Fehérje folding és amiloid csoport

Leader of the group

József Kardos senior lecturer

Members of the group

Tamás Molnár assistant lecturer

András Micsonai research fellow

Nikoletta Murvai PhD candidate

Éva Bulyáki PhD candidate

Judit Kun PhD candidate

Henrietta Vadászi PhD candidate

Éva Moussong PhD student

Vilmos Tóth PhD student

Vanda Tukacs PhD student

Attila Kovács graduate

Enikő Fodor graduate

Activity

Research areas

Az aggregációt elindító folyamatok és az amiloid szálak szerkezetét stabilizáló tényezők molekuláris szintű vizsgálata

Alternatív folding útvonalak: a β2-m natív szerkezetének kialakulása (A) és az amiloidképződés (B) sematikus ábrázolása (Kardos et al., J. Biol. Chem. 2004)

Az aggregációt elindító folyamatok és az amiloid szálak szerkezetét stabilizáló tényezők molekuláris szintű vizsgálata

Társadalmilag egyre súlyosabb problémát okoznak a fehérjék kóros aggregációjához társuló degeneratív betegségek, mint pl. az Alzheimer-kór, Parkinson-kór vagy a vesedialízishez kötődő amiloidózis. Ennek ellenére keveset tudunk az amiloid szálak szerkezetéről és kialakulásuk mechanizmusáról. Célunk, hogy molekuláris szinten tanulmányozzuk az aggregációt elindító folyamatokat és az amiloid szálak szerkezetét stabilizáló tényezőket. Multidiszciplináris megközelítésünkben molekuláris biológiai, biofizikai, biokémiai, és bioinformatikai módszereket alkalmazunk, többek között heterológ expressziós rendszert, atomerő mikroszkópiát, fluoreszcencia és CD spektroszkópiát, izotermális titrációs kalorimetriát, in silico dokkolást és molekuladinamikai modellezést. Kidolgoztunk egy eljárást, amivel az ismert térszerkezetű fehérjék esetében megjósolható az amiloidképződésre való hajlam. Vizsgáltuk a β2-mikroglobulin (β2m) amiloidképződését meghatározó körülményeket. Megállapítottuk, hogy a réz-ionok specifikusan kötődnek a fehérjemolekulához és annak szerkezetét fellazítják, elősegítve az amiloidképződést. Kimutattuk, hogy a Na-dodecil szulfát (SDS) már kis koncentrációban (100 μM) is denaturálja a β2-mikroglobulin szerkezetét és amiloidképződést indukál. Tanulmányoztuk a pH és ionerősség hatását a natív β2m szerkezetére és stabilitására, az aggregációs folyamatra, az aggregátumok morfológiájára. Elsőként dolgoztunk ki módszert az amiloidképződés termodinamikai paramétereinek mérésére izotermális titrációs kalorimetria segítségével. Meghatároztuk a β2m polimerizációjához tartozó hőkapacitás, entalpia, szabadenergia értékeket, konkrét következtetéseket vonva le az amiloid formát stabilizáló kölcsönhatások természetét és hozzájárulását illetően. Nem tisztázott, hogy a megemelkedett fehérjekoncentráción kívül milyen más faktorok játszanak szerepet az amiloidképződésben in vivo. A lizofoszfatidsav (LPA) a lipid metabolizmus köztiterméke, de újabban mint jelátvivő molekulát ismertük meg, melynek főbb élettani hatásai: a sejtciklus, a sejtmozgékonyság, a differenciáció, a Ca2+-homeosztázis szabályozása és az apoptózis gátlása. Emelkedett LPA koncentrációt mutattak ki dialízises betegeknél. Eredményeink azt mutatják, hogy az LPA destabilizálja a natív β2m szerkezetét és amiloidképződést indukál. Egyéb témák együttműködésben: az enzimek stabilitása, konformációs flexibilitása és működése közötti összefüggések kutatása; a komplement rendszer moduláris szerin proteázainak szerkezete és működése; fehérje-ligandum kölcsönhatások vizsgálata izotermális titrációs kalorimetriával.

Neurodegeneratív betegségek hátterében álló fehérjeaggregáció gátlásának vizsgálata

2018-2.1.17-TÉT-KR-2018-00008 számú koreai-magyar TÉT nemzetközi együttműködési projekt a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap támogatásával

Számos, ma még gyógyíthatatlan neurodegeneratív betegség hátterében, mint például az Alzheimer-kór és a Parkinson-kór, a fehérjék kóros aggregációja áll. Az elmúlt 10 év kutatási eredményei megmutatták, hogy alkalmasan választott, többnyire extrém körülmények között szinte minden polipeptid lánc képes aggregációra és rendezett szerkezetű polimerek, amiloid szálak képzésére. Az azonban nem ismert, hogy az emberi szervezetben előforduló több tízezer különböző fehérje rendkívül nagy száma ellenére miért csak néhány tucat fehérje okoz ilyen típusú betegséget. Nem ismertek továbbá az aggregációt gátló molekuláris mechanizmusok, és kevés aggregációt gátló molekulát ismerünk. A koreai féllel történő együttműködés keretében vizsgáljuk a fehérjeaggregáció gátlásának lehetőségeit, és peptid, illetve fehérje típusú inhibitorok fejlesztésében veszünk részt. Heterológ expressziós rendszerben termeljük és megtisztítjuk többek között az Alzheimer-kór hátterében álló béta-amiloid peptid és a Parkinson-kórért felelős alpha-szinuklein fehérje különböző formáit. Ezeken teszteljük a koreai fél által előállított inhibitormolekulák aggregációt gátló, az aggregátumok szerkezetére, stabilitására gyakorolt hatását változatos biofizikai és spektroszkópiai módszerekkel. Kutatjuk az amiloidogén átmeneti állapot, illetve a fehérje-inhibitor komplexek szerkezetét. Az in vitro hatásosnak bizonyult molekulákat sejttenyészeten végzett citotoxicitás-méréseknek vetjük alá, illetve megvizsgáljuk in vivo. Az élő rendszerre gyakorolt hatást proteomikai módszerekkel is vizsgáljuk. Reményeink szerint a kétoldalú együttműködés eredményei hozzájárulnak a valódi oki terápiák kidolgozásához a jöveőben.

 

Szerkezetvizsgáló módszer fejlesztése a fehérjék másodlagos szerkezetének és foldjának vizsgálatára

A cirkuláris dikroizmus (CD) és az infravörös spektroszkópia széles körben használt módszer a fehérjék másodlagos szerkezetének tanulmányozására. A kutatócsoportunk által kidolgozott BeStSel elnevezésű CD spektrum elemző algoritmus, mely figyelembe veszi a béta-lemezes szerkezetek orientációját és csavarodását, minden eddigi algoritmusnál pontosabb becslést ad a fehérjék szerkezetösszetételéről (Micsonai és mtsai, PNAS 112:E3095, 2015). A módszer alapján egy szabadon elérhető adatelemző webszervert is létrehoztunk (Micsonai és mtsai, NAR 46:W315, 2018), mely a https://bestsel.elte.hu címen érhető el. A publikációk jelentős nemzetközi fogadtatásra leltek, a Web of Science Highly Cited-ként jegyzi őket, utóbbi publikációnk pedig a tudományterületi felső 0,1%-ot jelentő Hot paper címet is két ízben elnyerte. A módszer széles felhsználási köréből kiemelkednek a rendezetlen és globuláris fehérjék aggregációját, valamint a nanorészecske-fehérje interakciót vizsgáló kutatások. Jelenleg a módszer további fejlesztését és a fenti felhasználási lehetőségek mélyebb kiaknázását, mérési és kiértékelési protokollok kidolgozását tűztük ki célul. Ezzel egy olcsó és egyszerű kísérletes módszert kínálunk többek között a funkcionális genomika, a gyógyszerfejlesztés és a fehérjemérnökség területén dolgozó alap és alkalmazott kutatók közössége számára. A projektet a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap támogatja (KTIA_NAP_13-2-2014-0017, KH_125597, K_120391, K_138937,PD_135510).

https://bestsel.elte.hu

Collaborations

Home side

Závodszky Péter
Tantos Ágnes
Tőke Orsolya
Tompa Péter
(ELKH TTK Enzimológiai Intézete, Budapest)

Liliom Károly
Kellermayer Miklós
(SE Biofizikai Intézet, Budapest)

Bokor Mónika
Tompa Kálmán
(SzFKI, Budapest)

Juhász Gábor
Kékesi Adrienna Katalin
(ELTE Biológiai Intézet, Proteomikai Kutatócsoport)

Perczel András
(ELTE Kémiai Intézet)

Dosztányi Zsuzsanna
Nyitray László
(ELTE Biokémiai Tanszék)

International

Yuji Goto
(Osaka University, Japán)

Rino Esposito
(NYUAD, Abu Dhabi)

Frank Wien
Matthieu Réfrégiers
(SOLEIL Synchrotron, Franciaország)

Young-Ho Lee
(KBSI, Korea)

Kyou-Hoon Han
(KRIBB, Korea)

Supporters

Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal

Nemzeti Agykutatási Program

OTKA

MTA

TéT

Selected publications

  • Micsonai A, Wien F, Bulyáki É, Kun J, Moussong É, Lee YH, Goto Y, Réfrégiers M, Kardos J.
    BeStSel: a web server for accurate protein secondary structure prediction and fold recognition from the circular dichroism spectra (2018)
    Nucleic Acids Research 46:W315-W322
  • Györffy BA, Kun J, Török G, Bulyáki É, Borhegyi Zs, Gulyássy P, Kis V, Szocsics P, Micsonai A, Matkó J, Drahos L, Juhász G, Kékesi KA, Kardos J.
    Local apoptotic-like mechanisms underlie complement-mediated synaptic pruning (2018)
    Proc Natl Acad Sci USA 115(24):6303-6308
  • Micsonai A, Wien F, Kernya L, Lee YH, Goto Y, Refregiers M, Kardos J.
    Accurate secondary structure prediction and fold recognition for circular dichroism spectroscopy. (2015)
    Proc Natl Acad Sci USA 112(24):E3095-E3103
  • Kardos, J., Harmat, V., Pallo, A., Barabas, O., Szilágyi, K., Gráf, L., Náray-Szabó, G., Goto, Y., Závodszky, P. & Gál, P.
    Revisiting the mechanism of the autoactivation of the complement protease C1r in the C1 complex: structure of the active catalytic region of C1r. (2008)
    Mol Immunol 45, 1752-60.
  • Kardos, J., Okuno, D., Kawai, T., Hagihara, Y., Yumoto, N., Kitagawa, T., Závodszky, P., Naiki, H. & Goto, Y.
    Structural studies reveal that the diverse morphology of beta(2)-microglobulin aggregates is a reflection of different molecular architectures. (2005)
    Biochim Biophys Acta 1753, 108-20
  • Kardos, J., Yamamoto, K., Hasegawa, K., Naiki, H. & Goto, Y.
    Direct measurement of the thermodynamic parameters of amyloid formation by isothermal titration calorimetry. (2004)
    J Biol Chem 279, 55308-14.