HŐMÉRŐ SEJTMEMBRÁNOK VÍGH LÁSZLÓ MTA, SZEGEDI BIOLÓGIAI KÖZPONT SZEGED TÁMOP-4.2.2.D-15/1/KONV-2015-0016 INTERDISZCIPLINÁRIS KUTATÓI TEAMEK FELKÉSZÍTÉSE A NEMZETKÖZI PROGRAMOKBAN VALÓ RÉSZVÉTELRE A KRÓNIKUS STRESSZHEZ ÉS AZ ÖREGEDÉSHEZ KAPCSOLÓDÓ BETEGSÉGEK KEZELÉSÉNEK ÚJ MEGKÖZELÍTÉSEI TERÜLETÉN
106 5
4
A napfelszín hőmérséklete
10
Olvadt kő, láva
10
Élet
3
2
Folyékony nitrogén
10
Folyékony hidrogén
10
Világűr
1
0
10
eukarióták
10
archebaktériumok
7
10
eubaktériumok
A Nap magjának hőmérséklete
m hiilleess meesso oph
8
10
es pp ssyycchhrroopphhiille s
Deutérium magok fúziója
9 10 Kelvin
the ph thrm erom oiplehsiles
A földi lét hőmérsékleti határai…
MILYEN
FORRÓ ?
… VAGY MILYEN HIDEG
?
Hogyan mozognak a lipidmolekulák a lipid kettősrétegben? Laterális diffúzió
“Lebegés”
“Csapkodás”
“Flip-flop” Tengely körüli forgás
A mozgásformákból kialakuló belső dinamika a fluiditás
Alacsony hőmérsékleten a membránok fázisátalakuláson mennek át
Gyors melegedés
Végállapot
Kezdeti állapot
Lassú hűtés
Rigid
Megfelelő Hiperfluid
A nem állandó testhőmérsékletű szervezetek sejtjei is képesek a megfelelő szinten tartani membránjaik fluiditását
Lassú melegedés
Végállapot
Gyors hűtés 10
20 30 Hőmérséklet (°C)
40
50
hidrofil fejcsoport foszfát
zsírsavlábak cisz kettőskötés
hidrofób láb
Zsírsavak
sztearinsav
olajsav
linolsav
linolénsav
arahidonsav
Kettős réteg képző és görbületet okozó lipidek
A görbületet okozó lipidek a membránhoz vonzanak fehérjéket
kettős réteg lipid
görbületet okozó lipid
A membrán sorbarendezi a folyamatokat...
membrán
A membránfehérjék funkciói
transzporterek
kapcsoló fehérjék
receptorok
enzimek sejten kívüli tér
sejten belüli tér
Lateral segregation, microdomains (e.g. rafts), anullar lipids
Gyors melegedés
Végállapot
Kezdeti állapot
Lassú hűtés
Rigid
Megfelelő Hiperfluid
A nem állandó testhőmérsékletű szervezetek sejtjei is képesek a megfelelő szinten tartani membránjaik fluiditását
Lassú melegedés
Végállapot
Gyors hűtés 10
20 30 Hőmérséklet (°C)
40
50
A nagy áttörés: homogén membrán hidrogénező katalizátorok bevezetése
Az alizarinvörös Pd (II) komplexe a Pd(QS)2 katalizátor fluid fázis
hidrogénezés
hidrogénezés
cisz kettős kötés
telítetlen foszfatidilkolin
telített foszfatidilkolin
gél fázis
Ahogy a hidegstressz, a citoplazmás membrán hidrogénezése is aktiválja a deszaturáz gént
desA gén
36°C hidrogénezés
22°C
desA gén
desA gén
fluid fázis
gél fázis Vigh et al, PNAS (1993)
NATURE 1993
Membrán, a hőmérő: a hőmérséklet stressz okozta membrán átrendeződés képes aktiválni a membránba ágyazott szenzor fehérjét Hik33
Hideg, hidrogénezés
periplazma
citoplazma H2N P
Rre
COOH
membrán stabilizáció
deszaturáz
telítetlen zsírsavak
“Molecular Aspects of the Stress Response: Chaperones, Membranes and Networks” Ed. By P. Csermely and L. Vigh; Advances in Experimental Medicine and Biology, Vol. 594. Springer Science+Business Media; Landes Bioscience (2007).
Magas hőmérséklet indukálta változások a lipid kettősrétegben
Fiziológiás állapot
„Hiperfluid" állapot
“Nem kettősréteg” állapot
Horváth et al, PNAS (1998); Török et al, PNAS (2001); Nakamoto & Vigh, Cell. Mol. Life. Sci. (2007)
Stresszfehérjék a Synechocystis PCC 6803 kék-zöld algában 30°C
génjeik
42°C kDa
3 dnaK 70 60
groESL, cpn60
hsp17 17 11
groESL
Lehel et al, Plant Mol. Biol. (1992); Lehel et al, J. Biol. Chem. (1993); Horváth et al, PNAS, (1998); Glatz et al. PPB (1999)
A legfontosabb dajkafehérje (chaperon) osztályok:
Hsp60
kis Hsp-k
Hsp70
GroEL
Hsp17
DnaK
Hsp90
HtpG
Hsp100
Clp
“Protein quality control”
Chaperone HSPs
optimal growth condition
Aging and stress conditions
A membránok hiperfluidizációja aktiválja a hősokk géneket a kék-algában
36°C+BA
22°C
36°C
benzilalkohol
Fluoreszcencia anizotrópia
Hsp17
0,29 0,27 0,25
22 36
0,23
36 BA
0,21 0,19 20
25
30
35 40 45 50 Hőmérséklet (°C)
55
Horváth et al, PNAS (1998)
A sejt hőmérői
Fehérjék
Membránok
HS-GÉNEK
Stresszfehérjék (HSP)
Membranes in stress management: Sensors and regulators of heat shock protein response
Sensor
“hyperfluid”
GroELS
Regulator
“rigid”
sHSP Balogh et al., FEBS L, 2013; Horvath et al., PNAS ,1998; Horvath et al., BBA 2008; Horvath et al, Progr Lipid Res, 2012; Török et al, BBA, 2014; Vígh et al, TiBS 1998; Vigh et al, TiBS, 2007; Vígh et al., Progr.Lipid.Res, 2005.
Magas hőmérséklet és benzilalkohol kezelés (membrán perturbáció) hatására egyaránt bekövetkezik a Hsp70 stresszfehérje indukciója emlős sejtekben
benzilalkohol (mM)
37°C 0
1 2.5 5 10 15 20 25 30 35
0
1 2.5
0
1 2.5 5 10
40°C 5 10 15 20 25 30 35
41°C 15 20 25 30 35
42°C
Balogh et al, FEBS J (2005); Nagy et al, PNAS (2007)
Stressz-indukálta foszfolipáz jelátvitel
Sejtszintű stresszválasz – a membrán, mint szenzor
Hőmérsékleti (láz), UV, Oxidatív stressz
Membrán A stressz érzékelése
A jel továbbítása
A jel „feldolgozása”
Homeosztázis helyreállítása /új egyensúly elérése
Stresszválasz
Sejtszintű stresszválasz – lipid biomarkerek
Balogh et al. FEBS Lett (2013) Esciba, .., Balogh, Török, Horváth, .., Vigh PLR (2015)
Membrane-mediated stress signaling: HSF1 a central hub
Torok et al, BBA (2014)
The flowchart of the “shotgun” lipidomics
“all in“ lipid extract
Gábor Balogh
Mária Péter
Orbitrap MS
High throughput and quantitative data
MS alapú lipidomika – Orbitrap Elite
2012. szept -
MS alapú lipidomika – Orbitrap Elite/Nanomate
2012. szept -
Nanomate – chip alapú robotizált injekciós rendszer 2014. július -
A stressz lipidomikája – a hasadó élesztő modell
Schizosaccharomyces pombe (Glatz Attila) • kedvelt eukarióta modell (mikro-emlős) • genetikailag „könnyen” manipulálható
T (C)
Lipidomikai analízis
Enyhe hőstressz Stresszválasz
40
30 0
1
Idő (h)
Cells are equipped with various protein quality control mechanisms
• • • •
chaperone machinery ubiquitin proteasome system (UPS) autophagy (“autophagolysosomes”) lipid droplets (LDs) ?
A legtöbb fehérje magától feltekeredik…
mRNA félig feltekeredett állapot
Anfinsen természetes végső szerkezet
Problémák stressz és öregedés közben jelentkeznek…
mRNA fehérje aggregátumok
Stressz, mutációk
félig feltekeredett állapot
természetes végső szerkezet
betegségek
A chaperonok tipikus diszregulációja öregedéskor és különböző betegségekben Chaperonok
Denaturált fehérjék
Öregedés, patofiziológiás állapot
Rák
Öregedés, neurodegeneratív és kardiovaszkuláris bet. 2. tip. diabetes,stb.
A stressz lipidomikája – a betegségek lipidomikája
A stressz érzékelése
BETEGSÉG
A jel továbbítása
A lipidek „elromlása” számos betegségben ismert:
A jel „feldolgozása”
• Metabolikus betegségek (pl. diabétesz, elhízás) • Neurodegeneratív betegségek • Rák
Homeosztázis helyreállítása /új egyensúly elérése
„Elromlott” stresszválasz
Öregedés
Merev membrán kevésbé sérülékeny, de kevésbé érzékeny
Károsodott stressz-válasz
Megfiatalodás lipid terápia
Fluid membrán
Dinamikus stressz-válasz
Benkő et al., BBA 1986.
Nature Medicine 10, 402 - 405 (2004)
A Bimoclomol specifikusan hat kölcsön a membrán mikrodomének fázishatár lipidjeivel
Annuláris foszfolipid OH OH OH OH
OH
OH
Bimoclomol és analógjai
fehérje
OH
OH OH OH OH
OH OH OH OH
OH
OH
raft Annuláris koleszterin
Annuláris foszfolipid
A Hsp ko-induktor Bimoclomol specifikusan kölcsönhat bizonyos membránlipidekkel,
FTIR
stabilizálja a lipid kettősréteg szerkezetet... hőkapacitás (Microwatt)
Hullámszám (cm-1)
és úgy növeli azok fluiditását, hogy eközben...
Lamellar HII
Control CL:B = 2.2 CL:B = 1.1 CL:B = 0.55
hőmérséklet (°C)
Gel-fluid
hőmérséklet (°C)
DSC
Török et al, PNAS (2003)
Hydroxylamine derivatives with stress protein co-inducing activity
1997
2011
2003 2012
2004
2012
2008
2014
2011
HAs are allo-network drugs: acting indirectly, via the interprotein propagation of changes in cellular networks
“Allo-network drugs: extension of the allosteric drug concept to protein-protein interaction and signaling networks”, by Szilagyi, Nussinov and Csermely, Curr.Top.Med.Chem., 2013
Lipid-mediated “moonlighting” functions of Hsps…
Hsp70 stabilizes lysosomes and reverts Niemann-Pick diseaseassociated lysosomal pathology Kirkegaard et al, Nature, 2010
Csermely, P., Vígh, L. (editors): Molecular aspects of the stress response: Chaperones, membranes and networks. Springer Series: Advances in Experimental Medicine and Biology, Vol. 594. (2007)
Acknowledgements
Laboratory of Molecular Stress Biology Ibolya Horváth Zsolt Török Attila Glatz Gábor Balogh Mária Péter Imre Gombos Noémi Tóth Burcin Güngör
Begum Peksel Ákos Hunya Anna Maria Pilbat Bálint Csoboz László Vígh Jr. Éva Barthané Gabi Bogdáné Aranka Gondáné Stefano Piotto
Christian Eggeling
Lea Sistonen Mario Brameshuber
Peter Slotte
Gerhard Schütz Abo Akademi University
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
TÁMOP-4.2.2.D-15/1/KONV-2015-0016 INTERDISZCIPLINÁRIS KUTATÓI TEAMEK FELKÉSZÍTÉSE A NEMZETKÖZI PROGRAMOKBAN VALÓ RÉSZVÉTELRE A KRÓNIKUS STRESSZHEZ ÉS AZ ÖREGEDÉSHEZ KAPCSOLÓDÓ BETEGSÉGEK KEZELÉSÉNEK ÚJ MEGKÖZELÍTÉSEI TERÜLETÉN
