BME Vegyészés Biomérnöki Kar MTA Enzimológiai Intézet. Genom Metabolizmus és Javítás Laboratórium

Hasonló dokumentumok
TDK lehetőségek az MTA TTK Enzimológiai Intézetben

A DNS kémiája a bölcsőtől a sírig Vértessy Beáta

Uracil-DNS jelentősége ecetmuslicában

Uracil a DNS-ben: hiba vagy jel? A dutpáz szabályozása és egy újonnan azonosított U-DNS nukleáz a Drosophila melanogaster fejlődésében.

Ph. D. ÉRTEKEZÉS TÉZISEI. Varga Balázs DUTPÁZOK SZERKEZET-FUNKCIÓ VIZSGÁLATA A KATALÍTIKUS MECHANIZMUS LEÍRÁSÁRA ÉS INHIBITOROK TESZTELÉSÉRE

Mutagenezis és s Karcinogenezis kutatócsoport. Haracska Lajos.

Alkímia Ma. az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával. KÖZÉPISKOLAI KÉMIAI LAPOK

Phenotype. Genotype. It is like any other experiment! What is a bioinformatics experiment? Remember the Goal. Infectious Disease Paradigm

12/4/2014. Genetika 7-8 ea. DNS szerkezete, replikáció és a rekombináció Hershey & Chase 1953!!!

3.1 A dutpáz kiütés hatása a Mycobacterium életképességére, gyógyszercélpontok kijelölése

Tutorial 1 The Central Dogma of molecular biology

Ph. D. ÉRTEKEZÉS TÉZISEI. Kovári Júlia. Okleveles vegyészmérnök. A prokarióta Escherichia coli- és az eukarióta ecetmuslica dutpáz szerkezetének és

Nukleinsavak. Szerkezet, szintézis, funkció

Nukleinsavak építőkövei

3. Sejtalkotó molekulák III.

Biológus MSc. Molekuláris biológiai alapismeretek

Makromolekulák. Fehérjetekeredé. rjetekeredés. Biopolimer. Polimerek

Miben különbözünk az egértől? Szabályozás a molekuláris biológiában

FAMILY STRUCTURES THROUGH THE LIFE CYCLE

Correlation & Linear Regression in SPSS

Kutatási eredményeim a 2014 február 1- augusztus 31. a Varga József Alapítvány Pungor Ernő doktorjelölti ösztöndíjas időszak során

NUKLEINSAVAK. Nukleinsav: az élő szervezetek sejtmagvában és a citoplazmában található, az átöröklésben szerepet játszó, nagy molekulájú anyag

Nukleokapszid-dUTPáz, egy retrovirális fehérje szerkezete és funkciója. Tézisfüzet

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VEGYÉSZMÉRNÖKI ÉS BIOMÉRNÖKI KAR OLÁH GYÖRGY DOKTORI ISKOLA

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

Trinucleotide Repeat Diseases: CRISPR Cas9 PacBio no PCR Sequencing MFMER slide-1

Correlation & Linear Regression in SPSS

Bevezetés a bioinformatikába. Harangi János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék

Röntgen sugárzás. Wilhelm Röntgen. Röntgen feleségének keze

Antiszenz hatás és RNS interferencia (a génexpresszió befolyásolásának régi és legújabb lehetőségei)

A gyakorlat elméleti háttere A DNS molekula a sejt információhordozója. A DNS nemzedékről nemzedékre megőrzi az élőlények genetikai örökségét.

Supporting Information

TEMATIKA Biokémia és molekuláris biológia IB kurzus (bb5t1301)

kutatás során legfőbb eredményeinket a szerin proteázok aktiválódásának mechanizmusával és az aktiválódás fiziológiai következményeinek

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet. Correlation & Linear. Petra Petrovics.

A timidilát bioszintézis és a genomi integritás preventív védelme

Suppl. Materials. Polyhydroxyalkanoate (PHA) Granules Have no Phospholipids. Germany

A pillangóktól a folsavon és a metotrexáton át a programozott sejthalálig

A cell-based screening system for RNA Polymerase I inhibitors

A C1 orf 124/Spartan szerepe a DNS-hiba tolerancia útvonalban

SOLiD Technology. library preparation & Sequencing Chemistry (sequencing by ligation!) Imaging and analysis. Application specific sample preparation

Tudományos Diákköri Konferencia. Dobrotka Paula

Uracil-DNS degradáló faktor szerkezeti és funkcionális analízise

Röntgendiffrakció, tömegspektrometria, infravörös spektrometria.

ONKOGÉN K-RAS MUTÁCIÓK: SZERKEZET ALAPÚ ALLÉL SPECIFIKUS INHIBITOR TERVEZÉS. Vértessy G. Beáta MedInProt Konferencia Budapest, április 22.


Eredeti gyógyszerkutatás. ELTE TTK vegyészhallgatók számára Dr Arányi Péter 2009 március, 4.ea. Szerkezet optimalizálás (I.)

Mária. A pirimidin-nukleotidok. nukleotidok anyagcseréje

TÉMAKÖRÖK. Ősi RNS világ BEVEZETÉS. RNS-ek tradicionális szerepben


HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS (HIV) ÉS AIDS

Új temékek az UD- GenoMed Kft. kínálatában!

Membrántranszport. Gyógyszerész előadás Dr. Barkó Szilvia

ERD14: egy funkcionálisan rendezetlen dehidrin fehérje szerkezeti és funkcionális jellemzése

Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba 2015/2016 tavasz

ÚJ GENERÁCIÓS SZEKVENÁLÁS

Bioinformatika 2 6. előadás

Orvosi Genomtudomány 2014 Medical Genomics Április 8 Május 22 8th April 22nd May

Biomolekuláris nanotechnológia. Vonderviszt Ferenc PE MÜKKI Bio-Nanorendszerek Laboratórium

2. Sejtalkotó molekulák II. Az örökítőanyag (DNS, RNS replikáció), és az öröklődés molekuláris alapjai (gén, genetikai kód)

A rosszindulatú daganatos halálozás változása 1975 és 2001 között Magyarországon

A MASP-1 dózis-függő módon vazorelaxációt. okoz egér aortában

Flowering time. Col C24 Cvi C24xCol C24xCvi ColxCvi

Eukarióta dutpázok szerkezet- és funkcióvizsgálata oldatfázisban

DNS reparációs és DNS hiba tolerancia folyamatokat befolyásoló PCNA mutánsok genetikai elemzése

FEHÉRJÉK A MÁGNESEKBEN. Bodor Andrea ELTE, Szerkezeti Kémiai és Biológiai Laboratórium. Alkímia Ma, Budapest,

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

First experiences with Gd fuel assemblies in. Tamás Parkó, Botond Beliczai AER Symposium

Bioinformatika előad

GERONTOLÓGIA. 6. Biogerontológia: öregedési elméletek SEMSEI IMRE. Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Egészségügyi Kar

Fehérje expressziós rendszerek. Gyógyszerészi Biotechnológia

Felhő használata mindennapi alkalmazások futtatására. Németh Zsolt MTA SZTAKI

Kis dózis, nagy dilemma

Biokémiai kutatások ma

Supplementary Table 1. Cystometric parameters in sham-operated wild type and Trpv4 -/- rats during saline infusion and

Biológiai makromolekulák szerkezete

A riport fordulónapja / Date of report december 31. / 31 December, 2017

A sejtfelszíni FasL és szolubilis vezikulakötött FasL által indukált sejthalál gátlása és jellemzése

Zárójelentés. Humán dutpáz: kooperativitás és sejtbeli kölcsönhatások

FOSS4G-CEE Prágra, 2012 május. Márta Gergely Sándor Csaba

OBD2 Hibakód lista. P0XX Tüzelőanyag- és légnyelésmérés

Mapping Sequencing Reads to a Reference Genome

A HLTF koordinált fehérje és DNS átrendezése és aktivitásának összehasonlítása a Bloom szindróma helikáz fehérjével

Az élő anyag szerkezeti egységei: víz, nukleinsavak, fehérjék. elrendeződés, rend, rendszer, periodikus ismétlődés

Előadások témája: Elsősorban a DNS, a gének és genomok molekuláris biológiája. Tételsorok mindenkinek a honlapon:

Utasítások. Üzembe helyezés

3. Sejtalkotó molekulák III. Fehérjék, enzimműködés, fehérjeszintézis (transzkripció, transzláció, poszt szintetikus módosítások)

Több oxigéntartalmú funkciós csoportot tartalmazó vegyületek

Hamar Péter. RNS világ. Lánczos Kornél Gimnázium, Székesfehérvár, október

PROGRAMFÜZET. "GENETIKAI MŰHELYEK MAGYARORSZÁGON" XIII. Minikonferencia SZEPTEMBER 12.

Bio-nanorendszerek. Vonderviszt Ferenc. Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék

Poligénes v. kantitatív öröklődés

Az első uracil-dns nukleáz szerkezeti és funkcionális jellemzése.

10. Genomika 2. Microarrayek és típusaik

Which letter(s) show(s) a. Melyik betű(k) mutat(nak) . 1 flexor muscle group? flexor izomcsoportot? . 2 extensor muscle group?

transzporter fehérjék /ioncsatornák

A modern e-learning lehetőségei a tűzoltók oktatásának fejlesztésében. Dicse Jenő üzletfejlesztési igazgató

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VEGYÉSZMÉRNÖKI ÉS BIOMÉRNÖKI KAR OLÁH GYÖRGY DOKTORI ISKOLA

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

Néhány folyóiratkereső rendszer felsorolása és példa segítségével vázlatos bemutatása Sasvári Péter

Átírás:

Az örökítő anyag (DNS) károsodásai kettős szerepben: hiba vagy jel? BME Vegyészés Biomérnöki Kar MTA Enzimológiai Intézet Genom Metabolizmus és Javítás Laboratórium

Hogyan tegyünk fel kérdéseket a mai molekuláris biológiában? Kísérlet-vezérelt kutatás Adatbázisok / rendszerbiológia Hipotézis-vezérelt kutatás Esettanulmányok, specifikus problémák Ellenőrzés/Igazolás/ÉRTELMEZÉS!!! mindazon adatokra, melyeket a rendszerszemlélet begyűjtött

Választott megközelítés Hipotézis-vezérelt kutatás Esettanulmányok, specifikus problémák Ellenőrzés/Igazolás/ÉRTELMEZÉS!!!

Módszerek és problémák Szerkezeti biológia Mechanizmusok vizsgálata Fajspecificitás Folding Enzimkinetika Konformációk spektroszkópiák (CD, fluoreszc.) EPR-ENDOR Multidimenzionális NMR Röntgenkrisztallográfia SAXS Objektumok: Uracil-DNS metabolizmus fehérjéi Élettani szerep vizsgálata Fejlődésbiológia, sejtciklus szabályozás DNS javítás / sejthalál Timinmentes sejthalál mechanizmusa Kifejeződési mintázatok Sejten belüli lokalizáció Proteomika: kölcsönhatási hálózatok Transzgén élőlények Knock-out / RNS interferencia Magi és citoplazmás transzport

A mi esetünk: Paradoxon: stabil infotárolás reaktív makromolekulákban?? DNS és sejtbeli környezet: reaktív!! Spontán kémiai módosítások normál élettani körülmények mellett Hogyan lehet feloldani a paradoxont? DNS javító mechanizmusok Genom stabilitás biztosítása Uracil Timin Uracil a leggyakoribb hiba Uracil talán nem csak hiba? Jelátvitel!

DNS szerkezet : alkotó elemek O - és foszfátcsoport: -O P O - O

Nukleinsav szerkezet

A nukleinsavak típusai RNS DNS

A nukleinsavak elsődleges szerkezete A polinukleotid lánc direkcionális ( 5 ACGT3 ) A polinukleotid lánc individualitását a nukleotid szekvencia adja. Minden egyed nukleotiszekvenciája más.

DNS: Watson-Crick. DE inkább: Franklin- Wilkinson Nature 2 April 1953 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid Kísérletes eredmény: Rosalind Franklin Merész hipotézis: Watson és Crick We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of considerable biological interest.... It has not escaped our attention that the specific pairing we postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material (cf Meselsohn and Stahl, 1958)

A kettős hélix Séma Valós szerkezet

DNS szerkezet : negatív töltés pk a = 1 Nukleotid egységenként egy negatív töltés Láncvégeken + egy negatív töltés

DNS szerkezet: kovalens kötések Cukorgyûrû Bázisgyûrû Cukor és bázis szubsztituens csoportok Foszfátészter N-glikozidos: a legkevésbé stabil

DNS szerkezet: nem-kovalens kölcsönhatások H-hidak: bázispárosodás Van der Waals (hidrofób kölcsönhatás): átlapolás (aromás gyûrûk pí-elektronok) Hipokromaticitás: az átlapolás miatt a kettõsszálú DNS-beli bázisok elnyelése csökken Felhasználás: olvadási hõmérséklet

Miért fontos a DNS hibajavítás? Hogyan fordulnak elõ a hibák? Paradoxon: Stabil info tárolás Instabil memória DNS inherens kémiai reaktivitása (v.ö. ősi RNS világ) főleg a bázisok, ill. az N-glükozidos kötés Tárolás hibái Spontán károsodási folyamatok Öregedés Tumorok - Sejthalál Másolás DNS polimerázok hibái hibái helytelen bázis beépítés (misincorporation) (jó/rossz pár : csak 10 kj) - azonnali visszaolvasó javítás (proofreading) - SSB fehérjék 1 hiba/10,000,000 - replikáció utáni hamis pár javítás: 1/10 10 - nukleotid szintek helyes aránya: nukleotid metabolizmus

A mi esetünk: Paradoxon: stabil infotárolás reaktív makromolekulákban?? DNS és sejtbeli környezet: reaktív!! Spontán kémiai módosítások normál élettani körülmények mellett Hogyan lehet feloldani a paradoxont? DNS javító mechanizmusok Genom stabilitás biztosítása Uracil Timin Uracil a leggyakoribb hiba Uracil talán nem csak hiba? Jelátvitel!

Uracil in DNA? Two pathways Cytosine deamination 500/day/genome MUTAGENIC needs repair system: baseexcision repair (BER) Thymine-replacing incorporation under high dutp/dttp ratios INNOCENT does not need to be repaired, but BER acts on it transforms BER into hyperactive futile cycle How to get rid of uracil in DNA? Two pathways - two enzyme families Prevent thymine-replacement keep dutp/dttp low factor responsible: dutpase dutp dump + PPi dutpase guards against U at T sites ONLY for innocent uracils Remove uracil 5 cut by cleaving the R glycosidic bond O O NH P=O O O N O O 3 R UDG BOTH for mutagenic and innocent uracils N.B.

dump dump dutpáz dutp dutp dttp dttp dutpase high dutp/dttp UU UU What happens in lack of dutpase? DNA DNA polymerase polymerase UU CU U UU UU Uracil (U) (U) substituted DNA DNA BER C DNA double strand breaks Chromosome fragmentation CELL DEATH A dump-nek, a dttp prekurzorának termelése precursor provides dttp A dutp szint csökkentése decreases dutp level Lack of dutpase Lack of dutpase Thymine-less cell death (lethal) Mustafi et al, 2003 PNAS Barabás et al 2003 JBC Kovári et al 2004 JBC Barabás et al 2004, JBC Békési et al 2004, JBC Németh et al 2007 NAR Kovári et al 2008 Proteins Tóth et al 2007 JBC Varga et al 2007 FEBS Lett Vértessy 2009 Acc. Chem. Res. Békési et al, 2010 FEBS J Pukáncsik et al 2010 FEBS J Pécsi et al, 2010 NAR Horváth, Vértessy, 2010 NAR Pécsi et al, 2011 PNAS Muha et al 2012 PLoS Genetics

Mire jó mindez? - TBC elleni küzdelem - Uracil-DNS jelátvivő szerepének vizsgálata - Sejten belüli transzport vizsgálatok (Muha et al, 2009, Merényi et al, 2010, Róna et al 2011) - DNS károsodás mérése (Horváth és Vértessy, 2010, Nucl. Acids Res.) - Rákellenes terápiák és diagnosztika fejlesztése (Vértessy és Tóth, 2009, Acc Chem Res)

dutpáz szerkezet Szimmetrikus homotrimer B A A C C Három aktív centrum Mindhárom monomer résztvesz B N 1 2 3 4 5 C

b E-S S c a E Approach Intermediate, (E-AI) TS mimic intermediate (E-S/E-piP mix) d * e Post-attack Intermediate (E-piP) P f E-P

Intermediate structures observed along the reaction coordinate of the dutp hydrolysis: sixteen structures E-I int, mix density Near-attack conformer 2.5 A Note: Wcat and ap densities separate. Intermediate model shown in dark red. Mixture model shown in two shades of green. Light green: the product dump, dark green: the substrate a,b-imino-dutp

UTPáz mechanizmus: atomok mozija AspI GlnIV AspIII ArgII SerII TyrIII

Fluoreszcencia és gyorskinetika f Trp címke Tyr105 Phe158 3.4 Å Wcat Asp102 Arg85 Elemi lépések kvantitatív leírása

Tuberkulózis és malária: közös tulajdonságok Mycobacterium tuberculosis és Plasmodium falciparum: Egyaránt limitált enzimkészlet: dcmp dezamináz és timidin kináz nélkül dutpáz az egyedüli útvonal dtmp felé

M. tuberculosis dutpáz inhibitor tervezés HTP in silico screen Fajspecificikus szegmensek Varga et al 2008 PDB ID: 2PY4

Munkafolyamat 1. HTS In silico screening 2 millió vegyületre 2. In vitro enzimtesztek 100-200 vegyületre 3. MTB gátlás 350 vegyületre 4. Humán sejt vizsgálatok 50 vegyületre 5. Állatkísérletek 5 vegyületre 6. Szabadalmaztatás 3 vegyületcsaládra

dump dump dutpáz dutp dutp dttp dttp dutpase high dutp/dttp UU UU What happens in lack of dutpase? DNA DNA polymerase polymerase UU CU U UU UU Uracil (U) (U) substituted DNA DNA BER C DNA double strand breaks Chromosome fragmentation CELL DEATH A dump-nek, a dttp prekurzorának termelése precursor provides dttp A dutp szint csökkentése decreases dutp level Lack of dutpase Lack of dutpase Thymine-less cell death (lethal) Mustafi et al, 2003 PNAS Barabás et al 2003 JBC Kovári et al 2004 JBC Barabás et al 2004, JBC Békési et al 2004, JBC Németh et al 2007 NAR Kovári et al 2008 Proteins Tóth et al 2007 JBC Varga et al 2007 FEBS Lett Vértessy 2009 Acc. Chem. Res. Békési et al, 2010 FEBS J Pukáncsik et al 2010 FEBS J Pécsi et al, 2010 NAR Horváth, Vértessy, 2010 NAR Pécsi et al, 2011 PNAS Muha et al 2012 PLoS Genetics

Paradigm shift Non-conventional roles for uracil-dna 5-Me-cytosine demethylation Me-C: key epigenetic signal DNA-methyltransferases do not demethylate???? Diverse hypotheses in the literature TDG identified as major factor Mechanism: 5-Me-C:G T:G repair via TDG C:G Nature Jiricny, 2011, Cell, Bellacosa, 2011

Paradigm shift Non-conventional roles for uracil-dna hat happens in lack of both dutpase and UDG? Accumulation of uracil-dna (viable) e.g double mutant (dut-ung-) E. coli Bacillus subtilis PBS2 phage Is there any multicellular complex organism with such characteristics? Case of holometabolic insects (metamorphosis): - no UDG (major form) in the genome

Lack of dutpase in Drosophila larvae Western Confocal S2 E 1L 2L 3L P dutpase DNA merge Larvae have two types of tissues - larval - imaginal disks dutpase only in imaginal disks Exclusively nuclear Békési et al, 2004, JBC Correlation between survival/death and presence/lack of dutpase

Base Excision Repair and uracil-dna glycosylases B U B P P P Four UDG families: B UDG B P P P UNG SMUG1 TDG MBD4 *MAJOR UDG High turn over independently from the context of uracil *Localisation at the replication foci *Single strand selective!? *Much lower turn over *Mismatch specific!!! *Much lower turn over B AP endonuclease B B OH P P P pol β +dntp B B P OH P P B B B Ligase III + P OH P P P

Base Excision Repair and uracil-dna glycosylases P P P B U B In Drosophila UDG B B Two Four UDG families: P P P AP endonuclease UNG SMUG1 TDG MBD4 *MAJOR UDG High turn over independently from the context of uracil *Localisation at the replication foci *Single strand selective!? *Much lower turn over (10-4 ) *Mismatch specific!!! *Much lower turn over (10-4 ) B B B OH P P P pol β +dntp B B P OH P P Ligase III B B B P P P + P OH

Uracil-DNA in the fruit fly: signalling for cell death during metamorphosis? U-DNA? U-DNA nuclease?

Uracil / million bases Uracil / million bases Uracil / million bases Relative dutpase mrna level Relative dutpase mrna level Uracil-DNA in physiological samples: effect of uracil-dna glycosylase and dutpase Drosophila melanogaster Application on physyological samples dutpase developmental and tissue specific downregulation Imaginal primordium (eg. discs) - express dutpase Larval tissues (eg. salivary gland)- no dutpase expression Békési et al, 2004, J. Biol. Chem. 1,00 0,75 0,50 0,25 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,00 E L1 L2 L3 Developmental stages P 0,0 disc sal.gl. 3 rd larval tissues 1000 800 600 400 2000 1500 1000 7.62x dutpase silencing by transposon mediated RNA interference 2000 1500 1000 1.14x 200 500 500 0 E L1 L2 L3 P Developmental stages 0 disc sal. gl. 3 rd larval tissues 0 control disc RNAi disc RNAi sal.gl. 3 rd larval tissues

Uracil / million bases Uracil / million bases Uracil / million bases Relative dutpase mrna level Relative dutpase mrna level Uracil-DNA in physiological samples: effect of uracil-dna glycosylase and dutpase Drosophila melanogaster Application on physyological samples dutpase developmental and tissue specific downregulation Imaginal primordium (eg. discs) - express dutpase Larval tissues (eg. salivary gland)- no dutpase expression Békési et al, 2004, J. Biol. Chem. 1,00 0,75 1,0 0,8 0,50 0,6 0,4 0,25 0,2 0,00 E L1 L2 L3 Developmental stages P 0,0 disc sal.gl. 3 rd larval tissues dutpase silencing Strong lethality at pupal stage 1000 800 600 400 2000 1500 1000 7.62x -Uracil-DNA dutpase silencing implications by transposon mediated RNA interference in development 2000 - Temporary uracil-dna 1.14x intolerance 1500 factor 1000 200 500 500 0 E L1 L2 L3 P Developmental stages 0 disc sal. gl. 3 rd larval tissues 0 control disc RNAi disc RNAi sal.gl. 3 rd larval tissues

Evolutionary distribution of dut, ung, ude Insects N Holometabola

Genom Metabolizmus és Javítás laboratórium BME VBK ABÉT és MTA Enzimológiai Intézet Csoport Támogatás