A plazmamembrán nanostruktúrák szerepe a hőérzékelésben  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
112372
típus ANN
Vezető kutató Török Zsolt
magyar cím A plazmamembrán nanostruktúrák szerepe a hőérzékelésben
Angol cím Role of plasma membrane nanostructures during heat sensing
magyar kulcsszavak membrán szerkezet, lipid tutaj, egyedi molekulák követése, sejt heterogenitás, hőstressz
angol kulcsszavak membrane structure, lipid raft, single molecule tracking, cell-to-cell heterogeneity, heat stress
megadott besorolás
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)60 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biológia
Biofizika (pl. transzport-mechanizmusok, bioenergetika, fluoreszcencia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)20 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biofizika
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)20 %
Ortelius tudományág: Biokémia
zsűri Molekuláris és Szerkezeti Biológia, Biokémia
Kutatóhely Biokémiai intézet (Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők Balogh Gábor
Gombos Imre
Horváth Ibolya
Hunyadi-Gulyás Éva Csilla
Medzihradszky Katalin
Peksel Begüm
Péter Mária
Vígh László
projekt kezdete 2014-11-01
projekt vége 2018-10-31
aktuális összeg (MFt) 32.782
FTE (kutatóév egyenérték) 9.40
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A sejtszintű stresszválasz vizsgálata alapvető fontosságú annak megértéséhez, hogy a sejtek miképpen reagálnak és alkalmazkodnak a környezet különböző változásaihoz, különösen patológiás körülmények között. A klasszikus elképzelés szerint a hősokk (stressz) válasz (HSR) a fehérjedenaturáció következménye. A hősokk fehérje (Hsp) molekuláris chaperonok azonban olyan körülmények között is indukálódnak, amikor fehérje denaturáció nem figyelhető meg. Mára számottevő bizonyíték gyűlt össze az ún. " membrán szenzor” hipotézis javára, amely szerint a plazmamembrán specifikus módosulásai is képesek megváltoztatni a Hsp-k expresszióját. A jelen projektben együttműködő két laboratórium célja, hogy egyesítve az egymást kiegészítő molekuláris stresszbiológiai (Szeged) és az egyedi molekulák követésén alapuló mikroszkópiás szaktudásukat (Bécs) azonosítsák a plazmamembrán nanostruktúrájában hő hatására létrejővő azon specifikus változásokat, amelyek a jelképzés alapjai. Célunk, hogy a korszerű ultraszenzitív mikroszkópia, a lipidomika és proteomika kombinációjával tanulmányozzuk a hőérzékelés és a membrán nanostruktúra egysejt szintű variabilitását genetikailag homogén emlős sejt populációban. A célkitűzéseink a következőek: 1) kapcsolatot találni a hőérzékelés sejt szintű heterogenitása és a membrán nanoszkopikus szerkezete és dinamikája között, 2) összefüggést mutatni a membrán összetétele és szerkezeti érzékenysége között, 3) feltárni a hőérzékelés korai eseményeinek sorrendjét, 4) azonosítani új, membrán lokalizált szenzorokat. Mivel a hibásan szabályozott HSR számos betegség jellemzője, ez a tanulmány új lehetőségeket kínál a klinikai beavatkozások és innovatív terápiák területén.

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 membránhoz kötött stresszérzékelés és a hozzá kapcsolódó jelátviteli utak megértéséhez nélkülözhetetlen a membránok tranziens domén szerveződését érintő nanoszerkezeti változások és a jelátvitel összefüggéseinek feltárása. Ultraszenzitív fluoreszcencia mikroszkópia segítségével rendkívül nagy tér- és időbontásban követhetjük a stressz hatására lezajló folyamatokat egyedi sejt szinten. A részletes lipidomikai és proteomikai analízissel párhuzamosan egyedi molekulák követésén alapuló mikroszkópiát (TOCCSL) és képalkotáson alapuló fluoreszcencia korrelációs spektroszkópiát (FCS) alkalmazunk. A stressz érzékelés korai eseményei azonosítása céljából a módszereket a stresszválasz sejtszintű inividualitásának követésére és a plazmamembrán összetételében bekövetkező változások feltérképezésére optimalizáljuk. Hipotézisünk szerint a hőmérséklet hatására bekövetkező membrán átrendeződések individualitása szorosan összefügg a sejtek válaszadó képességével ill. az adott válasz erősségével. Célul tűzzük ki a membránok kiindulási összetétele és a hő indukálta membránváltozások közötti összefüggések megértését. Bár legfőbb célunk a hőmérséklet-szenzor(ok) azonosítása a felszíni membránban, meg kívánjuk határozni, hogy a sejtciklus milyen mértékben határozza meg a sejtek hőérzékelő képességét. Mivel egyre több bizonyíték utal a klasszikus membrán “trafficking” útvonalak (endocitotikus, szekréciós) ill. az exoszómák, mikrovezikulák felszabadulásának szerepére a stressz jelátvitelben és a lülönböző védelmi mechanizmusok elindításában, ezért tanulmányozni fogjuk a mindezideig még nem vizsgált hő indukálta “out of plane” membrán átrendeződéseket is.

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 celluláris hőkárosodást megelőzendő, az emelkedő környezeti hőmérséklet pontos monitorozása döntő jelentőségű a különböző molekuláris védelmi mechanizmusok időbeli aktiválásában. Hogy modellünket, amelyben az elsődleges stressz-érzékelő a plazmamembrán tovább jellemezhessük, célunk az, hogy először felismerjük és tanulmányozzuk a korai hőérzékelés és jeltovábbítás rendkívül komplex elemeit. Mint prominens citoprotektív ágensek, a hősokk fehérje ( Hsp ) molekuláris chaperonok lehetővé teszik a sejtek és szervezetek számára, hogy ellenálljanak a stressznek ill. hogy felépüljenek a stresszből. Az elmúlt években a Hsp-k további, un. „moonlighting”, másodlagos, a “folding” aktivitásuktól független funkcióira derült fény. Kiderült, hogy Hsp-k megvédik a sejtszervecskéket, stabilizálják a membránokat, késleltetik, vagy megakadályozzák az apoptózist, csökkentik az oxidatív és a szabad gyökök által okozott károkat, korlátozzák a gyulladásos választ, fokozzák az immunrendszer aktivitását, eltávolítják a visszafordíthatatlanul sérült celluláris fehérjéket. Figyelembe véve, hogy a legtöbb betegségben (mint például a rák, különböző neurodegeneratív betegségek, a 2. típusú diabétesz) hibás (serkentett vagy csökkent) a Hsp válasz, a plazmamembrán megfelelő módosítása mindezideig fel nem ismert, új fontos eszköze lehet a hősokkválasz normalizálásának. A plazmamembrán módosítására fókuszáló Hsp modulációs stratégiák ( " Membrán Lipid Therapy" ) potenciálisan magas terápiás értékkel rendelkeznek.
Nagy információ tartalmú ultraszenzitív módszerek, beleértve a képalkotáson alapuló sejt analízist és / vagy lipidomikát és proteomikát, azonosítani tudjuk a membrán mikrodomén szerkezetének azon specifikus változásait, amelyek szelektíven finomszabályozzák a Hsp-k expresszióját. Annak alapos megértése, hogy hőstressz során hogyan és miért alakulnak át/változnak a lipid mikrodomének alapvető, hogy azonosítsuk a membrán domén struktúrájának azon specifikus válztozásait, amelyek a hősokkfehérjék expressziójának szelektív finomításához vezetnek. Az új ismeretek segíthetnek megérteni annak okait, hogy egy heterogén sejtpopuláció kis alpopulációja hogyan határozza meg számos kóros állapot kimenetelét.

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 élő szervezetek stresszkörülményekhez való sikeres alkalmazkodását egymást szabályszerűen követő adaptív reakciók sorozata biztosítja, amelyet együttesen stresszválasznak nevezünk. A stresszadaptáció és a stressztűrés az élet alapvető feltétele. A sejtszintű stresszválasz vizsgálatának kiemelkedő jelentősége van annak megértésében, hogy a sejtek miképpen válaszolnak és alkalmazkodnak a megváltozott környezeti feltételekhez és különösképpen a patofiziológiás körülményekhez. Jelen pályázatban együttműködő két laboratórium célja emlős sejtekben a sejtfelszíni membrán hőstresszre bekövetkező változásainak azonosítása. Mivel a különböző stresszhatásokra a sejtek hasonló módon reagálnak ezért a hőérzékelés mechanizmusának feltárása egyetemes érvényű, vagyis a legkülönbözőbb környezeti stresszhatásokra is igaz következtetések levonását teszi számunkra lehetővé. A két pályázó laboratórium komplement szaktudásának ötvözése a stresszbiológia (Szeged) és az ultraszenzitív mikroszkópia (Bécs) területein eddig fel nem ismert lehetőségeket tárhatnak fel a stresszérzékelés ill. stresszválasz befolyásolására. Megközelítésünk új utakat nyithat azoknak a betegségeknek a terápiás kezelésében, melyekben a sejtek stresszválaszadó képessége bizonyítottan hibás (neurodegeneratív betegségek, 2-es típusú diabétesz, rák, öregedés, stb.). Végezetül tanulmányozni fogjuk a stresszválasz individuális sejt szintjén megfigyelhető variabilitását is annak megértése érdekében, hogy miért határozhatja meg néhány sejt extrém stresszválaszadó képessége egy teljes populáció sorsát a különböző betegségekben.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Cellular stress response is of great importance to our understanding of how cells respond and adapt to various changes in their environment especially during pathophysiological conditions. The classic heat shock (stress) response (HSR) was originally attributed to protein denaturation. However, induction of the heat shock protein (Hsp) molecular chaperones occurs in many circumstances where no protein denaturation is observed. Considerable evidence has been accumulated to the favor of the "Membrane Sensor Hypothesis" which predicts that the level and ratio of Hsps is changed as a result of alterations to the plasma membrane. The two laboratories collaborating in the current project aim to identify heat induced specific alterations of membrane nanostructures leading to the generation of stress signals by combining their complement expertise on the field of molecular stress biology (Szeged) and single molecule microscopy (Vienna). We aim to study the individual variability of membrane nanostructure in a genetically homogeneous mammalian cell population by combining state of the art ultrasensitive microscopy, lipidomics and proteomics analysis. Our specific objectives are to 1) link the population heterogeneity of heat sensing with the membrane nanoscopic organization and dynamics, to 2) elucidate the correlation between membrane composition and structural responsiveness, to 3) identify the sequence of early events during the perception of temperature stress and to 4) identify novel membrane localized sensors. Since a deregulated HSR is found in a large number of important diseases this study will offer new opportunities for clinical interventions and innovative therapies.

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.

In order to understand the membrane associated stress sensing- and signaling events it is of great importance to explore how the membrane nanostructure consisting of transient spatial domains modulates signaling and how the signaling influences this nanostructure. During the imposition of stress on cells we zoom in on individual cells using ultrasensitive, fluorescent microscopy with a very high spatial and temporal resolution. In parallel with detailed lipidomics and proteomic analysis single molecule microscopy (TOCCSL) and image FCS will be applied. The methods will be optimized to characterize the cellular individuality of the stress response and of mapping the changes in the composition of plasma membrane enabeling us the identification of the early events of stress sensing- and signaling. Our hypothesis is that the cell-to-cell variation of temperature induced membrane remodeling is closely related to both the level and the capability of stress sensing. We aim to understand how the pre-existing composition of membranes and heat induced membrane alterations are inter-related. Although our ultimate goal is to identify the primary heat sensor(s) in surface membrane, we also address, that to what extent the particular cell cycle phase determines the ability of the cells to sense heat stress. Mounting evidence indicates the involvement of both the classical trafficking pathways (endocytic and secretory) and the release of exosomes and microvesicles both in stress signal transduction and execution of multiple stress defence responses. Therefore we will also investigate these novel heat induced “out of plane” membrane rearrangements.

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.

An accurate assessment of the rising ambient temperature by cells is crucial for the timely activation of various molecular defences before the appearance of heat damage. To further characterize a model in which a primary stress sensory role is carried out by the plasma membrane, our present aim is to firstly explore and study the key components of the highly compex, early heat sensing- and signalling process. As the prominent cyto-protective agents, heat shock proteins (Hsps) enable cells and thus organ systems to resist as well as recover from stress. Additional, so-called "moonlighting" functions of Hsps, unrelated to their folding activity have emerged, however,in the past years. In fact, it became apparent that Hsps can preserve cellular organelles, stabilize membranes, delay or prevent apoptosis, reduce oxidative and free radical damage, limit inflammatory response, aid in immune tolerance or augment immune activation and remove irreversible damaged cellular proteins. Considering that multiple diseases (like cancer, most various neurodegenerative diseases, type 2 diabetes) are all associated with inadequate (upregulated or decreased) heat shock protein (Hsp) response, plasma membrane modulating tools with the ability to influence the heat shock response could be of key and hitherto unexpected importance. Hsp-modulating strategies centering on (plasma) membrane modulations (“Membrane Lipid Therapy”) are potentially of high therapeutic value.
By the application of high-content ultrasensitive methods, including image based cell profiling and/or lipidomics and proteomics, we can identify specific changes in membrane domain structure leading to selective refinement of the expression of Hsps. This approach can open novel avenues in the therapeutic interventions of most various diseases. A thorough understanding of how and why lipid domains are reassembled upon heat stress is essential to the identification of specific changes in membrane domain structure leading to selective refinement of the expression of heat shock proteins. This new knowledge in a heterogeneous cell population could help us to understand why a small subpopulation of cells could determine the outcome of many disease states.

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 reactions that help the organisms to adapt to stressful conditions generally follow a programmed series of events termed stress response. The adaptability and resistance to stress are fundamental prerequisites for life. Investigation of the cellular stress response is of great importance to our understanding of how cells respond and adapt to various changes in their environment especially during pathophysiological conditions. The two laboratories collaborating in the current project aim to identify heat stress induced alterations of the cellular membrane that surrounds the cell’s interior. Since the cells respond to different stressors in a similar manner by the investigation of heat-sensing we can make general conclusions for the sensing of other environmental or pathophisiological stimuli. Based on our complement expertise on the fields of stress biology (Szeged) and ultrasensitive microscopy (Vienna) we hope to identify new possibilities for intervention to modulate stress sensing. Our approach could open novel avenues for therapeutic interventions of most various diseases in which the ability of the cells to respond to stress is inadequate (neurodegenerative diseases, type 2 diabetes, cancer, aging etc.). We will study the cell-to-cell variability of the stress response in order to understand why a small subpopulation of cells could determine the outcome of many disease states.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A sejtek környezeti változásokra adott válaszának ill. alkalmazkodóképességének megértése érdekében a stresszválasz tanulmányozása rendkívüli jelentőséggel bír, különösen patofiziológiás körülmények között. A jelen projektben együttműködő két laboratórium célja, hogy egyesítve az egymást kiegészítő molekuláris stresszbiológiai (Szeged) és az egyedi molekulák követésén alapuló mikroszkópiás szaktudásukat (Bécs) azonosítsák a plazmamembrán nanostruktúrájában hő hatására létrejövő azon specifikus változásokat, amelyek a jelképzés alapjai. Jelen projekt során az enyhe lázszerű hősokk membránszerveződésre, valamint a HSP szintézisre és lokalizációra gyakorolt akut hatásait ultraszenzitív fluoreszcencia mikroszkópia és lipidomika kombinációjával jellemeztük különös tekintettel a membránok hőérzékelésben és alkalmazkodásban betöltött szerepére. Elsőként jellemeztünk egy láz-szerű enyhe sejtszintű „Eustressz” tartomány molekuláris részleteit, mely során a membrán homeosztázisuk fenntartásával, lipid-átrendeződés aktivációjával és a dajkafehérjék átrendeződésével az emlős sejtek termotoleranciája nő. E védelmi mechanizmus érdekessége, hogy nem igényli a stresszfehérjék szintjének megemelkedését. Eredményeink rámutattak arra, hogy az egyedi sejtek nagyon eltérően reagálnak az enyhe, közepes és súlyos stresszszintekre, így akut és szerzett stressztoleranciájuk nagyon eltérő lehet.
kutatási eredmények (angolul)
The study of the cellular stress response is of great importance to our understanding of how cells respond and adapt to various changes in their environments especially during different pathophysiological conditions. The two laboratories collaborating in the current project aimed to identify heat induced specific alterations of membrane nanostructures leading to the generation of stress signals by combining their complement expertise on the field of molecular stress biology (Szeged) and single molecule microscopy (Vienna).We characterized the acute effect of mild, fever-range heat shock on membrane organization, and HSP synthesis and localization in mammalian cell lines to shed light on the role of membranes in sensing and adapting to heat. We have delineated the molecular details of a mild type of cellular eustress, when the mammalian cells adapt to fever-type mild heat by maintaining membrane homeostasis, activating lipid remodeling, and redistributing chaperone proteins, leading to acquired thermotolerance; strikingly, these processes occur in the complete absence of the induction of HSPs.). Our results highlighted the fact that individual cells respond very differently to mild, moderate and severe stress levels, thereby their acute and acquired stress resistance could vary.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112372
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Peksel, B., Gombos, I., Péter, M., Vigh, L. Jr., Tiszlavicz, Á., Brameshuber, M., Balogh, G., Schütz, G.J., Horváth, I., Vígh, L., Török, Z.: Mild heat induces a distinct “eustress” response in Chinese Hamster Ovary cells but does not induce heat shock protein synthesis, Scientific Reports 7: 15643. doi:10.1038/s41598-017-15821-8, 2017
Glatz, A., Pilbat, A-M., Németh, G.L., Vince-Kontár, K., Jósvay, K., Hunya, A., Udvardy, A., Gombos, I., Péter, M., Balogh, G., Horváth, I., Vígh, L., Török, Z: Involvement of small heat shock proteins, trehalose, and lipids in the thermal stress management in Schizosaccharomyces pombe, Cell Stress Chaperones, 2015
Brameshuber, M., Sevcsik, E., Rossboth, B., Manner, C., Deigner, H-P., Peksel, B., Péter, M., Török, Z., Hermetter, A: Oxidized phospholipids inhibit the formation of cholesterol-dependent plasma membrane nanoplatforms., Biophysical Journal, 2015
Escriba PV, Busquets X, Inokuchi JI, Balogh G, Torok Z, Horvath I, Harwood JL, Vigh L: Membrane lipid therapy: Modulation of the cell membrane composition and structure as a molecular base for drug discovery and new disease treatment., PROG LIPID RES 59: 38-53, 2015
Glatz, A., Pilbat, A-M., Németh, G.L., Vince-Kontár, K., Jósvay, K., Hunya, A., Udvardy, A., Gombos, I., Péter, M., Balogh, G., Horváth, I., Vígh, L., Török, Z: Involvement of small heat shock proteins, trehalose, and lipids in the thermal stress management in Schizosaccharomyces pombe, Cell Stress Chaperones, 2015
Escriba PV, Busquets X, Inokuchi JI, Balogh G, Torok Z, Horvath I, Harwood JL, Vigh L: Membrane lipid therapy: Modulation of the cell membrane composition and structure as a molecular base for drug discovery and new disease treatment., PROG LIPID RES 59: 38-53, 2015
Brameshuber, M., Sevcsik, E., Rossboth, B., Manner, C., Deigner, H-P., Peksel, B., Péter, M., Török, Z., Hermetter, A: Oxidized phospholipids inhibit the formation of cholesterol-dependent plasma membrane nanoplatforms., Biophysical Journal, 2016
Péter, M., Glatz, A., Gudmann, P., Gombos, I., Török, Z., Horváth, I., Vígh, L., Balogh, G.: Metabolic crosstalk between membrane and storage lipids facilitates heat stress management in Schizosaccharomyces pombe., PLoS One, 12, e0173739. doi: 10.1371/journal.pone.0173739, 2017
Koprivanacz, K., Tőke, O., Besztercei, B., Juhász, T., Radnai, L., Merő, B., Mihály, J., Péter, M-, Balogh, G., Vígh, L., Buday, L., Liliom, K: The SH3 domain of Caskin1 binds to lysophosphatidic acid suggesting a direct role for the lipid in intracellular signaling., Cellular Signalling 32, 66-75. doi: 10.1016/j.cellsig.2017.01.019, 2017
Tóth, E.A., Oszvald, Á., Péter, M., Balogh, G., Osteikoetxea-Molnár, A., Bozó, M., Szabó-Meleg, E., Nyitrai, M., Derényi, I., Kellermayer, M., Yamaji, T., Hanada, K., Vígh, L., Matkó, J.: Nanotubes connecting B lymphocytes: High impact of differentiation-dependent lipid composition on their growth and mechanics., Biochim. Biophys. Acta – Mol. Cell Biol. Lipids 1862, 991–1000. doi: 10.1016/j.bbalip.2017.06.011, 2017
Begüm Peksel Şahin: Sensing mechanisms and individuality of heat stress in mammalian cells, http://doktori.bibl.u-szeged.hu/4146/1/BegumPEKSEL_PhDThesis_092017.pdf, 2017




vissza »