A genom-integritás megőrzésének molekuláris mechanizmusai (EGT/Norvég Alap HU0069/NA/2006-2/PA-8)
Title in English
Molecular mechanisms of genome maintenance
Keywords in Hungarian
DNS hibajavítás, molekuláris motorok, enzim, fehérje, DNS, helikáz
Keywords in English
DNA repair, molecular motors, helicase, SDSA
Discipline
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Ortelius classification: Molecular biology
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Ortelius classification: Biochemistry
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Ortelius classification: Biophysics
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Department of Biochemistry (Eötvös Loránd University)
Participants
Gyimesi, Máté Sarlós, Kata
Starting date
2009-04-01
Closing date
2011-03-31
Funding (in million HUF)
25.100
FTE (full time equivalent)
1.80
state
closed project
Summary in Hungarian
A pályázat célja, hogy feltárjuk a homológ rekombináción alapuló DNS hibajavító folyamatok molekuláris alapjait. A DNS károsodások kijavításában és a genetikai információ pontos továbbadásában központi szerepet játszó DNS helikázok a baktériumoktól az emberig minden élő szervezetben megtalálhatóak. Ezen enzimek hibás működése nagyban növeli a rákos megbetegedések kialakulásának esélyét és gyorsítja az öregedési folyamatokat. Vizsgálatunk tárgya a humán BLM (Bloom szindróma) helikáz, mely az egyik legfontosabb résztvevője mind a Holliday szerkezetek feloldásán, mind a szintézisfüggő szál-anelláláson (SDSA) alapuló hibajavítási útvonalaknak. Felderítjük a magasabb rendű DNS struktúrák (D-hurok, Holliday-szerkezet) BLM által történő felismerésének folyamatát, valamint ezen szerkezetekben a DNS széttekerését, a szálvándoroltatást és a szálak összeillesztését magában komplex aktivitást. Vizsgáljuk továbbá a BLM-oligomerizáció és más fehérjepartnerekkel való kölcsönhatások hatását a fenti folyamatokra. Kísérleteinkben helyspecifikus fluoreszcens jeleken alapuló gyorskinetikai méréseket, valamint hazai és külföldi kollaboráció keretében elektronmikroszkópos és atom-erő-mikroszkópos szerkezeti vizsgálatokat alkalmazunk. Mivel a BLM helikáz kulcsszerepet játszik a genetikai integritás megőrzésében, vizsgálatuk elengedhetetlen számos rákos megbetegedéshez vezető folyamat megértéséhez és szabályozásához.
Summary
The aim of this project is to elucidate the molecular basis of homologous recombination-based DNA repair processes. DNA helicases essentially contribute to the repair of DNA lesions and error-free transmission of genetic information during replicative processes. These enzymes are present in organisms ranging from bacteria to humans. Their malfunctions cause high cancer predisposition and accelerated ageing. We focus our research on BLM (Bloom syndrome) helicase, which is an essential component of both the Holliday junction resolution and the synthesis-dependent strand-annealing repair pathways. We seek to elucidate the mechanisms of recognition of complex DNA structures by BLM, and the DNA unwinding, branch migrating and strand annealing activities of BLM during processing of recombination intermediates such as displacement loops and Holliday junctions. We will also study how BLM oligomerisation and its interaction with other proteins influence the above processes. Our experimental setup includes transient kinetic assays using site specific fluorescence tags and structural studies using electron microscopy and atomic force microscopy in domestic and international collaborations. Since BLM helicase is a key player in the maintenance of the integrity of genetic material, research in this area is indispensable for understanding and controlling processes that lead to a range of cancerous diseases.
Final report
Results in Hungarian
A projekt során a homológ rekombináción alapuló DNS-hibajavításban kulcsszerepet játszó DNS-helikáz enzimek (humán Bloom-szindróma (BLM) és bakteriális RecQ helikázok) működésmódjait derítettük fel. A RecQ-családba tartozó DNS-helikázok hibás működése emberben magas rák-prediszpozíciót és felgyorsult öregedést eredményez. Kidolgoztunk egy, a nukleinsavak mentén mozgó motorenzimek (pl. DNS-helikázok) legfontosabb működési sajátságainak meghatározására alkalmas analitikai eljárást. E módszer segítségével megalkottuk a RecQ és BLM enzimek mechanokémiai működésének részletes kvantitatív modelljeit. Felfedeztük, hogy a BLM helikáz a monomer és oligomer állapotok közötti dinamikus váltásra képes attól függően, hogy a rekombináció során milyen DNS-szerkezetekkel kerül kölcsönhatásba. Felderítettük a BLM enzim különböző szerkezeti elemeinek a DNS-hibajavítás során mutatott aktivitásokban betöltött szerepeit is. Mivel a BLM helikáz a genomépség fenntartásának elengedhetetlen szereplője, felfedezéseink hozzájárulnak a rákos megbetegedésekhez vezető élettani folyamatok pontosabb megértéséhez és befolyásolásának lehetőségéhez.
Results in English
This project was aimed at the elucidation of the mechanisms of action of DNA helicases during homologous recombination-based DNA repair processes. DNA helicases essentially contribute to the repair of DNA lesions and error-free transmission of genetic information. Their malfunctions cause high cancer predisposition and accelerated ageing. We investigated the mechanisms of action of the human BLM (Bloom syndrome) and E. coli RecQ helicases. We developed an analytical method suitable for the determination of all key functional parameters of nucleic-acid based motor enzymes, including helicases. Based on this method, we provided quantitative mechanochemical models for the translocation of BLM and RecQ helicases along DNA. We also discovered that BLM dynamically switches between monomeric and oligomeric assembly states during various stages of recombination, depending on the DNA structure encountered. Furthermore, we identified the roles of different domains of BLM helicase in its enzymatic activities exerted during DNA repair processes. As BLM helicase is a key player in the maintenance of the integrity of genetic material, the obtained new insights will aid future efforts to understand and control biological processes that lead to a range of cancerous diseases.
Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M.: Processive translocation mechanism of the human Bloom’s syndrome helicase along single-stranded DNA, EMBO Meeting on Helicases and Nucleic Acid Machines, Les Diablerets, Svájc, 2009
Sarlós, K., Gyimesi, M., Kovács, M.: Mechanism of DNA-dependent enzymatic activation of Escherichia coli RecQ helicase, EMBO Meeting on Helicases and Nucleic Acid Machines, Les Diablerets, Svájc, 2009
Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M.: A humán Bloom szindróma helikáz processzív transzlokációs mechanizmusa, A Magyar Biokémiai Egyesület Vándorgyűlése, Budapest, 2009
Sarlós, K., Gyimesi, M., Kovács, M.: A DNS-függő enzimaktiváció szerepe a RecQ helikáz működésében, A Magyar Biokémiai Egyesület Vándorgyűlése, Budapest, 2009
Sarlós, K., Gyimesi, M., Kovács, M.: Mechanism of DNA-dependent enzymatic activation of Escherichia coli RecQ helicase, 54th Annual Meeting of the Biophysical Society, San Francisco, CA, USA, 2010
Gyimesi, M. Sarlós, K., Harami, G., Kocsis, Z., Kovács, M.: Deciphering the mechanochemistry of RecQ-family DNA helicases, EMBO DNA Repair Meeting, Brno, Czech Republic, 2010
Gyimesi Máté, Vellai Tibor, Kovács Mihály: A genetikai állomány stabilitása: helikáz enzimek szerepe a DNS-hibajavításban, Természet Világa, 2010. március, 2010
Sarlós Kata, Gyimesi Máté, Kovács Mihály: Anyagmozgatás és információ-továbbítás a sejtben: biológiai motorok, Természet Világa 2009. május, 2009
Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M.: Two RecA domains comprise a minimal functional unit of the human BLM helicase, 55th Annual Meeting of the Biophysical Society, Baltimore, MD, USA, 2011, 2011
