt (lokális hidrofobicitás, hasonló aminosav összetétel, stb.) a válasz nem is magától értetődő. Ha megtaláljuk azt a pontot a szekvenciában illetve a fehérjeszerkezetben, amiből a specifikus funkciók eredek, az új távlatokat nyit a fehérjék viselkedésének befolyásolásában. A mi célunk nem csupán ezeknek az elemeknek az azonosítása számítástechnikai módszerekkel, hanem biofizikai és szerkezeti vizsgálatokkal is bizonyítani kívánjuk eredményeink helytállóságát. Tanulmányaink nyomán jobban megérthetnénk, hogy a rendezetlen fehérjék aminosav szekvenciája milyen módon kódolja az információt, eredményeink pedig új irányt adhatnak a rendezetlen fehérjék abnormális működése miatt kialakuló betegségek kezelésének is.

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.

Sokáig úgy gondoltuk, hogy egy fehérjének rendelkeznie kell egy jól meghatározott háromdimenziós szerkezettel ahhoz, hogy funkcióval rendelkezhessen. Az utóbbi évek tudományos eredményei azonban bebizonyították, hogy sok fehérje létezik és működik ilyen szerkezet nélkül. Ezek a rendezetlen fehérjék nagy számban vesznek részt a transzkripcióban és a sejtciklus szabályozásában, és rendellenes működésük számos súlyos betegség kialakulásához vezet (különböző tumor típusok, neurodegeneratív- és prion betegségek). Ezért biokémiájuk megértése alapvető fontosságú nem csak elméleti, hanem gyakorlati szempontból is. Az elmúlt néhány évben a tudósok számos, rendezetlen fehérjékre jellemző interakciós szakaszt azonosítottak, melyeket három nagy csoportba lehet besorolni: felismerő elemek, melyek a rendezetlen fehérjék más fehérjékkel illetve DNS-sel kialakított kapcsolatait irányítják; amiloidogén régiók, melyek könnyen aggregálódnak és az amiloid szálak kialakulásáért felelősek; valamint lineáris epitópok, melyek az antitestek számára nyújtanak kötő felszínt, és elengedhetetlenek a megfelelő immunválasz kialakulásához. Ezek a régiók funkciójukat tekintve és evolúciós szempontból is alapvetően különböznek egymástól, ám az őket megkülönböztető aminosav-összetétel, szekvencia illetve szerkezeti jellegzetességek egyáltalán nem ismertek. Ennek a pályázatnak a keretében átfogó bioinformatikai és biokémiai analízist szeretnénk végrehajtani annak érdekében, hogy felfedjük a három csoportot egymástól megkülönböztető tulajdonságokat. Eredményeink segítik a rendezetlen fehérjék biokémiájának/molekuláris biológiájának megértését, valamint betegségekben betöltött szerepüknek megismerését is.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Short binding motifs are key functional elements of intrinsically disordered proteins (IDPs). IDPs contain three types of motifs that are under different evolutionary selection pressures: recognition elements mediate protein-protein interactions, amyloidogenic regions cause aggregation and linear epitopes (antigenic regions) are recognized by antibodies of the immune system. Whereas all three types of motifs appear as local hydrophobic segments in a disordered sequence, recognition elements are optimized for maximum interaction efficiency, which must have been minimized for amyloidogenic regions; binding of epitopes by cognate antibodies is advantageous in self-recognition but disadvantageous for pathogens. To understand how these opposing demands have shaped the three motif types, we started investigating their sequence features. In this project, we plan to continue these studies and extend them with computational and experimental structural analyses, by way of: (i) assembling and comparing datasets of the three motif types with regards to specific sequence features, (ii) predicting and evaluating their structural and metastructural similarities and differences, and (iii) mutating their crucial residues and investigating their effects on structure (by NMR) and interacting potential (by biophysical methods). Our results will provide evidence for the structural and functional evolution of short binding motifs in disordered protein regions, with potential biomedical implications in amyloidoses, signal-transduction related diseases and viral mimicry.

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.

• What are the main features that distinguish the amyloid forming-, binding- and antigenic regions of the disordered proteins?
• How can we use these features to our advantage in biomedicine research?
• Can we define the key amino acids or short segments that determine the behavior of the region based solely on the amino acid sequence?
• Can we change the behavior of a region by mutating these predicted key locations?
• Is it possible to switch from one group to another (can an amyloid forming region turned into a recognition element and vica versa)?

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.

Intrinsically disordered proteins (IDPs) take part in many important physiological processes and are also involved in a number of devastating diseases (amyloidosis, prion diseases, different types of cancers). Since their functions and dysfunctions are mainly manifested through interactions with other macromolecules, understanding the details of these interactions are of high priority. As the major goal of this project, we aim to decipher how the three most important types of short interacting sequences (amyloidogenic regions, recognition elements and linear epitopes) in IDPs are defined and distinguished by nature. To our knowledge, this issue has never been addressed, and due to their misleading similarities (local hydrophobicity, amino acid enrichment, etc…) the distinguishing feature(s) have not been unveiled or described. Identifying the key elements of sequence and structure that imparts specific functional capacities will open new possibilities to influence their behavior. Our aim is not only to identify these key local features via in silico analysis, but also to confirm our findings through structural and biochemical studies. Our studies would open the way toward better understanding how information is coded in the primary sequence of IDPs and also toward new approaches in treating diseases caused by abnormal interactions of IDPs.

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.

The dominating view so far has been that a protein needs a well-defined three dimensional structure to fulfill a function. Recent results, however, proved that many proteins exist and function in an unfolded state. These so called intrinsically disordered proteins (IDPs) occur frequently in transcription and cell cycle regulation, and their erroneous behavior may cause severe illnesses (different tumor types, neurodegenerative and prion disease), therefore understanding their biochemistry is of elementary importance both for theoretical and practical (biomedical) reasons. During the past years, scientists have identified many different interacting sites characteristic to IDPs, which can be roughly divided into three different categories: recognition elements, driving interactions of IDPs with other proteins or DNA; amyloidogenic regions, which are prone to cause aggregation and are the starting points of amyloid fibril formation, and linear epitopes, which represent binding sites to antibodies and play a key role in the immune response. These regions are profoundly different regarding their functions and evolutionary advantages, but the underlying differences of amino acid composition, sequence or structure are completely unknown. In the current proposal we aim to perform comprehensive bioinformatics, biochemical and biophysical analysis in order to find the distinguishing feature between these three types of short binding modules. Our findings will promote understanding of the biochemistry/molecular biology of IDPs as well as their involvement in disease.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A motívumok átlal közvetített kölcsönhatások számos olyan biológiai folyamatban játszanak fontos szerepet, melyeknél tranziens kötődésre van szükség. Az ilyen rövid kötő régiók leggyakrabban a fehérjék rendezetlen szakaszaiban találhatók, gyakran olyan konformációban, mely lehetővé teszi a partner gyors felismerését. Legfontosabb célunk az volt, hogy a motívumok és a kötődő szakaszokon kívüli régiók eddig fel nem ismert tulajdonságait feltérképezzük és megismerjük szerkezeti és funkcionális jelentőségüket. Célunk elérése érdekében átfogó bioinformatikai és szerkezeti vizsgálatokat folytattunk az ismert lineáris motívumokkal. Eredményeinket a következő pontokban foglaljuk össze: 1. Összegyűjtöttük az ismert motívum-mediálta kölcsönhatásokat 2. Kialakítottunk egy egyedi módszert a motívumok és határoló régióik osztályozására és jellemzésére, mely az aminosavak tulajdonságain alapul 3. A módszer alkalmazásával meg tudtunk határozni jellegzetes aminosav-tulajdonság mintázatokat a motívumokban és a határoló régióikban 4. Olyan mutációkat tudtunk tervezni amelyek a megjósolt módon befolyásolták a motívumok másodlagos szerkezeti hajlamát 5. Hat vad típusú motívum szabad állapotban történő szerkezeti jellemzését végeztük el és megkezdtük a mutáns motívumok szerkezeti jellemzését.
kutatási eredmények (angolul)
Motif-mediated protein-protein interactions play important roles in many biological processes where transient binding is needed. Such short binding regions usually take place in disordered regions, where some of them are disposed to adopt a structure upon binding to their partners. Our main goal was to shed light on the possible role of so far hidden properties in the function of disordered binding motifs and their flanking regions. In order to reach this goal, we performed detailed bioinformatics and structural studies on a collection of linear motifs. We summarize the results of the project in the following points. 1. We collected the known motif-mediated interactions 2. We created a unique method to characterize and categorize the motifs and their flanking regions based on the characteristics of the amino acids in the sequences 3. Using our indexing method, we were able to find patterns of amino acid properties in and surrounding the binding motifs 4. We were able to design mutations that alter the secondary structural preferences of the motifs only by changing amino acids in the flanking region 5. We completed the structural characterization of six wild type motifs in the unbound state and started the detailed structural characterization of three mutant versions.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=111056
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Peter Tompa, Eva Schad, Agnes Tantos, Lajos Kalmar: Intrinsically disordered proteins: emerging interaction specialists, Current Opinion in Structural Biology, 2015
Mihaly Varadi, Greet De Baets, Wim F Vranken, Peter Tompa, Rita Pancsa: AmyPro: a database of proteins with validated amyloidogenic regions, Nucleic Acids Res. 2018 Jan 4; 46(Database issue): D387–D392., 2017
Boeynaems, S., Bogaert, E., Kovacs, D., Konijnenberg, A., Timmerman, E., Volkov, A., Guharoy, M., De Decker, M., Jaspers, T., Ryan, V. H., Janke, A. M., Baatsen, P., Vercruysse, T., Kolaitis, R.-M., Daelemans, D., Taylor, J. P., Kedersha, N., Anderson, P., Impens, F., Sobott, F., Schymkowitz, J., Rousseau, F., Fawzi, N. L., Robberecht, W., Van Damme, P., Tompa, P. and Van Den Bosch, L.: Phase Separation of C9orf72 Dipeptide Repeats Perturbs Stress Granule Dynamics, Mol. Cell, 2017
Braten O, Livneh I, Ziv T, Admon A, Kehat I, Caspi LH, Gonen H, Bercovich B, Godzik A, Jahandideh S, Jaroszewski L, Sommer T, Kwon YT, Guharoy M, Tompa P, Ciechanover A: Numerous proteins with unique characteristics are degraded by the 26S proteasome following monoubiquitination., Proc. Natl. Acad. Sci. 113: E4639-47, 2016
Guharoy M, Bhowmick P, Sallam M, Tompa P.: Tripartite degrons confer diversity and specificity on regulated protein degradation in the ubiquitin-proteasome system., Nature Communications, 2016
Borysik AJ, Kovacs D, Guharoy M, Tompa P.: Ensemble Methods Enable a New Definition for the Solution to Gas-Phase Transfer of Intrinsically Disordered Proteins., J. Am. Chem. Soc., 2015
Brangwynne, C. P., Tompa, P., Pappu, R. V.: Polymer Physics of Intracellular Phase Transitions, Nature Physics, 2015
Tompa P, Davey NE, Gibson TJ, Babu MM: A Million Peptide Motifs for the Molecular Biologist., MOL CELL 55: (2) 161-169, 2014





 

Projekt eseményei

 
2017-07-27 13:11:59
Résztvevők változása
2016-05-13 07:44:43
Résztvevők változása
2014-09-26 15:52:07
Résztvevők változása




vissza »