Bemutatkozás + Kutatási témák

Tompa Péter alapvetően járult hozzá a fehérjék szerkezeti rendezetlenségének felismeréséhez, majd a jelenség részletes vizsgálatához és értelmezéséhez. A Rendezetlen Fehérjék Kutatócsoport fókuszában továbbra is ennek a szerkezeti jelenségnek a vizsgálata és értelmezése áll. Koncepciónk lényege, hogy a rendezetlenség funkcionálisan jelentős szerkezeti kategória, amely részletes jellemzése a fehérjék szerkezet-funkció összefüggésének teljesebb megértéséhez vezet, ami jelentős elméleti és gyakorlati haszonnal is jár. A rendezetlenség részben a hagyományos szerkezet-funkció összefüggés logikájától eltérő funkcionalitást jelent, mely szerint rövid felismerő motívumok, domének adaptív partner felismerése és rendezetlen összekötő (linker) régiók biztosítják a funkció kialakulását. Ezek megértése koncepcionálisan új megközelítést kíván, amelyben nem egyszerűen egy szerkezet megoldása a célunk és feladatunk, mivel a funkcionálisan fontos információt a szerkezeti sokaság, a kötött állapotban kialakuló szerkezet(ek), a kötődés kinetikája és termodinamikája, a rendezetlen régiók evolúciós története, variabilitása és felismerő szakaszok konzervációja hordozza. Ennek megértéséhez sokféle módszerrel kapott megfigye-lések együttes értelmezésére van szükség. Kutatásainkban így a bioinformatikai, elméleti vizsgálatokat és in vitro valamint in vivo kísérletes megközelítéseket egyaránt használunk, és együtt értelmezzük a szerkezet-funkció paradigma kiterjesztése érdekében. Kutatásaink általános, genom szintű elméleti vizsgálatokat és egyes fehérjék részletes szerkezeti-funkcionális vizsgálatait is magában foglalják.

Főbb együttműködések

Kyu Hoon Han, KRIBB, Dél-Korea

Richard G. Pestell, Thomas Jefferson University, USA; Sidney Kimmel Cancer Center, USA

Poppe László, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Kardos József, Eötvös Loránd Tudományegyetem

Főbb projektek

Fúziós fehérjék fázisátmeneteinek szerepe rákban

A vezető halálokok közé tartozó rákos megbetegedések közös oka a felhalmozódott genetikai rendellenességek következtében kontrollálatlanná váló sejtosztódás, melyet a genomstabilitás gyengülése is súlyosbít. Ennek elsősorban a hematológiás (nem-szolid) tumorok esetében gyakori megnyilvánulása fúziós fehérjék megjelenése, azonban a fúziós fehérjék egyre nagyobb jelentőségre tesznek szert szolid tumorokban is.

A munka során olyan fúziós fehérjéket vizsgálunk, amelyekben az anaplasztikus limfóma kináz (ALK) különböző partnerekkel, pl. NPM, képez kiméra fehérjék. Mivel ezek szolid tumorok, például nem kissejtes tüdőrák (NSCLC) kialakulásához vezethetnek, a kezelésük hagyományosan kináz inhibitorokkal (TKI), pl. crizotinib-et, történik. Célunk a probléma radikálisan új és provokatív irányból történő megközelítése, annak vizsgálata, hogy a rákos transformációt okozhatják-e a fúziós fehérjék aberráns kölcsönhatásai, pl. homodimerizáció, folyadék fázisátmenet, és/vagy aggregáció. A kérdés megválaszolásához bioinformatikai, szerkezetbiológiai, polimerfizikai és sejtbiológiai módszerek kombinálásával azonosítjuk az NSCLC kialakulásában szerepet játszó legfontosabb ALK fúziós fehérjéket és molekuláris szinten jellemezzük hogy mennyire hajlamosak patológiás fehérje-fehérje kölcsönhatások kialakítására.

Az epiteliális-mezenchimális átmenetet szabályozó fehérje-RNS komplexek szerkezeti és funkcionális jellemzése

Az epiteliális-mezenchimális átmenet (EMT) olyan élettani folyamat, melynek során a hámsejtek mozgékony, fibroblasztos sejtekké alakulnak át. Ez a folyamat fontos az egyedfejlődés során, azonban amennyiben daganatos szövetekben játszódik le, a metasztázis képzés első lépését biztosítja. Az EMT molekuláris hátteréről és szabályozásáról számos információval rendelkezünk, sok részlet azonban még ma is tisztázásra vár. Az egyik legfontosabb EMT marker az E-cadherin szintjének csökkenése, melynek szabályozója a Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), a Snail1 transzkripciós faktor segítségével. A legfrissebb kutatási eredmények arra utalnak, hogy a HOTAIR hosszú nem-kódoló RNS is szerepet játszik ebben a szabályozásban. Sejtes kísérletekkel sikerült igazolni, hogy fizikai kapcsolat jön létre mind a Snail és a HOTAIR, mind pedig a PRC2 és a HOTAIR között, ám egyik kölcsönhatás molekuláris alapjai sem ismertek. A helyzetet bonyolítja, hogy a HOTAIR feltehetően több PRC2 alegységgel (az Ezh2-vel és a Suz12-vel) is képes kölcsönhatásba lépni. A projekt fő célja, hogy rekombinánsan előállított fehérjékkel meghatározzuk a Snail1-HOTAIR az Ezh2-HOTAIR, valamint a Suz12-HOTAIR kölcsönhatás szerkezeti és biofizikai jellemzőit és sejtes környezetben igazoljuk a megfigyelések élettani jelentőségét.

A szerkezeti rendezetlenség szerepe az ERD14 növényi chaperon fehérje aktivitásában

Laboratóriumunkban ismertük fel a rendezetlenség és chaperone (dajkafehérje) funkció kapcsolatát. Rendezetlen növényi stresszfehérje (ERD14) részletes vizsgálatával kívánjuk igazolni a rendezetlenség funkcionális következményeit. Kísérleteinkben élő sejtekben (E. coli) in cell NMR mérésekkel jellemeztük az ERD14 rendezetlen szerkezeti sokaságát, és igazoltuk partnerekhez kötődését. A sejteket stressz körülmények (magas só, magas hőmérséklet) között vizsgálva megállapítottuk a baktérium sejtek túlélésére gyakorolt hatást, igazolva ezzel, hogy heterológ rendszerben is betölti a védő funkcióját. Különböző mutánsok vizsgálatával részletes szerkezet-funkció összefüggéseket sikerült felállítanunk, melynek segítségével azonosítottuk a funckióhoz elengedhetetlenül szükséges fehérje szakaszokat. In vitro és in vivo vizsgálatokkal kimutattuk, hogy bizonyos partnerekhez kötődve az ERD14 képes folyadék-folyadék fázisátmenet indukálására, melynek kiemelt jelentősége lehet a fehérje működésében. A projekt fő célja jelenleg ennek a jelenségnek a részletes fizikai és szerkezeti vizsgálata.

A nagy távolságú molekuláris felismerés fehérjeszerkezeti alapjainak vizsgálata

Az állványfehérjék, a komplexek összeszerelését végző és általában a nagy távolságokat áthidaló fehérjék gyakran tartalmaznak hosszú rendezetlen régiókat (>50 aminosav). Ezek pontos szerepe viszont vitatott, mert a jelenlegi interakciós modellek rendezetlen fehérjék (RF) szabad diffúziójára épülnek, ami a legtöbb összeszerelő fehérjére nem áll fenn. Az ismert összeszerelő fehérjék felépítése alapján új modellt javasoltunk (“real fly casting”, RFC), miszerint a komplexek összeszerelését és nagy távolságok áthidalását moduláris fehérjék végzik, melyek egyfelől egy erre hivatott doménjükkel nagy, lassú diffúziójú sejtalkotókhoz (például DNS, RNS vagy membránok) rögzülnek, másrészt viszont kötőmotívumokban gazdag, hosszú rendezetlen régiókkal is rendelkeznek. Ez a szerkezeti felépítés megoldást jelenthet az RF-ek lassú diffúziójából adódó csökkent kölcsönhatási kinetikára, valamint megnövekedett interakciós hatósugarat kölcsönözhet, ezzel elősegítve távoli partnerek hatékony és specifikus felismerését. A kötődés hatására a rendezetlen régió kompaktabb konformációt vehet fel, ezáltal húzó erőt fejthet ki partnerére és közelebb juttathatja azt a kialakuló komplex többi alegységéhez, serkentve annak létrejöttét. Korábbi bioinformatikai analíziseink során felvetettük, hogy ez a mechanizmus fontos lehet a hibás RNS-ek lebontásáért felelős nonsense mediated decay (NMD) során és a burkos vezikulák összeszerelődésében. A hosszú rendezetlen régiók hosszának, dinamikájának és motívum összetételének alternatív splicing, PTM-ek vagy evolúciós valtozások révén történő finomhangolása lehetőséget biztosít az összeszerelési folyamatok dinamikájának és a kialakuló komplexek összetételének szabályozására. Az RFC modell részletes kidolgozásához multidiszciplináris megközelítést alkalmazunk: bioinformatikai analízist, molekuláris biológiai, genetikai, és biofizikai kisérleteket, valamint matematikai modellezést végzünk.

Az alternatív splicing és a membrán nélküli testek kialakulásának kapcsolata

A különböző membrán nélküli testek (MNTk) fontos funkciókat töltenek be az eukarióta sejtekben. Kialakulásuk folyadék fázisátmenet útján történik, amely alacsony szekvencia komplexitású, rendezetlen fehérje régiók közti multivalens, gyenge kölcsönhatásokhoz köthető. Annak ellenére, hogy az ilyen rendezetlen régiók alternatív splicingja (AS) köztudottan óriási funkcionális diverzitást biztosít az érintett fehérje izoformáknak, az AS fázisátmenetekre gyakorolt hatását eddig egyáltalán nem vizsgálták. Ráadásul, ugyan a fázisátmeneteket képző fehérje régiók bizonyos mutációi súlyos idegrendszeri, muszkuláris és rákos megbetegedéseket okoznak, rákos eredetű splicing módosulásaikat szintén nem vizsgálták még. Mi egy multidiszciplináris projekt keretében vizsgáljuk ezeket: összegyűjtöttük és annotáljuk az ismert fázisátmenetet képző fehérjéket, létrehozunk nekik egy adatbázist. Beazonosítjuk a humán fázisátmenetet képző fehérje régiókat érintő alternatív, szövetspecifikus és rákos eredetű splicing variációkat és számítások útján megbecsüljük azok konformációra gyakorolt hatását. Néhány érdekes és orvosbiológiai szempontból fontos fehérje releváns régióinak vad típusú és splicing variánsait kifejezzük, majd in vitro kísérletekkel vizsgáljuk fázisátmenetük különbségeit. Az összegyűjtött adatok és eredmények alapján jellemzük és összehasonlítjuk a fiziológiás AS és a rákhoz köthető AS módosulások sejtes folyadék fázisátmenetekre és MNTk kialakulására gyakorolt hatását.

A rendezetlen fehérjékre ható szelekciós nyomás és partner fehérjékkel történő koevolúció vizsgálata

Bioinformatikai módszerek segítségével tanulmányozzuk a rendezetlen régiókat érintő evolúciós hatásokat: 1) Korrelált mutáció analízis útján detektáljuk azon aminosav-aminosav kölcsönhatásokat, melyek a partner fehérjékkel törtenő koevolúciót igazolják, majd analizáljuk az ezekben részt vevő aminosavak és kémiai kötések tulajdonságait. 2) Vizsgáljuk, hogy a humán fehérje kódoló regiókat érintő pozitív szelekció elsősorban rendezetlen fehérje szakaszokba eső aminosavakat befolyásol-e, és hogy hatással lehet-e ismert, rövid lineáris motívumok által közvetített kölcsönhatásokra.

Jelentős publikációk

Boeynaems S, Alberti S, Fawzi NL, Mittag T, Polymenidou M, Rousseau F, Schymkowitz J, Shorter J, Wolozin B, Van Den Bosch L, Tompa P, Fuxreiter M

Protein Phase Separation: A New Phase in Cell Biology

TRENDS IN CELL BIOLOGY (2018)

Varadi M, De Baets G, Vranken WF, Tompa P, Pancsa R

AmyPro: a database of proteins with validated amyloidogenic regions.

NUCLEIC ACIDS RESEARCH (2018)

Lazar T, Schad E, Szabo B, Horvath T, Meszaros A, Tompa P, Tantos A

Intrinsic protein disorder in histone lysine methylation

BIOLOGY DIRECT (2016)

Tompa P, Schad E, Tantos A, Kalmar L

Intrinsically disordered proteins: Emerging interaction specialists

CURRENT OPINION IN STRUCTURAL BIOLOGY 35: pp. 49-59. (2015)

Kalmar L, Acs V, Silhavy D, Tompa P

Long-range interactions in nonsense-mediated mRNA decay are mediated by intrinsically disordered protein regions.

JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY (2012)

Vezető

Tompa Péter

Munkatársak