Tartalomjegyzék. Információ...2 Ajánlás...3 Igazgatók...4 Tudományos titkárság...6

Információ....................................................................................2 Ajánlás............................................................................................3 Igazgatók.......................................................................................4 Tudományos titkárság.............................................................6

Biofizikai Intézet......................................... 7 Optikai mikromanipuláció......................................................8 Folyadék áramlásának vezérlése fénnyel a mikrofluidikában.......................................................................9 A víz szerkezetének hatása a fehérjeműködésre.........10 Bioelektronika..........................................................................11 Femtobiológia............................................................................12 Fénnyel hajtott mikrogépek a biológiában...................13 Alkalmazott kiroptikai spektroszkópia....................... 14 Atomerőmikroszkóp biológiai alkalmazása.................15 Fehérjék elektromos vezetése.............................................16 Humán biofizika, mozgásanalitika...................................17 Neuronális degeneráció........................................................18 Neuronális protekció és plaszticitás...............................19 Vér-agy gát patológia........................................................... 20 Az agyi endotélsejtek működésének molekuláris alapjai ..........................................................................................21 A vakuoláris proton-atpáz: egy biomembránba épített nanogépezet............................................................... 22 Fehérjék gombolyodása és szerveződése biomembránokban.....................................................................23 A citokróm b561 fehérjék...................................................... 24 Lipid-fehérje kölcsönhatások biológiai és modell rendszerekben.......................................................25 Biohidrogén............................................................................... 26 Biogáz............................................................................................27 Bioremediáció............................................................................ 28 Redox fehérjék működése és szerkezete......................... 29 Autokatalitikus enzimreakciók vizsgálata.................30 Filogenetikus fák rekonstrukciója...................................31

Transzgenikus állatmodellek létrehozása a porcregeneráció vizsgálatára ......................................45 Betegség modellek kifejlesztése és alkalmazása...... 46 Fájdalomkutatás.......................................................................47 Immunológiai kutatás............................................................47 Mesterséges baktériumsejt hasznos anyagok biotechnológiai termeltetéséhez.................................... 48 Irányított dns-metiláció..................................................... 49 Génkölcsönhatási hálózatok.............................................50 Génsorrend baktériumokban..............................................51

Tartalomjegyzék

Tartalomjegyzék

Enzimológiai Intézet................................ 53 Kalpain-enzimcsalád szerepe élettani és kóros folyamatokban........................................................ 54 Neurodegeneració: tppp fehérjecsalád szerkezete, funkciója és pathomechanizmusa.......................................55 Plazmamembrán lizofoszfolipid receptorok................56 Intracelluláris lizofoszfolipid receptorok................57 Bioinformatika..........................................................................58 Fehérjék szerkezeti és funkcionális vizsgálata..........59 Oligopeptidázok...................................................................... 60 Daganatos sejtek rezisztenciáját gátló vegyületek fejlesztése...................................................................................61 Fehérje-szerkezet alapelvei................................................62 Rendezetlen fehérjék vizsgálata..................................... 64 Az abc fehérjék szerepe és működése................................65 Egy kináz enzim és a hiv terápia........................................ 66 Oxidációs fehérje feltekeredés..........................................67 A dutpáz enzimcsalád............................................................. 68 Uracil-dns jelátvitel............................................................. 69 Fehérjetervezés, hőstabilis enzimek.................................70 Fehérjebontó enzimek az immunrendszer szolgálatában...........................................................................71 A baktériumok mozgásszervei: a flagellumok.............72 Flagellin alapú receptorok.................................................73

Biokémiai Intézet....................................... 33

Genetikai Intézet....................................... 75

Morfin-receptorok és opioid peptidek kutatása........ 34 A kábítószer függőséget kísérő molekuláris változások agyban...................................................................35 Opioid peptidek..........................................................................36 Molekulaszerkezet.................................................................37 Kémiai biológia..........................................................................38 Membrán-lipid kölcsönhatáson alapuló, a molekuláris chaperon szint és profil normalizációjára képes eredeti gyógyszerjelöltek kutatása-fejlesztése.........................39 A prion fehérje konformációs átalakulása.................. 40 Kromatin szerkezet................................................................ 41 A fehérjelebontás szerepe a sejtfolyamatok szabályozásában...................................................................... 42 A kemoszenzitivitásért felelős checkpoint gének azonosítása.................................................................................43 A sejtközötti állomány fehérjéinek szerepe fejlődési és regenerációs folyamatokban........................................ 44

Toxin-antitoxin modulok rhizobiumokban....................76 Szimbiotikus nitrogénkötés molekuláris háttere ... 77 Lucerna genomika................................................................... 78 Gubacsdarazsak filogenetikája és filogeográfiája....................................................................79 A nimród gének evolúciója.................................................. 80 Bal-jobb aszimmetria...............................................................81 Drosophila kalpainok.............................................................82 Ivarsejtfejlődés genetikája..................................................83 Az aktin sejtváz szerepe az idegsejt nyúlványok növekedésében.......................................................................... 84 Szöveti polaritás......................................................................85 Kromoszóma-szerkezet és génszabályozás.................... 86 Epigenetikai szabályozás......................................................87 Programozott sejthalál (apoptózis) genetikai irányítása................................................................................... 88 Fehérje-transzport a citoplazma és a sejtmag között: az importin-alfa2 szerepe.................................................... 89 DNS javítás élesztőben.......................................................... 90

1

Tartalomjegyzék

Rákos betegségek molekuláris háttere..........................91 Egyénre szabott rákdiagnosztika és terápia.............. 92 A veleszületett immunitás...................................................93 Immunválasz szabályozás autoimmun betegségekben és rákban...................................................... 94 Mesterséges kromoszóma rendszer...................................95 Régészeti genetikai kutatások.......................................... 96 Idegi differenciálódásban résztvevő genetikai hálózat vizsgálata.................................................................97 Egy komplex betegség molekuláris genetikai vizsgálata.............................................................. 98

Növénybiológiai Intézet..........................99 A fényszabályozott növényi életfolyamatok molekuláris alapjai.............................................................. 100 Biológiai óra növényekben.................................................101 Brasszinoszteroidok............................................................ 102 Fotoszintetikus energiaátalakítás vizsgálata .......103 Komplex növényi stressz-diagnosztikai rendszer kifejlesztése............................................................................ 104 Nehézfém bioszenzorok kifejlesztése.............................105 Reaktív oxigén származékok azonosítása növényekben............................................................................ 106 Önszerveződő fotoszintetikus fénybegyűjtő rendszerek ...................................................107 Alternatív elektrontranszport hőstressznek kitett fotoszintetikus rendszerekben ........................ 108 Mekkora rend van a sejtekben? új mikroszkópos eljárás a rendezettség mérésére; biológiai alkalmazások ........................................................................ 109 Stressztűrés fokozása protektív enzimekkel................................................................................110 Szárazságadaptáció gabonafélékben............................111 Géncsillapítás szintetikus oligonukleotidok alkalmazásával növényekben...........................................112

Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Központ Az Európai Unió Kiválósági Központja

2

6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Tel.: 62-599-600 Fax: 62-432-576 http://www.szbk.u-szeged.hu vagy http://www.brc.hu

Termésösszetevők optimalizálása a sejtek osztódásának szabályozásával . ..................................... 114 A növényi egyedfejlődés szabályozásának sajátosságai..............................................................................116 Megtermékenyítés és embriófejlődés növényekben.............................................................................117 A búzaszem biológiája...........................................................118 Anionos (negatív töltésű) lipidek szerepe fotoszintetikus szervezetek életfolyamataiban......119 Biodízel előállítás algák segítségével........................ 120 A gabonafélék fagyállóságának növelése.................. 121 A prolin és a növények szárazságtűrése .................... 122 Új módszerek a só és szárazságtűrést befolyásoló gének azonosítására.............................................................123 A mitokondriális folyamatok szerepe növényi stressz reakciókban............................................................. 124 Az snrk2 és crk típusú kinázok szerepe a stressz reakciók szabályozásában...............................125 Szárazságtűrésben szerepet játszó génjelöltek asszociációs (allél-társulás) vizsgálata árpában.............................................................. 126

Központi Laboratóriumok.................... 127 Fehérjecsipek........................................................................... 128 Fehérje-analitika tömegspektrometriával................ 129 Molekuláris hálózatok stabilitása...............................130 Molekuláris hálózatok evolúciója................................130 Géncsaládok funkcionális annotációja.......................131 Genom-informatika...............................................................131 Általános bioinformatikai szolgáltatások................132 Mikroszkópos képfeldolgozás és a sejtosztódás mikroszkópos elemzése.........................................................133 Az SZBK-hoz kötődő spin-off vállalkozások..............134 Impresszum................................................................................135

Ajánlás

Ajánlás Ma már nyilvánvaló mind a vállalati vezetők, mind a makrogazdaság irányítói körében, hogy a gazdasági versenyképesség sokban függ az innovatív eredmények hasznosításától. Divatos tudásalapú gazdaságról beszélni, ugyanakkor komoly lemaradásunk van a hatékony technológiatranszfer-rendszerek hazai kiépítésében, az egyetemeken és a főhivatású kutatóintézetekben születő szellemi termékek hasznosításában. Gyenge tradíciókkal rendelkezünk az újdonságértékű eredmények felismerésében, védelmében, szabadalmaztatásában, a hasznosításban érdekelt ipari partnerekkel való együttműködésekben. Tanúi lehetünk komoly kormányzati törekvéseknek, melyek a pályázati feltételek révén bonyolult és sokszor hatékonyságukban megkérdőjelezhető rendszereket kényszerítenek a partnerekre a hasznosulás serkentése reményében. A szerény sikerek csak megerősítik, hogy a magyar innovációs helyzet is szenved az ún. európai paradoxon terhétől, hiszen a születő szellemi termékek gyakran elkallódnak vagy mások által hasznosulnak. Az új technológiák, versenyképes áruk alapját az eredeti tudományos felismerések jelentik, így a kutatóközösségek közvetlenül érdekeltek abban, hogy segítsék eredményeik gaz-

Szeged, 2007.

dasági értékesülését. A Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Központjának munkatársai a jelen kiadványban bemutatják tudományos munkájuknak azon eredményeit, amelyek megítélésük szerint a hasznosíthatóság lehetőségét hordozzák. A molekuláris és fejlődésbiológia, az enzimológia, a nanotechnológia, vagy a genomika szerteágazó területein a kísérleti megfigyelések adatainak sokasága halmozódott fel. Ezek közzétételével nemcsak a jogos társadalmi elvárásoknak kívánunk megfelelni, hanem valóban hisszük, hogy a kiadvány sokban elősegíti a potenciális hasznosítók megtalálását. Megadjuk a felelős kutatók elérhetőségét, hogy sikeres együttműködések bontakozzanak ki. Köszönettel veszünk minden észrevételt, javaslatot a jövőbeni fejlesztések érdekében. A kiadvány megjelenése alkalmával köszönetünket kívánjuk kifejezni a Magyar Tudományos Akadémia vezetésének, Vizi E. Szilveszter elnök úrnak az anyagi támogatásért, amely lehetővé tette ennek a szakmai anyagnak a megszületését. Köszönet illeti valamennyi közreműködő kutatótársunkat, valamint Páy Anikót, Gonda Andrásnét, Csordás-Tóth Évát és Farkas Juditot kiváló szerkesztői közreműködéséért.

Dr. Dudits Dénes főigazgató

3

Igazgatók

Igazgatók

Dr. Dudits Dénes Főigazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-768 • Fax: 62-433-188 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Keczán Józsefné Telefon: 62-599-769 Irodavezető: Dr. Szabad Jánosné Telefon: 62-599-761 E-mail: [email protected]

Dr. Ormos Pál Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-613 • Fax: 62-433-133 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Ormos Judit Telefon: 62-599-614 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Hrk Anikó Telefon: 62-599-609

Dr. Pósfai György Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Biokémiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-653 • Fax: 62-433-506 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Ökrösné Miklós Olga Telefon: 62-599-654 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Kordás Mónika Telefon: 62-599-642

Dr. Závodszky Péter Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Enzimológiai Intézet 1113 Budapest, Karolina út 29. 1518 Budapest, Pf. 7. Telefon: 1-209-3535 • Fax: 1-466-5465 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Szikra Ágnes Telefon: 1-279-3113 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Wagner Mária Telefon: 1-279-3122

4

Igazgatók

Igazgatók

Dr. Raskó István Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Genetikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-681 • Fax: 62-433-503 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Soltész Csilla Telefon: 62-599-657 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Dózsa Ildikó Telefon: 62-599-656

Dr. Vass Imre Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Növénybiológiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-700 • Fax: 62-433-434 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Károlyi Mariann Telefon: 62-599-714 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Kanalas Józsefné Telefon: 62-599-713

Dr. Báthori János Gazdasági Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-736 • Fax: 62-433-494 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Miletin Anna Telefon: 62-599-735 E-mail: [email protected]

5

Tudományos titkárság

Tudományos titkárság Dr. Páy Anikó

Gonda Zsuzsanna

Tudományos titkár

Humánpolitikai előadó

Telefon: 62-599-763 Fax: 62-432-576 E-mail: [email protected]

Telefon: 62-599-763 E-mail: [email protected]

Dr. Csordás-Tóth Éva

Varga Tímea

Nemzetközi Továbbképző Tanfolyam igazgatója

Idegenforgalmi ügyintéző



Pályázati Iroda

6

Dr. Heffner Péter

Kiss Anita

Irodavezető

Pályázati asszisztens



Biofizika

SZBK Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

7

Biofizika

Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Témavezető:

Dr. Ormos Pál Tel.: 62-599-613 E-mail: [email protected]

OPTIKAI MIKROMANIPULÁCIÓ A fény impulzust hordoz, vagyis testekbe ütközve erőhatást képes kifejteni. Mégis, a mindennapok makrovilágában a fény nyomása elhanyagolható. Más a helyzet azonban a mikrovilágban: ha mikrométeres mérettartományú részecskét átlagos intenzitású lézerfénnyel világítunk meg, a fénynyomás hatása jelentős lehet. Ha egy, a környezeténél nagyobb törésmutatójú anyagból készült mikroszkopikus testet fókuszált fénybe helyezünk, az a fókuszban csapdázódik. E módszerrel egyes sejtek, molekulák manipulálhatók: mozgathatók, nyújthatók, stb. Alapesetben egy gömb alakú test pozícióját határozza meg az optikai csipesz. További manipulációs lehetőséget nyújtana, ha még a megragadott test helyzetét, orientációját is meg tudnánk határozni: ez kiterjesztené a manipulációs lehetőségek körét. Laboratóriumunkban azt vizsgáljuk, milyen a kölcsönhatás az optikai csipesz és speciális alakú mikroszkopikus testek között. Fényre keményedő gyantából fotopolimerizációval tetszőleges alakú testeket tudunk előállítani, és e testekkel vizsgáljuk a csapdázás új jelenségeit, illetve segítségükkel újfajta mikromanipulációs eszközt készítünk. Két tipikus eljárást mutatunk be. Helikális, propeller alakú testek fénycsipeszben forogni kezdenek, e rotorokkal testek forgathatók, gépek hajthatók velük. Készítettünk fény hajtotta összetett, biológiában használandó gépeket.

8

Ha az optikai csipeszt lineárisan polarizált fény alkotja, lapos testek csapdázva a polarizáció síkjában orientálódnak. Ezzel az eljárással a testek orientálhatók. Ha a lapos testre próbamolekulát erősítünk, arra forgatónyomatékot tudunk kifejteni, mérni. Így molekulákat csavarhatunk, meghatározhatjuk molekulák torziós tulajdonságait. Ez a biológiában nagyon fontos, hiszen sok forgással járó biológiai folyamat van. Például a DNS-ben tárolt információhoz a molekula csavarásával lehet hozzájutni. Módszerünkkel például meg tudunk csavarni egyetlen DNS molekulát, és meg tudjuk határozni a DNS molekula csavarási rugalmassági állandóját – a működés megértéséhez fontos paramétert.

Óriásmolekula csavarása a lézercsipeszben. A fény polarizáció síkját forgatva forgatjuk a molekula végére erősített lapos testet.

Témavezető:

Biofizika

Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport

Dr. Ormos Pál

FOLYADÉK ÁRAMLÁSÁNAK VEZÉRLÉSE FÉNNYEL A MIKROFLUIDIKÁBAN A modern, genomikai megközelítésre alapozott biokémiai, orvosdiagnosztikai kutatásokban egyre nagyobb szükség van olyan műszerekre, amelyek kis mennyiségű anyagon, de igen nagyszámú mintán lehetőleg gyorsan végeznek méréseket. E követelményeknek a méretek csökkentésével lehet megfelelni, és a mikrofluidika (chiplaboratórium) az a kutatásfejlesztési irányzat, amely ebben az irányban keres újmegoldásokat. Világszerte nagy intenzitással kutatják-fejlesztik a területet. A mikro – illetve nanométer karakterisztikus méretű reaktorokban lezajlódó folyamatok dinamikája nem pontosan ismert még, ennek megfelelően nincs kialakult megoldás az egyes feladatokra, számos irányban folyik a fejlesztés Ilyen mikrofluidikai eszközöket fejlesztünk, mégpedig olyanokat, amelyeket fénnyel lehet vezérelni: ez nagyfokú rugalmasságot ígér a működésben. A megalapozó fizikai jelenségeket kutatjuk, vizsgáljuk az alkalmazás lehetőségeit. Kidolgoztuk a fényvezérelt elektroozmózis technikát. Folyadékkal telt csatorna falának töltését leárnyékoló töltések jelennek meg a folyadékban, és ezek elektromos térrel mozgathatók. Mikroméretű csatornákban a teljes folyadékmennyiség mozgatható ily módon, ez az elektroozmózis jelensége. A mikrocsatorna falát fényvezető anyaggal vonjuk be. A folyadékot az elektroozmózist felhasználva elektromos térrel mozgatjuk a mikrocsatornában, de a fényérzékeny falú csatorna megvilágításával az elektromos tér fénnyel befolyásolható, és így a folyadék mozgatása fénnyel vezérelhető. Különböző áramlásvezérlő elemeket dolgoztunk ki. Egyetlen csatornában a folyadék áramlását tudjuk

fénnyel ki-be kapcsolni. Készítettünk fénnyel vezérelt folyadékkapcsolót, itt fénnyel választjuk ki, hogy elágazó csatornában a folyadék melyik ágban folyjon. A mikrofluidika mérettartományában az áramlás mindig lamináris, ezért különös probléma a keverés, márpedig ez kulcskérdés a kémiai reakciók hajtásánál. A fényvezérelt elektroozmózis megoldást ígér e problémában is. Ha a mikrocsatorna fényérzékeny falát megfelelő mintázatú fénnyel világítjuk meg, a folyadék áramlás mintázatát is befolyásolni, szabályozni tudjuk egyetlen mikrocsatornán belül. Ezzel az eljárással lehetőség nyílik folyadék keverési algoritmusok kialakítására. A jelenséget kísérletekkel tanulmányozzuk, illetve megvalósítottuk a vizsgált rendszerek teljes számítógépes szimulációját. A kidolgozott módszerek alkalmasak a mikro csatornák áramlási jelenségeinek a vizsgálatára, ugyanakkor komoly gyakorlati jelentőségük van, hiszen újszerűen vezérelhető mikrofluidikai eszközök előállítására ad lehetőséget. Célunk teljesen fényvezérelt, komplex biokémiai feladatot ellátó mikrofluidikai rendszerek kifejlesztése.

Fényvezérelt folyadékkapcsoló szimulációja. Az elektromos tér és a folyadékáramlás jellemzőit véges elem módszerrel határoztuk meg.

9

Biofizika


Dr. Dér András

Tel.: 62-599-606 E-mail: [email protected]

A VÍZ SZERKEZETÉNEK HATÁSA A FEHÉRJEMŰKÖDÉSRE A vízmolekula a harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben (a H különböző formái és a CO után), és a leggyakoribb a Földön. Az élőlények nagy része víz (minden szervezettségi szinten). Ha elvonjuk a vizet, a fehérjék sem működnek. „A víz a fehérjéket körülvevő mátrix, amely biztosítja a stabilitásukat és a flexibilitásukat egyaránt” (Philip Ball). Különleges molekuláris tulajdonságai: nagy dipólmomentum, H-kötések hálózata, gyors kicserélődés. Mindezek miatt a vízmolekulák laza, dinamikus struktúrákba szerveződnek:

Alacsony hőmérsékleten sok ilyen konformáció van, magas hőmérsékleten kevés (a H-kötések gyengülése miatt). Mi lehet a következménye a H-kötések erőssége változásának a fehérjékre? A hőmérsékletváltozás hatása komplex, mert a hőmozgást is megváltoztatja. A fenti kérdés kísérleti megválaszolásához ezért ehelyett próbálkozhatunk olyan sók hozzáadásával, amelyek nem lépnek specifikusan kölcsönhatásba a fehérjékkel, de hatnak a vízre. A sók ilyen közvetett 10

hatása a fehérjékre régóta ismert, összefoglaló néven Hofmeister-hatásnak nevezik. Lényege, hogy a semleges sók közepes és nagy koncentrációkban (>100 mM) befolyásolják a fehérjék aggregációs tulajdonságait. A megfigyelések szerint a hatást főként az anionok határozzák meg. Hofmeister 1888-ban sorba rendezte az anionokat aszerint, hogy milyen hatékonysággal csapják ki a globuláris fehérjéket: SO4–– > F– > CH3COO– > Cl– > Br– > I– > ClO4–, SCN– A Cl – ionnak a legkisebb az oldhatóságra gyakorolt hatása. A sorban tőle balra elhelyezkedőket kozmotropoknak nevezik (hatásuk: „kisózás”, fokozott aggregáció), jobbra a kaotropok találhatók („besózás”, csökkent aggregáció). Érdekes módon később ugyanezt a sort találták a fehérje- aktivitásra is: a kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzim-aktivitást, a kaotropok pedig ellenkezőleg, de esetenként éppen fordítva van. Többek között az ilyen kivételek miatt még mindig nincs koherens elmélete a Hofmeister-effektusnak. Kutatásaink célja egy ilyen elmélet kidolgozása és gyakorlati alkalmazása. Kiindulópontul az szolgál, hogy mind az aggregációnál, mind a konformáció-változásnál felületváltozás történik. Hipotézisünk szerint a víz-fehérje határfelületi feszültség sófüggése magyarázatot ad a Hofmeister-hatásokra. Ezt már lényeges elméleti és kísérleti bizonyítékokkal támasztottuk alá.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A hatás mikroszkopikus értelmezését a fehérjék fluktuációinak vizsgálatával szándékozzuk megadni. Célunk továbbá a fehérjeműködést kísérő nagy konformációváltozások kimutatása a Hofmeister-hatás segítségével.

Dr. Dér András

Témavezetők:


Biofizika


Dr. Ormos Pál Tel.: 62-599-613 E-mail: [email protected]

BIOELEKTRONIKA A nemzetközi szakirodalomban a bioelektronika szót általában két különálló tudományág megjelölésére használják. Az egyik - a biofizikai alapkutatás részeként - az élő szervezetekben lejátszódó elektromos jelenségekkel foglalkozik, a másik pedig - mint a legutóbbi évtizedekben kifejlődött információ-technológiai diszciplína - biológiai eredetű anyagok elektronikai alkalmazási lehetőségeit kutatja. E két szakterület szoros kölcsönhatásban van nemcsak egymással, hanem olyan - első pillantásra kissé távolabb eső - tudományágakkal is, mint pl. az alkalmazott optika. Az elektromos jelenségek meghatározó szerepet játszanak az érzékelésben, mozgásban, energiaátalakításban és más fontos életfunkciókban. A különböző szervezettségi szinteken mérhető elektromos jelek értékes információval szolgálnak a fenti folyamatokra vonatkozóan (ld. pl. a közismert diagnosztikai alkalmazásokat [EKG, EEG]). A kutatások kiderítették, hogy mindezek a jelenségek vis�szavezethetők sejtmembrán-közeli folyamatokra, amelyekben az ún. ionpumpák játsszák az aktív szerepet. Ezek a membránba ágyazott különleges fehérjemolekulák pl. fény, ATP, vagy metabolitok rovására hozzák létre az általuk transzportált ion aszimmetrikus eloszlását (az „elektrokémiai potenciált”), amely az információtovábbító és energiaátalakító folyamatok hajtóerejét adja. Az ionpumpák működésével együtt járó elektromos és abszorpciókinetikai jelek mérésére, illetve értelmezésére intézetünkben többféle módszert is kidolgoztunk. Egyik módszerünket sikerült oly módon általánosítanunk, hogy az elektromos jelek mindhárom térdimenzióban történő detektálása lehetővé vált. A technika alkalmazásától azt várjuk, hogy – molekuladinamikai számolásokkal kombinálva – alapvető információval szolgál az ionpumpák elektromos szerkezetének a molekula működése közben bekövetkező változásaira vonatkozóan. Módszerünk hatékonyságát a legegyszerűbb

ionpumpáló membránfehérje, a bakteriorodopszin (bR) példáján mutattuk be, amely esetben már elérhető közelségbe került a fehérjeműködés atomi szintű leírása.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az előzőekben olyan biofizikai kutatásokról számoltunk be, amelyek azt demonstrálják, hogyan segíthet a fizika biológiai alapproblémák megoldásában. Emellett azonban ez a reláció akár meg is fordítható, vagyis a biológia is hozzájárulhat (alkalmazott) fizikai kutatási eredmények eléréséhez. Különleges fotoelektromos és optikai tulajdonságai miatt a bR lehetséges optoelektronikai alkalmazásait minden más biológiai eredetű anyagénál intenzívebben kutatják szerte a világon. A publikációk egy része a fehérje fotoelektromos tulajdonságát használja fel, nagyobb hányaduk pedig azt használja ki, hogy bR polarizációs hologramok rögzítésére, illetve dinamikus adattárolásra alkalmas. Saját kísérleti adataink mindezek mellett azt bizonyítják, hogy a bR-alapú filmek - kedvező optikai tulajdonságaiknál fogva – integrált optikai alkalmazások aktív elemeiként, pl. optikai kapcsolókként is használhatók.

Távolabbi célunk a kapcsolási sebesség növelése, valamint egyedi struktúrájú hullámvezetők felhasználásával komplex, fehérje-alapú integrált optikai áramkörök kialakítása. 11

Biofizika


Dr. Groma Géza


FEMTOBIOLÓGIA A femtobiológia a közelmúltban létrejött új tudomá nyág , mely a biológ ia i rendsz erekben a femtoszekundumos (10-15 s) időskálán lezajló folyamatokkal foglalkozik. Noha a közismert biológiai reakciók általában ennél lényegesen lassabbak, az elemi molekuláris események, így kémiai kötések kialakulása és bomlása, valamint a vibrációs és rotációs mozgások ebben az időtartományban mennek végbe. Ilyen értelemben tehát minden kémia femtokémia, és minden biológia femtobiológia. A klasszikus spektroszkópiai módszerekkel a fenti folyamatok csak közvetve, a frekvenciatartományban voltak tanulmányozhatók. Az ultragyors lézerek megjelenése lehetővé tette e jelenségek közvetlen időtartományban történő vizsgálatát, ezáltal lényegesen gazdagabb, ezelőtt elérhetetlen információk megszerzését. (Az időbeli viselkedésből a spektrum kiszámítható, fordítva azonban nem.) A ke z detben ha z a i é s nem z et közi eg y üt tműködésen alapuló vizsgálataink elsősorban a bakteriorodopszin fehérjében lejátszódó fényindukált primér töltésszétválasztási folyamatokra irányultak. Ezek főbb eredményei: - Direkt elektromos módszerrel kinetikailag követtük a fehérje lézerimpulzussal történő gerjesztése során létrejövő korai intermedierekben fellépő töltésmozgásokat. - Koherens infravörös emissziós kísérletek során a kisugárzott elektromos térerősség detektálásával biológiai mintán elsőként mutattuk ki az optikai egyenirányítás jelenségét, amely a fehérje retinál kromofórjának gerjesztett állapotában fellépő elekt12

ron polarizációból adódik. E technikával a tényleges időtartományban megfigyelhetővé váltak a gerjesztést követő szinkronizált (koherens) vibrációs mozgások is, melyek az ábrán láthatók a hozzájuk tartozó számított spektrummal együtt.

- Ugyancsak a világon elsőként detektáltunk koherens THz-es sugárzást fehérjéből, lehetővé téve a gerjesztést követő elektron- és a kezdeti funkcionális protonmozgások együttes megfigyelését.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Intézetünkben jelenleg kifejlesztés alatt áll egy ultragyors pumpa-próba mérőegység, mely a 100 fs – 1 ns időtartományban abszorpciókinetikai, később pedig fluoreszcencia up-conversion méréseket is lehetővé tesz. Terveink szerint a mérőrendszer országos szolgáltató laboratóriumként fog működni kutatási és fejlesztési feladatok megoldására.

Biofizika


Dr. Kelemen Lóránd Tel.: 62-599-600/419 E-mail: [email protected]

FÉNNYEL HAJTOTT MIKROGÉPEK A BIOLÓGIÁBAN

Napjainkban egyre nagyobb igény mutatkozik arra, hogy bonyolult, költséges és nagyméretű analitikai berendezéseket azok egyszerűbb, olcsóbb és kisebb változatai váltsák fel. Ezt az igényt az igen széles körben kutatott, mikrofluidikai módszereket alkalmazó ún. csiplaboratóriumok (lab-on-a-chip) alkalmazása elégítheti ki. Ezek olyan eszközök, ahol néhány mm2 felületen alakítanak ki csatornákból, reaktorokból és rezervoárokból álló hálózatot a vizsgálandó minta szállításához, reagáltatásához, illetve analíziséhez. Ezek a csiplaboratóriumok számos, a mikrométer tartományába eső méretű eszköz alkalmazását igényelhetik. Laboratóriumunkban a mikrofluidikai alkalmazások során használható mikrogépek előállításának lehetőségeit kutatjuk. Az általunk készített mikrostruktúrák anyaga fényre keményedő polimer, ami fókuszált lézerfénnyel megvilágítva szilárdul meg az előre meghatározott 3 dimenziós formába. A femtoszekundumos impulzusokból álló lézernyaláb a fotopolimerben kétfotonos abszorpciót idéz elő kizárólag a fókuszfolt közvetlen környezetében. A kétfotonos polimerizációval mikrométer alatti feloldású szerkezetek előállítása válik lehetővé.

Az előállított apró eszközök egy része szándékunk szerint a fény segítségével lesz mozgatható. Ezeknek az eszközöknek egyik első példánya egy üveg felületre polimerizált és fénynyomással hajtott 10μm átmérőjű kerék (ld. ábra). A kereket a mellé integrált, szintén lézeres polimerizációval készült fényvezető szálból kilépő fény hajtja meg. Hasonló módon előállított és fénnyel hajtott kerekek bonyolultabb feladatokat ellátó összetett szerkezetekben, megfelelő áttételeken keresztül erőforrásként szolgálhatnak. Az áttételek terveink szerint a makrovilág fogaskerék, fogasléc áttételeivel azonos módon működnek. Sikeresen polimerizáltunk már az áttételhez szükséges fogaskereket (7μm átmérővel), valamint az alkatrészek mozgatásában szerepet játszó spirálrugót (5μm átmérővel). Fontos kutatási területünk a módosított lézernyalábokkal való polimerizáció is. Ebben az esetben a lézernyalábot megfelelő optikai eszközökkel úgy alakítjuk, hogy egyetlen pont helyett egy komplex mintázatot világítson meg és ezáltal polimerizáljon a mintában. Mivel így a lézernyaláb pásztázása feleslegessé válik, a polimerizációs eljárás nagyfokú egyszerűsítését érhetjük el.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A lézeres polimerizációval előállított mikroszerkezetek alkalmazhatók lehetnek például pikoliter térfogatú folyadék pumpálására, laminárisan áramló folyadék keverésére, egyedi sejtek vagy sejtalkotók manipulálására.

13

Biofizika


Dr. Laczkó Ilona Tel.: 62-599-608 E-mail: [email protected]

ALKALMAZOTT KIROPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA A kiroptikai spektroszkópia legfontosabb felhasználási területe a biopolimerek, elsősorban a fehérjék és nukleinsavak térszerkezetének vizsgálata. A peptidek és fehérjék cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópiája a rutinszerűen vizsgált színképtartományban (185-250 nm) közvetlen információt szolgáltat a királis (aszimmetrikus) környezetben lévő amidcsoportok relatív térbeli elhelyezkedéséről, ami elsősorban a másodlagos szerkezettől függ. A CD egyszerű és gyors módszer, amelynek időskálája a femtoszekundum tartomány alatt van. A mérés időskálája következtében elvben bármely összetett CD-spektrum az egyes konformerekre jellemző, tiszta komponens-spektrumokra bontható fel. A módszer sikeresen kombinálható a hasonló időskálájú vibrációs spektroszkópiai módszerekkel (infravörös, vibrációs cirkuláris dikroizmus, Raman). Az elmúlt években hazai és nemzetközi együttműködés keretében számos területen végeztünk vizsgálatokat, amelyek közül a legfontosabbak: – Az Alzheimer kór kialakulásában döntő szerepet játszik a 42 aminosavból álló neurotoxikus amiloid polipeptid, amelynek aggregációja az idegsejtek elhalásához vezet. Az aggregáció során az amiloid másod- és harmadlagos szerkezete megváltozik, amely CD spektroszkópiával követhető. Kom-

14

binált CD és infravörös (FTIR) spektroszkópia segítségével a különböző kisméretű peptidek, fémionok, stb aggregációt befolyásoló hatását tanulmányozzuk. – Az antiszensz oligonukleotid (AON) modulált génexpresszió az orvosi terápia új és ígéretes területe. Az eljárás során különböző fúziós peptidekkel kombinált AON-t juttatnak a sejtekbe. Vizsgálataink célja olyan fúziós peptidek kiszűrése, amelyek hatékony membrán-transzlokációs és célbajuttató képességgel rendelkeznek. A fúziós peptid-AON komplexképződés CD és FTIR spektroszkópiával követhető, és megállapítható a penetráció szempontjából legkedvezőbb peptid/AON moláris arány is. A biológiai kísérleteket külföldi együttműködésben végezzük. – Az utóbbi években nagy érdeklődés mutatkozik a nem-vizes enzimológia iránt. Az enzimek más kata lizátorok ka l ellentétben ug yanis sztereoszelektívek. A szerves oldószer/víz elegyében is működő hidrolitikus enzimek különösen hasznosak, ha a szubsztrát vízben nehezen oldódik, vagy egy hidrolitikus reakció visszafordítására van szükség. Tanulmányozzuk a különböző szerves oldószerek és stabilizátorok hatását az enzimek (tripszin, kimotripszin, papain, pepszin, stb) másod- és harmadlagos térszerkezetére és katalitikus aktivitására.

Biofizika


Dr. Váró György Tel.: 62-599-620 E-mail: [email protected]

ATOMERŐMIKROSZKÓP BIOLÓGIAI ALKALMAZÁSA Az utóbbi években bámulatba ejtő eredményeket mutattak fel az egyedi molekula vizualizációs és manipulációs technikák. A biofizikai kutatásokban egyre jobban elterjed a 20. század vége felé kifejlesztett modern műszer, az atomerőmikroszkóp, amely egy rugólapka végén található hegyes tű segítségével tapogatja le a vizsgált felületet. A rugólapka elhajlása, a pásztázás során, arányos a tű és a felszín között ható erővel. A műszer térbeli felbontásának a tű hegye szab határt. A legnagyobb felbontással készült képeken egyedi atomok is megkülönböztethetőek. A készülék óriási előnye az elektronmikroszkóppal szemben, hogy a mintát a saját természetes környezetében képes vizsgálni, lehetőséget biztosítva arra, hogy egyes fehérjéket, vagy sejteket valós működésük közben figyelhessünk meg. Atomerőmikroszkóp segítségével sikerült különböző biomolekuláris rendszerekről olyan ismeretekhez jutni, amelyek egyéb módszerekkel nem elérhetőek. Az intézetünkben folyó atomerőmikroszkópos kutatásokból néhány eredmény: – Oligonukleotidok vizsgálata során megfigyeltük, hogy ezen rövid nukleinsav láncdarabkák csillám felületén önszervez ődve, hosszú láncszerű képződményeket hoznak létre. A jelenségnek szerepe lehet az élet keletkezése során a fontos, információhordozó molekulák, a DNS és RNS kialakulásában. – Fehérje szinten vizsgáltuk a bakteriális reakciócentrum kölcsönhatását szén nanocsövekkel. A kölcsönhatásból kapott komplexum ígéretes anyag a biotechnológiai alkalmazásokra.

– A bakteriorodopszin fehérjét vizsgálva sikerült direkt módon, mechanikai méretváltozás megfigyelésével kimutatni a fehérje működése során létrejövő konformációváltozást. – Endotél sejtek (lásd az illusztrációt) vizsgálata során megfigyeltük, hogy a mannitolos kezelés befolyásolja a sejt térfogatát és rugalmasságát. Kalciumos kezelés során, hosszabb időn keresztül vizsgálva a sejteket, megfigyeltük a sejtek alakváltozását.

– Vad típusú és mutáns baktériumok között kimutattunk alakbeli, valamint rugalmasságbeli különbségeket.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A megfigyelések során szerzett ismeretek hozzásegítenek új nanobiotechnológiai anyagok fejlesztéséhez, valamint g yóg yszeres kezelések hatás mechanizmusának a megértéséhez.

15

Biofizika


Dr. Zimányi László Tel.: 62-599-607 E-mail: [email protected]

FEHÉRJÉK ELEKTROMOS VEZETÉSE Az élőlények nem egyensúlyi termodinamikai rendszerek (a termodinamikai egyensúly az élet megszűnését jelentené), nyitott rendszerként környezetükkel állandó anyag- és energiacserét végeznek. A földi életben az energia forrása végső soron a Nap sugárzása. A baktériumok egy része és a növények ezt a fényt közvetlenül fel tudják használni kémiai energia raktározására (fotoszintézis), a többi élőlény az elfogyasztott táplálék lebontása során alakítja ki az energiaraktározó ATP molekulákat. Mind a fotoszintézis, mind az anyagcsere azon alapszik, hogy jól szervezett fehérjemolekula láncokon keresztül elektronok vándorolnak az alacsonyabb energiájú hely felé, mint ahogy a villamos vezetékben a hálózati csatlakozó egyik pólusából a fogyasztón át a másik pólusig. Alapvető különbség van azonban a vezeték (azaz fém) és a fehérjék elektronvezetési módszere között. Kutatásaink célja a fehérjék elektromos vezetési mechanizmusának jobb megértése, illetve annak vizsgálata, hogy egyes fontos fehérjék esetében a természet optimalizálta-e, és ha igen, hogyan, az elektronvezetés folyamatát. Kísérleteinket elsősorban a citokróm c fehérjén végezzük. Ez a fehérje gyakorlatilag minden élőlényben előfordul, és feladata egy elektron átvétele egy magasabb energiájú fehérjétől és elszállítása, majd leadása egy alacsonyabb energiájú fehérjének. A citokróm felszínét olyan molekulával jelöljük meg, mely egy lézerfény-impulzussal megvilágítva elektronforrássá válik, és egy elektront ad le a citokróm belsejében lévő hem csoportnak, majd onnan vissza is veszi azt. Eközben mérni tudjuk az elektronátadás sebességét, és össze

16

tudjuk hasonlítani a fehérje egyes tartományait, a különböző irányokat az elektronvezetés szempontjából. Modellszámításokkal magyarázzuk az elektronvezetés hatékonysága és a fehérjeszerkezet kapcsolatát. Az ábrán a citokróm c felszínét aszerint színeztük, hogy a középen látható hem csoporttól a felszínre átlagos (zöld), annál jóval hatékonyabb (piros) vagy jóval gyengébb (kék) az elektronvezetés.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Alapkutatási kérdés, hogy a citokróm c elektronját fogadó, bonyolultabb, de hasonlóan fontos fehérjében, a citokróm oxidázban milyen útvonalon, milyen hatékonysággal történik az elektron (és az elektromos töltés) szállítása, valamint ennek energetikai hasznosítása. A citokróm c önmagában ígéretes molekula

biológiai alapú érzékelők, bioelektronikai eszközök építőköveként, amihez szintén érdemes megismerni a belsejében lezajló elektronáramlás sajátosságait.

Dr. Tokaji Zsolt

Témavezetők:


Biofizika


Dr. Dér András


HUMÁN BIOFIZIKA, MOZGÁSANALITIKA Az élet alapvető jellemzője a mozgás, és nincs ez másképp a legmagasabb rendű élőlény, az ember esetében sem. Annak jelentősége, hogy ez a mozgás információt hordoz - akár a legmélyebb, molekuláris, sőt intramolekuláris szintekig terjedően - intuitíve már régóta sejthető volt (ld. pl. alkohol hatása), a kvantitatív vizsgálatához igazán alkalmas módszerek azonban csak mostanára alakultak ki, illetve még csak a kialakulás állapotánál tartanak. Kutatásaink jelenlegi két fő irányvonala az ember, mint objektum (akaratlagosan is befolyásolható) mozgását jellemző aktigráfia, valamint az ember egy kívülről is jól megfigyelhető (de akaratlagos kontrollnak gyakorlatilag nem alávethető) belső mozgását nyomon követő video-pupillográfia. Az aktigráf - többnyire a csuklóra erősíthető, nagyjából karóra méretű szerkezet, mellyel egy adott időszak (akár több nap vagy hét) mozgási aktivitás - idő diagramjait lehet rögzíteni, és számítógépre áttölteni elemzés céljából. A video-pupillográfia esetében a pupilla (pupillák) mozgása rövidebb-hosszabb időtartományban általában 1-15 perc - videokamera rendszerrel kerül felvételre, s számítógéppel elemzésre. Mindkét módszerünk alkalmasnak bizonyult a hangulatzavar (depresszió) és az egészséges állapot között eltérés kimutatására. Mindkét módszerünk jól felhasználható az - egyébként más objektív eljárásokkal nehezen meghatározható - éberség mérésére, melyben a video-pupillográfia erőssége az aktuális

éberség, míg az aktigráfiáé a hosszabb távú, átlagos éberség és periodicitásának jellemzése. Az aktigráfia segítségével már az eddigiekben is sikerült a napi mozgási aktivitás magasabb struktúrákba szerveződését igazolnunk, és jellemeznünk. A sötétben alkalmazott video-pupillográfiával pedig mint relatíve kis vizsgálati időigényű eljárással - akár egy mérésen belül következtetni lehetett az éberség természetes (pl. hiperaktív gyerekek), vagy szer (pl. nikotin) indukálta változásaira. Másfelől, szobai megvilágítási körülmények között, a video-pupillográfia alkalmas a szimpatikus/paraszimpatikus idegrendszeri aktivitás egyensúlyában bekövetkező természetes, szer (pl. metilfenidát) vagy hatás (pl. fényterápia) indukálta változásainak feltárására is. Laboratóriumainkban az aktigráfiában és a videopupillográfiában még nem alkalmazott új elemzési módszerek bevezetése, és fejlesztése is folyik, mint például wavelet-analízis, eloszlás-függvények elemzése.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Módszereink alkalmasak az emberi viselkedés, gondolkodás, és ezek időbeli szerveződésének, valamint patológiás elváltozásainak jobb megismerésére, gyógyszerek agyra gyakorolt hatásának, oda történő transzportjának, illetve eliminációjának tanulmányozására (szerkölcsönhatások segítségével pedig akár inter- vagy intramolekuláris folyamatok jellemzésére is).

17

Biofizika

Molekuláris Neurobiológiai Laboratórium

Témavezető:

Dr. Siklós László Tel.: 62-599-611 E-mail: [email protected]

NEURONÁLIS DEGENERÁCIÓ

Az utóbbi évek egyik örvendetes tendenciája az átlagéletkor növekedése. Ennek paradox következménye, hogy azon betegségek előfordulása emelkedik, melyek kialakulásának fő rizikófaktora az előrehaladott életkor. Ilyenek az idegrendszer degeneratív elváltozásai. Ezek általános velejárója, hogy az érintett személyek testileg vagy szellemileg lassan magatehetetlenné válnak, hosszú éveken át ápolásra szorulnak, ami súlyos terhet ró családjukra, és a társadalomra. Erre példa – egyben kutatásunk tárgya – a mozgató idegrendszer betegsége (az ún. amiotrofiás laterálszklerózis – ALS), melyben szenvedők gondozásának költsége (amerikai adatok alapján) évi 200,000 dollár/fő. Csupán e számadatot tekintve sem véletlen, hogy az orvos-biológiai kutatások súlypontja az idegrendszer degeneratív betegségeinek kutatására helyeződik át. Az ALS kutatásától – a neurodegeneratív betegségek pusztító mecha18

nizmusainak hasonlósága miatt – azt reméljük, hogy általánosan érvényes, más betegségek megértéséhez is hasznos ismeretanyaghoz juthatunk. Az ALS első diagnózisát a XIX. század végén végezték el. Eszerint, a harántcsíkolt izmok sorvadása, majd bénulása az agykérgi, az agytörzsi és a gerincvelői motoneuronok sérülésének a következménye. Az ALS kiváltó okát (eltekintve a családi formától) nem ismerjük, de a betegségben működő számos folyamat közül a kalcium háztartás olyan sérülését sikerült kimutatnunk, mely több károsító mechanizmust is erősíthet, így a gyógyítás kulcsa lehet. Hipotézisünk tesztelésére genetikailag módosított állatokon végeztünk kísérleteket, melyek kalcium háztartása kevésbé volt sérülékeny. Bár a betegséget modellező állatok élettartamát ezzel a transzgenikus beavatkozással meghosszabbítottuk, a remélt „teljes gyógyító hatás” elmaradt. Új stratégiánk: a motoneuronok és a környező sejtek együttes szemlélete. Filozófiánk, hogy „motoneuron betegség ≠ a motoneuronok betegsége”, vagyis a mozgató idegsejtek degeneratív betegsége nem egy „önmeghatározó” folyamat, hanem az idegi károsodást szabályozó tényezőket a mozgató idegsejteken kívül is kell, hogy keressük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A környéki (mikroglia) sejteknek a mozgató idegsejtek degenerációjában betöltött aktív szerepét egyik legutóbbi kísérletünk igazolta. Vizsgáljuk, hogy a motoneuronokra és az ezekre a sejtekre együttesen irányuló beavatkozás segít-e a motoneuronok ellenálló képességének fokozásában, ami az ALS-t tekintve terápiás lehetőséget kínálhat.

Biofizika


Témavezető:

Dr. Párducz Árpád Tel.: 62-599-604 E-mail: [email protected]

NEURONÁLIS PROTEKCIÓ ÉS PLASZTICITÁS Az utóbbi időben alapvetően megváltozott szemlélet ü n k a nem i hor monok é s el s ősorba n a z ösztrogén szerepét illetően. Kiderült ugyanis, hogy a neuroendokrin szabályozásban játszott szerepe mellett fontos organizáló és morfogenetikai tulajdonságokkal rendelkezik, ennek alapján inkább számos fehérje expresszióját befolyásoló általános modulátornak tekintik. Felelős az idegrendszer szer veződésében és működésében megnyilvánuló nemi különbségek kialakulásáért, de a klinikai adatok ugyanakkor azt is mutatják, hogy fontos szerepet játszhat az idegrendszer védelmében, a neuroprotekcióban is. Így például az ösztrogén kezelés csökkenti az Alzheimer betegség kockázatát, késlelteti kialakulását és elősegíti a gyógyulást traumatikus idegrendszeri sérülések után. A neuroprotektív hatás sejt ill. molekuláris szintű alapjairól keveset tudunk annak ellenére, hogy a kérdésnek fontos klinikai vonatkozásai lehetnek. A laboratóriumunkban azon sejt és molekuláris szintű mechanizmusokat tanulmányozzuk, melyek az öregedésből ill. agyi sérülésekből adódó funkcionális károsodások enyhítését lehetővé teszik. Igazoltuk, hogy az ösztrogén fontos szerepet játszik az idegsejtek közötti szinaptikus kapcsolatok kialakulásában és átrendeződésében. Ez fontos tényezője lehet a neuroprotektív hatásnak, hiszen a neuronok pusztu-

lása az idegi kapcsolatok elvesztésével is jár, és a regeneráció ez esetben új szinapszisok létrejöttét igényli. Az utóbbi években előtérbe került az ösztrogén terápiás alkalmazásának lehetősége, de egyre nyilvánvalóbbá válik, hogy az ösztradiol rendszeres terápiaszerű alkalmazása korlátozott, ezért szükség lenne egyéb, neuroprotektív célzatú kezelésben használható szteroidokra. Ilyen lehet a neuroszteroidok közé tartozó dehidroepiandroszteron (DHEA), mely a tesztoszteron és az ösztradiol prekurzora, a vérben a legmagasabb koncentrációban megtalálható szteroid. A DHEA állatokban neuroprotektív hatású, ugyanakkor férfiak és nők DHEA-nal történő kezelése jótékony hatással van a fizikai, pszichikai és kognitív állapotra anélkül, hogy bármilyen patológiás elváltozás kockázatát növelné, vagy endokrin változásokat idézne elő.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Olyan, a hormonhatásokra érzékeny célmolekulákat keresünk, melyek ismerete hasznos lehet neuroprotektív hatású farmakonok tervezésében. A gyakorlati alkalmazás oldaláról nézve eredményeink új stratégiák kidolgozását segíthetik elő a neurodegeneratív betegségek elleni, minimális mellékhatással rendelkező hormonalapú gyógyszerek tervezésében.

19

Biofizika


Témavezető:

Dr. Deli Mária Tel.:62-599-602 E-mail: [email protected]

VÉR-AGY GÁT PATOLÓGIA Az agyi hajszálerek tápláló és védő funkcióikkal vesznek részt az idegrendszer működéséhez szükséges állandó, szigorúan szabályozott környezet megteremtésében. Az agyi erek belhámsejtjei, az agyi endotélsejtek különleges működésüket és tulajdonságaikat az őket környező sejtekkel, a gliasejtekkel, az idegsejtekkel és a pericitákkal való szoros kölcsönhatásnak köszönhetik. A vér-agy gát az agyi endotélsejteknek és a szomszédos sejteknek dinamikus működési egysége.

Dr. Kis Bélával végzett kutatásaink során sikerült kimutatnunk, hogy a vér-agy gát sejtjei által termelt adrenomedullin erősíti az agyi endotélsejtek különleges tulajdonságait és fontos eleme a sejtes kölcsönhatásnak. A vér-agy gát többszörös védelmi rendszere azonban számos betegségben sérül, így idegrendszeri bakteriális és vírusfertőzésekben, neurodegeneratív betegségekben. Ezekben a kórállapotokban csökken az agyi endotélsejtek által az idegsejtek számára aktívan bejuttatott tápanyagok mennyisége. Nő a vér-agy gát áteresztőképessége, ezzel a vérből bejutó káros

20

anyagok mennyisége (pl. albumin), ami hozzájárul az idegsejtek további pusztulásához és a betegségek súlyosbodásához. Az agyi hajszálerek működésének kis mértékű változása is súlyos és tartós idegi működési zavarhoz vezethet. Kísérleteink során azt vizsgáljuk, hogy betegségek létrejöttében kulcsfontosságú tényezők milyen hatást fejtenek ki a vér-agy gátra és annak működésére, illetve hogyan, milyen hatóanyagokkal lehet a károsító hatásokat kivédeni. Igazoltuk, hogy az Alzheimer-kór és a prion betegségek kialakulásában fontos szerepet játszó amiloid peptidszakaszok közvetlenül károsítják az agyi endotélsejteket, és gátolják működésüket. Ezt a hatást sikerült kivédeni pentozán kezeléssel. A pentozán, a heparinhoz hasonló szerkezetű növényi hatóanyag a bakteriális sejtfal komponens lipopoliszacharid toxikus hatása ellen is hatékonynak bizonyult. Az SZTE Gyóg yszertechnológiai Intézetével együttműködésben gyógyszerek idegrendszerbe való bejuttatására keresünk új módszereket. Az orron keresztül való gyógyszerbeviteli utat, és a véragy gát transzportrendszereit kihasználó nanopartikulumokat vizsgáljuk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az agyi endotélsejtek védelme, a vér-agy gát működésének javítása, valamint új gyógyszerbeviteli utak, és lehetőségek feltárása új terápiás lehetőségeket teremthet az idegrendszeri betegségek kezelésében.

Biofizika


Témavezető:

Dr. Krizbai István Tel.: 62-599-602 E-mail: [email protected]

AZ AGYI ENDOTÉLSEJTEK MŰKÖDÉSÉNEK MOLEKULÁRIS ALAPJAI A központi idegrendszer számára a vér‑agy gát biztosítja azt az elkülönített biokémiai környezetet, amely működése számára létfontosságú. E gát kialakításában és fenntartásában az agyi erek illetve kapillárisok endotél sejtjei alapvető szerepet játszanak. Számos olyan központi idegrendszeri megbetegedés ismeretes, mint amilyenek az agyi ischaemia, a központi idegrendszer gyulladásos és daganatos megbetegedései, amelyek a vér-agy gát sérüléséhez, és ezáltal a központi idegrendszer homeosztázisának felbomlásához vezethetnek. Ennek súlyos következményei lehetnek a kórkép lefolyását illetően. Ugyanakkor éppen a vér-agy gát relatív impermeabilitása az, ami megakadályozza azt, hogy különböző g yóg yszerek terápiás koncentrációban jussanak be az agyba. A vér-agy gát legfontosabb alkotóelemei az agyi endotélsejtek, amelyek úgynevezett szoros zárókapcsolatok segítségével kapcsolódnak egymáshoz. Csoportunk kutatásainak célja az agyi endotél sejtek működését fiziológiás és patológiás körülmények között szabályozó molekuláris mechanizmusok megismerése. Ehhez egy in vitro vér-agy gát modell rendszert alkalmazunk. A közelmúlt kutatásai során sikerült kimutatnunk, hogy különböző idegrendszeri kórképekben, mint amilyenek az agy vérellátásának a zavarai és a vérzéses sokk, a szoros zárókapcsolatokat alkotó fehérjék mennyisége olyan mértékben csökken, ami funkciójuk ellátását akadályozza. Ezzel

párhuzamosan olyan sejten belüli jeltovábbító mechanizmusokat találtunk, amelyek befolyásolni képesek agyi endotélsejtekben a gát funkciók ellátását. Kutatásaink célja azonosítani azokat a jeltovábbító útvonalakat, amelyek agyi megbetegedések során a vér-agy gát sérülésében kulcsszerepet játszanak.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az agyi endotélsejtek és a vér-agy gát működését szabályozó molekuláris mechanizmusok megismerése jelentősen hozzájárul egyes idegrendszeri betegségek patomechanizmusának megértéséhez. Ugyanakkor azon molekulák azonosítása, amelyek kulcsszerepet játszanak a vér-agy gát sérülésében, új terápiás célpontok kifejlesztéséhez vezethetnek.

21

Biofizika

Membránszerkezet és Dinamika Csoport

Témavezető:

Dr. Páli Tibor


A VAKUOLÁRIS PROTON-ATPÁZ: EGY BIOMEMBRÁNBA ÉPÍTETT NANOGÉPEZET Az élő sejtek egyik legfontosabb sajátsága, hogy bennük az ionok nem egyenletesen oszlanak el. Ez egyes életfolyamatok következménye, míg mások hajtómotorja is egyben. A közeg a sejtek belső kamráiban és gyakran a sejten kívüli térben is savasabb, mint a citoplazma. Ezt a proton koncentrációban meglévő különbséget elsősorban a sejtkamrák membránjában és a plazmamembránban is megtalálható, két doménből álló membránfehérje, a vakuoláris proton-ATPáz (V-ATPáz) biztosítja. A fehérje ATP-t hidrolizál és az ebből nyert energia révén protonokat mozgat a membránon keresztül. A V-ATPáz mindkét doménje több alegységből áll. A mellékelt ábra csak a membránban lévő protont szállító rész fő alegységeit mutatja sematikusan. Működése során a fehérje 6 alegységből álló központi gyűrűje (az ábrán téglapiros rotor) forgó mozgást végez a membránban rögzített alegységhez képest (ami az ábrán a zöld kar). Proton csak a rotor és a kar érintkezési felületén, a forgás miatt periódikusan kialakuló és megszűnő csatornán keresztül haladva juthat át a membránon.

amely protonokat szállít egy gáton, a membránon keresztül. Az ilyen molekuláris motorok atomi felbontású szerkezetének meghatározása és működésének, szabályozásának megértése a biofizika egyik legfontosabb kihívása napjainkban. A membránfehérjék és a membránokban zajló életfolyamatok tanulmányozására spektroszkópiai technikákra alapozott szerkezetbiológiai módszercsomagot fejlesztettünk ki, amelyet folyamatosan továbbfejlesztünk. A módszer lényege, hogy a fehérjéket vagy eredeti lipid környezetükben hagyjuk, vagy olyan mesterséges membránba építjük, ahol a funkciójuk ellenőrizhető. Ezután spektroszkópiai és kalorimetriás módszerekkel adatokat gyűjtünk a szerkezetükről és működésükről. Végül az eltérő típusú adatokat molekulamechanikai és fizikai modellekben egyesítjük. Ez a módszer különösen jól működik membránfehérjék esetében, amelyek egyébként a klasszikus szerkezetbiológiai módszerekkel nehezen vizsgálhatók, vizes közegben való gyenge oldékonyságuk miatt.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás

A fehérje tekinthető eg y membránba épített nanogépezetnek, afféle motoros futószalagnak, 22

Kutatásaink nag yrészt arra irányulnak, hog y a V-ATPázról minél több, a funkció szempontjából releváns szerkezeti adatot gyűjtsünk, amelyek alapján működését modellezzük. Emellett vizsgáljuk potenciális gátlóanyagok hatásmechanizmusát is. A V-ATPáz szerepet játszik több betegségben (például daganatok áttétjeinek kialakulásában, csontritkulásban). Ezért a fehérje szövetspecifikus gátlása igen komoly gyógyászati jelentőséggel bír.

Témavezető:

Dr. Páli Tibor

Biofizika


FEHÉRJÉK GOMBOLYODÁSA ÉS SZERVEZŐDÉSE BIOMEMBRÁNOKBAN Az életfolyamatokat elsősorban fehérjék végzik, illetve katalizálják. A fehérjék működésük során jól meghatározott konformációváltozás sorozaton mennek keresztül. A natív konformációk kialakulása, így a működés hatásfoka, vagyis az életfolyamatok minősége nagymértékben függ a fehérjéknek a közvetlen környezetükben lévő molekulákkal való kölcsönhatásától. Különösen igaz ez a membránfehérjékre, legyenek azok a lipid kettősréteg belsejébe ágyazva, vagy a membrán felszínéhez kötve. Korábbi, részben saját kutatásaink igazolták, hogy a membránfehérjék lényegesen befolyásolják a velük kölcsönható lipidek dinamikáját, akkor is, ha azok nem kötődnek kovalensen a fehérjéhez. Az is elfogadott, hogy a membránfehérjék működése függ a hozzájuk nem kovalensen kötődő lipidektől is. Ennek a lipid-fehérje kölcsönhatásnak szerkezeti következménye is van mind a fehérjékre, mind a lipidekre nézve, azaz a membránfehérjék és lipidek szerkezetileg és dinamikailag is csatolódnak a közös határfelületükön.

(amelyek egy részét a jobb láthatóság érdekében eltávolítottuk). Látható, hogy a lipid láncok jól illeszkednek a fehérje rögös felszínéhez. Ugyanakkor ezen egyenetlenségek mértéke és a membrán vastagsága egymással összefügg. Ugyanis a nagyobb fehérje-felszíni egyenetlenség rendezetlenebb, míg a nagyobb membránvastagság rendezettebb lipid láncokat tételez fel. Sok év kísérleti adataira támaszkodva molekula-mechanikai számításokkal igazoltuk, hogy a spektrálisan elkülöníthető immobilis lipid hányad azonos a fehérjét körbevevő első lipid réteggel. Kutatásaink egyik fő célja jelenleg annak vizsgálata, hogy a membránba beépülő vagy annak felszínére kötődő fehérjék gombolyodását és szerveződését hogyan befolyásolja a membránok kémiai összetétele és fizikai állapota. Ezt egyrészt spektroszkópiára alapozott szerkezetbiológiai módszereinkkel kísérleti úton tanulmányozzuk, másrészt molekula-mechanikai modellszámításokat végzünk, kísérleti adatokra alapozva. A kísérleteket és a modellezést a fehérjéknek a membránok szempontjából három reprezentatív csoportján végezzük: transz-membrán alfa-hélix ill. bétahordó fehérjéken, valamint vízoldékony, de funkciójukban biomembránokkal is kölcsönható fehérjéken.


Az ábrán látható molekulamechanikai modell példaként egy kis transz-membrán fehérje felszínét mutatja az őt közvetlenül körülvevő lipidekkel együtt

Bármely technika, legyen az kísérleti vagy tisztán elméleti, amely közelebb visz a fehérjék gombolyodásának részletes megértéséhez, és azon keresztül a szerkezeti predikciók megbízhatóságának lényeges javításához, jelentős előrelépést jelenthet a szerkezetbiológia területén. Ennek, többek között, közvetlen gyógyászati és ipari jelentősége lenne. Ez különösen fontos a membránfehérjék esetében, amelyekre a klasszikus szerkezetbiológiai módszerek csak nagy nehézséggel és korlátozottan használhatók. Éppen ezért fő célunk egy, a saját kísérleti adatainkra épülő fehérjeszerkezeti predikciós algoritmus kifejlesztése. 23

Biofizika


Témavezető:

Dr. Bérczi Alajos Tel.: 62-599-617 E-mail: [email protected]

A CITOKRÓM B561 FEHÉRJÉK 1971-ben skandináv kutatók marha mellékvesekéreg idegsejtjeiben találtak egy olyan membránba ágyazódott b-típusú citokrómot, amely elektronokat vitt át a biomembrán egyik oldaláról a másikra, de nem volt tagja a mitokondriális elektrontranszportláncnak; nélkülözhetetlen volt az idegsejtekben termelődő ingerületátvivő anyagok szintézisénél; és működéséhez C-vitamin jelenlétére volt szükség. Ezt a fehérjét a spektroszkópiai tulajdonságai alapján citokróm b561 fehérjének nevezték el. A fehérje minden fontos fizikai és kémiai jellemzőjét meghatározták már, pontos térszerkezete és működési mechanizmusa azonban mindmáig ismeretlen.

A citok róm b561 fehérjéhez hason ló fehérjék megtalálhatók az élővilág minden magasabb szervezettségi szintjén, állatokban és növényekben egyaránt. A fehérje család tagjaira az a legjellemzőbb, hogy a biomembrán egyik oldalán egy

24

elektront (e –) vesznek át C-vitamin molekuláktól (ASC), azt a biomembránba beágyazódott „testükön” keresztül átszállítják a biomembrán másik oldalára, és ott átadják elektronra várakozó molekuláknak (Aox). Az ismert esetekben az elektront fogadó molekula a C-vitamin-gyök (Aox = ASC*). Egyik fontos kutatási célunk az elektront befogadó molekulák azonosítása a különböző citokróm b561 fehérjék nél, amiből k iderül, hog y milyen életfolyamatokban játszanak szerepet az újonnan felfedezett membránfehérjék. A fehérje család eddig azonosított tagjait mindig olyan biomembránban találták meg, amely egy savas térrészt választott el a közel semleges kémhatású citoplazmától, és amelyben proton-ATPázok (pl. V-ATPáz) biztosították a térrész savasságát. Bizonyos, hogy a citokróm b561 fehérje család valamen�nyi tagja szerepet kap a C-vitamin anyagcserében. Feltételezhető, hogy a fehérje család egyes tagjai részt vesznek a vas anyagcserében is. Bizonyított, hogy az egyik b561 fehérje megjelenik a rákos sejtek membránjában, amikor a rákos sejt bizonyos védekezési mechanizmusai „aktiválódnak”.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A citokróm b561 fehérjék szerkezetének, biológiai szerepének és bioregulációjának megismerése új lehetőségeket nyithat meg a gyógyszerkutatás és növénynemesítés számára.

Biofizika


Témavezető:

Dr. Szalontai Balázs Tel.: 62-599-605 E-mail:[email protected]

LIPID-FEHÉRJE KÖLCSÖNHATÁSOK BIOLÓGIAI ÉS MODELL RENDSZEREKBEN Membrán nélkül nincs élő szervezet. A membránok határolják el a sejteket a külvilágtól, de ugyanakkor a membránokban foglalnak helyet azok a fehérjék, amelyek a sejtek számára közvetítik a külvilág jelzéseit, lebonyolítják a sejtek anyagcseréjét. A sejtek belsejében levő membránokban zajlanak az energiatermelő folyamatok, beleértve az egész földi élet számára elsődleges fontosságú fotoszintézist is. Több szervezet teljes genetikai állományának feltérképezése alapján úgy tűnik, hogy a teljes genom kb. 30%-a membránfehérjéket kódol. Ehhez képest a több tízezer atomi felbontásban ismert szerkezetű fehérjéből mindössze néhány tucat a membránfehérje. Ennek az az oka, hogy membránok rendkívül összetett képződmények, ahol a fehérjék a lipidekkel együtt alkotnak funkcionális egységeket. A lipidek biztosítják a membrán szigetelő képességét, illetve kettősrétegük hidrofób belsejében a működési feltételeket a membránfehérjék számára. Ezért a membránfehérjék külön, magukban, igen nehezen vizsgálhatóak, és mindig kérdéses, hogy az esetleg kapott eredmények milyen viszonyban vannak a valóságos viszonyokra jellemzőkkel. A probléma megoldására két, egymással ös�szefüggő lehetőség kínálkozik. Egyrészt a biológiai membránok vizsgálata, úgy, ahogy vannak, egyes tulajdonságaikra szelektíven érzékeny módszerek alkalmazásával. A másik, olyan modell rendszerek kialakítása, amelyek a természeti körülményeket a

lehető leginkább megközelítve teszik lehetővé egyes fehérjék, folyamatok vizsgálatát. E stratégiának megfelelően egyrészt biológiai membránokban az eredeti szerkezetet egyáltalán meg nem változtató módszerrel, infravörös spektroszkópiával vizsgáljuk a fehérjék és a lipidek kölcsönhatását, amit az tesz lehetővé, hogy a fehérjékre, illetve a lipidekre jellemző tartományok elkülönülten jelennek meg az infravörös spektrumban. Másrészt olyan modellrendszereket fejlesztünk ki, ahol a sejtekben meglévő, a biológiai membránokat kifeszítő fehérjékből álló „vázat” mesterségesen, molekulánként, nanotechnológiai módszerekkel készítjük el, és erre feszítünk fel egy mesterséges lipid membránt, amibe be tudjuk ágyazni a vizsgált fehérjéket. Ezeket a fehérjéket tanulmányozzuk aztán különféle módszerekkel (infravörös spektroszkópia, atomerő mikroszkópia, elektrokémia).

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Minden későbbi hasznosításhoz elengedhetetlen az alapjelenségek megértése, ez kutatásaink fő célja. Reményeink szerint azonban az általunk kifejlesztett modell rendszer alkalmas lesz arra is, hogy orvosbiológiai szempontból fontos fehérjék (pl. ioncsatornák) működését, és ennek során egyes (potenciális) gyógyszerekkel való kölcsönhatását, működésének befolyásolhatóságát tanulmányozzuk.

25

Biofizika

Redox Metalloenzimek Csoport

Témavezetők:

Dr. Kovács Kornél Tel.: 62-546-930 E-mail: [email protected]

Dr. Rákhely Gábor


BIOHIDROGÉN A 21. század küszöbén globális környezeti és energia válsággal kell szembenéznie az emberiségnek. Ameddig fosszilis energia bőségesen áll rendelkezésre, életünk minden mozzanatát ennek felhasználásával tettük és tesszük kényelmessé. Mára azonban egyértelműen sokasodó bizonyítékok sora ébreszti rá a politikai döntéshozókat is, hogy a fosszilis energia féktelen habzsolása a környezetet súlyosan károsítja, ami hamarosan az emberiség és rajtunk kívül számos faj földi létét veszélyezteti. A legegyszerűbb kémiai szerkezettel rendelkező molekulára, a hidrogénre (H 2) ma már világszerte úgy tekintenek, mint olyan energiahordozóra, amely az emberiség fenntartható fejlődése érdekében képes lesz kiváltani a fosszilis energiahordozókat. Ha a hidrogént megújuló forrásokból állítjuk elő ipari léptékben, használata megszabadíthat bennünket a globális felmelegedés okozta környezeti katasztrófáktól, és megszüntetheti sok háborús konfliktus kiváltó okát. A hidrogén, hasonlóan az elektromos áramhoz, egy energiahordozó, egyiket sem lehet a megszokott módszerekkel bányászni. H 2–t vízből vagy szerves anyagokból nyerhetünk külső, primer energiaforrás felhasználásával. Manapság a legtöbb hidrogént fosszilis energiahordozókból állítják elő, elsősorban földgázból, ami az energetikai, környezeti és politikai problémákat alapvetően nem oldja meg. Hidrogént lehet azonban termelni már ma is megújuló primer energiaforrásokból elfogadható hatásfokkal, a biotechnológiai megoldások és rendszerek gyors fejlődése komoly ígéret a jövő hidrogén alapú gazdasága számára. A biológiai hidrogén termelés és felhasználás kulcsenzime a hidrogenáz. Kutatásunk közpon26

ti feladata a hidrogenáz fehérje és a hozzá kötött fémek közöt ti kölcsönhatás és az a ktív enzim bioszintézisét irányító törvényszerűségek megismerése a metalloenzimekben. A hidrogenázok molekuláris biológiai kutatása máris elvezetett olyan baktérium törzsek előállításához, amelyek kiemelkedő hidrogéntermelő aktivitással rendelkeznek. A legtöbb ilyen hidrogéntermelő “bajnokot” egy egyszerűen és olcsón szaporítható, kön�nyen kontrollálható fotoszintetizáló baktériumból állítottuk elő.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A baktérium genomjában tárolt információtömeg megismerésével olyan új mutánsokat tervezhetünk és hozhatunk létre, amelyek eddig nem ismert biohidrogén termelő képességgel rendelkeznek anélkül, hogy a környezetre és biodiverzitásra a legkisebb veszélyt jelentenék. Ezek lesznek a jövő hidrogén társadalmának szorgos munkás hajtómotorjai. 2H+ 2H2O

e-

Fotoszintézis

e-

O2 + 2H+

Biomassza

Sötét fermentáció

elektron hordozó

e-

Hidrogenáz

e-

elektron hordozó Szerves anyagok pl. toll

Hidrogenáz

2H+

Témavezető:

Biofizika


Dr. Kovács Kornél

BIOGÁZ A fotoszintetizáló élőlények elterjedésének eredményeként a Földön oxidáló atmoszféra alakult ki, tehát a legtöbb vegyület, ami szennyeződésként környezetünkben megjelenik, valamilyen oxidációval járó folyamat terméke. Ártalmatlanításukra gyakran csak akkor van mód, ha redukáljuk azokat. A biológiai regeneráláshoz, a bioremediációhoz pedig aligha lehet biztonságosabb és alkalmasabb redukálószert találni, mint a biológiai rendszerek által helyben megtermelt H2. Ezt az elvet alkalmazzuk a szerves hulladékokat biogázzá alakító mikrobiológiai folyamat befolyásolására. Biogáz akkor képződik, amikor szerves anyagok levegőtől elzárt környezetbe kerülnek. Ilyenkor szinte kivétel nélkül a szerves anyagon olyan mikróba közösségek szaporodnak el, amelyek a szerves anyagokat lebontják, elfogyasztják. A sokféle parányi élőlényből szerveződő közösség egyes tagjai az életben maradásuk érdekében egymásra vannak utalva, ezen az alapon jól szervezett munkamegosztással rendelkező közösséggé formálódik. A közösség hajtóereje az, hogy az egyes mikrobák az életükhöz szükséges energiát a szerves anyagok szén-szén kötéseiben tárolt kémiai energiából nyerik. Amikor a sok szén-szén kötést tartalmazó molekulákat addig darabolják, amíg nem marad már felszakítható energiadús kötés, a maradékot (CH4 és CO2 gáz keverék formájában) a környezetükbe ürítik, ezt hívjuk mi biogáznak. A természetben maguktól kialakuló mikróba közösségek természetesen nem ennek a számukra fe-

lesleges gáznak a maximális termelésére törekednek. Kimutattuk, hogy a biogázt termelő összetett reakciósor működése felgyorsítható, ha az általunk kidolgozott módon a folyamat egyes mikrobiológiai lépéseibe beavatkozunk. Az eljárást hígtrágya, kommunális szennyvíziszap, energianövények és szilárd kommunális depónia anaerob kezelésére üzemi körülmények között teszteltük és hasznosítottuk. A biotechnológiai beavatkozással a biogáz termelés hatékonysága, ezzel gazdaságossága jelentősen fokozható. Tehén: 2-3 nap

Mezofil: 30-60 nap Termofil: 15-30 nap

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A biogáz technológia hatékonyságát nem egyedül a hidrogén termelés gyorsasága határozza meg. A mikrobák viselkedését más környezeti paraméterek is jelentősen befolyásolják. A fent bemutatott stratégiával jelentősen tovább növelhető a technológia hatékonysága és gazdaságossága.

27

Biofizika


Témavezető:

Dr. Kovács Kornél

BIOREMEDIÁCIÓ A mikroorganizmusok metanotróf anyagcserét végző csoportjára jellemző enzimeknek tulajdonítható az a tulajdonságuk, hogy a súlyos környezetvédelmi és közegészségügyi károkat okozó klórozott szénhidrogének jelentős hányadát képesek ártalmatlanná tenni. Elsőként mutattuk ki, hogy a metanotrófokban a metán és hidrogén anyagcsere között funkcionális kapcsolat van. Ez azt jelenti, hogy a metanotrófok működése során három gáz halmazállapotú anyag (CH4, O2, H2) egyidejű kezelésére van szükség, aminek molekuláris mechanizmusa nem ismert, és nyilvánvalóan számos új alapkutatási kérdést és gyakorlati hasznosítási lehetőséget vet fel. A tudományos kihívás és a potenciális gyakorlati hasznosítás egyaránt motiválja azokat a vizsgálatokat, amelyek nehezen lebontható vegyületek biológiai ártalmatlanítására, bioremediációval végzett lebontására irányulnak. Az irodalomban leggyakrabban kezelt egyszerű szénhidrogén szennyeződések lebontása ma már mindennapos feladatnak számít, emellett sikeresen oldottunk meg bonyolultabb, adalékanyagokat tartalmazó szénhidrogén származékok, olajok, kenőolajok és savgyantával szennyezett talaj ártalmatlanítását. Hasonlóan komoly szakmai kihívást jelentett a növényvédőszerek és gyógyszergyártás során keletkező mérgező vegyületek biológiai lebontása. Eljárást dolgoztunk ki az ellenálló, keratin tartalmú hulladékok (toll, szőr, pata) hatékony biológiai lebontására, a feldolgozott keratinból tiszta energiahordozót, hidrogént állít elő a mikrobiológiai rendszer. Rendelkezünk

28

szénhidrogének, klórozott szénhidrogének, magas zsírtartalmú szennyeződések, kénhidrogén és más redukált kénvegyületek, fehérjében vagy cellulózban gazdag szennyeződések bontására alkalmas saját fejlesztésben izolált és nemesített mikróbákkal. A Corex-Bioner ZRt.-vel együttműködve épült fel Szegeden az a kísérleti fermentációs üzem, ahol öt független fermentációs gyártósoron, összesen 80 m3 fermentáló kapacitás működik a bioremediációban használatos mikrobák szaporítására évi 20000 m3 termelő kapacitással. Az üzemben előállított oltóanyagok fejlesztését, a tenyésztési körülmények optimalizálását a kutatócsoportunk végzi.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ezt a megközelítést követve számos környezetvédelmi probléma biotechnológiai megoldását lehet kidolgozni.

Biofizika


Témavezető:

Dr. Bagyinka Csaba Tel.:62-599-605 E-mail: [email protected]

REDOX FEHÉRJÉK MŰKÖDÉSE ÉS SZERKEZETE A redox fehérjék fontos szerepet játszana k az élő rendszer energetikai folyamataiban. Mivel energiátalakító, energia termelő és használó folyamatok az összes élőlényben megtalálhatók, a redox fehérjék kutatásának fontosságát nem lehet túlbecsülni. A redox fehérjékben többnyire fématomok játszanak szerepet (vas, réz, stb.). Kutatócsoportunk a Thiocapsa roseopersicina bíbor, fotoszintetizáló kénbaktériumból izolálja a fehérjéket. Számos fémtartalmú és redox aktivitást mutató fehérjét izoláltunk. Régi kutatási témánk a hidrogenáz enzim szerkezete és funkciója, melyről a következő kutatási téma leírásakor beszélünk részletesen. Emellett sikerült egy, ilyen baktériumokban eddig ismeretlen, citokróm c4 redox fehérjét, s egy kék rézfehérjét is azonosítanunk. Meghatároztuk jellemző adataikat (redox potenciál, móltömeg, stb.). Spektroszkópiai mérésekkel kiderítettük, hogy a citokróm c 4 anaerob körülmények között hőtűrő, dacára annak, hogy maga a baktérium 30 °C felett elpusztul. Megállapítottuk, hogy a hőmérséklet emelésének hatására a citokróm c4-ben konformációs változások mennek végbe, melyek anaerob körülmények között reverzibilisek, aerob körülmények között viszont a jelenlevő oxigén hatására a konformációs változások fixálódnak.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérjék vizsgálata alapvetően a hőtűrés további megértését segíti elő. Ugyanakkor a redox fehérjékkel való mérések során új mérési technikákat is kidolgoztunk. Ezek közül legjelentősebb, hogy egy új fehérjeszekvenáló módszert fejlesztettünk ki egy amerikai kutatócsoporttal közösen.Az új módszerrel tömegspektrométer segítségével határozzuk meg a fehérje aminosav sorrendjét. Az aminosav sorrendet mostanában jellemzően a nukleinsav sorrend meghatározásával és átkódolásával állapítják meg. Ez a módszer egy genetikailag nem feltérképezett organizmus esetében (és az élőlények többsége ilyen) meglehetősen komplikált és időigényes, nem is minden esetben valósítható meg. Ugyanakkor nem feltétlenül a működő fehérje szekvenciáját kapjuk meg. Új módszerünk időben versenyképes a nukleinsavból történő szekvencia meghatározással, és további fejlesztéssel az anyagmennyiség is annyira csökkenthető, hogy két dimenziós gélelektroforézis fehérje foltjaiból is meghatározható lesz a szekvencia. Hátránya pillanatnyilag, hogy drága és terjedelmes műszert (több tömegspektrográfot) igényel, ezért csak kevés helyen alkalmazható. Ennek ellenére meggyőződésünk, hogy ez az új módszer nagy lökést ad majd a fehérje szerkezet és funkció kutatásának.

29

Biofizika

Redox Metalloenzimek Csoport Témavezető:

Dr. Bagyinka Csaba

AUTOKATALITIKUS ENZIMREAKCIÓK VIZSGÁLATA Az autokata liti kus folya matok az élőv i lágba n makroszkópikusan igen gyakran megfigyelhetőek. Tipikus autokatalitikus folyamat a szaporodás. Az utód létrehozásához az élőlényeknél egy vagy két szülőre (és természetesen tápanyagra, szubsztrátra) van szükség. Az autokatalitikus folyamatokat legkönnyebben jellegzetes térbeli mintázatukról ismerhetjük fel. Ha semmi zavaró körülmény nem jön közbe, akkor tipikusan gömbalakú (sík reakciók esetén köralakú) reakciófrontok jönnek létre, melyek sugara az időben állandóan növekszik (lásd az ábrán). Az emberiség is hasonló módon hódította meg a Földet, az addig lakatlan területeket. Bár az élővilágban jellegzetes, de elemi reakciókban mégis ritkaság az autokatalitikus működés. Munkánk során ilyen autokatalitikus reakciókat vizsgálunk biomolekulákon, enzimeken.

A hidrogenáz autokatalitikus reakciója vékonyrétegben.

Vizsgálataink alanya a hidrogenáz enzim, amely alacsonyabbrendű élőlényekben (prokariótákban, 30

archeákban, stb. vulgárisan „bacikban”) fordul elő. Régi maradvány ez az enzim a „bacikban”, azt feltételezzük, hogy akkoriban alakult ki mikor a Föld légköre még „redukáló” volt, tehát nem volt benne oxigén, a légkört zömmel redukáló gázok, pl. hidrogén alkották. A hidrogenáz enzim igen egyszerű reakciót katalizál, a hidrogén gázt bontja el elektronokra és protonokra illetve, mint minden katalizátor, fordítva is működik, tehát protonokból és elektronokból hidrogén gázt tud készíteni. Az enzim vas és nikkel atomokat tartalmaz. Kutatócsoportunk felfedezése, hogy a hidrogenáz enzim reakciója autokatalitikus.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az autokatalitikus folyamatok más elemi biológiai folyamatok esetében is megjelennek. Autokatalitikus folyamatok játszanak szerepet az úgynevezett „prion” betegségek (kergemarhakór, Creutzfeldt-Jakob betegség, stb.) esetében is. Az autokatalízis kinetikai megfigyelése (hogyan játszódik le a folyamat, mi történik a folyamatok során) a prion fehérjék esetében igen nehéz. Mivel a hidrogenáz reakciója könnyen kezelhető, megfigyelhető, reméljük, hogy a megfigyeléséből kapott információk, az itt kifejlesztett mérési technikák a prion betegségek vizsgálata során is alkalmazhatók lesznek. A hidrogenáz autokatalitikus reakciója biotechnológiai jelentőségű is. Abban ugyan nem hiszünk, hogy a hidrogenáz segítségével biológiai úton, ipari méretekben hidrogén gázt fogunk termelni, de a hidrogén gáz ipari felhasználásában (pl. a hidrogénnel működő tüzelőanyag cellákban) valószínűleg fontos szerepe lehet ennek az enzimnek. Kiválthatja az ott jelenleg egyeduralkodó platina és más nemesfém katalizátorokat, mert olcsóbb, könnyebben előállítható és nem kell bányászni, mivel a napenergia segítségével hozható létre. Használatához viszont feltétlenül tudnunk kell hogyan működik.

Témavezető:

Dr. Bagyinka Csaba

Biofizika


FILOGENETIKUS FÁK REKONSTRUKCIÓJA

(Kooperációban Busa-Fekete Róberttel, az MTA-SZTE Mesterséges Intelligencia Kutató Csoportjából) Az evolúció már több mint egy évszázada a fajok kialakulásának a legelfogadottabb modellje. Az evolúcióval foglalkozó tudományágat filogenetikának hívjuk (a szó a görög phülon = törzs és geneszisz = születés szavakból ered). A filogenetikában a legelterjedtebb módszerek a fajok fejlődésének a folyamatát egy úgynevezett filogenetikus fával reprezentálják, amely egy súlyozott fa-gráfnak felel meg, ahol a levelek reprezentálják a vizsgált biológiai objektumokat. Az ilyen típusú fák rekonstrukciója mind biológiai, mind számítástudományi szempontból számos érdekes problémát vet fel. A különböző fajokból izolált fehérjék szekvenciáinak összehasonlítási lehetősége új típusú vizsgálatok elvégzésére adott alapot a filogenetikában, ami merőben átformálta a biológia ezen ágát. Míg korábban a filogenetika egyet jelentett a fajok evolúciós fejlődéstanával, addig az új eredmények hatására a kutatások kiterjedtek a fehérjék öröklődésének vizsgálatára. A filogenetika alapfeladata matematikai szemszögből egy jól definiált probléma: egy helyes fatopológiát kell hozzárendelnünk a különböző fajokból izolált, hasonló funkciójú és hasonló szekvenciájú fehérjékhez. Ennek a megvalósítására számos algoritmust dolgoztak ki, amely közül néhány széles körben elterjedt, mint például a Neighbour-Joining és az UPGMA. Ezek a módszerek az úgynevezett távolság-alapú módszerek közé tartoznak, mert egy előre meghatározott távolságviszony alapján rekonstruálják a vizsgált fehérjék evolúciós történetét. Az általunk kidolgozott módszer szintén ebbe az algoritmusosztályba esik. A Multi-Stack (MS) algoritmus azt a súlyozott fatopológiát keresi, amely a legjobban képes visszaadni az előre definiált távolságot: azaz a keresett súlyozott fában a fehérjék távolságai – közöttük lévő út élsúlyainak az összege - a

legkevésbé térnek el az előre definiált távolságoktól. Ennek a fának a megtalálása egy NP-teljes problémára vezet, ezért csak heurisztikus megoldást lehet rá alkalmazni. Az MS módszer először a vizsgált fehérjék egy-egy részhalmazára épít optimális fát, majd ezeket a részfákat összekapcsolja iteratívan. Ezt a down-top megközelítést hatékonyan tudtuk alkalmazni több tesztkörnyezetben, és számos tradicionális faépítőnél hatékonyabbnak bizonyult. Mivel a filogenetikus faépítő algoritmusok sokszor több lehetséges evolúciós történetet is képesek meghatározni, vagy a különböző algoritmusok különböző fát rekonstruálnak, ezért sokszor olyan módszerekre van szükségünk a filogenetikus analízis utolsó fázisaként, amely több filogenetikus fa által hordozott információt képes egy reprezentatív fába összegyűjteni. Az ilyen célú algoritmusokat konszenzus faépítőknek nevezzük. Általában minden filogenetikus fa egy belső pontja egyértelműen meghatározza egy részhalmazát a vizsgált biológiai objektumoknak (a belső pont alatt található levelek által reprezentált objektumok halmaza). Tehát a filogenetikus fa fogalma ekvivalens a hierarchikus halmazrendszerek, vagy más szóval a kompatibilis halmazok definíciójával is. Ezt a megközelítést alkalmazva kézenfekvő, hogy azokat a kompatibilis klasztereket szeretnénk a konszenzus fa belső pontjaiként kiválasztani, amelyek a vizsgált fákban a legtöbbször fordulnak elő. Természetesen az input fákban előforduló klasztereken értelmezhetünk tetszőleges valós értékű súlyfüggvényt. Ezt a konszenzus faépítési problémát oldottuk meg hatékonyan, és megmutattuk, hogy a legelterjedtebb konszenzus módszereknél, mint például a Majority-Rule, Strict vagy Greedy konszenzus, pontosabb filogenetikus analízist lehet végrehajtani.

31

32

Biokémia

Biokémia

SZBK Biokémiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

33

Biokémia

Neurobiológia Csoport

Témavezetők:

Dr. Benyhe Sándor Tel.: 62-432-099 E-mail: [email protected]

Dr. Borsodi Anna

Tel: 62-433-432 E-mail: [email protected]

MORFIN-RECEPTOROK ÉS OPIOID PEPTIDEK KUTATÁSA A tartós és erős fájdalom (baleseti sérülések, műtétek, rákbetegség) enyhítése az orvostudomány alapvető feladata, miként ezt az orvosi eskü szövege is megfogalmazza. Sajnos az igazán hatásos fájdalomcsillapító gyógyszerek kábítószernek minősülő hatóanyagokat tartalmaznak (morfin), amelyekhez a beteg és az egészséges szervezetű emberek is hozzászokhatnak, illetve e szerektől függővé válhatnak (drogfüggőség, narkománia). A morfinszerű gyógyszerek és kábítószerek sokrétű hatásaikat úgy fejtik ki, hogy összekapcsolódnak az idegsejtek felületén található opioid receptor fehérjékkel. E fehérjék tulajdonságait és működését csoportunk a biokémia és sejtbiológia eszköztárával kutatja.

szetes peptidek (endorfinok, enkefalinok) hatásmechanizmusának vizsgálata.

Csoportunk által felfedezett és jellemzett opioid peptidek afrikai karmos békában (Xenopus laevis)

A neuropeptidek nag y moleku latömeg ű előanyagból (prekurzor: a szürke színű láncmolekula az ábrán) hasítódnak ki, még a sejten belül. A hasítási helyeket nyilak mutatják. A sejtekből kijutó hatékony végtermékeket színes szakaszok jelképezik. Alattuk a számok a peptidekben lévő aminosav építőegységek mennyiségét jelentik.

34

Az opioid receptor fehérjék (μ,δ,κ) vázlatos szerkezete


A színes korongok a fehérjealkotó aminosavakat (peptidlánc) jelentik. Sárga: mindhárom fehérjében azonos aminosav; Piros: legalább két fehérjében azonos aminosav; Zöld: A μ-, δ-, illetve λ-receptorra jellemző egyedi aminosav. Másik kutatási területünk a testünkben képződő, ugyancsak az opioid recep-torokhoz kötődő termé-

Eredményeink kétféleképpen járulhatnak hozzá életminőségünk javulásához: egyrészt megalapozhatják új, mellékhatásoktól mentes fájdalomcsillapító gyógyszerek fejlesztését, másrészt pedig az alapfolyamatok jobb megismerése révén a kábítószerekkel történő visszaélések megfékezésének eszközei lehetnek.

Biokémia

Neurobiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Szűcs Mária


A KÁBÍTÓSZER FÜGGŐSÉGET KÍSÉRŐ MOLEKULÁRIS VÁLTOZÁSOK AGYBAN A ma használatos gyógyszerek mintegy 2/3-a az ún. G-protein kapcsolt receptorokon keresztül fejti ki hatását. A humán genom közelmúltban feltárt szekvenciája alapján még több száz ilyen fehérje felfedezése várható, ami hatalmas perspektívát, ugyanakkor kihívást jelent a gyógyszerkutatás számára. Munkacsoportunk több mint két évtizede foglalkozik a receptor fehérjékkel mind az alap-, mind az alkalmazott kutatás szintjén. Emellett Magyarországon elsők között kezdtük el a szignál transzdukcióban kulcsszerepet játszó heterotrimer G-proteineket tanulmányozni. E témakörben betegségek, pathológiás elváltozások, illetve azok gyógyszeres kezelésének hatását vizsgáljuk a célfehérjék és kapcsolt G-fehérjék szintjén. Fő kutatási területünk a kábítószerfüggés hátterében álló molekuláris folyamatok vizsgálata. A klinikumban mind a mai napig egyik legpotensebb, egyes kórképekben az egyetlen hatásos analgetikum (morfin), a szervezetben előforduló természetes peptidek (endorfinok, endomorfinok), továbbá az egyik legveszélyesebb drog (heroin) az idegsejtek membránján lévő specifikus jelfelfogó fehérjéken, az un. mü-opioid receptorokon kötődve fejtik ki hatásukat. Tanulmányozni kívánjuk hogy kísérletesen előidézett morfin, illetve más típusú opioid ligandokkal kiváltott tolerancia és/vagy dependencia állapotában, illetve a drog adagolás megszűnése után milyen változások mutathatók ki az opioid receptorok, a G-fehérjék, ill. a kapcsolódó second messengerek szintjén patkány agyban, illetve sejtvonalakban. Munkahipotézisünk az, hogy míg az akut opioid hatások

a sejtfelszíni receptorok, addig a krónikus adást követő adaptív változások komplex intracelluláris mechanizmusok révén jönnek létre. Eddigi eredményeink arra utalnak, hogy a mü-opioid receptor regulációs folyamatai (deszenzitizáció, down-reguláció, internalizáció) ligand-specifikusak és inverz összefüggés mutatkozik a ligand abúzus potenciája és az internalizáció mértéke között. Az opioid tolerancia/ dependencia új modellje szerint, melyhez csoportunk eredményei is hozzájárultak, az opioid receptorok, azok internalizációjának befolyásolása, a kapcsolt heterotrimer G proteinek ill. a jelátvitel más komponensei mind potenciális gyógyszer célpontok nem kábító, potens opioid analgetikum kifejlesztésében. Tanulmányozzuk új szintetikus származékok, ún. ’lead” vegyületek receptoriális kölcsönhatásait radioligand kötési technika segítségével nem kábító, kevés mellékhatással rendelkező analgetikum kifejlesztése céljából. A vegyületek funkcionális vizsgálatát, potenciájának és ún. efficacy-jének, agonista, antagonista jellegének meghatározását ligandstimulált [35S]GTPγS méréssel végezzük. Vizsgá latokat kezdtün k eg y mási k, mind a klinikumban, mind a kábítószer függésben kitüntetett szerepet játszó vegyületcsalád, a kannabiszok receptorainak, illetve azok más receptorokkal való interakciójának vizsgálatára. A g yóg yszerkutatást forradalmasíthatja a közelmúlt azon felfedezése, hogy a G-protein kapcsolt receptorok homo- és hetero-oligomereket alkotnak, amely komplexek gyökeresen új ligandkötő, jelátviteli és internalizációs sajátságokkal rendelkeznek. 35

Biokémia


Témavezető:

Dr. Tóth Géza


OPIOID PEPTIDEK Az idegsejtek felületén található, a fájdalomcsillapításban szerepet játszó ún. opioid receptor fehérjék vizsgálatához fontos a hozzájuk speciálisan kapcsolódó molekulatípusok (mü-, delta-, kappa-szelektív peptid ligandumok) tanulmányozása. Opioid receptor és ligandumjainak kölcsönhatásának vizsgálatát a ligandumok oldaláról közelítjük meg. Az új opioid peptidek tervezését multidiszciplináris megközelítéssel valósítjuk meg. A peptidlánc módosítását pszeudopeptid kötés kialakításával, míg oldalláncának háromdimenziós térszerkezetének módosítását, konformációsan gátolt nem természetes aminosavak (dimetil-tirozin, aliciklikus béta aminosavak, bétametil-fenilalanin, tetrahidroizokinolin karbonsav) beépítésével valósíthatjuk meg. Ezekkel a módszerekkel új, nagy affinitású és szelektivitású analógokat fejleszthetünk ki. Az új analógok szerkezetét kooperációs partnereink NMR, molekuladinamikai és tömegspektrometriás módszerekkel igazolják. A peptidek biológiai hatékonyságát radioreceptor kötési, funkcionális és analgetikus tesztekkel részben laboratóriumunkban részben hazai és külföldi kutatókkal együttműködve végezzük (közös kutatási projektek). A leghatékonyabb új ligandumjainkat radioaktív izotópokkal is megjelöljük. A tricium jelölés az elsődleges, de radioaktív jódozást és 14-C jelölést is alkalmazunk. A trícium jelöléshez a prekurzor vegyületeket laboratóriumunkban szintetizáljuk ket-

36

tőskötést vagy halogént tartalmazó aminosavak felhasználásával, míg a radioaktív jódozást kloramin-T módszerrel végezzük. 14-C jelölésnél 14-C jelzett aminosavakat alkalmazunk a peptidszintézishez. A radioaktív peptidjeink új kutatási eszközök lesznek az opioid rendszer vizsgálatához.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatási munkánkat az egyértelműen alapkutatási eredményeink estében is mindig motiválta a gyakorlati felhasználhatóság. A fő célunk hatékony fájdalomcsillapítók kifejlesztése, ebben az interdiszciplináris munkában kémikusként veszünk részt. Ez a feladat a jövőben is fontos marad, amit nyertes európai pályázatunk csak erősíteni fog. Új peptideket és aminosavakat állítunk elő, amiket részben szabadalommal védünk és forgalmazunk. A legsikeresebb opioid peptidjeinket tríciált formában is előállítottuk, ezeket az Izotóp Intézet Kft. forgalmazza. Radioaktív jelölési módszereink kifejlesztése tette levetővé, hogy munkánkra felfigyeljenek hazai és külföldi kutatók és gyógyszergyárak is (ESTEVE, Ferring, Sanofi-Aventis-Chinoin, Egis, Richter Gedeon, IVAX). A közös kutatásaink során született eredményeinket általában a radioaktív vegyületeink motiválták.

Biokémia


Témavezető:

Dr. Borics Attila

Tel.: 62-599-600/582 E-mail: [email protected]

MOLEKULASZERKEZET A μ-opioid receptor két nagy affinitású és szelektivitású endogén ligandja, az endomorfin-1 (H-Tyr-ProTrp-Phe-NH 2 , EM-1) és az endomorfin-2 (H-TyrPro-Phe-Phe-NH2 , EM-2) nemrég került felfedezésre. Az opioid receptorok fontos célpontok új, korszerűbb analgetikumok tervezésében, ezért a ligand-receptor kölcsönhatás szerkezeti tényezőinek megértése kiemelt fontossággal bír. A közelmúltban számos, az endomorfinokéhoz hasonló bioaktivitású szintetikus analóg került bemutatásra. A szabad N-terminális amin funkció, két meghatározott távolságban és térbeli helyzetben lévő aromás oldallánc, valamint poláros, de nem savas C-terminális funkciós csoport jelenléte került eddig meghatározásra, mint a μ-opioid aktivitás szerkezeti tényezői. Mindezzel ellentétben, a farmakoforok előnyös térbeli elhelyezkedését biztosító konformációra még nem született általánosan elfogadott, bizonyított javaslat, továbbá a μ-opioid receptor szerkezetét és a kötőhely(ek) elhelyezkedését illetően is megoszlanak a vélemények. A kutatás célja, hogy további betekintést nyújtson a μ-opioid aktivitás szerkezeti vonatkozású részleteibe. Ehhez az endomorfinok és különböző affinitású, szelektivitású analógjaik szerkezetének, különböző biokémiai környezetet figyelembe vevő molekuladinamikai (MD) összehasonlítása, valamint egy új, elméleti és kísérleti módszereket egyesítő eljárás kifejlesztése és alkalmazása nyújhat segítséget. Ezen

eljárás során μ-opioid receptor szelektiv peptidek rezgési cirkuláris dikroizmus (VCD) spektumát modellezzük kvantumkémiai számítások segítségével, MD szimulációk eredményeiből következtetett konformációs sajátságok alapján. Az cél kísérletileg igazolt szerkezeti információ nyerése az endomorfinokról és analógjaikról, melyek esetében a fokozott szerkezeti rugalmasság miatt a domináns konformációs családok meghatározása NMR spektroszkópiás mérések alapján nem egyértelmű.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A kutatás során nyert eredmények új támpontokat nyújthatnak hatékonyabb, a μ-opioid rendszeren alapuló fájdalomcsillapítók tervezésében. Az ismertetett eljárás kísérletileg igazolt szerkezeti információt szolgáltathat az endomorfinokon és analógjaikon túl más olyan biológiai szempontból jelentős peptidekről is, melyek konformációs sajátságainak kísérleti meghatározása nehézségekbe ütközik.

37

Biokémia


Témavezető:

Dr. Tömböly Csaba Tel.: 62-599-646 E-mail: [email protected]

KÉMIAI BIOLÓGIA Az élő szervezetek számára kulcs-fontosságú, hogy a genetikailag kódolt több tízezer különböző fehérjemolekula a megfelelő helyen, a megfelelő időben és megfelelő kémiai szerkezettel rendelkezésre álljon. Amen�nyiben sérül ez a komplex rendszer, valamilyen kóros elváltozást tapasztalunk. Egy ilyen nem megfelelő fiziológiás állapot korai detektálásához, valamint hatékony kezeléséhez ismernünk kell a folyamatot befolyásoló fehérjemolekulák szerkezetét és funkcióját. Ehhez nagy tisztaságú, homogén fehérje mintákra van szükség, a szerkezetvizsgáló fizikai módszerek pedig speciális ˝riporter˝ molekula részletek beépítését is igénylik. A kémiai biológia tulajdonképpen a kémia eszköztárának alkalmazását jelenti a biológiai problémák megoldásában, valamint a biológiai folyamatok befolyásolásában. Vagyis alkalmas a fehérje molekulák kémiai információ tartalmának specifikus növelésére bizonyos kémiai reakciók specificitása révén. A kémiai módszerek általános alkalmazhatóságának azonban gátat szab, hogy az a három dimenziós szerkezet, amellyel egy fehérjemolekulának rendelkeznie

38

kell specifikus funkciójának ellástásához csak bizonyos körülmények között stabil. Ha tehát egy kémiai módosítást ettől eltérő közegben végzünk a fehérje molekula irreverzibilis szerkezeti változást szenvedhet. Ezért olyan magas specificitást mutató kémiai reakciók kutatása az egyik célunk, amelyek fiziológiás körülmények között is alkalmazhatók. Ezen kívül rekombináns és szintetikus fehérje fragmensekből, peptidekből kiindulva állítunk elő specifikusan módosított fehérje molekulákat, amelyek a fehérjék működésének megértését szolgálják.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérje alapú gyógyszer molekulák fejlesztése egy igen intenzíven növekvő terület, ahol a gyógyszerként való alkalmazhatósághoz az adott fehérje molekula tulajdonságait optimalizálni kell, valamint az előállítási költségeket hatékonyabb módszerek alkalmazásával csökkenteni kell. Ehhez lényeges hozzájárulás várható a kémiai biológiai módszerektől.

Biokémia

Molekuláris Stresszbiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Vígh László Tel.: 62-432-048 E-mail: [email protected]

MEMBRÁN-LIPID KÖLCSÖNHATÁSON ALAPULÓ, A MOLEKULÁRIS CHAPERON SZINT ÉS PROFIL NORMALIZÁCIÓJÁRA KÉPES EREDETI GYÓGYSZERJELÖLTEK KUTATÁSA-FEJLESZTÉSE A Molekuláris Stresszbiológiai Csoport irányításával több hazai és külföldi kutatócsoport bevonásával, amerikai-magyar érdekeltségű K+F vállalatok (1994-től 2003-ig a Biorex Kft, 2004-től az N-Gene Kft) közreműködésével folytatott, mintegy másfél évtizedes múltra visszatekintő kutatás-fejlesztéseink homlokterében az ún. „lipidterápiára” alkalmas kismolekulák (pld. hidroximsavszármazék) szelekciója, hatásmechanizmusának feltárása, azok farmakológiai hasznosíthatóságának vizsgálata áll. Kiemelkedő tudományos szenzáció volt a célzott membránkölcsönhatásra képes, nem-toxikus hidroximsavak stresszfehérje (molekuláris chaperon) koindukciós képességének felismerése, az ún. „membrán-szenzor” elv alapjainak lerakása. A chaperon koindukciót igazoló felfedezésünknek nem csak komoly üzleti visszhangja (Businness Week, stb.), de jelentős üzleti sikere is volt. Később feltártuk e molekulák lehetséges membránlipid hatóhelyét, ill. legújabban azokat a plazmamembránból induló komplex szignalizációs utakat, amelyekkel interferálva a megfelelően tervezett hatóanyagok olyan patológiás állapotok gyógyítására válhatnak alkalmassá, mint a 2. típusú diabétesz, a szívinfarktus vagy a különböző neurodegeneratív betegségek. További membrán támadáspontú originá lis „chaperon gyógyszer” típusú hatóanyagok felismeré-

sét célzó, sejtalapú szűrőrendszerek továbbfejlesztése jelenleg a Dél-Alföldi Neurológiai Tudásközponttal (DNT, Szeged) együttműködésben, a LipidArt Kft („spin-off”) koordinációjával, a nemrégiben elnyert „LipidomicNet” (FP7) európai uniós pályázatra támaszkodva folytatódik. A K+F technológiáink kulcselemét képező „egymolekula követésésre alkalmas mikroszkópiás” vizsgálatainkat a linzi Kepler Egyetem Biofizikai Intézetének munkatársaival, egy Marie Curie pályázati együttműködésben végezzük. A biológiai membránok mikroheterogén struktúráját is figyelembe venni képes „csúcstechnológia” lehetővé teszi az élő sejtek membránjai topológiájának és dinamikájának minden eddiginél nagyobb feloldását, a patológiás membránváltozások hiperfinom tér- és idő-felismerését. Ez a módszer tágabb értelemben lehetőséget biztosít a legkülönbözőbb membrán függő jelenség (receptorkutatás, immunológiai vizsgálatok, jelátviteli és transzport folyamatok, stb.) mélyebb megértéséhez, azok eddig feltáratlan részleteinek tisztázásához. A K+F tevékenységünk másik, komplement kulcseleme a lipidomika, aminek révén akár izolált membrándoménekből is lehetséges a „lipidsokaság” molekula-speciesz szintű elemzése. E két technológia kombinációja révén válik reális céllá a stresszfehérje válasz célzott, „lipidterápiás” korrekciója a különböző betegségekben. 39

Biokémia

Fehérje Konformációs Betegségek Csoport

Témavezető:

Dr. Welker Ervin

Tel.:62-599-631 és 1-279-3100/255 E-mail: [email protected]

A PRION FEHÉRJE KONFORMÁCIÓS ÁTALAKULÁSA Egyre több betegségről bizonyosodik be, hogy kialakulásának hátterében hibás fehérje feltekeredés áll. Ezek közül több mint 20 betegségnél (többek között ide tartozik az Alzheimer kór, a Parkinson kór, a Huntington betegség és a fertőző szivacsos agylágyulás) amyloidális protein lerakódások mutathatóak ki, melyekről feltételezik, hogy mind strukturális sajátságaikban, mind keletkezési és hatásmechanizmusukban közös vonásokat mutatnak. Az amyloidális lerakódások többnyire olyan rostokból állnak, amelyek β-sheet konformációjú, hibásan feltekeredett proteineket tartalmaznak. Az amyloid vagy köztes formáinak (mono- vagy oligomerek) akkumulációja a valószínű oka ezeknek a betegségeknek. Az európai populáció várható élettartam növekedése miatt a korral összefüggő betegségekben szenvedő emberek száma a következő néhány évben előre jelezhetően drámaian meg fog nőni. Jelenleg csak Alzheimer és Parkinson kórban több mint 10 millió ember szenved szerte a világon (számuk Európában több mint 3 millió), megfelelő, hatékony gyógymód nélkül. Bár a korai diagnózis jelentősen megnövelné az esélyét bármilyen lehetséges beavatkozásnak, e betegségek legkorábbi lehetséges diagnosztizálása gyakorlatilag csak a klinikai jelekre és szimptómákra korlátozódik. A prion betegség, vagy fertőző szivacsos agylágyulás, azért került a figyelem központjába, mivel kialakulása fertőzéses eredetű is lehet, és emiatt hatalmas feladatot jelent a népesség biztonságának szavatolására véradás, szervátültetés és a húsfogyasztás tekintetében. A betegségnek jelentős gaz-

40

dasági következményei is vannak: Európában 1996 és 2004 között több mint egy millió szarvasmarhát kellett elpusztítani a betegség elterjedésének megelőzése érdekében. Célunk a betegség lefolyásának olyan részletes megismerése, ami lehetővé teszi hatékony diagnosztikai és kezelési eljárások kialakítását. Az egyik központi kérdés, amin dolgozunk: miért és hogyan vezet

az idegsejtek halálához a prion fehérje konformációs átalakulása?

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A kutatómunkánk során kidolgozott módszerek nemcsak a fertőző szivacsos agylágyulás területén hasznosíthatók, de más fehérje konformációs betegségek, például az Alzheimer kór esetében is.

Biokémia

Génműködés Szabályozás Csoport

Témavezető:

Dr. Boros Imre Miklós


KROMATIN SZERKEZET Ma már köznapi használatban is elterjedt a kifejezés, hogy valakinek valamilyen tőle elválaszthatatlan tulajdonsága, képessége „a génjeiben van”, ami bizonyos értelemben igaz is. Feltéve, hogy működnek is azok a gének! A testünk minden sejtjében jelenlévő genetikai anyag (DNS) kettős funkciója, hogy egyrészt nemzedékről–nemzedékre átviszi az örökséget, másrészt sejtről-sejtre a külső és belső környezeti viszonyoknak megfelelően, az örökség egy részét megjeleníti. Azaz, a gének egy csoportjának működésével, olyan molekulák szintézisét biztosítja, amelyek összességében meghatározzák tulajdonságainkat. Bár minden sejt tartalmazza a teljes genetikai információt a sejtek egyes típusai annak csak egy–egy részét képesek használni, mert a gének többsége bennük folyamatosan kikapcsolt állapotban van. (Az utóbbi évek biológiai szenzációját jelentő őssejtek éppen azért kerültek a figyelem középpontjába, mert ezekben még majdnem minden gén bekapcsolható). A gének tartós ki- és bekapcsolásában becsomagolásuk módja meghatározó. A sejtek magjában a gének anyaga, a DNS, ugyanis jellegzetes fehérje molekulákkal, hisztonokkal kapcsolódik és a DNS, mint fonál kis orsókra, hiszton magok köré tekeredik. A hiszton fehérjék és a DNS, mint a mágnes ellentétes sarkai vonzzák egymást és fenntartják a szoros kapcsolatot, ami pedig gátat szab a DNS-ben rögzített genetikai információ értelmezésének. Ahhoz, hogy egy-egy gén működhessen, a hisztonok és a DNS kapcsolatát meg kell lazítani – a DNS-t le kell tekerni a fehérje orsóról. Vagy

éppen fordítva, ha egy-egy gén tartós kikapcsolása a cél, annak módja a hisztonok és a DNS közötti kapcsolat még szorosabbra fűzése lehet. Ha belegondolunk, hogy a gének tartósan megváltozott működése oka lehet daganatok kialakulásának, sejtek gyógyszerekkel szembeni ellenálló képességének valamint szükséges a szövetek pótlásához és együtt jár az öregedéssel, akkor könnyen belátható, hogy a génműködés tartós beállítását biztosító folyamatok és módosításuk lehetőségei sok izgalmat keltenek és intenzíven kutatott területet jelentenek. Mi azt vizsgáljuk, hogy a DNS és hiszton fehérjék alkotta kapcsolatot a hisztonok kémiai szerkezetének módosításai – acetilációjuk, foszforilációjuk és metilációjuk – hogyan módosítják. Egyszerűen kezelhető kísérleti rendszert alkalmazva vizsgáljuk, hogy milyen fehérjék vesznek részt a hisztonok módosításaiban az élő sejtekben, mit okoz ezeknek a hibája vagy hiánya és legfőképpen, hogy mi módon lehet a működésüket úgy módosítani, hogy azzal az élőlény egészét tekintve káros folyamatokat lelassítsunk, vagy előnyösöket felgyorsítsunk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Olyan potenciális beavatkozási lehetőségek és módok keresése, ill. felismerése, amelyeken át a génműködés tartós megváltoztatása előnyösen módosítható.

41

Biokémia

Drosophila Sejtbiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Deák Péter


A FEHÉRJELEBONTÁS SZEREPE A SEJTFOLYAMATOK SZABÁLYOZÁSÁBAN A kromoszómák precíz szétválása a sejtosztódás folyamán alapvetően meghatározza a sejtek sorsát. A hibás szegregáció megváltoztatja a gén-dózis arányokat, és sejthalált, fejlődési rendellenességet, vagy rákot okozhat. A kromoszómák szétválását egy ubiquitin-függő fehérjelebontó mechanizmus szabályozza, amelyben két folyamat, a jelölő és degradációs lépések különíthetők el. A jelölési lépésben egy enzim-kaszkád ubiquitin láncot kapcsol szabályozó fehérjékhez. Ezt követően a proteaszóma felismeri és lebontja a megjelölt fehérjéket. A jelölő folyamat kulcsfontosságú szereplője egy nagy, ubiquitin-ligáz komplex, az anafázist propagáló komplex, vagy APC, amely meghatározza a folyamat szubsztrátspecificitását. A kromoszóma szegregációban játszott szerepe mellett, az APC szabályozza a mitózis befejezését és a G1 fázis fenntartását is. A z A P C e g y 1. 5 M D a- o s fehér jekomple x, amelynek eddig 10-13 aleg ységét azonosították különböző fajokban. Az egyes alegységek homológjai nagymértékű szekvencia és topológiai hasonlóságot mutatnak, ami evolúciós konzerváltságot bizonyít. Számos kérdés megválaszolatlan még mind az APC felépítésével, mind pedig működésével kapcsolatban. Pillanatnyilag nem egyértelmű, hogy miért áll ilyen sok alegységből az APC, és hogy mi az egyes alegységek szerepe. Az ubiquitinálás molekuláris mechanizmusa sem ismert még, illetve az sem, hogy az ubiquitin lánccal megjelölt fehérjék hogyan jutnak el a proteaszómákhoz. 42

Csoportunk munkája az APC-vel kapcsolatosan említett kérdések tisztázására összpontosul a jól kezelhető ecetmuslica (Drosophila melanogaster) modell organizmuson. Célunk, hogy funkcióvesztéses mutánsok részletes fenotípus analízisével megismerjük az egyes alegységek funkcióját, valamint hogy további ismereteket szerezzünk az APC felépítéséről és működéséről. Apc10 hiányos lárvális idegsejt fenotípusa. A sejtek rendellenesen kondenzálódott kromoszómákkal (kék) megrekedek metafázisban, és felhalmozódnak bennük a miótikus ciklinek (piros). Mindkét fenotípus jelleg arra utal, hogy az Acp10 alegység hiánya működésképtelen APC-t eredményez.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az alapvető sejtfolyamatokat szabályozó fehérjék lebontásának hiánya, vagy túlzott mértéke egyaránt káros a sejtek számára, és elszabadult sejtosztódást eredményez. Éppen ez történik a rákos daganatokban, ezért az ubiquitin-függő fehérjedegradáció megismerése lehetőséget biztosít a rákos sejtekre specifikusan ható molekulák és új gyógymódok kifejlesztésére. A lényeges szabályozási lépéseket érintő mutánsaink felhasználásával létrehoztunk egy gyors és nagy áteresztőképességű teszt-rendszert, amely a l ka lmas hatóanyag-jelöltek tesztelésére és az ubiquitin-függő fehérjedegradációs mechanizmus különböző lépéseire, vagy alkotóelemeire specifikusan ható molekulák azonosítására egy intakt soksejtű organizmusban.

Témavezető:

Dr. Deák Péter

Biokémia

Drosophila Sejtbiológiai Csoport

A KEMOSZENZITIVITÁSÉRT FELELŐS CHECKPOINT GÉNEK AZONOSÍTÁSA Rákos megbetegedések kezelésében a kemoterápia a leggyakrabban alkalmazott módszer. Ez a kezelés azon a megfigyelésen alapszik, hogy rákos sejtek érzékenyebbek DNS-t károsító szerekkel szemben, mint a daganatokat körülvevő normális testi sejtek. Sajnos azonban ezek a szerek hatással vannak a nem daganatos sejtekre is, és éppen ez okozza a kemoterápiás kezeléseket kísérő toxikus mellékhatásokat, és a kezelésekre jellemző alacsony terápiás indexet. A kemoterápia specifitását és hatékonyságát jelentősen növelné az egyes tumorok kemoszenzitivitásának előrejelzése.

30

mutánsok (%)

25

20

15

10

hogy az ellenőrzési folyamatok károsodása általános jelenség a tumorgenezis során, de az is, hogy az ellenőrzési mechanizmusokban és DNS-hibajavításban résztvevő gének mutánsai az eddig vizsgált kísérleti fajokban fokozott érzékenységet mutattak DNS-t károsító szerekkel szemben, köztük olyanokkal szemben is, amelyeket kemoterápiában alkalmaznak. Ebben a projektben meghatározzuk valamennyi ismert Drosophila checkpoint és DNS-repair mutáns érzékenységét az FDA által engedélyezett kemoterápiás szerekkel szemben. Ezek a mutánsok azonos genetikai háttérrel rendelkeznek, ezért a mutánsok között megfigyelhető érzékenységbeli különbség közvetlenül kapcsolható az érintett gének funkciójához. Eddigi eredményeink azt mutatják, hogy a különböző checkpoint mutánsok feltűnően eltérő érzékenységet mutattak az alkalmazott szerekkel szemben. Ez annak lehet a következménye, hogy az egyes gének eltérő mértékben járulnak hozzá az ellenőrzési mechanizmusok funkciójához. Mivel mind a checkpoint, mind pedig a DNS-hibajavítási gének jelentős evolúciós konzerváltságot mutatnak az élesztőktől az emberig, azt gondoljuk, hogy a kísérleteink hasznos információval szolgálnak a checkpoint mutációk szerepéről a tumorok kemoszenzitivitásának kialakításában.

5

0 0

20

40

60

80

100

BU koncentráció (uM)

Drosophila mus304/ATRIP chckpoint mutáns túlélési diagrammja hidroxiurea (felül) és busulfan (alul kezeléseket követően. Látható, hogy ez a mutáció sokkal nagyobb érzékenységet eredményez busulfánnal szemben, mint hidroxiureával. Feltételezésünk, hogy a mus304/ATRIP mutációt hordozó tumorok kemoterápiás kezelése hatékonyabb lehet busulfánnal, mint hidroxiureával.

Feltételezhető, hogy a sejtciklus ellenőrzési mechanizmusaiban (checkpoint) és a DNS-hibajavításban résztvevő géneknek szerepe lehet a tumorsejtek eltérő kemoszenzitivitásában. Erre utal az a tény,

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Munkánk célja, hogy egy intakt, soksejtű kísérleti organizmusban meghatározzuk a kemoterápiás szerek szelektivitását a különböző checkpoint és DNSrepair mutációkkal szemben. Azt reméljük, hogy ezek az adatok hozzájárulhatnak a jelenleginél hatékonyabb, személyre (vagy tumorra) szabott kemoterápia kifejlesztéséhez, amelyben a kezelést megelőzően meghatározható a legnagyobb szelektivitással rendelkező, ezért leghatékonyabb szer. 43

Biokémia

Extracelluláris Mátrix Molekuláris Biológiai Csoport

Dr. Kiss Ibolya

Témavezetők:


Dr. Deák Ferenc


A sejtközötti állomány fehérjéinek szerepe fejlődési és regenerációs folyamatokban A többsejtű állatokban a sejtek közötti teret egy meghatározott összetételű és sajátos szerkezetű sejtközötti állomány tölti ki, amit extracelluláris mátrixnak (ECM) hívunk. Az ECM a gerincesek szerveinek védelmében, a szöveti integritás fenntartásában, mozgásban, differenciálódási és fejlődési folyamatokban létfontosságú feladatokat lát el, bár szerepe és jelentősége az egyes szervek és szövetek esetében eltérő és igen változatos. Az ECM a sejtek által termelt és a sejtek közötti térbe kiválasztott, egymással kölcsönhatásba lépő makromolekulákból szerveződik. Az ECM komponensek három fő csoportba tartoznak. A kollagén rostok és hialuronsav-proteoglükán hálózatok között a multiadhéziós fehérjék létesítenek kapcsolatot. Szerepük még kevéssé ismert az ECM-ECM és sejtECM kölcsönhatásokban. A multiadhéziós fehérjék közül az általunk felfedezett matrilinok a szövetekben részben kollagén rostoktól függő, részben azoktól független, finom hálózatot hoznak létre. Matrilin-1 és -3 csak a vázelemekben fordul elő, míg a matrilin-2 és -4 szinte minden szövetben megtalálható. Matrilin gének kifejeződését és szerepét vizsgáljuk differenciálódási, regenerációs és kóros folyamatokban, állatmodellekben és sejtkultúrákban. Matrilin-2 génben hiányos transzgenikus egereket hoztunk létre nemzetközi együttműködés keretében. Matrilin-2 mutáns változatait termelő sejtek létrehozásával a fehérje szerepét kutathatjuk az ECM makromolekuláris hálózatainak kialakításában. Az SZTE ÁOK Biokémiai Intézetével közösen tanul44

mányozzuk a matrilin-2 szerepét vázizom-regeneráció és differenciálódás során. Kísérleteink alapján a matrilin-2 gén kifejeződése jelentősen emelkedik egyes rákos sejtekben és diagnosztikai markerként alkalmazható.

Matrilin-2

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az ECM összetétele befolyásolja a sejtben végbemenő génexpressziós folyamatokat, ezáltal nagymértékben elősegítheti vagy gátolhatja a szöveti differenciálódást és regenerációt. Tervezzük annak vizsgálatát, hogy i) matrilin-2 milyen jelátviteli utakban vesz részt; ii) Hogyan befolyásolja a matrilin-2 hiánya az izomregenerációt és tumorképződést állatmodellekben. A fehérjét és mutáns változatait termelő sejtek mesterséges matrix létrehozására is felhasználhatók, ami a szöveti regenerációt elősegítő biotechnológiai eljárások kidolgozását segítheti elő.

Témavezető:

Biokémia

Extracelluláris Mátrix Molekuláris Biológiai Csoport

Dr. Kiss Ibolya

Transzgenikus állatmodellek létrehozása a porcregeneráció vizsgálatára A váz- és izomrendszer megbetegedései teszik ki a tartós fájdalommal és munkából való kieséssel járó megbetegedések több, mint 50 %-át világszerte. Ezen belül az átlagéletkor emelkedésével egyre nő az ízületi megbetegedések aránya. A probléma társadalmi és gazdasági súlyossága miatt a WHO a 2000-2010 éveket, a “Csont és az Ízület Évtizedé”-vé nyilvánította. Az öröklött ízületi betegségek a csontnövekedés zavara miatt sokszor törpeséget okoznak, aminek a gyógyítása megoldatlan. Más ízületi betegségek, pl. rheumatoid arthritis és osteoarthrosis hátterében gyulladásos eredetű, autoimmun folyamatok állnak, amelyek a porc- és csontszövet valamint az ízületi tok leépüléséhez vezetnek. A gyulladásos citokinek gátolják a porcspecifikus génműködést és a porcot alkotó makromolekulák reszintézisét. A rendelkezésre álló gyógyszerek azonban csak a gyulladást csökkentik. Ezért szükség van új, hatékony gyógyszerek és gyógyítási eljárások kidolgozására, amelyek a porc-specifikus génműködés fokozása révén az ízületi porc regenerációját eredményezik. A gyógyszerek tesztelésére használt állatmodellek is csak a gyulladás és a porc erózió mértékének detektálásán alapulnak és nem teszik lehetővé a porcspecifikus génexpresszió változásának követését. Korábbi munkáink során klónoztunk és behatóan tanulmányoztunk egy olyan gént, a matrilin-1 gént, ami specifikusan porcszövetben működik. A gén egyedi sajátossága, hogy kifejeződése a porcos növekedési korongnak csak azokra a zónáira korlátozódik, melyek a csontok hosszanti növekedéséért felelősek. A gén regulációjának vizsgálata során feltérképeztük a fő szabályozó régiókat és azonosítottuk a szabályozásban kulcsszerepet játszó

DNS-elemeket és transzkripciós faktorokat. A gén zónális kifejeződését irányító és más porspecifikus DNS-elemeket beépítve olyan transzgenikus állatmodelleket hoztunk létre, melyekben a jól detektálható riporter gén minden porcsejtben, illetve csak a növekedési korong meghatározott zónáiban működik. Így a riporter gén aktivitásának hisztológiai követésével a porcspecifikus génműködés változásáról kapunk információt. TR70

8xEcol2a1(+)NAD1

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A létrehozott transzgenikus állatmodellek alkalmasak gyógyszerek vázfejlődésre, porcműködésre és csontnövekedésre gyakorolt hatásának követésére, ezáltal elősegíthetik gyermekek és terhes anyák által biztonságosan szedhető gyógyszerek kifejlesztését. A transzgenikus állatokban arthritist indukálva a porcdegradáció, majd a gyógyszerek hatására bekövetkező porc reszintézis követhető. Így az állatmodell nemcsak gyógyszerjelöltek gyulladáscsökkentő, hanem porcregeneráló hatásának tesztelését is lehetővé teszi.

45

Biokémia

Állatgenetika és Molekuláris Neurobiológia Csoport

Témavezető:

Dr. Sántha Miklós Tel.: 62-599-651 E-mail: [email protected]

BETEGSÉG MODELLEK KIFEJLESZTÉSE ÉS ALKALMAZÁSA A humán betegségek egy jelentős része - mint pl. a szív és érrendszeri vagy a neurodegeneratív elváltozásoknem tanulmányozhatóak közvetlenül az emberen. A betegségek megismerésében az állatmodellek alkalmazása nélkülözhetetlen segítséget nyújt. Az állatmodellek révén a betegség kialakulása (pathomechanizmus), az elváltozások részletei (szövettani, biokémiai, molekuláris biológia) jobban megismerhetővé válnak. Az állatmodellek legnagyobb jelentősége azonban a betegségek kialakulását megelőző, a kórfolyamatot befolyásoló gyógyszerjelöltek kipróbálásában rejlik. Az állatmodellek közül különleges jelentősek az egérmodellek, mert fenntartásuk aránylag könnyű, gyorsan szaporodnak, genetikai kódjuk ismert, jól jellemzett, génkészletük közel áll az emberéhez valamint génállományuk módosítására jól kifejlesztett módszerek állnak rendelkezésünkre. Laboratóriumunkban az elmúlt évek során előállítottuk a hyperlipidemia és az atheroszklerózis több egérmodelljét (apoB-100 és hCETP transzgenikus, valamint apoB-100xbiglycan és apoB-100xhCETP ket tős t r a nszgen i k u s egerek). Jelen leg a neurodegeneráció egy új egérmodelljének kifejlesztésén dolgozunk. Vannak olyan transzgenikus egereink is, amelyek révén a biglycan és a kismolsúlyú hősokk

46

fehérjék (hsp27, HSPB2 és HSPB3) kardioprotektiv és neuroprotektiv hatását tanulmányozhatjuk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Transzgenikus egérmodelljeink lehetősé- get teremtenek a kardiovaszkuláris és neurodegeneratív betegségek kialakulását megelőző ill. a már kialakult betegséget befolyásoló új gyógyszer-molekulák kifejlesztésére. Az utóbbi időben az Egyesült Államokban kiterjedten alkalmazzák a hCETP transzgenikus egereket, a humán hCETP enzimgátlók kifejlesztésére és ezáltal a kóros LDL –szint csökkentésére, azaz az atheroszklerózis megelőzésére.

Dr. Oláh Zoltán

Témavezetők:

Tel.:62-599-784 E-mail: [email protected]

Biokémia

Gyulladás és Neuropáthia Témacsoport Molekuláris Sebészet/Citokin Csoport

Dr. Vizler Csaba


Fájdalomkutatás

Imunológiai kutatás

A fájdalomérző idegek egyik alapvető receptora a TRPV1 „fájdalomreceptor” (capsaicin receptor), egy hőre és gyulladásos mediátorokra érzékeny kalcium ioncsatorna. A fájdalom evolúciós szerepe az, hogy felhívja az élőlény figyelmét a sérülékeny testrészekre, ezért a gyull a d á s f ájd a lom m a l já r, míg a sér ü lések kel já ró fájda lom önmagába n is képes g yulladást kelteni (neurogén g y ulladás). A TRPV1 receptorra irányuló hatóanyagokkal a szerek hatásmechanizmusától és a kezelés módjától függően időleges vagy permanens fájdalomcsillapítás érhető el. Egy afrikai kutyatej által termelt növényi toxin, a resiniferatoxin, képes szelektíven megölni a receptort viselő idegsejteket, ez az eljárás, amelynek tökéletesítésén jelenleg is dolgozunk, végleges megoldást jelenthet egyes elviselhetetlen fájdalommal járó betegségek (daganatok, krónikus artritisz, neuropátiák) kezelésében („molekuláris idegsebészet”). A receptort blokkoló TRPV1 gátlószerekkel a hagyományos fájdalomcsillapítókéhoz hasonló időleges hatás érhető el. Fájdalomcsillapító gyógyszerjelöltjeink különböző forrásokból származnak – van köztük népi gyógyászatból ismert növényi hatóanyag, mikrobiális fermentációs termék, illetve nagy áteresztőképességű szűréssel tesztelt molekulakönyvtárból származó szintetikus molekula is.

Immunrendszerünk parazitáktól, kórokozóktól, rosszindulatú daganatoktól véd minket. Az emberi immunrendszer hihetetlen összetettsége miatt hibalehetőségeket is hordoz magában, nem ritkán téves támadást indít saját fehérjéink, sejtjeink ellen. Ilyen autoimmun betegség áldozata a központi idegrendszer fehérállománya a szklerózis multiplex, a központi idegrendszer krónikus gyulladásos betegségek esetén. Mi a szklerózis multiplex egér-modelljét (EAE) használjuk gyulladáscsökkentő g yóg yszerjelöltek vizsgálatára. Gyulladáskeltő gyógyszerjelöltjeinket eg yéb g y ulladásos komponenst tar ta lmazó betegségmodellekben, szepszisben és hepatítiszben is vizsgáljuk. Ezek mellett tumorbiológiával és tumorimmunológiával is foglalkozunk: gyógyszerjelöltek tumorellenes hatását vizsgáljuk szövetkultúrában fenntartott tumorsejteken és egérmodellekben.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A felsorolt projecteknek közvetlen gyakorlati jelentősége is van, célunk mindegyik esetben klinikumban is használható gyógyszerjelöltek azonosítása. Vizsgálatainkat a preklinika szintjéig házon belül is el tudjuk végezni, de legkésőbb a klinikai I. fázisú vizsgálatokhoz jelentős szakmai befektetők bevonására lesz szükségünk.

47

Biokémia

Genommérnöki Csoport

Témavezető:

Dr. Pósfai György


MESTERSÉGES BAKTÉRIUMSEJT HASZNOS ANYAGOK BIOTECHNOLÓGIAI TERMELTETÉSÉHEZ Gyógyszerek, táplálékkiegészítők, vakcinák, ipari alapanyagok termeltetésére ma is használnak baktériumokat. Az élő sejt környezetbarát, olcsó, önmagát megújító sejtgyárként – megfelelő genetikai átprogrammozás révén – hasznos anyagok széles skálájának előállítására késztethető. Mivel azonban az élő sejtek evolúciójuk során nem ezekre a célokra „készültek”, a genetikai átprogramozás sokszor nehézkes, a sejtgyár nem eléggé hatékony. Csoportunk a széles körben használt Escherichia coli baktérium genetikai tervrajzának nagyléptékű, racionális átalakításával foglalkozik. A cél egy kön�nyebben programozható, az erőforrásokat hatékonyabban hasznosító sejtgyár készítése a felhasználók számára. A sejt genetikai tervrajzának (génhálózatának) analízise után a felhasználás szempontjából szükségtelen, sőt előnytelen géneket elimináltuk, ún. minimál E. coli sejtet hoztunk létre. A minimál

48

sejtbe növekedést gyorsító, illetve a genetikai programozást megkönnyítő géneket ültettünk. További átalakítás révén a sejt genetikai stabilitását növeltük meg. Az átalakított minimál E. coli sejt számos tulajdonságában meghaladja a kiindulási alapként szolgáló természetes sejtet.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A minimál E. coli sejtet amerikai partnereinkkel közösen szabadalmaztattuk, s a Scarab Genomics LLC cégen keresztül forgalomba hoztuk. A sejtet mind kutatási, mind biotechnológiai célra igénybe veszik. A minimál sejt továbbfejlesztése folyamatos. A különféle felhasználói igények (pl. DNS, fehérje vagy metabolit jellegű hatóanyagok termeltetése) az általános „sejtjavításon” túl speciális genetikai módosításokat is igényelnek, ennek megfelelően különféle specializált sejteket állítunk elő.

Biokémia

DNS – fehérje Kölcsönhatások Csoport

Témavezető:

Dr. Kiss Antal


IRÁNYÍTOTT DNS-METILÁCIÓ Az emlősök és így az ember genomjában is a négy DNS bázis (adenin, timin, guanin, citozin, röviden jelölve A,T,G,C) közül a C gyakran módosított formában (5-metilcitozin) fordul elő. A metilált citozinok mindig guaninok előtt, CG dinukleotidban találhatók. A genom metilációs mintázata, tehát az, hogy a CG helyek közül melyek metiláltak, változik az egyedfejlődés során, különbözik az egyes szövetekben, és megváltozik egyes betegségekben, pl. rákban. A DNS-metiláció biológiai jelentőségét csak most kezdjük megérteni, de az a gének többségére érvényesnek látszik, hogy a szabályozó régiójukban (promoter) lévő CG helyek metilációja a gén működésének kikapcsolásához vezet. Ez felveti a célzott DNS-metiláció terápiás alkalmazásának lehetőségét olyan betegségekben, amelyekben a kóros állapot kialakulása egy, vagy csak néhány gén működésére vezethető vissza. A módszer előnyének tűnik, hogy az előidézett módosulás nem jelent beavatkozást a DNS-szekvenciába, ugyanakkor a DNS-metiláció sajátosságai miatt a sejtosztódások során másolódik és így a kezelt sejt utódaiban rögzül. Német és holland kutatókkal együttműködve egy olyan rendszer létrehozásán dolgozunk, mely akár egy humán genom méretű DNS-en belül is alkalmas kiválasztott CG helyek szelektív metilálására. Erre megfelelőnek tűnik az a megközelítés, hogy a CG helyek metilációját végző enzimet, a DNSmetiltraszferázt (MTáz) olyan irányító molekulához

(oligonukleotid vagy fehérje) kapcsoljuk, mely képes meghatározott DNS-szakaszokhoz kötődni, és ezáltal a hozzákapcsolt MTázt a genom kiválasztott részéhez vezetni. Az együttműködés keretein belül csoportunk feladata egy, az emlős MTázok specifitásával megegyező specifitású, tehát CG helyeket metiláló bakteriális MTáz (M.SssI) a munka céljainak megfelelő átalakítása. Ennek során az enzimnek olyan formáit állítottuk elő, melyek alkalmasak irányító oligonukleotidokhoz való kémiai kapcsolásra. Létrehoztunk olyan mutáns enzimet is, melynek DNS-hez mutatott affinitása csökkent, így specifitásának meghatározásában megnőtt a kapcsolt irányítómolekula szerepe. Hozzákezdtünk szekvenciaspecifikus DNSkötő fehérjék irányítómodulként történő felhasználásához is. Ebben a megközelítésben fúziót hozunk létre az irányítófehérje és a MTáz között.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A módszer kifejlesztése jelenleg az in vitro stádiumban, azaz a kémiai és enzimológiai problémák megoldásának fázisában van. Ha bebizonyosodik, hogy az irányított DNS-metiláció a sejten belül is kellő specifitással és hatékonysággal működik, fontos eszköz jut a kezünkbe a DNS-metiláció biológiai és kóroktani szerepének vizsgálatához és kutatás kezdődhet a terápiás felhasználás irányába is.

49

Biokémia

Evolúciós Rendszerbiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Papp Balázs


GÉNKÖLCSÖNHATÁSI HÁLÓZATOK Mára több száz élőlény teljes genetikai állománya vált ismertté. A genomok feltérképezése mellett intenzíven folynak az úgynevezett „posztgenomikus” kutatások is, melyek célja azt felderíteni, hogy az élőlényekben található több ezer génnek mi a feladata, és hogyan működnek együtt a biológiai funkciók kialakításában. A posztgenomikai vizsgálatok közül különös jelentőséggel bírnak az ún. géninaktivációs kísérletek, amely során egy élőlény génjeit egyesével működésképtelenné teszik, és megfigyelik annak hatását. Ezen vizsgálatok több élőlény esetében kimutatták, hogy a gének csupán 10 - 30%-a kulcsfontosságú laboratóriumi körülmények között (kulcsfontosságú az a gén, amelynek kiütése esetén az élőlény elpusztul). Egyik, általunk igazolt lehetőség, hogy a nem kulcsfontosságú gének jelentős része csak valamilyen speciális környezeti feltétel mellett tölt be fontos feladatot. Emellett kimutatott, hogy számos gén esetében az inaktiváció hatását az élőlényben működő más gének kompenzálni tudják. A gének közötti kompenzációs kapcsolat a génkölcsönhatások egyik fontos típusa, és jelenleg komoly erőfeszítések történnek világszerte, hogy az élesztőgomba – mint egyszerű modellszervezet – teljes génkölcsönhatási hálózatát feltérképezzék. Egyértelmű, hogy ezeknek a hálózatoknak a részletes ismerete segít a gének funkciójának mélyebb megértéséhez, és megmagyarázhatja, miért inaktiválható a legtöbb gén drasztikus fenotípusos hatás nélkül.

50

A génkölcsönhatási hálózatok kísérletes feltérképezése génkombinációk inaktiválásával történik (t.i. kölcsönhatásról beszélünk, ha az A ill. B gén egyedi inaktivációja hatástalan, de A és B gén együttes kiütése már káros). Mivel a lehetséges génkombinációk száma hatalmas (kb. 107 az élesztő esetében), ráadásul a génpároknak csak egy kis hányada mutat kölcsönhatást, ezért a teljes génkölcsönhatási hálózat feltérképezése egyelőre komoly kihívást jelent (5 év alatt ezeknek a kombinációknak kevesebb mint 4%-t tudták ellenőrizni). További probléma, hogy számos genetikai interakció csak speciális – laborban ritkán ellenőrzött – környezeti feltétel mellett jelentkezik. Mindezek alapján a génkölcsönhatások elméleti előrejelzésére különösen nagy igény mutatkozik. Munkánk kal ezeket a hiányokat szándékozunk pótolni: az élesztő anyagcseréjének számítógépes modelljét használjuk génkölcsönhatások előrejelzésére, majd ezen predikciók egy részét kísérletileg is ellenőrizzük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk, hogy megbízható számítógépes eljárásokat dolgozzunk ki a kulcsfontosságú gének, illetve a génkölcsönhatások előrejelzésére. Ezek segítségével akár a kísérletesen nehezen manipulálható kórokozók esetében is azonosíthatóak lesznek a kulcsfontosságú gének, segítve ezzel a racionális gyógyszertervezést.

Témavezető:

Biokémia

Evolúciós Rendszerbiológiai Csoport

Dr. Papp Balázs

GÉNSORREND BAKTÉRIUMOKBAN A genom szerveződésének egyik legkézenfekvőbb jellegzetessége az egyes gének elhelyezkedési sorrendje, szomszédsági viszonyaik. Vajon véletlenszerűen helyezkednek-e el az egyes gének a kromoszóma mentén? Évtizedek óta ismert, hogy baktérumokban számos gén közös szabályozási egységet, ún. operont alkot: egy operon génjei egymáshoz közel helyezkednek el a kromoszómán, együtt szabályozódnak és általában közös funkcióban vesznek részt. De vajon egy adott operonon belül létezik-e bármi szabályszerűség a gének sorrendjében? Véletlenszerű-e, hogy melyik gén van az operon elején ill. a végén? Annak ellenére, hogy az operonokat évtizedek óta kutatják, e kérdést máig nem vizsgálták behatóbban. Mu n k ac sopor t u n k célu l t ű z te k i, hog y a z Escher ichia coli ba k tériu m enzimeket kódoló operonjain vizsgálja meg a fenti kérdést. Az anyagcsere (metabolizmus) biokémiai útvonalait enzimek sokasága kódolja, melyek egy része operonban helyezkedik el. Arra vagyunk kíváncsiak, hogy egy enzimnek az útvonalon elfoglalt helye (a biokémiai reakciósor hányadik lépésében vesz részt) összefügg-e az enzimet kódoló gén operonbeli helyzetével (az operon hányadik génje kódolja az adott enzimet). Elméleti megfontolások szerint azok az anyagcsereutak kapcsolhatók be leghatékonyabban, ahol az operon első génje az útvonal első enzimét, második génje a második enzimet, stb. kódolja (ezt kolineáris elhelyezkedésnek hívjuk, lásd 1. ábra).

Előzetes eredményeink azt mutatják, hogy az enzimeket kódoló operonok génsorrendje valóban nem véletlenszerű, és a fent említett kolineáris elrendeződés jeleit mutatják. A továbbiakban azt próbáljuk megérteni, hogy pontosan milyen előnyei lehetnek az Escherichia coli-ban tapasztalt génsorrendnek, és hogy miért nem találunk tökéletes megfeleltetést az operonon belüli génsorrend és az enzimek útvonalbeli sorrendje között.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A biomérnökség egyik kihívása, hogy új, vagy hatékonyabban működő anyagcsereutakat hozzon létre és ültessen át iparilag jól kezelhető mikróbákba. Egy új anyagcsereút beültetése pedig az enzimatikus gének beépítését jelenti. Kutatásaink azt sugallják, hogy a beültetendő gének sorrendje is fontos tényező lehet az útvonal működése szempontjából, és a jövőben célszerű lesz olyan operonokat tervezni, melyekben az enzimek működési sorrendje egybeesik az operonban lévő gének sorrendjével.

1. ábra: Egy hipotetikus operon és anyagcsereút kolinearitása

51

52

Enzimológia

Enzimológia

SZBK Enzimológiai Intézet 1113 Budapest, Karolina út 29. H-1518 Budapest, Pf. 7.

53

Enzimológia

Kalpain Csoport

Témavezető:

Dr. Friedrich Péter


KALPAIN-ENZIMCSALÁD SZEREPE ÉLETTANI ÉS KÓROS FOLYAMATOKBAN A kalpainok minden emberi és állati sejtben előforduló enzimek. Feladatuk a sejtekben, azok citoplazmájában végbemenő folyamatok szabályozása. Szabályozó (regulátor) működésük abban áll, hogy bizonyos célfehérjéket kisebb darabokra vágnak. A kalpainok ugyanis fehérjebontó enzimek (proteázok), de katalitikus hatásukat csak magas Ca 2+-ion koncentrációnál fejtik ki. Túlműködésük, illetve hiányuk olyan betegségek kialakulásához vezethet, mint az izomsorvadás, cukorbetegség, szürke hályog, Parkinson- és Alzheimer-kór. Ahhoz, hogy a kalpainok szerepét pontosan megismerhessük – megteremtve ezáltal a beavatkozási lehetőségét – ismernünk kell 3-dimenziós szerkezetüket, a Ca2+-ionok szerepét aktiválódásukban. Ismernünk kell

54

továbbá, hogy a kalpainok mely fehérjéket támadják meg nemcsak a kémcsőben, hanem az élő sejtekben. Jelen kutatásaink elsősorban ezeknek a szubsztrátfehérjéknek az azonosítására irányulnak, amit újszerű fehérje-vizsgálati technikákkal vélünk elérni.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A kalpainok szerkezetének és intracelluláris partnereinek felismerése megny itja az utat magas fajlagosságú kalpain aktivátorok és gátlószerek előállítására. Ezek az ágensek igen jól hasznosulhatnak magában a kalpain kutatásokban, illetve olyan hatóanyagok tervezésében, melyek a fentebb említett betegségek elleni küzdelemben lehetnek segítségünkre.

Témavezető:

Dr. Ovádi Judit

Enzimológia

Sejtarchitektúra Csoport


NEURODEGENERACIÓ: TPPP FEHÉRJECSALÁD SZERKEZETE, FUNKCIÓJA ÉS PATHOMECHANIZMUSA A társadalom elöregedésével a neurodegeneratív betegségek egyre inkább népbetegséggé válnak. A neurodegeneratív betegségek keletkezési mechanizmusának megismerése napjainkban is intenzív kutatás tárházát képezi. A molekuláris biológiai, szövettenyésztési, ultrastrukturális vizsgálatokkal és transzgenikusegérmodellek alkalmazásával bizonyítást nyert, hogy a neurodegeneráció keletkezése többlépcsős folyamat, amelynek kiindulópontja mindig egy, vagy néhány specifikus mutáns fehérjevariáns, melyek lehetnek genetikus vagy epigenetikus eredetűek. A mutáció következtében megváltozott („misfolded”) szerkezetű fehérje nem képes az élettani funkcióját ellátni mivel aberrans kölcsönhatásokat hoz létre, fokozott aggregációs aktivitást mutat, ami zárványtestek képződéséhez, majd neuroncsoportok pusztulásához vezet. Ismereteink a patológiás ultrastrukturák kialakulásáról, annak következményeiről, továbbá kapcsolatukról a sejtek bioenergetikájával ma még igen hiányosak. Ismeretes, hogy bizonyos eredendően szerkezet nélküli (“intrinsically unstructured”) fehérjék (pl. α-synuclein, tau és a mutáns huntingtin fehérje) hasonló mechnizmus révén aktív résztvevői a Parkinson, az Alzheimer, illetve a Huntington kór kialakulásának. A közelmúltban izoláltunk egy szerkezet nélküli fehérjét, melyet funkciója alapján TPPP-nek (Tubulin Polymeriation Promoting Protein) neveztük el. A fehérje a mikrotubuláris hálózatot stabili-

zálja, Parkinson-kór és más synucleinopatiák esetén felhalmozódik a zárványtestekben. A TPPP nagyfokú homológiát mutat két másik géntermékkel, a TPPP2 és a TPPP3-mal. A TPPP fehérjecsaládot és a tagok tubulinnal való kölcsönhatásait molekuláris és sejt szinten jellemeztük. Kimutattuk, hogy a nagyfokú szekvencia azonosság ellenére a fehérjék eltérő szerkezeti és ezzel összefüggő módon eltérő funkcionális sajátságokkal rendelkeznek. A TPPP expresszió növekedése stimulálja a sejtek energiatermelő metabolizmusát. A fehérje család fiziológiai és pathológiai hatásainak megismeréséhez elengedhetetlen a poszt-transzlációs módosulások, valamint a kölcsönható partnerek azonosítása, a módosulások és kölcsönhatások következményeinek jellemzése, valamint kapcsolatuk a sejtek energia állapotával, elsődlegesen az ATP szint változásával. Kutatásaink célja ezen folyamatok molekuláris és sejt-szintű jellemzése, melyek hozzájárulnak ahhoz, hogy a konformációs betegségek kialakulását előnyösen és hatékonyan befolyásolni lehessen.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Specifikus gyógyszerjelölt kifejlesztése, mely a szinuk leinopátiákra jellemző toxikus fehérjeaggregáció képződést, illetve a szerkezet nélküli fehérje felhalmozódása által okozott proteolitikus stressz-hatást gátolja, illetve megszünteti.

55

Enzimológia

Lizofoszfolipid Receptorok Csoport

Témavezető:

Dr. Liliom Károly


PLAZMAMEMBRÁN LIZOFOSZFOLIPID RECEPTOROK A sejtek folyamatosan figyelik a külvilágot, hogy az így nyert információ birtokában jobban alkalmazkodhassanak folytonosan változó környezetükhöz. A többsejtű szervezetekben elsősorban a sejtet határoló membránban elhelyezkedő heptahelikális receptorok végzik az információk begyűjtését. Emberben kb 800 ilyen receptor található, melyek majdnem fele a szaglásban játszik szerepet, a többi pedig a legváltozatosabb ingerek hatására aktiválódik, a fényhatástól kezdve a kémiailag igen különböző kismolekulák érzékelésén át egészen a fehérjebontó enzimekig. Ezen receptorok működésének megismerése a sejtek olyan alapvető életfolyamataiba enged bepillantást, mint az osztódás, differenciáció, mozgás és alakváltoztatás, egymás közötti kommunikáció és a programozott sejthalál. Nagy nehézséget jelent ugyanakkor, hogy ezeknek a receptoroknak (a látóbíborban található rodopszin kivételével) nem ismert a kristályszerkezete. Adott receptorra szelektíven ható vegyületek célzott fejlesztéséhez ugyanis legalább a receptor ligandkötőhelyének pontos szerkezetét ismernünk kell. A heptahelikális receptorok közé tartozó nyolc EDG receptorból három a lizofoszfatidsavat (LPA) ismeri fel, a többi öt pedig a szfingozin-1-foszfátot (S1P). Ezek a receptorok a magzati korban a szív és érrendszer kialakításában, valamint az idegsejtek fejlődésében vesznek részt, míg a felnőtt egyedben szabályozzák az immunválaszt, a sebgyógyulást, a szív és erek védelmét, de közrejátszanak a rákos burjánzás és áttétképzés kialakulásában is. Együttműködve Dr Tigyi Gábor csoportjával (University of Tennessee, Memphis, USA) jelentős sikereket értünk el az EDG receptorok szerkezetének modellezésében, melyhez a rodopszint használtuk mintaként. A kí56

sérletileg is igazolt modellek felhasználásával pedig az egyes receptorokra szelektíven ható vegyületek kifejlesztésében vettünk részt.

Az ábra bal fele az LPA1-es receptort mutatja, jobbra pedig az LPA megkötésében legfontosabb ionos kölcsönhatások láthatóak kinagyítva.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A heptahelikális receptorok a gyógyszeripar „kedvenc” célmolekulái, a jelenleg forgalomban lévő gyógyszerek majdnem fele, a fejlesztés alatt álló hatóanyagok több mint a fele ezeken a receptorokon hat - jelentőségük tehát mind gyógyászati, mind gazdasági szempontból rendkívüli. Például a legújabb fejlesztésű immunszupresszáns az S1P1-es receptoron hat. Munkánk során a három LPA receptorra szelektíven ható gátló és aktiváló vegyületek sorát hoztuk létre, melyek gyógyszerfejlesztések alapját képezhetik. Gyógyszeripari együttműködésben részt veszünk ezen kívül a heptahelikális receptorok vizsgálati módszereinek fejlesztésében is.

Témavezető:

Dr. Liliom Károly

Intracelluláris lizofoszfolipid receptorok A foszfolipidek a sejteket környezetüktől elhatároló, valamint a sejtorganellumokat elválasztó membránok fő alkotórészei. A lizofoszfolipidek a természetben előforduló legegyszerűbb szerkezetű foszfolipidek, amelyek viszont nem membrán-alkotók, hanem jelátviteli folyamatokban információ-közvetitők. Elsődleges hírvivőként a sejtfelszíni heptahelikális receptorok EDG alcsaládjának tagjait aktiválva a sejtek legalapvetőbb életfolyamatainak finom-szabályozásában vesznek részt. Meglepő módon azonban egyes lizofoszfolipidek másodlagos hírvivőként is működhetnek, melyek közül a szfingolipidek közé tartozó szfingozin-1-foszfát (S1P) a legjobban jellemzett.

A S1P összetett hatásmechanizmusa jól látható a mellékelt ábrán. A sejtet érő külső inger hatására a sejten belül keletkezik és részben intracellulárisan hat másodlagos hírvivőként, részben a sejtből kijutva a heptahelikális receptorok EDG alcsaládjának tagjait (S1P1-5) aktiválja. Míg a S1P sejtfelszíni receptorok által aktivizált jelátviteli folyamatai részletekbe menően jellemzettek, addig az intracelluláris jelpályákról alig tudunk valamit. A kétféle úton kiváltott élettani hatások ráadásul jelentősen átfednek, megnehezítve az elkülönített vizsgálatukat. Sok kutató kétségbe is vonta a közvetlen sejten belüli hatás létezését a sejtfelszíni receptorok felfedezése után. Dagmar Meyer zu Heringdorffal (University of Essen, Németország) együttműködésben egyértelműen bizonyítottuk, hogy a S1P képes közvetlenül Ca 2+ ionokat felszabadítani a sejt belső tárolóiból. Egy má-

Enzimológia

Lizofoszfolipid Receptorok Csoport

sik kutatócsoport pedig igazolta másodlagos hírvivő funkció létezését a sejtosztódás serkentésére és az apoptózis (programozott sejthalál) gátlására vonatkozóan. Nem tudni azonban, hogy ezek a hatások mely jelátviteli folyamatok aktiválásával, mely célfehérjékkel kölcsönhatásban valósulnak meg. Ezt az élettani szempontból fontos kérdést tanulmányozzuk jelenleg. Legújabb eredményeink szerint a szfingozilfoszforilkolin, amely S1P-rokon molekula szintén képes a direkt intracelluláris Ca 2+ felszabadításra és az S1P-hez hasonlóan vesz részt szabályozási folyamatokban, képes hozzákötődni a kalmodulinhoz és gátolni annak működését. A kalmodulin a sejtek Ca 2+ ionoktól függő szabályozási folyamatainak legfontosabb közvetítője, endogén gátlószere eddig nem volt ismert. Folyamatban lévő kísérleteinkben ennek az endogén gátlásnak a természetét és az élettani folyamatokan betöltött szerepét tanulmányozzuk. Nagyon fontos annak a kérdésnek a tisztázása is, hogy milyen mechanizmussal jut keresztül a sejten belül képződő S1P a plazmamembránon. Ez a folyamat nem megy végbe egyszerű diffúzióval. Más kutatók és saját megfigyeléseink szerint is az aktív transzport fehérjék ABC családjának tagjai lehetnek felelősek a S1P kijuttatásáért. Intézetünkben jelentős hagyománya van az ABC transzporterek kutatásának, Dr Váradi András csoportjával együttműködve próbáljuk tisztázni, hogy melyik transzport fehérjék vesznek részt a S1P sejtből történő kipumpálásában. Úgy tűnik, hogy a folyamatban szerepet játszó fehérjék sejt-típusonként különbözőek lehetnek.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A lizofoszfolipidek sejten belüli célfehérjéinek – intracelluláris receptorainak – és membrán-transzportjának megismerése a biológiai szabályozás teljesebb megértését és olyan új hatóanyag-targetek azonosítását jelenti, amelyek működését befolyásoló vegyületek kifejlesztésével csökkenthető például egyes szövetek apoptotikus sérülése, amilyen az infarktust követő szívizomelhalás is. 57

Enzimológia

Bioinformatikai és Funkcionális Genomikai Csoport

Témavezető:

Dr. Patthy László


BIOINFORMATIKA A genom-szekvencia értelmezésének, a genom annotációnak első lépése a gének bioinformatikai úton történő azonosítása és szerkezetük meghatározása. Súlyos problémát jelent, hogy az azonosított gének jelentős hányadáról bizonyosodik be, hogy a megjósolt szerkezet téves. A jelenlegi génpredikciós módszerek bizonytalanságai problémát okoznak a (tévesen) megjósolt gének/fehérjék expresszióját szabályozó genomikai elemek meghatározásában, funkciójuk további vizsgálatában. Célunk a génpredikciós módszerekkel rosszul megjósolt gének azonosítása, a helyes génszerkezet predikciója és a jelenlegi génpredikciós módszereknél megbízhatóbb eljárás kidolgozása. A tévesen megjósolt gének azonosításának alapja az, hogy egy gént akkor tekintünk rosszul megjósoltnak, ha az általa kódolt fehérje jellemzői nincsenek összhangban a fehérjékről alkotott jelenlegi tudásunkkal. Eddig nyolc módszert dolgoztunk ki a gyanús fehérjék azonosítására, nyolcféle kritérium alapján vizsgáljuk a nyilvános adatbázisokban található, predikált gén/fehérje szekvenciákat. A rosszul megjósolt fehérjék annotációinak publikálására létrehoztuk a MisPred adatbázist, illet-

58

ve a DELTA Elektronik Kft.-vel együttműködve az adatbázishoz kapcsolódó honlapot, amely a http:// mispred.enzim.hu címen érhető el. A weboldal célja a projekt céljainak és kutatási eredményeinek bemutatása és a létrehozott annotációk nyilvános publikációja hatékony keresési lehetőségekkel.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Annak érdekében, hogy valamennyi szekvenciahibát azonosítani tudjuk, folytatjuk további hibaazonosítási módszerek kidolgozását. A nagyszámú hiba kijavítása érdekében eljárást dolgozunk ki a hibásan jósolt gének helyes szerkezetének automatikus korrekciójára. Munkánk eredményeként olyan, originális szoftver/online szolgáltatás jön létre, mely lehetővé teszi a genom-projektekből származó adattömeg automatizált minőségellenőrzését és javítását. Ilyen termék iránt jelentős érdeklődés várható nemcsak a genomadatokat használó kutatók, hanem a nagy genom-projekteket végző nemzeti/nemzetközi kutatóközpontok és vállalatok, valamint gyógyszergyárak és biotechnológiai vállalatok részéről is.

Témavezető:

Dr. Patthy László

FEHÉRJÉK SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS vizsgálata A fehérjék és gének összehasonlító vizsgálatára korábban kidolgozott érzékeny bioinformatikai módszereink segítségével hatékonyan lehet távoli homológiákat detektálni, új géneket azonosítani, a homológok szerkezetét és funkcióját megjósolni. Ilyen bioinformatikai elemzések segítségével többféle, multidomén fehérjékben előforduló fehérje domént és új fehérjét azonosítottunk. Az új domének és fehérjék közül az evolúcióbiológiai, funkcionális és orvosbiológiai szempontból kitüntetett jelentőségűnek vélt fehérjéket és a fehérje modulok egy részét rekombináns úton - bakteriális, élesztő vagy rovarsejt expressziós rendszerben – előállítjuk és elvégezzük funkcionális és szerkezeti jellemzésüket. A bioinformatikai és kísérletes munkát kombináló megközelítésünk eredményeképpen előállítottuk és Gottfried Otting svéd/ausztrál és Miguel Llinas amerikai NMR spektroszkópiás munkacsoportjával együttműködve meghatároztuk: - a prokollagen C terminális processzálását elősegítő fehérje a PCOLCE1 NTR doménjének, - a belsőfülben a hallás- és egyensúly-érzékeléshez szükséges molekuláris finomszerkezet kialakításában fontos szerepet játszó Cochlin fehérje LCCL doménjének, - az embrionális fejlődés, sejt differenciáció folyamataiban kulcsszerepet játszó Wnt jelátvitelt gátoló Wnt-inhibitory-factor-1 (WIF-1) fehérje Wnt-kötő, ún WIF doménjének, - a többféle proteázinhibitor doménből álló W F I K K N1 f e h é r j e m á s o d i k K u n i t z - t i p u s ú doménjének a térszerkezetét. Meghatároztuk a metasztázisban alapvető szerepet játszó metalloproteáz, az MMP-2, fibronektinhomológ régiójának térszerkezetét. A szubsztrátkötés szerkezeti hátterének kiderítése lehetővé teszi specifikus, a rákos betegségek gyógyításában használható, csak az MMP-2-t gátló inhibitorok előállítását.

Enzimológia

Bioinformatikai és Funkcionális Genomikai Csoport

A genomszekvenciák analízisével azonosított két homológ multidomén fehérje a WFIKKN1 és WFIKKN2 közül a WFIKKN2 gátolja az izomnövekedést gátló növekedési faktor, a miosztatin aktivitását, így a WFIKKN2-nek szerepe van az izomnövekedés szabályozásában. A miosztatin aktivitását gátló szerek vagy fehérjék serkenthetik az izom fejlődést, tehát sikerrel alkalmazhatók minden izomvesztéssel járó betegség vagy állapot,- pl. izomsorvadások, öregedés során bekövetkező izomvesztés- kezelésére. Ilyen gyógyszerek kifejlesztése érdekében jellemezzük a WFIKKN2 -miosztatin kölcsönhatást, azonosítjuk a kölcsönhatás kialakításában részt vevő doméneket/régiókat.

A WIF domén térszerkezete

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az orvosbiológiai szempontból fontos fehérjék funkcionális és szerkezeti jellemzése elősegíti azoknak a kóros folyamatoknak a megértését és gyógyítását, amelyekben az adott fehérje szerepet játszik.

59

Enzimológia

Proteáz Csoport

Témavezető:

Dr. Polgár László


OLIGOPEPTIDÁZOK A szerin peptidázoknak egy új csoportját fedeztük fel, amelyet prolil oligopeptidáz családnak neveztünk el. Ide tartozik az acilaminoacil peptidáz (AAP), amelynek egy dimer formáját mutatja a mellékelt ábra. Az enzim a peptidáz domén mellett tartalmaz egy propeller domént is, amely csak kisebb peptideket enged az aktív centrumhoz. Az AAP-nek orvosi, környezetvédelmi és katonai jelentősége is van, mivel nemrégen derítették ki, hogy organofoszfátok rendkívül erősen gátolják. Az organofoszfátok, mint a dichlorvos vagy a diisopropilfluorofoszfát, erős gátlószerei az acetilkolineszteráz nevű enzimnek, mely az idegek közötti kapcsolatot szabályozza. Ilyen gátlószereket (gyógyszereket) használnak a szellemi leépülés javítására, mint amilyen az Alzheimer betegséggel kapcsolatos tanulás, memória és emóció káros változása. Kimutatták azonban, hogy az AAP egy nagyságrenddel érzékenyebb az organofoszfátokra mint az acetilkolineszteráz. Ez a váratlan eredmény szükségessé teszi mind az organofoszfátok, mind az AAP fiziológiás szerepének a tisztázását. A vizsgálatok fontosságát az is aláhúzza, hogy az emberre veszélyes organofoszfátokat a növényvédelemben is használják. Az AAP-ről az is ismert, hogy különböző rákos folyamatokban fontos szerepet játszik.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Olyan specifikus inhibitorokat állíthatunk elő, amelyekkel megkülönböztethetjük az acetilkolineszterázt az AAP-tól. Az inhibitorokat felhasználhatjuk az en-

60

zim fiziológiás szerepének tisztázására és ennek alapján a gyógyászatban is. Ha a dimerizáció szükséges az enzim működéséhez, olyan új inhibitorokat is tervezhetünk, amelyek az alegységek kapcsolódását akadályozzák meg. Molekuláris biológiai módszerekkel leválaszthatjuk a propeller domént a peptidázról, így az enzim nemcsak kis molekulákat, hanem fehérjéket is emészthet, ami az analitikában és a biotechnológiában felhasználható. Lehetőség nyílik olyan érzékeny analitikai módszerek kifejlesztésére, amelyekkel a szerves foszforsavak mennyisége meghatározható, aminek a peszticidekkel vagy harci gázokkal történt szennyeződés felderítésében van jelentősége.

Témavezető:

Dr. Szakács Gergely

Enzimológia

Membránbiokémiai Kutatócsoport


DAGANATOS SEJTEK REZISZTENCIÁJÁT GÁTLÓ VEGYÜLETEK FEJLESZTÉSE A daganatos megbetegedések korszerű gyógyítása a sebészi beavatkozás és a sugárterápia mellett elsősorban gyógyszeres kezelésen alapul. Általános tapasztalat szerint a citosztatikus terápia a daganatos sejtek kialakuló rezisztenciája miatt sok esetben nem bizonyul hatékonynak, a kemoterápia kudarcáért a legtöbb esetben az ún. multidrog rezisztencia fenotípus tehető felelőssé. A multidrog rezisztens daganatsejtek keresztrezisztenciát mutatnak szerkezetükben és hatásmechanizmusukban különböző citotoxikus szerekkel szemben. A rezisztenciát többnyire az ABC-transzporterek családjába tartozó fehérjék biztosítják, melyek az ATP energiáját felhasználva megakadályozzák a citosztatikus vegyületek sejten belüli felhalmozódását. E fehérjecsalád legismertebb képviselője az MDR1 (P-glikoprotein), melynek szubszrátjai között a daganatellenes szerek mellett több fontos, a gyógyászatban használt vegyület található. Az MDR1 a bélben a gyógyszerek felszívódását, a vesében és a májban a kiválasztását, a vér-agy gátban a megoszlását, a (daganat)sejtekben a sejtekbe való jutását szabályozza. In vitro kísérletekben MDR1gátló vegyületek jelenlétében a rezisztens sejtek is elpusztíthatók. Bár az állatkísérletek tanúsága szerint az MDR1 gyógyszeres gátlása az élettel összeegyeztethető, a több évtizedre visszanyúló klinikai vizsgálatok rendre kiábrándító eredménnyel zárultak. Általános vélekedés szerint a hagyományos MDR1-gátlószerek alkalmazásakor óhatatlanul fellépő mellékhatások miatt

multidrog rezisztencia gyógyszeres megelőzése egyelőre nem tekinthető megoldottnak. Po s z t d o k t or i k ut at á s a i m a l at t e g y ol y a n farmakogenomikai módszert dolgoztam ki, mely révén a hagyományos kezelésnek ellenálló, a multidrog rezisztens sejtek elpusztítására képes („MDR1inverz”) vegyületek azonosíthatók. Célom további „MDR1-inverz” vegyületek azonosítása, hatásmechanizmusuk megértése, valamint a klinikai próbákat előkészítő kísérletek előkészítése.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az MDR1-inverz vegyületek új, ígéretes lehetőséget kínálnak egy fontos klinikai probléma enyhítésére. E röviden vázolt projekt célja, hogy felderítse az in vitro és in vivo hatások hátterében meghúzódó biokémiai mechanizmusokat, és hogy az arra legalkamasabb vegyületeket a klinikai próbáig jutassa.

61

Enzimológia

Fehérje-szerkezet Kutatócsoport

Témavezető:

Dr. Simon István


FEHÉRJE-SZERKEZET ALAPELVEI A fehérjék térszerkezetéről alkotott képünk az utóbbi két évtizedben nagymértékben megváltozott. A DNS szinten történő szekvenálás nyomán megnövekedett a különleges aminosav-összetétellel rendelkező, pl. transzmembrán fehérjék száma. A genomikai projektek nyomán kiderült, hogy a fehérjéknek legalább negyede tartalmaz a sejtmembránon áthaladó szegmenseket. Szintén az utóbbi évtizedben vált ismertté, hogy számos vízben oldható fehérje nem vesz fel stabil térszerkezetet. Ennek ellenére ezek a fehérjék képesek funkciójukat ellátni, és a stabil szerkezet sokszor partnerükhöz kötődve alakul ki. Ezek az eredmények annak újragondolására ösztönöznek, hogy hogyan határozza meg egy adott aminosav-sorrend a fehérjék térszerkezetét és ezáltal funkcióját. Csoportunk célja, hogy bioinformatikai eszközökkel feltárja azokat az alapelveket, melyek a fehérjék térszerkezetének alakulását vezérlik és megkeresse a szerkezet és funkció vagy adott esetben a szerkezet nélküliség és a funkció közötti összefüggéseket. A felderített alapelveket szerkezet-becslő, analizáló programokba építjük be, melyek szerverek formájában kerülnek fel a világhálóra. Eddig 13 szervert hoztunk létre és üzemeltetünk.

1. Globuláris fehérjék szerkezet-funkció összefüggései Globuláris fehérjék működését g yakran kitüntetett oldalláncok, szerkezeti elemek határozzák meg. Ezeket szimulációs módszerekkel, valamint bioinformatikai eszközökkel azonosítjuk. Stabilizációs centrumok alapján értelmeztük az MHC fehérjék szabályozását, az α/β hordó fehérjék szerkezetét kialakító tényezőket, valamint a PD..D/ExK típusú 62

restrikciós endonukleázok evolúciós rokonságát. Felderítettük a dUTPáz és a prolil oligopeptidáz szubsztrát-kötő sajátságait. Hibrid kvantumkémiaimolekulamechanikai számítások segítségével meghatároztuk a BamHI restrikciós endonukleáz enzim katalitikus mechanizmusát és értelmeztük az egyes oldalláncok szerepét. Molekuladinamikai számítások segítségével a specifikus DNS felismerést elindító molekuláris tényezőket vizsgáltuk. Dokkolási módszereket fejlesztettünk és alkalmaztunk TBC elleni hatóanyag kidolgozására.

2. Transzmembrán fehérjék topológiájának vizsgálata Transzmembrán fehérjék szerkezetének meghatározása különlegesen nehéz feladat. Számos funkcionális kérdés azonban a fehérje topológiájának ismeretében is megválaszolható. Csoportunk két, igen ismert predikciós eljárást dolgozott ki: a DAS módszert, valamint a rejtett Markov eljáráson alapuló HMMTOP módszert, mely az egyik legpontosabb predikciós eljárás. Ezen módszerekkel végzett topológia becslések alapján sikerült értelmezni az ABC transzporter fehérjék számos tulajdonságát, valamint felismerni a prion fehérjék transzmembrán eredetét. Kifejlesztettük a transzmembrán szegmenseket azonosító TMDET algoritmust, és ennek segítségével létrehoztuk a Protein Data Bank-hez (PDB) kapcsolódó, hetente frissített PDB-TM adatbázist. Továbbá egy még részletesebb transzmembrán topológiai adatbázist, a TOPDB-t, ami a röntgendiffrakciós és NMR adatok mellett számos kémiai és biokémiai információ felhasználásával készült.

3. Rendezetlen fehérjék szerkezet-funckió összefüggései Napjaink fehérjetudományának legnagyobb kihívását a stabil térszerkezettel nem rendelkező fehérjék jelentik. Bioinformatikai módszerek segítségével sikerült értelmeznünk, hogy ezen a fehérjékben a stabil térszerkezet hiánya az aminosav-összetételre vezethető vissza, mely nem eredményez elegendő számú kedvező kölcsönhatást. Ezen az elven alapul az IUPred predikciós módszer, melyet kiterjedten használnak rendezetlen fehérjék/szegmensek azonosítására. Különböző genomokon ezen módszerrel becsült rendezetlen fehérjék aránya alapján megállapítást nyert, hogy a rendezetlen fehérjék evolúciós előnyt jelentenek, arányuk növekszik az evolúció során. A rendezetlen fehérjék kitüntetett szerepet játszanak a fehérje-fehérje kölcsönhatási hálózatok szervezésében. Rövid, fehérje-fehérje kölcsönhatásokat közvetítő motívumok is gyakran rendezetlen fehérje-szakaszokban fordulnak elő. A rendezetlen fehérjék gyakran felismerési feladatot látnak el, melyben kitüntetett szerepe lehet átmeneti (tranziens) másodlagos szerkezettel bíró szakaszoknak. Elemeztük továbbá a rendezetlen fehérjék komplexeit és kölcsönhatásait és rámutattunk a komplex szerveződésében szerepet játszó különleges tulajdonságaikra.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A csoport által feltárt alapelvek utat nyitnak egy általános fehérje-szerkezet szerveződési modell kidolgozásához. A transzmembrán topológiát becsülő eljárások részét képezik a Gram-negatív baktériumok fehérjéinek szub-celluláris lokalizációját vizsgáló algoritmusnak. A létrehozott transzmembrán adatbázisok ezen fehérjék összehasonlítását és pontosabb megértését teszik lehetővé. A fehérje szekvenciák rendezetlenségét becslő algoritmus szintén szerver formájában a világhálón hozzáférhető. Ezzel nemcsak egész fehérjéket, de egyes rendezetlen szegmenseket is lehet azonosítani, vagy speciális, rövid rendezett szakaszokat kijelölni. A távlati cél rövid kölcsönható szakaszok jóslása, illetve amiloidok kialakulásáért felelős szakaszok azonosítása. A rendezetlen fehérjék kölcsönhatásait vizsgáló és jósló kutatások új utakat nyithatnak a gyógyszerkutatásban. Az egyedi fehérjéken végzett vizsgálatok az eredeti szerkezet-funkció elv pontosításai, melyek eredményei a gyógyszer-fejlesztésben hasznosíthatók. Eredményeinket hazai alkalmazott kutatási projektek mellett sikeresen használtuk fel két már lezárt Európai Uniós projektben, az állattenyésztésben használt illegális hatóanyagok húsmintáiból való azonosítására, illetve TBC elleni hatóanyag felkutatásában.

Enzimológia

Fehérje-szerkezet Kutatócsoport

63

Enzimológia

Rendezetlen Fehérjék Csoport

Témavezető:

Dr. Tompa Péter


RENDEZETLEN FEHÉRJÉK VIZSGÁLATA A klasszikus szerkezet-funkció paradigma szerint a fehérjék funkciójához jól definiált háromdimenziós térszerkezetre van szükség. Az elmúlt néhány év megfigyelései azonban arra figyelmeztetnek, hogy ez az összefüggés nem általános, bizonyos fehérjék natív, funkcionális körülmények között sem rendelkeznek jól definiált térszerkezettel. Ezek a rendezetlen fehérjék szerkezetileg leginkább a globuláris fehérjék denaturált állapotaira hasonlítanak, azonban ebben az állapotban képesek funkciójukat kifejteni. A szerkezeti rendezetlenség magasabb eukariótákban nagyon gyakori, a humán proteomban például a fehérjék mintegy 12%-a teljesen rendezetlen, és 50%-a tartalmaz legalább egy hosszú (30 aminosavnál hosszabb) rendezetlen szakaszt. A rendezetlenség legmagasabb a jelátviteli és transzkripciós szabályozási feladatokat ellátó fehérjékben, így ezek mutációi gyakran okoznak súlyos betegségeket, rákot vagy éppen neurodegeneratív betegségeket. A rendezetlen fehérjék nagy száma és funkcionális fontossága a szerkezet-funkció paradigma újragondolását és kiterjesztését igényli. A csoportban ezen célok megvalósítására szerteágazó munka folyik, ami egyrészt kísérletes szerkezet-funkció vizsgálatokat, másrészt bioinformatikai elemzéseket takar. Kísérletes vizsgálataink elsősorban a rendezetlen fehérjék felismerő funkcióinak, illetve dajkafehérje funkciójának részletes vizsgálatát, funkcionális sokféleségük (promiszkuitás) jellemzését, felületi hidratációs tulajdonságaik részletes leírását célozzák. A bioinformatika eszköztárát

64

kölcsönhatásaik molekuláris szabályszerűségeinek, betegségekben játszott szerepüknek és evolúciójuk törvényszerűségeinek megállapítására használjuk. Mindezen vizsgálatok lehetővé teszik a rendezetlenség szerkezeti-funkcionális jellemzését, evolúciós előretörésének és eukarióta proteomokban megfigyelhető elterjedtségének értelmezését, valamint a szerkezet-funkció paradigma újrafogalmazását.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A rendezetlen fehérjék mutációi gyakran szerepelnek betegségekben, ugyanakkor partnerükkel való kapcsolataik sajátosságai lehetővé teszi, hogy ellenük inhibítorokat tervezzünk és fejlesszünk. Ez a kutatási irány a rák és neurodegeneratív betegségek effektív terápiájára alkalmas gyógyszerek új generációjának kifejlesztéshez vezethet.

Témavezető:

Dr. Váradi András

Enzimológia

Aktív Transzport Fehérjék


AZ ABC FEHÉRJÉK SZEREPE ÉS MŰKÖDÉSE A fejlett országokban a rákos megbetegedések az egyik leggyakoribb halálozási ok. A betegség egyik legfontosabb kezelési lehetősége a kemoterápia, melynek során gyógyszerekkel próbálják elpusztítani a rákos sejteket. Az ABC fehérjék akkor kerültek a tudományos kutatás előterébe, mikor kiderült, hogy bizonyos tumorsejtek rezisztensek, azaz nem reagálnak a kemoterápiás kezelésre, mert sejtmembránjukban olyan fehérjéket expresszálnak, amelyek a tumorsejtekre nézve mérgező anyagokat (a gyógyszereket) „kipumpálják“ a sejtből. A Humán Genom Project révén összesen 48 fehérjét azonosítottak, amelyek az ABC transzporterek családjába tartoznak. Ezek a fehérjék működésük során az ATP hidrolíziséből származó energiát hasznosítják, és összességében nagyon sokféle anyagot tudnak transzportálni. A 48 fehérje közül csak néhány játszik szerepet a kemoterápiával szembeni rezisztencia kialakításában. Más ABC fehérjékben bekövetkező mutációk öröklődő betegségekhez vezetnek. Csoportunk fő kutatási iránya – a multidrog rezisztenciához kapcsolódó fehérjék megismerésén kivül - három olyan ABC transzporterre irányul, melyek ez utóbbi csoportba tartoznak. A PXE (pseudoxanthoma elasticum) ritka öröklődő betegség, amelyet az ABCC6 fehérjében bekövetkező mutációk okoznak. A betegség a kötőszöveti rostok kalcifikációjával jár, a tünetek először a bőrben, majd a szemben és az erekben jelentkeznek. A betegség a látás romlásához, súlyos esetben akár vaksághoz, és érelmeszesedéshez vezet. A szitoszterolémia a lipid anyagcserében bekövetekző rendellenesség, és korai érelmeszesedéshez, és szívproblémákhoz vezet. Ezt a

betegséget két ABC fehérje, az ABCG5 és az ABCG8 (amelyek egy működési egységet alkotnak) valamelyikében bekövetkező mutáció okozza. Kutatásaink során ezen fehérjék szerepét, hatásmechanizmusát vizsgáljuk. Kísérleteinkben arra keressük a választ, hogy a betegséget okozó mutációk hogyan befolyásolják a fehérje ATP-kötését, transzport aktivitását, mennyiben módosítják a sejten belüli elhelyezkedését, azaz megpróbáljuk felderíteni a betegség hátterében álló molekuláris mechanizmusokat.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérjék működésének, szervezeten belül betöltött szerepének megismerése elengedhetetlen ahhoz, hogy egy esetlegesen kialakúló betegséget hatékonyan lehessen gyógyítani. Kutatásainkat több hazai és külföldi laboratóriummal együttműködve végezzük, tagjai vagyunk többek között egy európai konzorciumnak, és egy amerikai laboratóriumokat is magába foglaló szélesebb nemzetközi együttműködésnek.

65

Enzimológia

Enzimek Moduláris Szerveződése Csoport

Témavezető:

Kazinczyné Dr. Vas Mária Tel.: 1-279-3152 E-mail: [email protected]

EGY KINÁZ ENZIM ÉS A HIV TERÁPIA Napjainkban egyre sürgetőbb a HIV elleni hatékony védekezés. A gyógyszerek fontos csoportját alkotják a különféle nukleozid-vegyületek. Hatásuk abban áll, hogy a virális DNS lánc felépülését, és ezáltal a vírus fehérjeszintézisét gátolják. A hatást csak a nukleozidok trifoszfát formája, a nukleotidok képesek kifejteni. Ezek viszont nem alkalmazhatóak közvetlenül gyógyszerként, mert nem képesek a sejtmembránon áthatolni. A gyógyszerek csak a hatóanyag prekurzorát tartalmazzák, melyből maga az élő szervezet állítja elő – természetes kináz enzimei segítségével – a valódi foszforilált hatóanyagot, a nukleotidot. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy ez a folyamat nem zökkenőmentes. Egyrészt a foszforiláció három egymás utáni lépésben, különféle kinázok közreműködésével zajlik, melynek „szűk keresztmetszetét” a harmadik lépés, a difoszfátokból a trifoszfátok képződése jelenti. Ebben az utolsó katalitikus lépésben résztvevő kinázok közül egy glikolitikus enzim, a 3-foszfoglicerát kináz (FGK) bizonyult a leghatékonyabbnak. Másrészt, igen sokféle kémiai szerkezetű nukleozidot alkalmaznak gyógyszerként, és folyamatosan próbálkoznak újabbakkal is az optimális hatás eléréséhez. Új gyógyszerek tervezését a korábbiakkal szemben kialakuló rezisztencia is szükségessé teszi. A természetes D-sztereokémiájú nukleozidok mellett azok tükörképi párjai, az L-analógok sokszor ígéretesebbek, mivel toxicitásuk kisebb. A gyógyszertervezés fontos kérdése a különféle szerkezetű vegyületek foszforilálhatósága a kinázok hatására. Laboratóriumunkban jelenleg nukleotid model-

66

vegyületek, valódi gyógyszerek és gyógyszerjelöltek difoszfátjainak PGK katalizálta foszforilálását kezdtük el tanulmányozni. A PGK jelentőségét az enzim alacsony enantio-szelektivitása is aláhúzza. A PGK működésének mechanizmusát és annak szerkezeti alapjait már régóta vizsgáljuk. Felgyülemlett ismereteink biztos alapot szolgáltatnak kutatásaink gyógyszertervezés területére való kiterjesztéséhez.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A nem-fiziológiás nukleozid analógok enzimatikus foszforilációja molekuláris alapjainak megértése fontos támpontot jelent a gyógyszerjelölt vegyületek szerkezetének optimalizálásához és új vegyületek tervezéséhez. Vizsgálataink mindemellett a moduláris kinázok általi katalízis mechanizmusának jobb megértését is célozzák.

Témavezető:

Dr. Welker Ervin

Enzimológia

Fehérje Konformációs Betegségek Csoport

Tel.:1-279-3113 E-mail: [email protected]

OXIDÁCIÓS FEHÉRJE FELTEKEREDÉS Az élő szervezetet felépítő fehérjék létfontosságú funkcióikat az esetek jelentős többségében bonyolult háromdimenziós szerkezetük révén képesek ellátni. A fehérjék térszerkezete az aminosavak sorrendjében, így végső soron a génekben van kódolva. A DNS-ben tárolt információ tehát a fehérjék háromdimenziós szerkezetében teljesedik ki végső formájában. Az ide vezető többlépcsős folyamat egyik legfontosabb, sok részletében azonban még máig sem ismert eleme a frissen szintetizálódott fehérjeláncok feltekeredése; az elemi lépések sorozata, melynek során a fehérjelánc elnyeri egyedi háromdimenziós térszerkezetét. Ez a kérdés nagyon fontos tudományos alapprobléma, minthogy a sejtekben zajló szinte valamennyi folyamat fehérjék részvételével és közvetítésével történik; a fehérjék feltekeredése kapcsolódik a legtöbb sejtes folyamathoz. A folyamat jelentősége különösen nyilvánvalóvá válik, ahogyan egyre több betegségről derül ki, hogy a betegség hátterében fehérjék feltekeredésében előforduló hibák állnak. Jól ismert példái ennek a prion betegségek, az Alzheimer és a Parkinson kór, a Huntington szindróma vagy a sarlósejtes vérszegénység. A biotechnológia látványos

előretörése a fehérjék feltekeredésének problémáját szintén a figyelem középpontjába állítja, hiszen gyakorta előforduló probléma, hogy egy fehérjét nagy mennyiségben sikerül termelni, de az aktív állapotot jelentő térszerkezet kialakítására, a fehérje helyes feltekeredésére nem sikerül megfelelő eljárást, körülményt találni. A fehérjék térszerkezetét gyakorta diszulfidhidak stabilizálják. Munkánkban különös figyelmet szenteltünk a diszulfíd hidakat tartalmazó fehérjék feltekeredésére, (oxidációs fehérje feltekeredés) hiszen ezek a fehérjék a számarányukat messze meghaladó arányban felelősek örökletes betegségek kialakulásáért.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az oxidációs fehérje feltekeredés folyamatának megismerése nagy jelentőségű a fehérjék helyes konformációjának kialakulásában bekövetkezett hibák miatt fellépő betegségek megértésében, és így a gyógyításukban. Továbbá, biotechnológiai alkalmazásokban is, ahol gyógyászatilag fontos fehérjék aktív formában való előállítása a cél.

67

Enzimológia

DNS-Metabolizmus és -Javítás Csoport

Témavezető:

Dr. Vértessy G. Beáta Tel.: 1-279-3116 E-mail: [email protected]

A dUTPáz ENZIMCSALÁD A genetikai kód révén az élőlények a szervezetük felépítéséhez és szabályozott működéséhez szükséges információt nukleinsav makromolekulákban (általában DNS, néha RNS) tárolják. Ezek a molekulák azonban kémiailag reaktívak, és módosulásaik az információtárolás hibáit okozzák. Az oxigén és a belőle keletkező reakcióképes vegyületek az elsődleges DNS-károsítók, de hasonlóan hat a vizes közeg is. A DNS-károsodások számos betegség kiváltói lehetnek. Az élő sejtben műkődő DNS-hibajavító rendszerek kiemelkedő jelentőségűek a DNS-károsodások elleni védekezésben. Ezen rendszerek hiánya vagy károsodása gyakran okoz korai öregedést, sejthalált (idegsejtekben vagy más sejtekben), vagy a sejt tumoros elváltozásához vezet. Így a DNS-hibajavító rendszerek megértése alapvető új gyógymódok kidolgozásához vezet a rákterápia, a gerontológia, valamint a neurológia terén. A spontán bekövetkező DNS-hibák közül a leggyakoribb az uracil bázis megjelenése a DNS-ben. Ez két úton történhet: citozin dezaminálás vagy timint helyettesítő beépülés révén. Két enzimcsalád játszik lényeges szerepet a DNS uracilmentességének biztosításában: a dUTPáz és az uracil-DNS glikozidáz. A dUTPáz eszenciális enzim (1. ábra), amely preventív javító szerepkörben teremti meg a DNS-szintézis korrekt körülményeit: a dUTP/dTTP arány alacsony szintjét. Az enzim hiányában a sejtbeli DNS uraciltartalma nagymértékben megnő, és az uracilkivágás fokozódása túlterheli a DNS-hibajavító rendszert. A dUTPáz hiánya tehát letális, az enzim gátlása miatt rákos sejtek is elpusztulhatnak.

68

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A dUTPáz-antagonizmus kutatása újszerű tumorés vírusellenes terápiák kidolgozásához vezethet. Az enzimműködés megértéséhez többféle dUTPáz esetében sikerült feltérképeznünk a javító reakció lépéseit. Nagy felbontású háromdimenziós térszerkezeteket határoztunk meg, és ezek értelmezésével, valamint oldatbeli módszerek széles körét alkalmazva sikerült azonosítani a reakció molekuláris mechanizmusát és a folyamat során valószínűsíthető átmeneti állapot térszerkezetét (az enzimreakció szimulált atomi moziját, lásd a http://www.enzim. hu/~vertessy/react3.wmv címen). Erre alapozva a továbbiakban specifikus és hatékony antagonisták tervezésébe fogtunk.

Témavezető:

Dr. Vértessy G. Beáta

Enzimológia

DNS-Metabolizmus és –Javítás Csoport

URACIL-DNS JELÁTVITEL A DNS-be uracil alapvetően két úton kerülhet, ami aztán rendszerint hibaként értelmeződik és javítódik. Az uracil kizárásában két kulcsenzim játszik szerepet: a dUTPáz és az uracil-DNS glikozidáz (UDG). Amennyiben azonban a dUTPáz és az UDG aktivitás felfüggesztődik, az uracil elvileg tolerálhatóvá válik. Eredményeink szerint ez az eset fordul elő az ecetmuslica lárváiban. Munkacsoportunk hipotézise szerint a teljes átalakulással fejlődő rovarok lárvájában felhalmozódó uracil-DNS hozzájárulhat a metamorfózis során zajló sejthalálhoz (1. ábra).

metabolizmust gátló gyógyszerek hatását. Ezek a gyógyszerek a DNS uracil tartalmának növelésén keresztül indukálnak sejthalált. Az UDE ezen sejtekben az uracilDNS hatékony degradálása révén növelheti a gyógyszer hatékonyságát. Ezt a hipotézist vizsgáljuk humán rákos sejtvonalakon végzett kísérleteinkben. Eddigi eredményeink bizonyítják, hogy az UDE egy új nukleáz család első leírt tagja, mely funkciójában és szerkezetében egyaránt újszerű, és kutatása jelentős új eredményeket hozhat az uracil-DNS metabolizmus, valamint a metamorfózisos sejthalál megértésében. Továbbá az UDE fehérje számos alkalmazási lehetőséggel is kecsegtet.


1. Az ecetmuslica lárvákon belül csak a metamorfózist túlélő imaginális korongok tartalmaznak dUTPázt (zöld szín az immunhisztokémiai metszeteken). A többi lárvális szövet uracil-DNS-t halmoz fel (sárga U az alsó DNS-ábrán). A bebábozódás során egy uracil-DNS degradáló faktor (sárga villámok) az uracil-DNS hasítását idézi elő, és ezzel hozzájárul a sejthalálhoz.

Azonosítottuk az uracil-DNS degradáló faktort (UDE), és ezen fehérje szerkezeti, funkcionális karakterizálását végezzük. Vizsgáljuk ezen fehérje élettani szerepét, mind ecetmuslicában, mind humán sejtvonalakon. Az UDE elősegítheti a rákterápiákban gyakori timidilát

Az UDE egyedi specificitása rendkívül hatékony, új molekuláris biológiai módszerek kidolgozását teszi lehetővé három fő terület számára. Ezek a következőek: 1. Mutagenezisre szolgáló hatékony biotechnológiai laboratóriumi eljárások. 2. Molekuláris diagnosztika: egészségügyi alkalmazások. 3. Rekombináns DNS-technológiai eljárások során keletkező új genetikai információt kódoló DNS molekulák laboratóriumi környezetből való kikerülésének megakadályozása: dekontaminálás, biosafety védekezés. Célunk, hogy a fenti módszerek alkalmazási feltételeit kidolgozzuk, és a felhasználás egyes területeire célzott eljárásokat tervezzünk.

69

Enzimológia

Fehérje Biofizikai Csoport

Témavezető:

Dr. Závodszky Péter Tel.: 1-209-3535 E-mail: [email protected]

FEHÉRJETERVEZÉS, HŐSTABILIS ENZIMEK Az élő sejtekben számos olyan kémiai folyamat zajlik nagy sebességgel, amely egyébként csak nagyon lassan menne végbe. Ezeket enzimek katalizálják. Az enzimek bonyolult szerkezetű fehérjemolekulák, amelyek általában rendkívül érzékenyek a környezet hatásaira. Hőhatására elveszítik szerkezetüket, denaturálódnak. Vannak olyan - hőforrásokban élő – mikroorganizmusok, amelyek enzimei akár a forralást is túlélik és magas hőmérsékleten is képesek működni. Az enzimeket számos biotechnológiai folyamatban használják, pl. a gyógyszeriparban, a cellulóz- és papíriparban, környezetvédelemben. A kényes, hőérzékeny enzimpreparátumokat sok esetben hasznos lenne hőstabilis fehérjékkel felváltani. Az azonos funkciójú hőstabilis és hőérzékeny enzimek szerkezetének összehasonlítása útján elleshetjük a természettől, miként lehet nagy stabilitású szerves katalizátorokat készíteni. Ezen titkok birtokában javíthatjuk az ismert enzimek stabilitását, aminek a tárolás, sterilizálás szempontjából van nagy gazdasági jelentősége. A hőtűrés javításával az ipari folyamatokat magasabb hőmérsékleten, vagyis gyorsabban, hatékonyabban végezhetjük. Ugyancsak lehetőség nyílik a technológiai folyamatok által megkívánt speciális enzimek tervezésére. Az enzimek tervezését számítógépes modellezéssel kezdjük. Ebben a fázisban eldönthető van-e elvi lehetőség a kívánt szerkezetváltozás megvalósítására. Ezt követően a DNS szintjén tervezzük meg a fehérjéket. Az így DNS-be kódolt fehérjét gén-

70

sebészeti eszközökkel visszük be baktérium-, élesztő-, rovar- vagy emlőssejtekbe. Ilyen módon rávesszük e sejteket, hogy a számunkra szükséges fehérjét termeljék nagy mennyiségben. Ez a bioszintetikus enzimtermelés olcsó és környezetbarát eljárás. A fehérjemolekulák szerkezetét nagyszámú, gyenge fizikai kölcsönhatás stabilizálja. Ennek következménye az enzimeknek az a kivételes tulajdonsága, hogy egyszerre rendelkeznek jól definiált térszerkezettel és nagyfokú szerkezeti flexibilitással. E tulajdonságokból fakad az a képességük, hogy működésüket finom környezeti hatásokkal lehet szabályozni. A fehérjék szerkezetének meghatározása, szabályozásuk megértése és a fehérjetervezés a biotechnológiai alkalmazásokon túl utat nyit az új típusú, racionális gyógyszertervezés irányába is. Számos betegség oka egyes enzimek hiányában vagy működésének zavarában rejlik. Az általunk használt eszköztár alkalmas új gyógyszer célpontok előállítására, ellenőrzésére, és új hatóanyagok, hormonok, fehérjék, peptidek előállítási technológiájának kidolgozására.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A hőstabilis enzimek, pl. a xilanázok a cellulózfehérítésben és a papíriparban kínálnak környezetbarát megoldásokat. A rekombináns fehérje technológia új hormon és fehérje típusú hatóanyagok kifejlesztésében és gyártástechnológiájában hasznosítható.

Témavezető:

Dr. Gál Péter

Enzimológia


Tel.: 279-3135 E-mail: [email protected]

Fehérjebontó enzimek az immunrendszer szolgálatában Szervezetünk védelmi rendszere - az immunrendszer - különböző módokon (természetes és szerzett immunitás), valamint különböző eszközökkel (sejtek és molekulák) biztosítja testünk integritását és véd meg a fertőzésekkel szemben. Ennek a védelmi rendszernek fontos részét képezi egy fehérjebontó enzimekből (ún. proteázokból) álló kaszkádrendszer: a komplementrendszer. Ezek a proteázok maguk is fehérjemolekulák, amelyek nagyon specifikusan és hatékonyan képesek elhasítani egy másik fehérjemolekulát. A proteolitikus kaszkád során az egyik proteáz hasítja, és ezzel aktiválja a kaszkád soron következő tagját. A kaszkád aktiválódása a fertőző mikroorganizmus elpusztításához és - az immunrendszer sejtes elemeinek mozgósítása révén - gyulladásos folyamat beindításához vezet. A komplementrendszernek körülbelül 30 tagja van, elsősorban a már említett proteázok, de legalább ilyen fontosak az oldott ill. sejtfelszínhez kötött szabályozómolekulák és receptorok is. A komplementrendszer normális működése elengedhetetlen szervezetünk belső egyensúlyának fenntartásában, működési zavara azonban súlyos problémákat okozhat, mivel a kontroll nélkül aktiválódó komplementrendszer károsíthatja a saját szöveteket és gyulladások kialakulását eredményezheti. Rendkívül fontos tehát, hogy minél jobban megismerjük a komplementrendszer molekuláit, aktivitásukat szabályozó inhibitorokat és a sejtfelszíni receptorokat, hogy a megfelelő helyen és módon tudjunk beavatkozni a rendszer működésébe. L abor atór iu mu n k ba n els ősorba n a komp lement kaszkád kezdeti lépéseiben részt vevő proteázokkal (C1r, C1s, MASP-1/2), ezek inhibitorával (C1-inhibitor) és receptoraival foglalkozunk.

Röntgendiffrakciós módszerrel meghatározzuk a proteázok térszerkezetét atomi szintű felbontásban. Ezzel lehetővé válik a hatásmechanizmus részletes megismerése és mesterséges gátlószerek tervezése. A C1-inhibitor nem csak a komplementrendszer, hanem véralvadási kaszkádrendszer és a kinin-képző rendszer proteázainak aktivitását is gátolja, ezért az egyik legfontosabb természetes gyulladáscsökkentő molekula. Hiánya súlyos betegség – az örökletes angioödéma – kialakulásához vezet. A világon elsőként nekünk sikerült meghatározni ennek a fontos fehérjemolekulának a térszerkezetét és felderíteni működésének atomi szintű hátterét. A komplementrendszer többféle módon befolyásolhatja az immunrendszer sejtjeinek működését. A proteolízis során felszabaduló fragmentumok (anafilatoxinok) megkötődnek a sejtek felszíni receptorain és stimulálják azokat. Lehetséges azonban egy olyan mechanizmus is, ahol a komplement proteáz közvetlenül hasít, és ezzel aktivál egy receptort a sejt felszínén. Ennek a mechanizmusnak az igazolása az egyik fő kutatási célkitűzésünk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A komplement proteázokat gátló szerek számos betegség (pl. szívinfarktus, stroke, szervátültetés) kezelésében alkalmazhatóak lehetnek. A C1-inhibitort már régóta alkalmazzák az orvosi gyakorlatban. A szerkezet alapján lehetőség nyílik olyan módosított C1-inhibitor molekulák tervezésére, amelyek hatékonyabbak lehetnek a klinikai gyakorlatban, mint a természetes forrásból izolált C1-inhibitor. 71

Enzimológia


Témavezetők:

Dr. Vonderviszt Ferenc Tel.: 88-624-974 E-mail: [email protected]

Dr. Dobó József


A BAKTÉRIUMOK MOZGÁSSZERVEI: A FLAGELLUMOK A ba ktériumok előreha ladását fő mozgásszerveik a f lagellumok biztosítják. A f lagellumot három fő rész alkotja: a sejtmembránba ágyazódott bazális (alapi) test, a kampó és a filamentum. A hosszú filamentumot lényegében egyetlen fehérje, a f lagellin építi fel. Egyetlen filamentum akár több tízezer flagellin monomert is tartalmazhat. A flagellin monomerek a filamantumok belsejében található vékony, körülbelül 2 nanométer átmérőjű csövön keresztül jutnak el rendeltetési helyükre, a flagellum végére, ahol beépülnek és tovább építik a filamentumot. A kijuttatandó fehérjék felismeréséért és a szekrécióért a flagelláris exportapparátus felelős, amely a flagellum sejten belüli részén helyezkedik el. A f lagelláris export mechanizmusa ma sem ismert pontosan. Nem tudjuk hogy mi a felismert jel a kijuttatandó fehérjemolekulákon. Úgy tűnik azonban, hogy a jel (szignál) a fehérjék N-terminálisán, vagy ahhoz közel helyezkedik el, viszont nem csupán az aminosavsorrend (szekvencia) határozza meg, hanem magasabb szerveződési szinten található. Korábban azonosítottuk a flagellin exportjához elégséges rövid szignált Salmonella typhimurium baktériumban. A szignált más fehérjékhez kapcsolva azt tapasztaltuk, hogy azok is szekretálódtak (kijutottak a sejtből). Olyan sejteket használtunk, amelyek a flagellin génjét már nem tartalmazták, így a szekretált fehérjének nem kellett végigutaznia a hosszú csatornán.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Természetesen felmerü lt bennünk a gondolat, hogy a f lagelláris exportrendszert rekombináns 72

fehérjék termelésére is lehetne haszná lni, úg y hog y azok a tápoldatból könnyen k inyerhetők leg yenek . A rekombi ná n s fehér jék elő á l l ít ására a legg ya k rabba n haszná lt orga nizmus az Escherichia coli baktérium. A kifejezett fehérjék g yakran oldhatatlan formában keletkeznek, továbbá a sejtek feltárása is gondot jelent. A rendszer ü n k mi nd két fent i problémá ra megoldást nyújt, mivel a fehérjék a sejtből hamar kijutnak, így nem halmozódnak fel és nem csapódnak ki. Jelenleg a rendszer adaptálásán dolgozunk E. coli baktériumra, és olyan baktériumtörzsek kifejlesztését szeretnénk elérni, amelyek szinte bármilyen rekombináns fehérje nagymennyiségű szekretált termelését lehetővé teszik.

Témavezető:

Dr. Vonderviszt Ferenc

Enzimológia


FLAGELLIN ALAPÚ RECEPTOROK A proteomikában, orvosi diagnosztikában, gyógyszeripari hatóanyag termelésben, de akár a környezetvédelmi analitikában vagy az élelmiszerbiztonsági vizsgálatok során is gyakori feladat komplex elegyek egyes komponenseinek megbízható kimutatása. A hagyományos bioszenzorok, illetve fehérje chipek általában antitesteket (immunglobulin molekulákat) vagy azok alkalmas részegységeit alkalmazzák érzékelő elemként. Ezek előállítása költséges, preparálásuk bonyolult, stabilitásuk sokszor elégtelen, a hordozó felülethez kötve könnyen elveszítik működőképességüket. Az antitestek kiváltása más fehérje alapú receptorokkal mindenképpen kívánatos. Kutatásaink során meghatároztuk a flagellin fehérje atomi szerkezetét, felderítettük, hogy melyek azok a filamentumok felszínén elhelyezkedő régiók, amelyek a polimerizációs képesség megzavarása nélkül génsebészetileg módosíthatók. Jellemeztük a flagellin polimerizációs tulajdonságait, megértettük miként építhetünk belőle különféle filamentáris objektumokat. Számítógépes molekulatervezés alkalmazásával olyan módosított flagellineket terveztünk, amelyek képesek Ni‑ionok felismerésére és megkötésére. Sikeresen megvalósult egy arzénkötő változat kialakítása is. Ezek a nehézfém kötő változatok alapul szolgálhatnak felszíni vizek szennyezettségének monitorozására szolgáló bioszenzorok kifejlesztéséhez. Jelenleg olyan génkönyvtár létrehozásán dolgozunk, amely nagyszámú, felületi tulajdonságaiban véletlenszerűen módosított f lagellin variáns génjét tartalmazza. Kísérleteket folytatunk annak érde-

kében, hogy in vitro evolúciós eljárások (riboszóma bemutatás) alkalmazásával ki tudjuk választani az előállított variánsok közül azokat, amelyek egy-egy célmolekula megkötésére a legalkalmasabbak.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatási területünk újdonsága, amelyhez szabadalmi bejelentés is kapcsolódik, hogy a baktériumok flagelláris filamentumait felépítő flagellin fehérjéből hozzunk létre adott célmolekulák hatékony felismerésére és megkötésére képes receptorokat. A flagellin receptorok az antitesteknél és más eddig ismert mesterséges fehérjereceptoroknál lényegesen egyszerűbben és olcsóbban, a baktériumsejtek feltárása nélkül előállíthatóak, és emellett még a flagellin polimerizációs képességénél fogva különféle előnyös tulajdonságokkal rendelkező filamentáris szerkezetek építésére is alkalmazhatóak. Egyfajta flagellin receptorból építkezve olyan kívánt méretű filamentumokat állíthatunk elő, amelyek felületén rendkívül nagy kötőhelysűrűség található. Különféleképpen módosított flagellinekből másrészt olyan filamentumokat hozhatunk létre, amelyek egyes régióikban különféle molekulák felismerésére és megkötésére képesek, vagy akár egyik régiójukon (vagy egyes speciálisan módosított alegységeiken) keresztül kívánt helyre köthetők, míg másik részük a molekula-felismerési feladatokat végzi. Ezek a szupramolekuláris rendszerek biológiai szenzorok, diagnosztikai kitek ideális alapeleméül szolgálhatnak.

73

74

Genetika

Genetika

SZBK Genetikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

75

Genetika

Nitrogénkötési Csoport

Témavezető:

Dr. Dusha Ilona


TOXIN-ANTITOXIN MODULOK RHIZOBIUMOKBAN A magasabb mezőgazdasági hozamok elérésének egyik fő limitáló tényezője a növények által felvehető nitrogén mennyisége. A biológiai nitrogénkötésnek meghatározó szerepe van a növények nitrogénnel való ellátásában, hiszen a mikroorganizmusok egy csoportja, mely a levegő molekuláris nitrogénjének megkötésére képes, évente 139-170 millió tonna redukált nitrogént biztosít a növények számára. A nitrogén műtrágyázás 80 millió tonna nitrogént használ fel évente, azonban egyre költségesebb, és jelentős környezeti károsodást is okozhat a felszíni és talajvizek elszennyezésével. Ezért gazdasági és környezetvédelmi szempontból is indokolt a biológiai nitrogénkötésben rejlő potenciál hatékonyabb kihasználása. A biológiai rendszerek által megkötött nitrogén 80%-a szimbiotikus nitrogénkötésből származik, azaz a pillangós növények és a talajlakó Rhizobium baktériumok együttműködésének eredménye. Ennek során a baktériumok a növény gyökerén új szerveket, ún. gümőket indukálnak, melyekben megtelepedve a levegő molekuláris nitrogénjét redukálják, és a növényeknek átadják. A baktériumok nitrogénkötési folyamata olcsó és környezetkímélő nitrogénforrást biztosít a növényeknek, ezért ismert gyakorlat a mezőgazdaságban a pillangósok vetőmagjának hatékony nitrogénkötő Rhizobiumokkal való oltása. Kísérleteinkben a lucerna és a szója növények és baktérium partnereik szimbiotikus kapcsolatát

76

vizsgáljuk. Molekuláris biológiai módszerekkel a baktériumok olyan változatait állítjuk elő, melyek hatékonyan hoznak létre megnövelt nitrogénkötési kapacitású szimbiózist. Ez a gazdanövény biomassza produkcióját megnöveli. Ilyen baktérium származékok létrehozásához új megközelítést alkalmazunk, melyre a baktériumokban azonosított toxin-antitoxin modulok adnak lehetőséget. Ezeknek a moduloknak szerepük van a környezet változó körülményeihez való adaptálódásban. A fehérje szintézis folyamatának szabályozásával elősegítik a különböző stresszhatásokra bekövetkező metabolikus változások kialakítását. Sinorhizobium meliloti baktériumban egy ilyen modul funkciójának kiiktatásával elértük, hogy az új baktérium származék hatékonyabb gümőképzésre képes, és megnő a nitrogénkötési kapacitása is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk újabb toxin-antitoxin modulok azonosítása és funkciójuk megismerése nitrogénkötő talajbaktériumokban. Molekuláris biológiai, genetikai módszerekkel olyan származékokat hozunk létre, melyek a mezőgazdasági gyakorlatban előnyösen felhasználhatók mesterséges oltóanyagként. Előállítunk olyan inokulum keverékeket is, melyek a nitrogénkötő törzsek mellett a növények fejlődését elősegítő baktériumokat is tartalmaznak.

Témavezetők:

Dr. Endre Gabriella Tel.: 62-599-679 E-mail: [email protected]

Genetika

Lucerna Genetika Csoport

Dr. Kiss Ernő


SZIMBIOTIKUS NITROGÉNKÖTÉS MOLEKULÁRIS HÁTTeRE A XX. század második felében a műtrágyák alkalmazása forradalmasította a mezőgazdasági termelést. Azonban az is világossá vált, hogy sokak számára nem elérhetők, illetve ahol használják, ott a természetet károsító módon felhalmozódhatnak veszélyeztetve ezzel az amúgy is egyre fogyó ivóvíz készleteket. Létezik ugyanakkor egy biológiai nitrogénkötésnek nevezett folyamat, melynek során a levegő nitrogénjét képesek bizonyos baktériumok átalakítani úgy, hogy az más élőlények számára is felhasználhatóvá válik. Az élővilág nitrogén körforgásában és a mezőgazdasági termelésben egyaránt kulcsfontosságú szerepet töltenek be a pillangósvirágú növények (pl. borsó, bab, lucerna, stb.). Ezen fajoknak a növény-világban ritka képessége, hogy a növények többségére jellemző foszformobilizáló mikorrhizás szimbiózis kialakításán kívül képesek talajlakó baktériumokkal szimbiózisban a levegő nitrogénjének redukálására és szerves vegyületekbe való beépítésére is. A világ számos laboratóriumában lázas kutatómunka folyik ezen szimbiózis molekuláris alapjainak felderítésére azzal a nem titkolt szándékkal, hogy ezt a képességet a későbbiekben ki lehessen terjeszteni más növényekre is. A nitrogénkötő szimbiózis kialakulása során a növények gyökerén egy új szerv, a gyökérgümő jön létre, melyben az endoszimbionta baktériumok végzik a légköri nitrogén redukcióját, ellátva így a növényt

kötött nitrogénnel. A gümő kialakulásának folyamata a megfelelő, specifikus Rhizobium baktériumok hatására indul el, és a két élőlény között lejátszódó folyamatos jelcsere eredményeként megy végbe.

Laboratóriumunkban lucernából azonosítottuk a világon az első olyan növényi gént, genetikai térképezésen alapuló génizolálással, amely elengedhetetlen e szimbiózis kialakulásához. Azóta újabb és újabb gének azonosítása történt meg és folyik nálunk és a világ több országában is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ezen pillangósvirágú növényi gének, valamint fehérje termékeik kutatásával célunk, hogy minél pontosabb ismereteket nyerjünk a nitrogénkötő szimbiózis folyamatának molekuláris alapjairól, és annak a „normális gyökérfejlődéssel” való kapcsolatáról is. A megszerzett tudást hasznosítva törekszünk a biológiai nitrogénkötés hatékonyabbá tételére, illetve kiterjesztésére.

77

Genetika

Lucerna Genetika Csoport

Témavezető:

Dr. Endre Gabriella

LUCERNA GENOMIKA Számos pillangósvirágú növény, mint pl. a borsó vagy a szója, már hosszú ideje tárgya volt különböző biológiai vizsgálatoknak, elsősorban mezőgazdasági fontosságuk miatt. Emlékezetesen az első klasszikus genetikai megfigyeléseket Mendel szintén borsón végezte. Olyan tulajdonságaik azonban, mint a nagy genomméret, nagy mennyiségű ismétlődő DNS, a magasabb ploiditási szint, vagy a hatékony transzformációs rendszer hiánya gátolta a molekuláris genetikai vizsgálatokat ezekben a fajokban. Számos előnyös tulajdonsága miatt az utóbbi években a termesztett, tetraploid lucerna (Medicago sativa) közeli rokona, a Medicago truncatula vált a növény-mikroorganizmus kapcsolatok egyik modellnövényévé. Széleskörű nemzetközi összefogásban elkészült a M. truncatula genomjának térképezése, aktívan folyik a genom kódoló szakaszaira összpontosuló genomszekvenálás és a funkcionális genomikai kutatások is. A molekuláris genomikai vizsgálatokhoz szükséges eszköztár már elkészült, illetve folyamatosan bővül a Medicago modellrendszerben. A Medicago fajok genetikai-genomikai vizsgálatához kellő részletes genetikai térkép szerkesztésében a szegedi csoport úttörő szerepet játszott, egyrészt létrehozva a M. sativa első kapcsoltsági térképét, másrészt szerepet vállalva a nemzetközi együttműködésben végzett Medicago truncatula térképezési munkákban. A gén k i fejez ődési v i z sgá latok hoz sz olgá lnak alapul a cDNS génköny vtárak, melyek a M. truncatula különböző fiziológiai állapotaiban lévő szerveiből származnak. Ezen cDNS génkönyvtárak szekvenálásával nyert információ tette lehetővé a DNS-chipek előállítását.

78

Ezen DNS-chipek segítségével és f luoreszcens festékkel jelölt minták alkalmazásával egy-egy kísérleti elrendezésben egyszerre több ezer génnek a k ifejeződését tudjuk követni. Laboratóriumunkban ilyen módszerrel vizsgáljuk a növény-mikroba szimbiotikus kapcsolatok során ki-bekapcsoló növényi géneket, ezzel jellemezve a kölcsönhatás során lezajló változásokat. A módszer másik felhasználási területe a környezeti hatások genomszintű vizsgálata, melynek keretében a szárazság- és sóstressz okozta génkifejeződéseket monitorozzuk. A genomi szekvencia meghatározásán, a gének azonosításán és kifejeződési mintázatának vizsgálatán túlmenően az egyes géneknek, illetve terméküknek funkcióját, a növény életében betöltött szerepének tisztázását is célul tűzték ki a napjainkban elindult kutatási programok. Ennek eléréséhez a pillangósokban is nagyléptékű, egymást kiegészítő mutagenezis programok indultak, melyben szintén részt veszünk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A pillangósvirágú növények vizsgálata szempontjából fontos, hogy viszonylag közeli rokonai az ös�szes Európában termesztett fontos fajnak, mint pl. a lucernának, a borsónak, a hereféléknek, a lencsének, így a modellnövényeken nyert genomikai információ nagy valószínűséggel átvihető ezen fajokra és elősegítheti nemesítésüket.

Genetika

Molekuláris Biodiverzitás Csoport

Témavezető:

Dr. Pénzes Zsolt


GUBACSDARAZSAK FILOGENETIKÁJA ÉS FILOGEOGRÁFIÁJA A gubacsképzés a rovar–növény kölcsönhatás egyik leglátványosabb formája, amely az evolúció során több alkalommal is megjelent. Egyik legváltozatosabb gubacsképző csoport a parazitoid darazsakból származtatható gubacsdarazsak (Hymenoptera, Cynipidae), amelyek legismertebb nemzetségének fajai tölgyön képeznek gubacsot (Cynipini). A gubacsban a gubacsképző lárvája mellett számos egyéb faj egyedei is fejlődhetnek, egy viszonylag zárt közösséget alkotva: magába zárhat gubacsképzésre képtelen társbérlő herbivor darazsakat, vagy parazitoidokat. A molekuláris módszerek alkalmazása lehetővé teszi, hogy betekintést nyerjünk a közösséget alkotó fajok filogenetikai kapcsolataiba, populációik szerkezetének finom részleteibe. Az evolúciós kapcsolatok feltárása intenzív kutatás tárgyát képezi még a legjobban ismert Nyugat-Palearktikus Cynipini, illetve a társbérlőket magába foglaló Synergini fajok tekintetében is. A Kárpát-medence jelentős faj diverzitásának köszönhetően kiemelt jelentőségű terület, ennek egyik magyarázata az, hogy mindkét tölgy szekció képviselve van, amelyhez számos gubacsdarázs specifikusan kötődik. Több gubacsképző (Dryocosmus - Chilaspis) és társbérlő (Synergus, Synophrus) taxon helyzetét sikerült tisztáznunk a molekuláris filogenetika módszereivel. Herbivor fajok genetikai változatosságának gyakran egyik tényezője a gazdára történő specializáció, amely gazdák szerinti leszármazási sorok formájában kimutatható. Vizsgálataink egyik célja egy közönséges társbérlő faj, a Synergus umbraculus gene-

tikai differenciációjának értelmezése. A különböző sejtmagi és mitokondriális DNS szekvenciák minimum négy rejtett, morfológiai alapon pillanatnyilag elkülöníthetetlen faj jelenlétére utalnak, emellett semmi jelét sem találtuk a gubacsképző gazda szerinti elkülönülésnek. A S. umbraculus generalista faj, 30 feletti gubacsképző gazdával, amelyek a Quercus tölgy szekcióhoz kötődnek. A változatosságot alapvetően a populációk filogeográfiai léptékű története magyarázhatja meg, emellett azonban a recens génáramlás is számottevő.

Irán NY-Európa Hu 4D3

Kárpát-medence

Hu 4G

Hu 4F

Synergus umbraculus citokróm b DNS szekvenciák haplotípus hálózata.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A gubacs által magába zárt közösség ökológiai és evolúciós kutatások egyik modellrendszere. Az itt szerzett tapasztalatok, kidolgozott módszerek felhasználhatóak például veszélyeztetett fajok változatosságának vagy inváziós eseményeknek az értelmezése során. 79

Genetika

Molekuláris Biodiverzitás Csoport

Témavezető:

Dr. Somogyi Kálmán Tel.: 62-599-622 E-mail: [email protected]

A NIMRÓD GÉNEK EVOLÚCIÓJA A Nimród szuper-géncsalád több tagjáról is bebizonyosodott, hogy szerepet játszik apoptotikus sejtek, vagy baktériumok fagocitózisában, ily módon ezek a gének az immunválasz lényeges elemeinek tekinthetők. Kialakulásuk elemzése lényeges ismereteket nyújthat az immunrendszer változásainak alaposabb megértéséhez. Ezt a kérdést az Andó István által vezetett kutatócsoporttal együttműködésben vizsgáljuk. A Nimród gének fehérjetermékeit két sajátos építőelem jelenléte jellemzi: ezek egyike egy rövid szekvencia-motívum (CCXGY motívum), a másik a változó – sokszor nagyon magas – számban megtalálható szekvencia-ismétlődés (NIM ismétlődés). Összehasonlító elemzéseink során 7 rovarfaj teljes genetikai állományában található Nimród géneket vizsgáltunk. Körültekintően kiválasztott módszerek felhasználásával sikerült megbízható leszármazási fákat felépíteni, melyek alapján jól leírható az egyes géncsaládok (Nimród A, B, illetve C család) kialakulása és ezeken belül az egyes gének evolúciós változásai. Azonosítottuk például a B család legősibbnek tekinthető formáját (B2), és felismertük a C1 gén feltűnő változékonyságát. Ezen adatok alapján a kísérleti munkában is felhasználható feltételezéseket tehetünk az egyes gének, géncsoportok működésére vonatkozóan. A Nimród gének mellett a NIM ismétlődéseket, mint változékony evolúciós egységeket is górcső alá vettük. Azt találtuk, hogy néhány fehérjén belül egyes NIM ismétlődések egymáshoz rendkívül hasonlóvá válnak, homogenizálódnak, jeleként egy speciális, úgynevezett „összehangolt” evolúciós folyamatnak. Egy általunk kidolgozott vizuális mód80

szer segítségével több muslicafaj Nimród fehérjéiben megvizsgáltuk, hogy az egyes ismétlődések milyen evolúciós irányvonalakat követnek. Azt találtuk, hogy Nimród C családba tartozó Eater fehérjék NIM ismétlődései az összehangolt evolúció egyértelmű jeleit mutatják. Érdekes módon ennek az evolúciós folyamatnak szerepet tulajdonítanak az immunfolyamatokban szintén fontos szerepet játszó MHC gének változatosságának kialakulásában is. Az Eater-rel kapcsolatos felismerésünk segíthet megérteni az ös�szehangolt evolúciós folyamatok lehetséges szerepét az immunrendszer változásaiban. A számos bioinformatikai módszerrel kapott eredményeket közös keretbe foglalva egy hipotézist dolgoztunk ki, ami a Nimród szuper-géncsalád evolúcióját az első NIM ismétlődés kialakulásától a Nimród A, B és C géncsaládok és azok tagjainak kialakulásáig magyarázza.

A NIM ismétlődés Markov Modell logója

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A Nimród gének evolúciójának leírása tanulságos példát nyújt arról, hogyan alakul ki és változik egy, az immunválaszban szerepet játszó szuper-géncsalád.

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai I. Csoport

Témavezető:

Dr. Ádám Géza


BAL-JOBB ASZIMMETRIA A bal-jobb aszimmetria a magasabb rendű állatok körében általánosan előforduló jelenség; a külső kétoldali szimmetriához a belső szervek bal-jobb aszimmetriája társul. A bal-jobb aszimmetrikus testfelépítés annak eredményeképpen jön létre, hogy a bal és a jobb testfélen belül a fejlődési folyamatok szabályozása genetikailag eltérő. A bal-jobb aszimmetria kialakulása szigorú genetikai szabályozás alatt áll, és az ettől való eltérés súlyos anatómiai defektusokhoz vezet, amelyek embrionális elhalást, vagy veleszületett rendellenességeket okoznak. A bal-jobb aszimmetria zavarai között tartjuk számon az izomerizmus jelenségét, amikor a belső szervek aszimmetriája elvész, és a heterotaxiát, az egyes szervek egymáshoz viszonyított aszimmetrikus összhangjának megszűnését. A legújabb kutatások azt a meglepő eredményt hozták, hogy az eddig ismeretlen eredetű veleszületett szervfejlődési rendellenességek egy jelentős része a bal-jobb aszimmetria kialakulásának zavaraira vezethető vissza. A bal-jobb testtengely hibás fejlődésének speciális esete az aszimmetria teljes megfordulása, a situs inversus. A situs inversus állapot az életképességet nem érinti hátrányosan, ami arra utal, hogy az életképesség szempontjából nem egy kitüntetett testoldalnak, hanem magának az aszimmetriának van meghatározó jelentősége. Gerincesekben a bal-jobb aszimmetria kialakulásának folyamatát intenzíven kutatják ugyan, de

az adatok értelmezését megnehezíti, hogy ezekben az állatokban nehéz sok génre kiterjedő, gyors és átfogó genetikai analízist végezni. Ezért indokolt, hogy olyan gerinctelen modell rendszerekben is tanulmányozzuk a bal-jobb aszimmetria kialakulását, amelyekben a mutánsok előállítása lényegesen kön�nyebb. A Drosophila, mint az egyik legjobban kidolgozott gerinctelen genetikai modell, lehetővé teszi a bal-jobb aszimmetria megnyilvánulásainak az egész genomra kiterjedő, hatékony tanulmányozását. Vizsgálataink fő célja, hogy feltárjuk a bal-jobb aszimmetria kialakulásának molekuláris genetikai hátterét ebben a modell organizmusban. Eddigi kutatásaink egyik eredménye, hogy azonosítottunk egy olyan gént, amelynek mutációi a bal-jobb aszimmetria teljes megfordulását okozzák Drosophilában.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Mivel a molekuláris szabályozási útvonalak genetikai analízise lényegesen gyorsabb és hatékonyabb Drosophila-ban, mint a gerinces modell állatokban, így eredményeink közül külön érdeklődésre tarthatnak számot azok, amelyek evolúciósan megőrzött szabályozási folyamatokat tárnak fel. Ezek alapján eredményeink hozzájárulhatnak a bal-jobb aszimmetriával kapcsolatos emberi szervfejlődési rendellenességek molekuláris mechanizmusának megértéséhez is.

81

Genetika


Témavezető:

Dr. Gausz János

Tel.: 62-599-667 E-mail.: [email protected]

DROSOPHILA KALPAINOK A kalpainok olyan fehérjehasító enzimek, amelyek funkcionálisan aktív formájukat kalcium ion jelenlétében veszik fel. További említésre méltó sajátosságuk, hogy a kalcium ion hatására aktiválódó kalpainok a fehérjéket irányítottan hasítják. Ezen tulajdonságaik miatt a kalpainoknak fontos szerep jut az olyan, kalcium ionok által szabályozott sejtes folyamatokban, mint a jelátvitel, a sejtosztódás, a differenciálódás, az apoptózis, a membránfúzió és a sejtadhézió. A kalpainok sokrétű funkciójukból adódóan számos kórós folyamatban is érintettek. A kalpainok igazolt szerepét lehetett kimutatni a következő betegségekben: Alzheimer kór, Huntington és Park inson betegségek, szk lerózis multiplex, ischémiás és traumás agysérülések, daganatos elváltozások, szürke hályog, izomdisztrófia, agyvérzés és cukorbetegség. Az intenzív biokémiai és genetikai kutatások ellenére a kalpainok pontos molekuláris szerepe a fenti betegségekben még nem tisztázott. A kalpainok funkciójának megismerését nehezíti az a körülmény is, hogy emlősökben egy 15 tagból álló fehérjecsaládot alkotnak. Ezért fontos olyan állat modellek vizsgálata, amelyekben a kalpain gének száma kevesebb, s így a köztük lévő kölcsönhatások is egyszerűbbek. Ennek a célnak a Drosophila különösen megfelel, mivel a genomjában található négy kalpain gén közül csak kettő kódol hagyományos kalpain enzimeket. Laboratóriumunkban a Drosophila rendszer adta tudományos eszközök kel próbá lju k e két kalpain gén in vivo funkcióját felderíteni. Megvizs-

82

gáltuk a kalpainok különböző fejlődési stádiumokban történő kifejeződését, valamint sejten belüli elhelyezkedésüket.

A Drosophila kalpain A a sejtmembrán mentén helyezkedik el.

Különböző genetikai stratégiákat használva mutánsokat állítottunk elő a kalpain génekre. A mutánsok analízise alapján úgy tűnik, hogy a kalpainoknak meghatározó szerepük lehet a sejtek közötti kapcsolatok dinamikájának szabályozásában.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Mivel a sejtek közötti kölcsönhatások kórós megváltozása gyakran okozhatja rákos daganatok kialakulását, ezért feltételezhető, hogy ebben a kalpainok is szerepet játszanak. Amennyiben a Drosophila modellrendszeren kapott eredményeink az emlősökre is alkalmazhatók, úgy elvi lehetőség nyílik rákellenes gyógyszerek kifejlesztésére.

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai II. Csoport

Témavezető:

Dr. Erdélyi Miklós Tel.: 62-599-686 E-mail: [email protected]

IVARSEJTFEJLŐDÉS GENETIKÁJA A soksejtű élőlények két fő sejttípusból, testi sejtekből és ivarsejtekből állnak. Míg a testi sejtek az egyedek létfenntartásáért, az ivarsejtek a faj fennmaradásáért felelős sejttípusok. Ennek megfelelően a testi sejtek csupán korlátozott számú osztódásra képesek, az ivarsejtek pedig generációkon átívelő halhatatlan sejtvonalat alkotnak. A fejlődésbiológia egyik alapkérdése az, hogyan válik el az ivarsejtek és a testi sejtek fejlődési útja. A különböző fajok ivarsejtjei meglepő alaktani és működési hasonlóságot mutatnak és az egyedfejlődés során megfigyelt viselkedésük tekintetében is mindössze néhány jól meghatározható csoportba sorolhatók. Az ivarsejtkutatásban tehát egynéhány modellszervezet vizsgálata átfogó képet adhat. Az egyik legalkalmasabb modellorganizmus a Drosophila melanogaster, annak a fajcsoportnak mintapéldánya, ahol az ivarsejtek és a testi sejtek az embriogenezis legkorábbi eseményeként különülnek el egymástól. Ráadásul a Drosophila ivarsejtek keletkezési helyét a megtermékenyített petének egy jól meghatározott citoplazmarészlete az ivarplazma határozza meg. Citoplazma-átültetéses kísérletek bizonyítják, hogy az ivarplazma az ivarsejt-kialakuláshoz szükséges faktorok összességét tartalmazza. Az ivarsejtfaktorok ilyen térbeli koncentrálódása a Drosophilát kiválóan vizsgálható kísérleti rendszerré teszi. Laboratóriumunkban, az ivarplazma kialakulását befolyásoló valamint ivarplazma összetevőket kódoló géneket keresünk. Klasszikus mutánsizolálási, majd

genetikai interakción alapuló kísérletekben számos gént azonosítottunk, melyek az ivarplazma komponensek lokalizációjáért felelősek. Jelenleg RNS csendesítéses és microarray kísérletekkel ivarplazmában lokalizált RNS molekulákat azonosítunk. Genetikai vizsgáló-módszereket dolgozunk ki, annak érdekében, hogy az ivarplazmában talált RNS molekulák szerepét tisztázzuk az ivarsejtkialkulás folyamatában.

Egy Drosophila embrió poszterior részlete az ivarplazma által megszabott területen kialakult ivarsejtekkel.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Újabb adatok szerint az ivarsejtvonal sejtjei és a nagy gyógyászati reményekkel kecsegtető (szomatikus) őssejtek működési hasonlóságot mutatnak. Így távlatosan az ivarsejtek jellemzőinek vizsgálata az őssejtkutatás hasznára is válhat. Kutatásaink egyfajta továbbfejlesztése lehet a Drosophila ivarsejtfaktorok emlős ortológjainak megkeresése, valamint az ivarsejtfaktorok őssejtekben betöltött szerepének vizsgálata.

83

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai III. Csoport

Témavezető:

Dr. Mihály József Tel.: 62-599-687 E-mail: [email protected]

AZ AKTIN SEJTVÁZ SZEREPE AZ IDEGSEJT NYÚLVÁNYOK NÖVEKEDÉSÉBEN Jól ismert tény, hogy az aktin sejtváz alapvető szerepet játszik az idegsejt nyúlványok növekedésében, ugyanakkor az is bizonyos, hogy ez a folyamat új aktin filamentumok képződését is igényli. Mindezidáig három olyan faktort azonosítottak – az Arp2/3 komplexet, a forminokat és a Spire családba tartozó fehérjéket – amelyek képesek egy új aktin filamentum szintézisét elindítani. Az Arp2/3 komplex elágazó filamentumokból álló aktin hálózatok képződését, míg a forminok és a Spire fehérje család tagjai a nem elágazó filamentumok képződését segítik elő. A korábbi vizsgálatok alapján tudjuk, hogy az idegsejt nyúlványok kialakulásában, ill. növekedésében kitüntetett szerepe van a nyúlvány csúcsi részének, az ún. növekedési kúpnak. Az is ismert, hogy a növekedési kúp területén elsősorban nem elágazó aktin filamentumokat találunk, de arról mindezidáig szinte semmit nem tudtunk, hogy milyen módon jönnek létre ezek a filamentumok. Az elmúlt évek során jónéhány bizonyítékot gyűjtöttünk arra vonatkozóan, hogy egy a DAAM alcsaládba tartozó Drosophila formin kulcsszerepet játszik az embrionális axon növekedés szabályozásában. A dDAAM gén mutációja súlyos axon hiányokat okoz, míg a folyamatosan aktív forma túltermeltetése nyúlványszám növekedéshez vezet in vivo és in vitro növesztett embrionális idegkötegekben is. Ezzel összhangban, az aktivált forma túltermelése szövetkulturában növesztett sejtekben, hosszú, axon-szerű nyúlványok megjelenését eredményezi

84

az egyébként lekerekedett sejteken. Azt is bizonyítottuk, hogy a dDAAM fehérje egyenletes eloszlást mutat az axonokban, és a növekedési kúp területén is. Figyelemre méltó módon az egér mDaam1 fehérjével

részlegesen helyettesíteni lehet a Drosophila DAAM fehérjét a központi idegrendszerben, ami azt jelzi, hogy az általunk azonosított DAAM funkció evolúciósan erősen konzervált.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A továbbiakban molekuláris szinten próbáljuk megérteni, hogy mi módon szabályozzák a DAAM alcsaládba tartozó forminok az aktin sejtváz dinamikáját az axon növekedés során. Tekintve, hogy bizonyos fejlődési rendellenességek, baleseti sérülések és a neurodegeneratív betegségek is a neuron nyúlványok sérülésével járnak, a DAAM fehérjék vizsgálata hosszú távon hasznos információkat szolgáltathat bizonyos betegségek gyógyításában és a molekula potenciális gyógyszer célfehérjévé is válhat.

Témavezető:

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai III. Csoport

Dr. Mihály József

SZÖVETI POLARITÁS A polaritás az élőlények és az őket felépítő sejtek egyik alapvető tulajdonsága. Csoportunk a természetben megtalálható polaritási minták közül azoknak a vizsgálatával foglalkozik, amelyek a szövetek síkjában jönnek létre, és ezért szöveti polaritásnak nevezzük őket. A síkbeli polarizálódás kialakulására egyaránt találunk példát alacsonyabb- és magasabbrendű állatokban, külső és belső szervek esetében is. Közismert pédául, hogy a madarak tollai vagy a halak pikkelyei mindig rendezett módon állnak, csakúgy, mint a belsőfül érzékhámján elhelyezkedő sztereocíliumok, amelyek fontos szereppel bírnak a hangérzékelésben. A női petevezetéket, vagy a légzőszervünket bélelő laphámsejtek csillói

is rendezetten mozognak, elősegítve ezáltal, hogy a petesejtek mindig az anyaméh, míg a tüdőbe kerülő idegen anyagok a garat irányába továbbítódjanak. Modell organizmusunk, az ecetmuslica (Drosophila melanogaster) esetében is sok szövetre jellemző a síkban megfigyelhető polarizálódás. Így például az epidermiszen található érzékszőrök mind a poszterior irányba mutatnak, a szárnylemezeket borító szőrök a disztális irányba néznek, míg az összetett szemben egy tükörszimmetrikus minta alakul ki.

Az elmúlt évtizedekben számos olyan gént azonosítottak, amelyek Drosophila-ban vagy gerincesekben szabályozzák a szöveti polarizálódást. Ezeknek az ún. polaritási géneknek a vizsgálata bebizonyította, hogy a szöveti polaritási minták kialakulását egy funkcionálisan is igen nagymértékben konzerválódott géncsoport szabályozza. Az elsődleges polaritási gének csoportjába tartozó gének termékei nem csak muslicában, de gerinces állatok esetében is kitüntetett szerepet játszanak a szöveti polarizálódásban. Molekuláris szintű vizsgálatok alapján a polarizálódás egyik kulcslépése, amikor az elsődleges polaritási fehérjék aszimmetrikus komlexeket alkotnak, és ily módon egy lokalizált jelátviteli központot hoznak létre, amely végrehajtó molekulákon keresztül szabályozza a sejtek viselkedését. Tekintve azonban, hogy sem az aszimmetrikus komplexek kialakulásának, sem az azt követő sejtválaszoknak nem ismeretesek a részletei, csoportunk elhatározta, hogy új polaritási géneket azonosít nagyléptékű mutáns izolálási kísérletek folyamán. A kísérletet elvégezve kb. két tucat új polaritási mutánst azonosítottunk, és elkezdtük azok részletes molekuláris és sejtbiológiai vizsgálatát annak érdekében, hogy pontosabban megértsük, hogyan járulnak hozzá a szöveti polaritási minták kialakításához.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az új polaritási mutánsok jellemzése hozzá fog járulni a szöveti polaritás mélyebb megértéséhez. Ezen az alapkutatási hasznon kívül fontos látnunk, hogy a folyamat jobb megértése gyakorlati vonatkozásokkal is járhat, mert a női meddőség vagy a halláskárosultság (pl. Usher-kór) bizonyos típusai szöveti polaritási problémákra vezethetőek vissza. 85

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai IV. Csoport

Témavezető:

Dr. Sipos László Tel.: 62-599-687 E-mail: [email protected]

KROMOSZÓMA-SZERKEZET ÉS GÉNSZABÁLYOZÁS Mindenki számára ismert, hogy testünket rengeteg sejt építi fel, melyek mind egyetlen sejt, a megtermékenyített petesejt utódai. A petesejtben található genetikai információ, a kromoszómákra tagolt DNS, szüleinktől származik. A különböző szövetekbe és szervekbe társuló sejtek csoportjai kicsi, egymástól eltérő részeit használják csupán ennek a hatalmas információ-halmaznak, ami bonyolult szabályozórendszerek működésének eredménye. A szabályozás egyik szintje a kromoszómák szerkezetét érinti: az adott sejtben hasznosítandó információt lazább szerkezetű, míg a nem hasznosítandó információt tömörebb szerkezetű kromoszóma-szakaszok tartalmazzák. Ezt a folyamatot két, egymással ellentétes hatású géncsoport szabályozza. Ha a kromoszómák szerkezetét, s ezáltal az adott sejtre jellemző információk érvényesülését szabályozó rendszer működése zavart szenved, akár úgy, hogy olyan információt is hasznosít az adott sejt, amelyet nem kellene, vagy épp ellenkezőleg, nem érvényesül az adott információ, súlyos fejlődési rendellenességek, illetve rákos megbetegedések alakulhatnak ki. Csoportunk a fent említett folyamatot, a génműködés kromoszóma-szerkezeti szabályozását vizsgálja. Kíséleti modellrendszerként a genetikai vizsgálatokban már nagy sikerrel alkalmazott ecetmuslicát használjuk. Megdöbbentő, de a muslica és az emlősök nagyfokú hasonlóságot mutatnak nemcsak az egyes gének szintjén, hanem a kromaszóma-szerkezetet szabályozó rendszer működésében is. Ez a hasonlóság olyan nagyfokú, hogy például egérből származó „tömörítő” gén képes feladatát muslicában is részlegesen ellátni. Mi olyan kromoszóma-szerkezeti elemeket 86

tanulmányozunk, amelyek „odavonzzák” magukhoz a kromoszóma tömörítésében, illetve fellazításában szerepet játszó gének fehérje-termékeit, illetve képesek meggátolni, hogy az egymással szomszédos laza, illetve tömör szerkezet „keveredjen” egymással, helytelenül aktiválva, illetve inaktiválva az adott kromoszóma-szakaszon található géneket. Ilyen szerkezeti elemek elrontása a muslicában jól látható változásokat okoznak, például két szárnyuk helyett négy lesz, vagy épp ellenkezőleg, szárnyatlanok lesznek. Mindezen külső, látható változásokat a kromoszómák szerkezeti megváltozása okozza, melyet zöld fényű fluoreszencia segítségével is nyomon követhetünk.

A

B

A. Szárnyatlan felnőtt muslica B. Világító agyú muslicalárva

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kísérleteink elsősorban az alapkutatás témakörébe tartoznak, de az említett hasonlóság miatt az általunk szerzett információk más élőlényekre, így az emberre is átvihetőek, rákos illetve fejlődésbiológiai problémák esetében.

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai V. Csoport

Témavezető:

Dr. Gyurkovics Henrik Tel.: 62-599-680 E-mail: [email protected]

EPIGENETIKAI SZABÁLYOZÁS A többsejtű élőlények mindegyike egyetlen megtermékenyített petesejtből keletkezik. A petesejt osztódása során különböző szerepet betöltő specializált sejtek jönnek létre, amelyeknek eltérő sejtsorsához eltérő génaktivitási mintázat is tartozik. Minden sejt tartalmazza az élőlényt alkotó összes szövet-, és sejttípus létrehozásához szükséges genetikai információt. A különböző alakú és feladatú sejtek azonban a sejtmagjukban tárolt genetikai információnak csak egy meghatározott, kis részét használják fel. Másképpen fogalmazva a génjeiknek csak egy része működik, íródik át és képződik a neki megfelelő fehérje molekula, míg a gének többsége inaktív. Az aktív gének hozzáférhetőek az átírás számára, mert a nekik megfelelő DNS molekula eléggé ki van tekeredve ahhoz, hogy az információ lemásolásához szükséges óriási fehérje-komplexek képesek legyenek a DNS-hez kapcsolódni, és a génen végighaladni. Egy többsejtű élőlény teljes genomja kitekeredve ös�szességében méteres hosszúságú és nagyon vékony DNS szál lenne. Csakhogy az inaktív génszakaszok kicsi orsóként működő fehérje komplexekre vannak sokszorosan és igen tömören feltekerve. Mondhatni, hogy minél inaktívabb egy gén, annál jobban becsomagolódik a kódoló DNS-e. Attól kezdve, hogy egy sejt jövőbeni sorsa eldől, az adott sejtsorshoz tartozó génaktivitási mintázat a sejt utódaiban is megőrződik, ezt az epigenetikus reguláció biztosítja. Jelenlegi ismereteink jelentős része az epigenetikus regulációhoz szükséges faktorokról és azok működésről a Dro-

sophila melanogaster testszerveződését meghatározó homeotikus gének kifejeződésének meghatározásáért felelős gének tanulmányozásából származik. Itt ismertük meg először az aktív állapot fenntartásáért felelős, a trithorax-géncsoportba tartozó faktorokat, és az inaktív állapot fenntartását biztosító, a Polycomb géncsoportba tartozó represszorokat. Az ecetmuslicában megismert fehérjék megfelelőit minden vizsgált többsejtű élőlényben sikerült kimutatni, és több esetben a gének működésbeli azonossága is bebizonyosodott. Laborunkban eddig ismeretlen epigenetikus szabályozó fehérjék génjeit azonosítjuk transzgenikus riportergén konstrukciók felhasználásával, illetve az azonosított fehérjék funkcióját határozzuk meg.

Normál kétszárnyú és homeotikus mutáns, négyszárnyú muslica

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az embrionális őssejtek korlátlan differenciálódásra való képességének fenntartásában, illetve a rosszindulatú daganatképződés megakadályozásában is kulcsszerepet töltenek be az általunk vizsgált gének. A jövő orvostudománya bizonyosan építeni fog az epigenetikus szabályozó génekre vonatkozó ismeretekre.

87

Genetika


Témavezető:

Dr. Kiss István


PROGRAMOZOTT SEJTHALÁL (APOPTÓZIS) GENETIKAI IRÁNYÍTÁSA Testünk sok milliárd, mikroszkópos méretű egyedi sejtből áll, amelyek szövetekbe tömörülnek és szerveket alkotnak, és ezek összehangolt tevékenysége biztosítja az egész szervezet egészséges működését és alkalmazkodását a változó körülményekhez. Mindennek alapja végső soron az egyes sejtek megfelelő, egymással pontosan összehangolt és szabályozott működése. Ez biztosítja pl. a sejtosztódás megfelelő lefolyását, a szöveti különbségek kialakulását (differenciálódás) és fenntartását, amely létfontosságú az egyedfejlődésben és a növekedésben, a sebgyógyulásban, az elöregedett sejtek pótlásában, stb. Ezek a folyamatok molekuláris szinten a sejtmagban, a DNS-ben tárolt genetikai információnak/programnak a fehérjeszintézisen keresztül történő megnyilvánulásán és a fehérjék, mint „molekuláris gépek” működésén alapulnak. Ha a sejt valamilyen okból megsérül, igyekszik a hibát kijavítani. Ilyen sérüléseket okozhatnak kémiai és fizikai hatások (pl. radioaktív sugárzás) a DNS génekben (mutációk), vagy egyéb stresszhatások (pl. oxigénhiány) a citoplazmában. Ha a hibát nem sikerül kijavítani, bekapcsolódik a „sejthalál” program (apoptózis), amelynek eredményeképpen a sérült sejt megöli önmagát. Az apoptótikus program minden soksejtű szervezetben, így a muslicában (Drosophila melanogaster) is megvan, és általános mechanizmusa minden szervezetben hasonló. Központi szerepet játszik benne a p53 gén, amely a jelátviteli utak révén egyrészt kapcsolatban van a hibát (pl. DNS-sérülést, sejtosztódási hibát, stb.) érzékelő rendszerekkel, másrészt szabályozza számos olyan gén működését, amelyek termékei szerepelnek a programozott sejt88

halálban (pl. a specifikus peptidázok vagy kaszpázok, nukleázok, stb.). Kiemelendő, hogy a programot a szabályozatlan sejtosztódás is kiváltja, és így az apoptózis a rákos sejtszaporodás nagy gátja. A Drosophila modellrendszer genetikai előnyeit kihasználva 16 olyan gént izoláltunk, amelyek a p53 génnel kölcsönhatásban gátolják, szuppresszálják az apoptózist. A muslica genom-szekvencia adatbázisból kiderült, hogy közöttük két teljesen ismeretlen gén is van, többségük pedig kevéssé ismert. A 16 gén egyike sem tartozik az apoptózis programban szereplő ismert gének közé, tanulmányozásuk révén tehát a p53 működésének és általában az apoptózis programnak új részleteit ismerhetjük meg.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A rákterápiában használt Röntgen-besugárzás és a citosztatikumok hatása az apoptózis kiváltásán alapszik. Mivel ezek az egészséges sejteket is károsítják, nagy szükség van az apoptózis szelektivitásának növelésére, netán „irányítására”. Ehhez azonban sokkal teljesebben kell ismerni az apoptózist irányító géneket és befolyásolásuk lehetőségeit.

1. Normális szem 2. Apoptózis hatása („rücskös szem” fenotípus) 3. A szuppresszor mutáció gátolja az apoptózist

Témavezető:

Dr. Kiss István

Genetika


FEHÉRJE-TRANSZPORT A CITOPLAZMA ÉS A SEJTMAG KÖZÖTT: AZ IMPORTIN-ALFA2 SZEREPE A genetikai információ a sejtmagi DNS-ben, a génekben van kódolva, a gének által irányított fehérjeszintézis viszont a citoplazmában folyik. Ugyanakkor sokféle fehérje-faktor működik a sejtmagban is. Mindez nagy volumenű, irányított anyagszállítást tesz szükségessé a sejtmag és a citoplazma között, a kettős sejtmagi membránon átvezető un. nukleáris pórusokon keresztül: egyrészt a transzkripció termékei (mRNS, transzfer RNS, riboszómák) áramlanak a citoplazma felé, másrészt fehérjék szállítódnak a sejtmagba. Az anyagtranszportot speciális receptor- és adapter-fehérjék, Importinok és Exportinok bonyolítják. Az utóbbi években kiderült, hogy ezek a faktorok a sejtmagi transzport mellett egyéb, citoplazmatikus funkciókat is ellátnak. Ezeket tanulmányozzuk Drosophila modellrendszerben. A muslica sejtmagba irányuló fehérjetranszportban egy receptor- (Importin-béta) és három adapterfehérje (Importin-alfa1, -2 és -3) szerepel. Munkánk célja az Importin-alfa2 (Imp-A2) citoplazmatikus szerepének tisztázása. Az imp-A2 gén funkciójának elvesztése a nőstények sterilitását eredményezi. Ennek megértéséhez néhány szót kell szólnunk a muslica pete fejlődéséről. A petesejt fejlődése a muslica nőstény petefészkében, az őscsírasejtekből indul. Egy őscsírasejt (divatos szóval: stem-sejt) négyszer osztódik, és 16 sejtet képez úgy, hogy a sejtek nem válnak szét teljesen egymástól, hanem kereknyílású citoplazma-hídak, un. gyűrűcsatornák kötik őket össze. A gyűrűcsatornákon keresztül 15 sejt („dajkasejtek”) táplálja a tizenhatodikat, ebből lesz a petesejt, amelynek citoplazmájába sokféle tartalék-tápanyag mellett a fejlődés megindulását irányító egyéb faktorok rakódnak le, végül pedig egy védő héj választódik ki köréje. Így alakul ki a tojás, amit a nőstény a megtermékenyítés után lerak. Az Imp-A2 fehérjét nem termelő mutáns egyedek fejlődése normális, mert a fehérjék sejtmagba irányuló szállítását az Imp-A1 és Imp-A3 faktorok elvégzik. Az

így kifejlődött mutáns nőstényekben azonban a petesejt fejlődése megakad, nem raknak tojást. A mikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy ennek oka a növekvő petesejtet és a tápláló dajkasejteket összekötő gyűrűcsatornák eldugulása, szerkezetük fellazulása. További vizsgálataink megmutatták, hogy a gyűrűcsatornából hiányzik a Kelch fehérje, amely a normális gyűrűcsatornának egy szerkezeti eleme. A Kelch fehérje bár jelen van a citoplazmában, nem rakódik le a gyűrűcsatornát nyitva tartó, aktinból és egyéb fehérjékből álló gyűrűbe. Kísérleteink szerint az Imp-A2 és a Kelch fehérjék közvetlenül nem kapcsolódnak egymáshoz, ezért valószínű, hogy kapcsolódásuk más fehérjék segítségével történik, és az így kialakuló komplex szállítja a Kelch-et a gyűrűcsatornákhoz. Az Imp-A2 fehérje a sejtosztódás során a kromoszómákat mozgató ún. osztódási orsóhoz is kapcsolódik, amely a fehérjének egy további citoplazmatikus funkciójára utal. Megfigyeltük, hogy olyan mutánsokban, ahol az Imp-A2 nem kapcsolódik az osztódási orsóhoz, az embrionális fejlődés a kezdeti néhány sejtosztódás után leáll. Bár ezeknek a vizsgálatoknak nincs közvetlenül belátható gyakorlati jelentőségük, hozzájárulnak egy fontos sejtélettani funkció mechanizmusának feltárásához. Az Imp-A2-nek megfelelő fehérje az emberi sejtekben is megtalálható, ezért a fenti eredmények általános tudományos jelentőségükön túlmenően fontos támpontot adhatnak a célzott gyógyszerkutatás számára.

A: normális gyűrűcsatorna B: importin-alfa2 mutáns elzáródott gyűrűcsatornája

89

Genetika

DNS Repair Csoport

Témavezető:

Dr. Unk Ildikó


DNS JAVÍTÁS ÉLESZTŐBEN A mai modern társadalom egyik legfélelmetesebb betegsége a rák. A test egyes részein megjelenő és burjánzásnak induló sejthalmaz, daganat sok esetben az egész szervezet halálát okozza. A rák elleni küzdelmet rendkívüli módon megnehezíti a rák számtalan megjelenési formája és a rákos folyamatot elindító okok sokfélesége. Sikeres gyógymód abban az esetben dolgozható ki, ha a molekulák szintjén meg tudjuk határozni a rákot kiváltó okot. Erre példa a Gleevec nevű gyógyszer, mely a leukémia egy bizonyos fajtáját nagy hatékonysággal gyógyítja. A Gleevec hatástalanítja azt a fehérjét, melynek túlműködése idézi elő a rákos sejtek folyamatos szaporodását. Ma már elfogadott az a nézet, miszerint a rák a DNS betegsége. A rákos folyamatok nagy részének hátterében a sejtjeink örökítő anyagában, a DNS molekulában létrejött változások, mutációk állnak. Mivel a DNS hordozza a sejtjeink felépítéséhez és működéséhez szükséges információt, a DNS-ben létrejövő módosulások, mutációk a sejt működését jelentősen megváltoztathatják. Az úgynevezett DNS javító fehérjék felelősek azért, hogy a DNS-ben tárolt információ változatlan formában maradjon. Kutatási eredmények igazolják, hogy a DNS javításban résztvevő fehérjék működési zavara rákos folyamatokat indít el. Csoportunk feladata, hogy a DNS javításában résztvevő fehérjéket, folyamatokat azonosítsuk. Kutatásainkhoz egy egysejtű élőlényt, az élesztőgombát alkalmazzuk. Az élesztőgomba eddig ismert DNS javító mechanizmusai nagy hasonlóságot mutatnak

90

az emberi sejtekben működő folyamatokkal, ezért az élesztőből nyert információk jelentős mértékben előremozdítják az emberi sejtek megismerését. Előnye az emberi sejtekkel szemben, hogy az élesztő DNSét, génjeit célzottan meg lehet változtatni, akár egyes részeket ki lehet vágni viszonylag gyors, könnyen elérhető technikákkal. Emellett az élesztő egyszerűen és olcsón szaporítható, fenntartása nem igényel akkora munka és anyagi ráfordítást, mint a humán sejtek fenntartása.

Élesztő sejtek

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az élesztőben azonosított, a DNS-javításban résztvevő új fehérjék és folyamatok megfelelőit már célzottan lehet azonosítani humán sejtekben, és igazolni esetleges szerepüket a rákos folyamatok kialakításában. Ezek az eredmények hozzájárulnak majd a rákos betegségek okainak felderítéséhez, és egy adott ráktípusra specifikus gyógyszerek kifejlesztéséhez.

Genetika

Mutagenezis és Karcinogenezis Csoport

Témavezető:

Dr. Haracska Lajos Tel.: 62-599-666 E-mail: [email protected]

RÁKOS BETEGSÉGEK MOLEKULÁRIS HÁTTERE A világ egyik vezető halálozási oka a rákos megbetegedés. Élete során minden ember szervezetében elindul valamiféle rákos folyamat, bár ez sokszor nem fejlődik betegséggé. Meglepő lehet, hogy a napsugárzás okozta bőrrák is az emberek legalább húsz százalékát sújtja. Világszerte több ezer kutatócsoport kutatja a rákos betegségek okait, kialakulását, és gyógymódját. A feladatot megnehezíti, hogy a „rák” elnevezés valójában egymástól nagymértékben különböző betegségeket takar. A rákos megbetegedéseknek csak kis hányada örökletes és többsége az életkor előrehaladásával fokozatosan alakul ki. Számos bizonyíték támasztja alá azt, hogy a rákért a sejtek örökítőanyagában, a DNSben felhalmozódó hibák a felelősek. A DNS folyamatos károsító hatásoknak van kitéve, amelyet többek között a napsugárzás, dohányfüst és más környezeti szennyező anyagok okozhatnak. Ezeknek egy részét a sejtjeinkben található DNS hibajavító enzimek képesek kijavítani, de a fennmaradó, kijavítatlan DNShibák a rákos folyamat mozgatórugóivá válhatnak. Kutatócsoportunk a rákos folyamatok közös sajátosságait és gyökereit kutatja. Arra keressük a választ, hogy milyen molekuláris mechanizmusok működnek miközben az egészséges sejt rákos sejtté alakul. Laboratóriumunkban sikerült olyan géneket azonosítanunk és jellemeznünk, amelyek szerepet játszanak a DNS hibáinak javításában és a DNS-ben kódolt információ megőrzésében. Ezek között találhatók úgynevezett

„tumor szuppresszor” funkcióval rendelkező gének is, amely megfelelő működése egyfajta védelmet nyújt a rákos folyamatok kialakulása ellen. Betekintést nyertünk számos mutagén anyag, pl. oxidáló-reagensek és ultraibolya-sugárzás DNS károsító, és ebből levezethető karcinogén hatásának molekuláris részleteibe is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatócsoportunk a rákos folyamatok kialakulásában és fenntartásában szerepet játszó gének további analízisét tervezi, amely végső soron új, molekuláris célpontokra irányított rákgyógyszerek, diagnosztikai és terápiás eljárások kifejlesztéséhez vezethet. Továbbá olyan technikákat fejlesztünk, amelyek alkalmasak környezeti szennyező anyagok, élelmiszeradalékok, gyógyszerek, kozmetikumok, háztartási kemikáliák, különböző sugárzások mutagén és rákkeltő hatásainak kimutatására.

91

Genetika

Mutagenezis és Karcinogenezis Csoport

Témavezető:

Dr. Haracska Lajos

EGYÉNRE SZABOTT RÁKDIAGNOSZTIKA ÉS TERÁPIA Mikor fedezik fel a rák gyógyszerét? A gyakran elhangzó kérdésből érződik, hogy ennek talán már eljött az ideje; mégis lehetetlen egy mondatban válaszolni. Ma már tudjuk, hogy a rák a gének betegsége. A gének a sejtjeinkben található DNS nevű óriásmolekulában öltenek testet, amelynek megváltozása új tulajdonságok megjelenésével járhat együtt, mint például egy sejt korlátlan osztódása. A DNS-t károsító anyagok felgyorsítják ezt a sejtszintű evolúciós folyamatot. A folyamat végeredménye a daganatképzésre alkalmas rákos sejt lehet, amely elrontott, úgynevezett mutáns gének legkülönbözőbb variációit hordozhatja. Ismert, hogy egyetlen elrontott gén még nem okoz rákot. Egy egészséges sejt rákos sejtté alakulásához legalább öt-hat gén együttes mutációjára van szükség, de egy átlagos rákos sejt ennél is több mutációt hordoz. Valójában minden egyes daganatban különböző mutáns gének egyedi variációit találhatjuk meg. A molekuláris rákdiagnosztika célja éppen ezeknek a genetikai változásoknak az azonosítása. Ennek ismerete előrevetítheti a betegség lefolyását, és lehetőséget teremt az egy-egy molekulát megcélzó, új típusú rákgyógyszerek személyre szabott alkalmazására is. Azonosítható-e, hogy több tízezer génünk közül melyek működnek hibásan egy adott sejtben, és ezek közül melyek felelősek a rákos folyamatért? A válasz igen, bár ma még ez rendkívül költséges. Napjainkban forradalmi fejlődés zajlik mind a rák kifejlődésében szerepet játszó gének azonosítása, mind az ezeket megcélzó új rákgyógyszerek fejlesztésében. Az egyik áttörést az emberi sejt DNS-ében kódolt információ sikeres elolvasása jelentette 2003-ban, amely több milliárd dollárt emésztett fel. Ma ugyanez kevesebb, mint százezer dollárba kerül és várhatóan egy-két éven belül ezer dollár alá szorul az em-

92

beri sejt teljes DNS-ének szekvenálási költsége. Ez lehetővé teszi, hogy mindenki birtokába kerüljön a saját DNS-ében kódolt információnak. Elérhetővé válik minden egyes rákos daganat DNS-ének molekuláris elemzése is, amely nemcsak diagnosztikai jelentőségű lesz, hanem újabb és újabb molekuláris rákgyógyszerek fejlesztését generálhatja. Mindez néhány éven belül forradalmasítani fogja az orvostudomány jelenleg alkalmazott módszereit, és ezzel belépünk a betegségek egyénre szabott diagnosztikájának és terápiájának a korszakába. Kutatócsoportunk célja, hogy hozzájáruljunk, és lépést tartsunk ezzel a fejlődéssel. Jelenleg a rák kialakulásában szerepet játszó gének „fehérjemicroarray”, kapilláris DNS szekvenálás, kvantitatív PCR, és DHPLC módszer-alapú diagnosztikáját fejlesztjük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Tervezzük a rákos folyamatokért felelős gének molekuláris diagnosztikai eljárásának kidolgozását, és az új ismeretek felhasználását molekuláris célpontokra irányított rákgyógyszerek fejlesztéséhez.

Fehérje microarray Kapilláris DNS szekvenátor

DHPLC

Kvantitatív PCR

Genetika

Immunológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Andó István Tel.: 62-599-677 E-mail: [email protected]

A VELESZÜLETETT IMMUNITÁS A baktériumok, a paraziták és a daganatok elleni küzdelemben az első védelmi vonalat az immunrendszer képezi. A veleszületett immunitás, mind a növény, mind pedig az állatvilágban a szervezetet támadó kórokozókkal szemben az azonnali és általános válasz révén biztosít védelmet. Ez az azonnali válasz az állatvilágban magába foglalja a támadók azonnali eltávolítását bekebelezés, valamint speciálisan csak a patogéneket elpusztító bioaktív molekulák révén. Ebben a folyamatban kitüntetett szerepet játszanak az állatok vérsejtjei, melyek már a rovarokban is megtalálhatók és valamennyi állatfajban hasonlóan vesznek részt a védekezésben. A rovarok veleszületett immunitása különös figyelmet igényel, mert immunrendszerük szinte teljes egészében, mint egyetlen működési egység konzerválódott a törzsfejlődés során, és az ember veleszületett immunitása is a rovarokéhoz hasonló szerkezeti és működési elemekből épül fel. Ennek a hatékony védekező rendszernek a megismerése, ezért rovarokon hatékonyan modellezhető és a Drosophila (ecetmuslica) genetikai rendszerének ismertsége ezt a rovart különösen alkalmas kísérleti alannyá teszi. Csoportunk az ecetmuslica immunrendszerének megismerésén keresztül kíván bepillantást nyerni a veleszületett immunitás általános, gerincesekben is érvényes folyamataiba. Laboratóriumunkban azonosítjuk a különböző típusú vérsejteket, meghatározzuk az immunitásban

betöltött szerepét és leírjuk az egyes vérsejttípusokra jellemző molekuláris mintázatot. A molekuláris mintázat megismerése segít az egyes mintázatokkal jellemezhető vérsejttípusok és ezáltal az immunvédekezés alapvető folyamatainak a megismerésében. Az immunvédekezésben kulcsszerepet játszó vérsejtek ún. őssejtekből alakulnak ki, amelyek jól meghatározható sejtcsoportokat, szöveteket képeznek; ezeknek a jellemzése, valamint az egyes vérsejttípusok genetikai és biokémiai finomszabályozásának a megismerése szintén a csoport vizsgálatainak a tárgyát képezi. Elsőként állapítottuk meg, hogy a Drosophila vérsejtjeinek egyes típusai molekuláris immunológiai eszközökkel jellemezhetők. Az általunk létrehozott, és már világszerte rutinszerűen használt molekuláris eszköztár segítségével új, az immunválasz szabályozásában kulcsszerepet játszó molekulákat és szabályozó folyamatokat azonosítottunk. Molekuláris mintázatuk alapján jellemeztük a vérképző szerveket, egy új vérképző szövetet/szervet azonosítottunk és lokalizáltuk az egyes vérsejttípusok őssejtjeit.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A veleszületett immunitás molekuláris folyamatainak és finomszabályozásának a további megismerése az egyik leghatékonyabb immunvédekezési folyamat elemeinek további gyakorlati felhasználását teszi lehetővé.

93

Genetika

Limfocita Jelátviteli Csoport

Témavezető:

Dr. Monostori Éva Tel.: 62-599-684 E-mail: [email protected]

IMMUNVÁLASZ SZABÁLYOZÁS AUTOIMMUN BETEGSÉGEKBEN ÉS RÁKBAN Az immunválasz, vagyis a fertőzések elleni védekezés, szigorú szabályozás alatt áll. Az immunológiai egyensúly felborulása olyan súlyos károsodáshoz vezethet, mint az autoimmun (pl. sclerosis multiplex, rheumatoid arthritis) és krónikus gyulladásos (pl. krónikus bélgyulladás, pikkelysömör) betegségek, a neurodegeneratív betegségek (pl. Alzheimer kór) kialakulása, vagy a rákosan elfajult sejtek elleni belső védekezési képtelenség. Ezeknek a súlyos állapotoknak a gyógyítása gyakran nem lehetséges, de mindenképpen nagy terhet ró a betegekre és az egészségügyre. A szervezet immunológiai egyensúlyának fenntartása részben az immunsejtek működésének szigorú szabályozásától, részben az immunválasz időben történő leállításától függ. Az egyik szabályozó faktor, az általunk vizsgált természetes immunszabályozó, gyulladáscsökkentő fehérje, a galektin-1. Munkánk során vizsgáljuk,

94

hogy milyen módon fejti ki a galektin-1 fehérje immun-szuppresszív hatását, hogyan érvényesül ez a funkció a rákos sejtek immunválasz elleni védekezésben. A galektin-1 immunválasz gátló hatása előnyös az autoimmun és gyulladásos betegségekben, de hátrányt jelent rákos betegségek esetében, ahol a rák ellen kialakuló immunválasz gátlásának feloldása a cél. Ezért olyan molekulákat keresünk, melyek az első esetben fokozzák, második esetben gátolják a galektin-1 hatását.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A g a l e k t i n-1 fe h é r j e p ot e nc i á l i s g y ó g y s z e r autoimmun és krónikus gyulladásos betegségekben. A galektin-1 immun-szuppresszív funkciójának gátlása tumorokban lehetséges tumor terápiaként alkalmazható.

Genetika

Kromoszóma Csoport

Témavezető:

Dr. Hadlaczky Gyula Tel.: 62-433-397 E-mail: [email protected]

MESTERSÉGES KROMOSZÓMA RENDSZER Szatellit DNS-alapú mesterséges kromoszómák előállítása, mesterséges kromoszóma vektorok előállítása. A mesterséges kromoszómáinkkal létrehozott mesterséges kromoszóma expressziós rendszer egy olyan új génátviteli és gén működtető rendszer, amellyel sejtekben, szövetekben, vagy az egész szervezet szintjén tetszőleges gének termékeinek hatékony és szabályozott „termelése” biztosítható. A mesterséges kromoszómák hasznosítására létrejött kanadai Chromos biotechnológiai vállalat nem-kizárólagos licenszszerződéseket kötött számos gyógyszeripari vállalattal fehérje gyógyszeralapanyagok mesterséges kromoszómával történő előállítására. Az eddigi adatok alapján a mesterséges kromoszóma rendszer négyszer hatékonyabb, mint a hagyományos fehérje termeltetési eljárások. Ennek ismeretében, 2007-ben a Glaxo gyógyszeripari vállalatcsoport kizárólagos jogot szerzett a mesterséges kromoszóma rendszerrel állati sejtekben történő gyógyszeralapanyagok gyártására. Az elmúlt évek során, az Ipari és Közlekedési Minisztérium, illetve a kanadai Chromos biotechnológiai vállalat támogatásával sikeresen egyesítettük a mesterséges kromoszóma és az őssejt technológiát. Egy gyógyíthatalan betegség állatmodelljével végzett munkánk során elkészítettük a „gyógyító” gént hordozó terápiás mesterséges kromoszómákat és ezeket beépítettük őssejtekbe. Az így előállított terápiás őssejtekből stabil, korlátlanul szaporítha-

tó őssejtvonalakat hoztunk létre. Igazoltuk, hogy a mesterséges kromoszómát hordozó őssejtek termelik azt a fehérjét, amelynek hiánya végzetes a betegséggel született egyedek számára. A terápiás őssejteket embriókba juttatva bebizonyítottuk, hogy a mesterséges kromoszóma jelenléte többszörös túlélést biztosít a kísérleti állatokban. Ezen eredmények megteremtették a mesterséges kromoszómák gyógyító eljárásokban történő felhasználásának gyakorlati alapját, lehetőséget biztosítva a ma még gyógyíthatalan betegségek mesterséges kromoszóma-őssejt alapú génterápiai kezelésére.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Jelenlegi kutatási programunk egy olyan preklinikai őssejt/mesterséges kromoszóma terápia kidolgozása az X-kromoszómához kötött súlyos immunhányos betegség gyógyítására, amely már átültehető a klinikai gyakorlatba. Ennek sikeres végrehajtása modellként szolgálhat egyéb betegségek kezelésére is, így hozzájárulhat a hazai klinikai génterápia alapjainak megteremtéséhez. Az intézetünkben kiépülő preklinikai őssejt-mesterséges kromoszóma egység, tudásban, technológiában és műszerben is új infrastrukturát jelent Magyarország számára és jelentősen hozzájárulhat a hazai és külföldi alapkutatási és klinikai laboratóriumok együttműködéséhez.

95

Genetika

Emberi Molekuláris Genetikai Csoport

Témavezető:

Dr. Raskó István Tel.: 62-599-681 E-mail: [email protected]

Csoportunk molekuláris populációgenetikával, elsősorban régészeti genetikával, valamint emberi molekuláris genetikával kapcsolatos kutatásokkal foglalkozik.

RÉGÉSZETI GENETIKAI KUTATÁSOK A molekuláris genetikai módszerek igen alkalmasak arra, hogy segítségükkel egyes népek származási fáját, genetikai rokonsági viszonyait tanulmányozzuk. Tanulmányok kimutatták, hogy ásatag maradványokban genetikai analízisre alkalmas DNS található. Nyilvánvalóvá vált, hogy a régészeti leletekben megőrzött DNS rendkívül kis mennyiségben van jelen, súlyosan károsodott és gyakran szennyezett gátló vegyületekkel a talajból, vagy gomba és bakteriális DNS-sel. A régészeti DNS segítségével azonban régi emberi populációk és azok története tanulmányozható. Csoportunk hazánkban elsőként kezdett régészeti genetikai kutatásokba. Egy most befejezett vizsgálatban honfoglalás kori csontminták, valamint mai magyar és székely populációból származó egyedek esetében végeztük el a teljes körű mitokondriális DNS (mtDNS) analízist. A mtDNS segítségével populációk anyai ági leszármazási vonalát tudjuk nyomon követni. Míg a modern magyar és székely populációk nagy százalékban európai típusú genetikai elemeket hordoznak, addig az ősi csontokból nyert mintákban nagyobb arányban mutathatók ki ázsiai eredetű vonalak. Az apai ági leszármazási vonal vizsgálatához Y-kromoszómális bélyegeket tanulmányoztunk. A TAT (M46) mutáció, mely a legtöbb uráli nyelvet beszélő populációban jelen van, az általunk vizsgált két modern populációból csak egy,

96

míg a vizsgált 4 régészeti leletből származó csontmintából két esetben volt kimutatható. 22, az Y-kromoszómán található polimorfizmust mutató bélyeg vizsgálata szerint a modern magyarul beszélő férfiak a többi európai populációhoz hasonló mintázatot mutatnak. Kivételt csak a P*(xM173), a székely férfiakban előforduló haplocsoport (amely közép ázsiai genetikai rokonságra utal), valamint a J haplocsoport magasabb gyakorisága képezett.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A továbbiakban a Kárpát medence régészeti ló csontleleteinek eredetvizsgálatát kezdtük el. Ezekkel a vizsgálatokkal arra keressük a választ, hogy ezekben az állatokban fellelhetők-e a származásukra utaló ősi motívumok, valamint feltárjuk az itt élő népek lófajtáit és megállapítsuk rokonsági viszonyaikat.

Témavezető:

Genetika


Dr. Raskó István

IDEGI DIFFERENCIÁLÓDÁSBAN RÉSZTVEVŐ GENETIKAI HÁLÓZAT VIZSGÁLATA Csopor t u n k kora i v i z sgá lata iba n k ü lönböz ő, mutagén hatású vegyület által indukált génmutációkat mutattunk ki kínai hörcsög sejtkultúrákban, illetve a sejtciklus különböző stádiumában lévő hibridsejtekben. A későbbiekben egér embrionális karcinoma sejtkultúráknak - amelyeket a kutatók a korai embriogenezis vizsgálatára szívesen alkalmaznak - megvizsgáltuk és jellemeztük a spontán és idegi irányba irányított differenciáló-

dási és DNS reparációs képességeit. Ezek a kultúrák azért hasznosak, mert definiált körülmények között különböző sejttípusok differenciálódása indukálható belőlük, így ideg, izom, porc, stb. Mi az idegi differenciálódást indukáltuk, majd a DNS reparációs kapacitását hasonlítottuk össze. Jelenleg ezen sejtkultúrákban egy, a formin családhoz tartozó fehérje differenciációt indukáló hatását vizsgáljuk.

97

Genetika


Dr. Raskó István

Témavezetők:


Dr. Mórocz Mónika Tel.: 62-599-685 E-mail: [email protected]

EGY KOMPLEX BETEGSÉG MOLEKULÁRIS GENETIKAI VIZSGÁLATA Az emberi genetikai betegségek hagyományos osztályozása kromoszómális, egy génes és komplex, multifaktoriális kategóriákra, túlzottan leegyszerűsített. Ugyanabban, vagy különböző génben előforduló többszörös mutációk ugyanis egyénileg eltérő megjelenést okoznak. Az egyénileg jellemző klinikai megjelenést befolyásoló faktorok szerepének megértése még az ugyanabban a génben bekövetkező mutációk esetén is csak a közelmúltban indult meg. Manapság ezért az egyetlen gén által meghatározott tulajdonságokat a komplex bélyegek egy speciális variációjának tekintjük; az ugyanabban a génben megtalálható allél variációk, a módosító gének, a táplálkozás és környezet együtthatásának eredményeképpen alakulnak ki. Miután néhány monogénes rendellenesség vonatkozásában elvégeztük a magyarországi populáció jellemzését, jelen célunk, hogy egy eset-kontroll vizsgálattal,

98

genomikai technológiák felhasználásával komplex, poligénes rendellenességek hajlamosító alléljeit azonosítsuk. Első modellünk a fiatalkori gerincferdülés, az idiopathias scoliosis.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A kimutatott genetikai hajlam alapján adott életmódi tanácsokkal a tünetek megjelenése késleltethető lehet.

Növénybiológiai Intézet

Növénybiológia

SZBK 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

99

Növénybiológia

Növényi Foto- és Kronobiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Nagy Ferenc Tel.: 62-599-718 E-mail: [email protected]

A FÉNYSZABÁLYOZOTT NÖVÉNYI ÉLETFOLYAMATOK MOLEKULÁRIS ALAPJAI A növények – helyhezkötött élőlények lévén – csak anyagcseréjük/életfolyamataik módosításával képesek alkalmazkodni a változó környezethez. Ehhez alapvetően szükséges a környezeti tényezők folyamatos és pontos érzéklése. A növények számára a legfontosabb környezeti tényező a fény, ezért nem meglepő, hogy a fényviszonyok (intenzitás, hullámhossz, megvilágítás ideje) változásának érzékelésére speciális fotoreceptorok egész sora alakult ki, amelyek – mint a növények szemei – képesek a fény meghatározására a spektrum UV-B tartományától egészen a közeli infravörösig. A legjelentősebb fotoreceptor családot a fitokrómok alkotják, amelyek valódi fénykapcsolóként működnek: vörös fénnyel aktiválhatók, távoli vörös fénnyel pedig kikapcsolhatók. A fény elnyelését követően az átalakított jel a fitokrómokról a sejtmagba jut, ahol számos gén működését serkenti vagy gátolja. Ezen gének működésének összehangolt megváltozása az alapja a makroszkópos szinten megfigyelhető fényválaszoknak, amelyek közül az egyik leglátványosabb a szár megnyúlásának gátlása és a levelek növekedésének serkentése. Sötétben a növények erősen megnyúltak és kis leveleket fejlesztenek. Fényben a szár megnyúlása gátolt, míg a levél(lemez) ek növekedése fokozódik. Ezeket a válaszokat bizonyítottan a fitokróm receptorok szabályozzák, mivel azok a mutáns növények, amelyekből a fitokróm receptorok hiányoznak, fényben is úgy viselkednek, mintha sötétben lennének. Munkánk célja annak felderítése, hogy pontosan milyen úton jut el a fényindukált jel a fitokrómoktól a megfelelő sejtmagi génekig. Kimutattuk, hogy a 100

fitokrómok sötétben a citoplazmában helyezkednek el, majd megvilágítás hatására a sejtmagba vándorolnak. A fitokrómok a sejtmagban – feltehetően egyéb fehérjék mellett – olyan génműködést szabályozó fehérjékkel (transzkripciós faktorok) is kapcsolatba lépnek, amelyek közvetlenül irányítják a fényregulált gének működését. Eredményeink arra utalnak, hogy a kialakuló kölcsönhatások különböző mechanizmusok révén serkentik vagy gátolják az adott transzkripciós faktor és ez által a megfelelő gén működését. Megállapítottuk tehát, hogy a fitokrómokat az általuk szabályozott génekkel összekötő nagyon rövid jelátviteli út kulcs-lépései egyrészt a fotoreceptorok fényfüggő sejtmagi importja, másrészt a fitokrómok és a fényszabályozásban szerepet játszó transzkripciós faktorok köcsönhatása a sejtmagban.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fitokrómok jelentős hatással vannak a kifejlett növények testfelépítésére (lásd ábra). A modellnövény ként ha sz ná lt Arabidopsis esetében ez főleg a levélnyél, de más növények esetén a szár hosszának tekintetében figyelhető meg. Ez a fontos funkció jelenti megszerzett ismereteink hasznosításának egyik lehetőségét. Például a fitokróm rendszer célzott módosításával elméletileg előállítható olyan búzafajta, amely rövid szárt növeszt és az így felszabaduló erőforrásokat a kalász, vagy a magok méretének növelésére fordítja.

Témavezető:

Dr. Kozma-Bognár László Tel.: 62-599-717 E-mail: [email protected]

Növénybiológia


BIOLÓGIAI ÓRA NÖVÉNYEKBEN A biológiai óra egy olyan, élő szervezetekben működő időzítő mechanizmus, amely képes napi (kb. 24 órás) oszcillációk létrehozására. A 24 órás peridódushossz miatt nevezzük a biológiai órát cirkadián órának is, a latin circa diem (= kb. egy nap) kifejezés alapján. Az óra által kialalkított alap-ritmus számos élet-folyamat megjelenését szabályozza olyan módon, hogy azok az arra legmegfelelőbb napszakban történjenek. Az óra által szabályozott folyamat például az alvás/ébrenlét ciklus, ahol az éjszaka során az óra működése következtében a nyugalmi állapot kialakulásához vezető változások történnek (pl. csökken a vérnyomás és a testhőmérséklet), nappal viszont az ellentétes irányú folyamatok biztosítják az aktív állapotot. A fenti példa is mutatja, hogy az óra akkor tölti be funkcióját hasznosan, ha az általa megjelenített belső, szubjektív idő összhangban van a külső, valós idővel. Csak így biztosított, hogy pl. a nyugalmi állapot mindig éjszakára, az aktív állapot pedig nappalra essen. A belső és a külső idő összhangjának fenntartása érdekében a napi rendszerességű környezeti változások (fény/sötét, meleg/hideg) szinkronizálják az órát a valós időhöz. A biológiai óra molekuláris óra: fogaskerekeit gének és az általuk kódolt fehérjék alkotják, amelyek egymás működését szabályozva hozzák létre a 24 órás alapritmust, ami elsődlegesen az óraelemek ritmikusan változó szintjében jelenik meg. Munkánk célja a növényekben működő biológiai óra megismerése, kísérleteinkkel a rendszer három különböző részét vizsgáljuk. Azonosítottunk több olyan gént/fehérjét, amelyek az óra központi részének felépítésében és az alap-oszcilláció kialakításában vesznek részt. Eredményeink nagyban hozzájárultak annak megértéséhez, hogy a növényi óra fogaskerekei milyen módon kapaszkodnak egymásba a 24 órás periódus kialakítása érdekében.

Kimutattuk, hogy különböző növényi életfolyamatok, legfőképpen a fotoszintézis precíz időzítése a megfelelő napszakra nagy jelentőséggel bír a növények optimális fejlődése szempontjából. Az óra működésében sérült mutánsok analízisével igazoltuk, hogy az óra által jelzett időnek a valós időtől történő mind-össze néhány órás eltérése a fotoszintetikus aktivitás és a zöld biomassza-termelés mintegy 50%-os csökkenését okozza (lásd ábra). A valós időtől történő eltérés nemcsak az óra központi részének hibás működése miatt, hanem a környezetből származó jeleket szállító jelátviteli r e nd s z e r e k h e l y t e l e n működése miatt is kialakulhat. Ezért kutatásaink Vad típusú Óra-mutáns Arabidopsis növények harmadik vonala azokat a mechanizmusokat vizsgálja molekuláris szinten, amelyek révén a környezeti jelek (elsősorban a fény) beállítják a növényi biológiai órát. Megjegyzendő, hogy ezeket a fényjeleket az előző témánál már említett fitokróm receptorok továbbítják, így a folyamat a fitokrómokkal kapcsolatos fényszabályozás egyik példája is egyben.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az óra egyik fontos funkciója számos növényfaj virágzásának szabályozása a nappalok hosszának mérése alapján. Több adat is arra mutat, hogy az óra ezen funkciójának megváltoztatásával lehetséges a virágzási idő széles skálán történő módosítása, miközben a terméshozam nem változik lényegesen. Ez lehetővé tenné bizonyos haszonnövények termesztését olyan körülmények között, ahol azok megfelelő időben történő virágzását a nappalok adott hossza gátolja. 101

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Szekeres Miklós Tel.: 62-599-716 E-mail: [email protected]

BRASSZINOSZTEROIDOK A brasszinoszteroidok növényi szteroid hormonok, amelyek jelentős szerepet játszanak a növények megnyúlásának, fényfüggő fejlődésének és termékenységének szabályozásában, valamint a szélsőséges környezeti hatásokkal szembeni ellenállóképességük fokozásában. Ezeket a feladatokat a többi növényi hormoncsalád tagjaival együtt látják el, gyakran azok működésének ellenőrzése, összehangolása révén. Regulációs rendszerük jellegzetessége, hogy más hormonokkal ellentétben csak korlátozottan terjednek szét a növény szervezetében, így hatásukat elsősorban keletkezési helyük közvetlen környezetében fejtik ki. Vizsgá lata in k célja a nna k t isztá zása, hog y milyen belső tényezők felelősek elsődlegesen a brasszinoszteroidok által kiváltott élettani válaszreakciók kialakulásáért. Eddigi munkánk során meghatároztuk néhány, az e hormonok bioszintézisében résztvevő gén szerepét, és jellemeztük azokat a molekuláris szintű regulációs mechanizmusokat, amelyek kifejeződésüket befolyásolják. Az egyes gének működésének direkt, vizuális követésére alkalmas módszert (lásd ábra) alkalmazva kimutattuk, hogy a bioszintézis kulcsenzimeinek génjeit több független, belső és környezeti tényezők hatásait is közvetítő mechanizmus szabályozza. A magas szintű kifejeződés a bioszintézis intenzitásának fokozása révén lokális hormon felhalmozódást eredményez, ami jellegzetes velejárója az egyedfejlődés és szervképződés korai folyamatainak. A brasszinoszteroidok által kiváltott élettani válaszreakciók intenzitását a hormonszint mellett jelentősen befolyásolhatják az egyes szervek hormonérzékenységében kimutatható különbségek is. Adataink szerint az érzékenység növekedése együtt jár a brasszinoszteroidok érzékelését biztosító sejtfelszíni 102

receptor erőteljes kifejeződésével, ami elsősorban a hajtáscsúcsokban és az intenzív megnyúlást mutató régiókban figyelhető meg. Munkánk során választ szeretnénk kapni arra a kérdésre, hogy a hormonszint, illetve hormonérzékenység változásának van-e meghatározó szerepe a brasszinoszteroid válaszreakciók kiváltásában.

Az ábrán az egyik általunk vizsgált gén kifejeződésének mintázata látható Arabidopsis növényben. A gén működése egy mesterséges génkonstrukció segítségével követhető, amelynek aktivitása biolumineszcencia kibocsátással jár együtt: a képen a piros és fehér színek a magas, míg a lila és fekete színek az alacsony szintű génműködést jelzik.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Számos hasznos termesztett növényfajta bizonyult természetes brasszioszteroid mutánsnak. A bioszintetikus és érzékelési folyamatok pontos megismerése lehetőséget adhat az előnyös tulajdonságok szervspecifikus kialakítására a terméshozam lényeges változása nélkül.

Dr. Vass Imre

Témavezetők:

Tel.: 62-599-700 és 62-599-714 E-mail: [email protected]

Dr. Deák Zsuzsanna Tel.: 62-599-705 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

Molekuláris Stressz- és Fotobiológiai Csoport

FOTOSZINTETIKUS ENERGIAÁTALAKÍTÁS VIZSGÁLATA A növények (algák, cianobaktériumok) a természetben egyedülálló képessége a Nap fényenergiájának átalakítása és a víz elbontásából származó protonok, valamint a légköri széndoxid megkötéséből származó szén felhasználásával szerves anyagok formájában történő tárolása. Ezen folyamat szolgáltatja végső soron a Föld szinte minden élő szervezete számára szükséges energiát, és egyben a magasabb rendű életformák számára elengedhetetlen légköri oxigén forrása is. A Napból kb. 8 perc alatt érkezik a Földre az emberiség jelenlegi teljes energia szükségletének megfelelő fényenergia. Ezért természetes, illetve mesterséges fotoszintetikus rendszerek alkalmazása lehetőséget nyújthat alternatív, megújuló energiatermelő rendszerek kifejlesztésére. Kutatócsoportunk széleskörű vizsgálatokat folytat a fény által hajtott vízbontást végző ún. 2. fotokémiai rendszer (PSII) működésének molekuláris szintű értelmezésére. Tanulmányozzuk a vízbontó rendszer

katalitikus komplexének felépítését, az oxigén fejlődés mechanizmusát, valamint az energia átalakító folyamatok hatékonyságát nagymértékben meghatározó töltés rekombinációs folyamatokat. Alternatív, megújuló energiaforrások kifejlesztése érdekében kutatásokat végzünk félmesterséges fotoszintetikus rendszerek létrehozására izolált PSII komplexek immobilizálása révén. A fotoszintetikus energia termelés egyik lehetséges útja az egyes algákban és cianobaktériumokban található hidrogenáz enzimek által történő hidrogén termelés. Ily módon a Nap fényenergiája tárolható hidrogén üzemanyaggá alakítható, amelynek elégetése során nem keletkezik a környezetet szen�nyező melléktermék. Csoportunkban vizsgáljuk a Synechocystis 6803 cianobaktériumban található hidrogenáz enzimet kódoló hox gének kifejeződésének szabályzását különböző tényezők (fény, oxigén, fotoszintetikus elektron transzport) által.

103

Növénybiológia


Dr. Vass Imre

Témavezetők:


Sass László


KOMPLEX NÖVÉNYI STRESSZ-DIAGNOSZTIKAI RENDSZER KIFEJLESZTÉSE A környezeti stresszhatások (pl. vízhiány, alacsony vagy magas hőmérséklet, só, nehézfémek, látható és ultraibolya fény) a mezőgazdaságilag fontos növények esetén jelentős terméskiesést eredményeznek. Ezért igen fontos a stresszhatásoknak fokozottan ellenálló növényi vonalak előállítása. Ezen kutatások egyik előfeltétele a növények növekedésének és fejlődésének kvantitatív monitorozása kontrollált stressz körülmények között. Csoportunk egy komplex növényi stresszdiag nosztikai rendszer kifejlesztésén dolgozik a Gabonakutató Kht.-vel együttműködésben, amelyben egyedileg azonosított növények számítógép által vezérelt öntözése biztosítja a reprodukálható vízellátási körülményeket. A növények növekedését digitális fotográfiára alapozott képalkotási technikával követjük, ami lehetővé teszi az egyes növények méretének és levélfelületének meghatározásának folyamatos követését teljes életciklusuk folyamán. A növények fiziológiai állapotának követésére a fotoszintetikus hatékonyság klorofill fluoreszcencia képalkotással történő meghatározását alkalmazzuk. Ez lehetővé teszi a növények egészére vonatkozó átlagos fiziológiai aktivitás meghatározása mellett a stressz által különböző mértékben érintett területek azonosítását is. További érzékeny módszer a növények hőfényképezéssel történő vizsgálata, ami lehetővé teszi a megváltozott párologtatási képességgel rendelkező egyedek, illetve növényi részek azonosítását. Ezen módszer igen hasznos pl. 104

a vízhiány ellen csökkentett párologtatással védekező növényi vonalak azonosítására, valamint különböző fertőzések (vírusok, gombák) által okozott károsítás korai felismerésére. A stresszmonitorozó rendszer által gyűjtött adatokat számítógépes adatbázisokban tároljuk, amelyek interneten keresztül bárhonnan elérhetők. Így az adatfeldolgozáshoz szükséges nagy számítógépes kapacitás a monitorozó rendszertől tetszőleges távolságban lehet.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Jelen leg foly i k automat i kus növény-mozgatási lehetőség integrálása a rendszerbe. A komplex stresszdiagnosztikai rendszer fontos alkalmazást nyer stressztűrő kultúrnövények szelektálásában. Jelenleg ilyen vizsgálatok a Gabonakutató Kht.-val együttműködésben folynak szárazságtűrő búza vonalak azonosítására.

Témavezetők:

Dr. Vass Imre


Dr. Kós Péter


Növénybiológia


NEHÉZFÉM BIOSZENZOROK KIFEJLESZTÉSE 2+

2+

2+

2+

A különböző nehézfémek (pl.Co , Ni , Zn , Cd , Cr6+) napjainkban egyre fokozódó környezet szen�nyezést okoznak. Igen fontos továbbá a természetes eredetű arzén, ami elsősorban geológiai formációkból való szivárgással jut az emberi fogyasztásra használt ivóvízbe, pl. a Dél-Alföldi régió vízbázisaiban, és hosszú idejű expozíció esetén már szub-mikromoláris koncentrációban is káros az emberi egészségre. A biológiailag hatékony nehézfémek és arzén kimutatásának egy lehetséges útja bioszenzorok kifejlesztése, amelyekkel a határérték feletti szennyező koncentrációk kimutatása kis költséggel, gyorsan elvégezhető.

Csoportunkban aktív kutatások folynak olyan bioszenzorok kifejlesztésére, amelyek fotoszintetizáló cianobaktériumok nehézfém (arzén) stressz által indukált génszintű stresszválaszain alapulnak. Ezen organiz-

musok számos nehézfém detoxifikáló enzim rendszert tartalmaznak, amelyek aktivitását az enzimeket kódoló gének átíródása szabályozza. Ennek következtében nehézfémek jelenlétében az érintett gének mRNS szintje nagymértékben (akár több ezerszeresen) megnövekszik, ami a nehézfém koncentráció függvényében kalibrálható.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az eddig foly tatott munka során v izsgá ltuk a Synechocystis 6803 nevű cianobaktériumban található nehézfém indukálható gének szabályzó szakaszainak tulajdonságait a specificitás és a kimutatható koncentráció tartományok megállapítása érdekében. Létrehoztunk egy olyan transzformációs rendszert, ami lehetővé teszi a fénykibocsátó luciferáz rend sz er t kódoló gének bev itelét és i nd i k á lható gén-szabályzó régiók hoz történő fúzióját cianobaktériumokban. Ezen organizmusok adott környezeti stimulus (nehézfémek, arzén) jelenlétére fény kibocsátással reagálnak, és potenciálisan alkalmasak bioszenzorok kifejlesztésére. Az elv működésének demonstrálására már előállítottunk nikkel és cink szenzor törzseket, és folyamatban van arzén szenzor törzsek előállítása, ezekre alapozott bioszenzor alkalmazások kifejlesztése.

105

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Hideg Éva


REAKTÍV OXIGÉN SZÁRMAZÉKOK AZONOSÍTÁSA NÖVÉNYEKBEN Gazdasági haszonnövényeinket, csakúgy, mint az élővilág egészét, számtalan kedvezőtlen környezeti hatás éri. A növényekben mind a biotikus (pl. vírus- vagy gombafertőzés okozta) mind az abiotikus (pl. erős napfény, ultraibolya sugárzás, víz- és tápanyag ellátás zavarai vagy környezetszennyező anyagok okozta) stressz hatások oxidatív károsodással járnak együtt. Az, hogy a stressz maradandó károsodáshoz – pl. a növény termőképessé válása előtti elhalásához – vezet, vagy pedig alkalmazkodási reakciót (ún. akklimatizációs válaszokat) indít el, a keletkező reaktív oxigén származékok (ROS) mennyiségétől, kémiai minőségétől és keletkezési helyétől függ. A ROS keletkezésre vonatkozó bizonyítékok azonban általában közvetettek: oxidált membrán proteinek és lipidek, oxidatív DNS módosulás megfigyelésén; illetve a növény antioxidáns védőrendszerének aktiválódásán vagy lecsökkenésén alapulnak. A ROS közvetlen kimutatása azért fontos, mert nemcsak megerősítheti a klasszikus kísérleti technikákkal vélelmezett oxidatív stressz gyanúját, de az egyes ROS formák kémiai azonosítása útján közelebb vihet a stressz biokémia hatásmechanizmusának megértéséhez, sőt az elsődleges károsodás helyének azonosításához is. A kutatócsoportunkban hazai kooperációban kifejlesztett mérési eljárás során egy, a növények levelébe juttatott speciális jelző molekula fluoreszcencia változása azonosítja a ROS keletkezését [1,2] az ábrán bemutatott módon.

106

Szinglett oxigén kimutatása dohány levél 1.2 x 1.6 cm-es részletén. A ROS keletkezését a levélbe infiltrált jelző molekula fluoreszcencia intenzitásának csökkenése mutatja (mesterséges szinezéssel illusztráltan) a levél felső, fotoinhibíciós stressznek kitett részében. Az alsó, kezeletlen részben a jelző fluoreszcenciája változatlan.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Módszerünkkel sikerült szinglett oxigént és szuperoxid gyököket kimutatnunk erős napsütést modellező fotoinhibíció, UV sugárzás és herbicid okozta oxidatív stressz során. Ezek az eredmények elősegítik a vizsgált stressz hatások biokémiai mechanizmusának megértését; a károsító ROS azonosítása pedig megmutatja, mely pontokon lehetséges a növény saját védelmi rendszerének megerősítésével stressz toleránsabb fajtákat előállítani. Idővel, a mérési technika fejlődésével, lehetővé válhat a károsítást okozó koncentrációnál kisebb mennyiségben jelen levő, a sejt szintű alkalmazkodásban részt vevő ROS molekulák azonosítása is.

Dr. Garab Győző

Témavezetők:


Dr. Kovács László

Tel.: 62-599-600/507 E-mail.: [email protected]

Növénybiológia

Fotoszintézis - Membránenergizáció Csoport

ÖNSZERVEZŐDŐ FOTOSZINTETIKUS FÉNYBEGYŰJTŐ RENDSZEREK A fotoszintézis a földi élet energetikai alapja; közvetve vagy közvetlenül ez szolgáltatja az életfolyamatok fenntartásához szükséges táplálékot. A fotoszintézisnek köszönhetjük az oxigénben dús légkört, és így az ózonpajzs létét is. A fosszilis energiahordozók is fotoszintézis eredetűek – ezek adják a ma felhasznált energia 80 %-át. A fosszilis energia ilyen nagy mértékű felhasználása azonban környezeti katasztrófához vezethet. Ezért a fosszilis energiahordozókat nagy mennyiségben rendelkezésre álló, reális időtávon belül technológiailag elérhető, környezetkímélő energiahordozókkal kell kiváltani. Erre megfelelően átalakított fotoszintetikus szervezetek, vagy azok ’bio-inspirált’ műszaki ’utánzatai’ tűnnek alkalmasnak. A fotoszintézis kutatások ezért a természetben lejátszódó folyamatok minél teljesebb megismerését, és a mesterséges megvalósítás módjainak feltárását célozzák. A fotoszintézis a fény elnyelésével kezdődik. Ezt fotoszintetikus festékek végzik, amelyek az így nyert gerjesztési energiát a fotokémai reakciócentrumokba juttatják – megkezdve ezzel a fényenergia kémiai energiává alakítását. Az energiaátalakítás azonban csak akkor hatékony, ha a festék, fehérje és lipid molekulák alkotta ún. antennarendszer képes arra, hogy a beérkező, általában alacsony energiasűrűségű, ’diffúz’ fény fotonjait begyűjtse és a reakciócentrumokba irányítsa. Ez csak magasan szervezett molekuláris rendszerben, ill. a teljes energiaátalakító apparátust tar-

talmazó membránrendszer nagy fokú rendezettsége mellett képzelhető el. Kutatásaink fő feladata önszerveződő természetes és mesterséges antenna- és membrán-rendszerek tanulmányozása és fényindukált szerkezeti átalakulásainak megértése. Munkánk során egy új, korábban csak folyadékkristályokra leírt mechanizmust fedeztünk fel, ami részt vesz növények fénystressz elleni védekező mechanizmusában.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fénybegyűjtő multilamelláris rendszerek alkalmasak lehetnek mesterséges, katalitikus hordozó felületre vitt fotokémiai reakciók energiaellátására, és így pl. hidrogén vagy más üzemanyag mesterséges termelésére. Csoportunk európai együttműködés keretében részt vesz ilyen jellegű kutatásban.

Gránumos tilakoid membránrendszer modellje.

107

Növénybiológia

Fotoszintézis - Membránenergizáció Csoport

Dr. Garab Győző

Témavezetők:


Dr. Tóth Szilvia Zita Tel.: 62-599-600/492 E-mail: [email protected]

ALTERNATÍV ELEKTRONTRANSZPORT HŐSTRESSZNEK KITETT FOTOSZINTETIKUS RENDSZEREKBEN A növé nye k , a l g á k é s k é k mo s z at ok (c i a no baktériumok) képesek a víz enzimatikus hasítására. Ennek során molekuláris oxigén szabadul fel és jut a légkörbe. A fotokémiai reakciócentrumokba érkező gerjesztési energia töltésszétválasztást eredményez, amit töltések (elektronok és protonok) irányított vándorlása követ a membránban, összekötve a két fotokémiai rendszert, a vízbontó enzimet tartalmazó PS2-t és a NADPH termelésre képes PS1-t. Ennek során képződik a redukáló erőt tároló NADPH és az „energiahordozó” ATP. Ezeket a molekulákat használja fel a fotoszintézis enzimatikus rendszere (a Calvin-Benson ciklus) a széndioxid megkötésére, azaz a cukrok szintéziséhez. Ez folyamatosan csak aktív vízbontó enzim és egy lényegében korlátlan mennyiségben rendelkezésre álló elektronforrás, a víz jelenlétében valósulhat meg. (Ilyen összefüggésben az oxigéntermelés mintegy a fotoszintézis mellékterméke.) A vízbontó enzim igen érzékeny különböző környezeti stresszhatásokra, azok közül is elsősorban magas hőmérsékleti stresszre, amely könnyen vezethet az enzim teljes inaktivációjához. Ez a stresszhatás élettani szempontból nagyon fontos, és jelentős károkat okoz haszonnövényeinkben is. Korábbi, teljes növényeken végzett hőstressz vizsgálataink, amelynek során a magas hőmérsékletnek a második fotokémiai rendszerre gyakorolt hatását tanulmányoztuk, váratlan eredményre vezettek. Ha levelekben a vízbontó enzimet egy gyors hőkezeléssel inaktiváltuk, akkor azt láttuk, hogy a vízbontó enzimet más, alternatív donorok helyettesítették. Ez 108

esetben tehát a víz (ill. a vízbontó enzim) helyett ezek a donorok szolgáltak a fotokémiai folyamatok végső elektronforrásaként. Jóllehet ilyen körülmények között az elektrontranszport maximális sebessége jóval kisebb, mint aktív vízbontó enzim jelenlétében, az elektrontranszport fenntartható volt. Kutatásaink ennek az alternatív elektrondonornak az azonosítására, részletes jellemzésére és élettani szerepének tisztázására irányulnak, különös tekintettel a hőstressz hatásmechanizmusára és az alternatív elektrondonorok feltételezhető fotooxidáció elleni védő szerepére magas hőmérsékleten. Vizsgálataink kiterjednek arra is, mennyire elterjedt az alternatív donorok jelenléte különböző növény- és algafajokban és mennyiségük mutat-e összefüggést az adott faj vagy fajta hőstressz-tűrő képességével.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az alternatív elektrondonorok fontos szerepet játszhatnak a növények magas hőmérséklet elleni védekezésében. A hatásmechanizmus ismerete támpontot nyújthat új, hőstresszt jobban tűrő fajták nemesítéséhez.

Témavezető:

Dr. Garab Győző

MEKKORA REND VAN A SEJTEKBEN? ÚJ MIKROSZKÓPOS ELJÁRÁS A RENDEZETTSÉG MÉRÉSÉRE; BIOLÓGIAI ALKALMAZÁSOK Biológiai anyagokban az összetevők térbeli eloszlása erősen inhomogén és irány-rendezett. Ezek a szerkezetek erős anizotrópiát mutatnak. Ismereteink ilyen komplex szerkezetek felépítéséről, szerkezeti dinamikájáról és élettani szerepéről azonban nagyon hézagosak. Egyes kivételes esetekben, például a mágneses térben is jól rendezhető fotoszintetikus membránok esetében az anizotróp szerkezeti jellemzők pontosan meghatározhatók. Ezekben a molekulák irányrendezettsége univerzális sajátság, aminek alapvető fontossága az energiaátalakító folyamatokban mára egyértelműen bebizonyosodott. A legtöbb rendszerben azonban az anizotróp anyagi jellemzők meghatározása lényegében csak mikroszkópos eszközökkel lehetséges. Az elmúlt évek során új mikroszkópos leképezési módszert fejlesztettünk ki azzal a céllal, hogy magasan szervezett biológiai anyagok főbb anizotrópiás sajátságait megmérjük és térbeli eloszlásukat megjelenítsük. A laboratóriumunkban erre a célra a Carl Zeiss Jena GmbH közreműködésével kifejlesztett eszköz szabadalmi oltalmat is kapott. Ez az ún. differenciál-polarizációs lézersugár pásztázó mikroszkóp (DP-LSM) egyesíti a modern, digitális képrögzítésű, 3-dimenziós leképezésre is alkalmas lézersugárpásztázó mikroszkópok (LSMek) és a korszerű, nagy pontosságú, ún. frekvenciamodulációs technikán alapuló differenciál-polarizációs spektroszkópiai eszközök előnyeit. A fejlesztés révén a három ’hagyományos’ leképezési eljárás – amik segítségével a fényelnyelés, a reflexió és a fluoreszcencia emis�szió erősségei jeleníthetők meg – további nyolc paraméterrel bővíthető. Ezen, paraméterek mindegyike fontos fizikai információt hordoz az anyag anizotróp szerkezetéről, amint azt különböző hazai és nemzetközi együttműködésekben végzett kutatásaink is bizonyították. Megmutattuk például, hogy az aktin anizotróp szer-

Növénybiológia

Fotoszintézis - Membrán-energizáció Csoport

kezetének megbontása muslica dajkasejtekben (1. ábra) letális. Vizsgálataink szerint kloroplasztiszokban az anizotrópia erőssége lehetővé teszi ezen sejtszervecskék optikai mikro-manipulálását, és ezzel a módszerrel tártuk fel a humán fehérvérsejt plazmamembránok felépítésének új sajátságait is. A növényi sejtfal ill. a cellulóz anizotróp szerkezetének ismerete (2. ábra) fontos lehet a növények szárazságtűrésében és a cellulóz ipari feldolgozása során. Az Alzheimer kórban is jelentős szerepet játszó amiloidnak egy más módszerrel nem detektálható magas szervezettségű formáját figyeltük meg. A DP-LSM-el végzett mérések fontos szerepet kapnak egy most induló európai kooperációs projektben is, ami bio-inspirált hibrid szoláris cellák létrehozását célozza. 1. ábra: Vad típusú és mutáns muslica dajkasejt gyűrűcsatornák fluoreszcencia intenzitás és anizotrópiás képei

2. ábra: Növényi sejtfal fluoreszcencia intenzitás és anizotrópiás (FDLD) konfokális képei

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A most folyó fejlesztés eredményeként a DP kiegészítő egység illeszthetővé válik a legtöbb új-generációs LSMre. Ennek köszönhetően várható a technika elterjedése és további alkalmazások elsősorban a biológia és az anyagtudományok területén. 109

Növénybiológia

Sejtosztódási és Stressz Adaptációs Csoport

Témavezető:

Dr. Horváth Gábor Tel.: 62-599-707 E-mail: [email protected]

STRESSZTŰRÉS FOKOZÁSA PROTEKTÍV ENZIMEKKEL A gazdasági haszonnövények termésmennyiségét és termésbiztonságát számottevően csökkentik a különböző környezeti stresszhatások (például a vízhiány, túl magas vagy alacsony hőmérséklet, UV-B sugárzás), ezért a mezőgazdaságban folyamatos igény van stressztűrő növények nemesítésére és a géntechnológia eszközeivel történő előállítására. Mivel a különböző környezeti stresszhatások közös jellemzője, hogy a sejtekben a reaktív oxigén spécieszek (ROS) és ezek toxikus reakciótermékeinek koncentrációját megnövelik, ezért azok a stratégiák, melyek ezen vegyületek „eltüntetésére”, a méregtelenítésre irányulnak, alkalmasak a növények stressztűrő képességének megnövelésére. Több enzim vagy enzimrendszer hatékonysága már bizonyított, ilyenek a glioxaláz rendszer fehérjéi és az alkenál reduktázok. Saját kutatási eredményeink a növényi aldo/keto reduktáz fehérjéknek a növényi stresszválaszban betöltött fontos szerepét bizonyítják. Ezek a széles szubsztrát specificitású méregtelenítő enzimek reagálnak a lipid peroxidációból származó reaktív aldehid molekulákkal. Az enzimcsalád egyes tagjai a cukoralkoholok keletkezését is katalizálják, így olyan vegyületeket állítanak elő, melyek alacsony koncentrációban gyökfogóként, magas koncentrációban pedig a szárazságstressz kivédését szolgáló ozmotikumként funkcionálnak. Csoportunkban lucernából olyan aldóz reduktázt kódoló gént (MsALR) izoláltunk, melynek kifejeződése indukálódott különféle stresszkezelések hatására. Az enzim védőfunkcióját úgy igazoltuk, hogy transzgenikus dohány-növényeket hoztunk létre, melyek nagy mennyiségben termelték a lucerna MsALR fehérjét. Számos vizsgálat eredményével bizonyítottuk, hogy az így kapott dohányok megnövekedett 110

stressztűrő képességgel rendelkeznek. Ezekre az eredményekre alapozva kezdtük meg a technológia alkalmazását olyan gazdaságilag fontos haszon-növényben, mint a búza, az árpa és a kukorica.

A reaktív aldehidekkel reagáló védőfehérjék termelése növeli a stressztűrő képességet.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A különféle védőfehérjék kombinálásával tovább fokozható a növények környezeti stresszhatásokkal szembeni tűrőképessége. Az aszálytűrő búza- és árpafajták molekuláris genetikai vizsgálatával meghatározhatjuk azt, hogy milyen védőfehérjék fokozott termelése kapcsolatos a jó szárazságtűréssel, ezt felhasználhatjuk a továbbiakban az irányított nemesítésben. Fontos kutatási irány annak bizonyítása, hogy a stratégia alkalmazható-e a növényi vírus, baktérium és gomba kártevőkkel szembeni rezisztencia fokozására is. Új kutatási területünk a tisztított protektív fehérjék felhasználása a humán gyógyászatban.

Témavezető:

Dr. Györgyey János Tel.: 62-599-707 E-mail: [email protected]

Növénybiológia


SZÁRAZSÁGADAPTÁCIÓ GABONAFÉLÉKBEN Az első szárazföldi növények kialakulása óta alapvető feladat számukra, hogy megelőzzék sejtjeik végzetes és visszafordíthatatlan kiszáradását. Az elmúlt sokmillió év során erre számos különböző, egymást kiegészítő megoldás, védekezési mechanizmus alakult ki a növényekben. A sejtszintű védekezés során termelnek vizet megtartó anyagokat (egyes cukrokat, aminosavakat stb.); olyan fehérjéket, amelyek gátolják a létfontosságú enzimek és membránok vízvesztés okozta összecsapódását, tönkremenetelét; továbbá olyan kismolekulákat és enzimeket, melyek az ilyenkor keletkező reaktív szabad gyökök okozta oxidatív károsodástól is védik a sejteket. Ilyen védekezési folyamatok játszódnak le a kiszáradó, de csíraképességüket hosszú évekig megőrző magvakban is. A teljes élőlény szintjén is több módon óvja magát a növény: gázcserenyílásait napszaktól és vízellátástól függően nyithatja, zárhatja, párolgást akadályozó viaszréteget választhat ki a bőrszövete, a túlzott besugárzástól is védhetik a párát visszatartó, sőt felvenni is képes szőrképletek. Életciklusának évszakhoz igazításával is sok növény kerüli el a vízhiányt, ez része pl. az őszi búzák túlélési stratégiájának is. Hasonlóan nagy jelentőségű a hatékony gyökérrendszer kifejlesztése, hiszen a vízvesztés mérséklése mellett az utánpótlás fokozása is esély a túlélésre. Ennek érdekében egyes búzafajtáknak megváltoznak a fejlődési arányai is: aszályos körülmények között erősen visszafogják hajtásfejlődésüket, ugyanakkor, fenntartják a gyökérnövekedést. Kísérleti rendszerünkben ez utóbbira keressük a választ funkcionális genomikai módszerekkel: a gabonák – elsősorban a búza – gyökérzetében mely

gének működésében és milyen változás áll be a szárazságadaptáció, és az ezt kísérő fejlődési változások során. Ettől várjuk azt, hogy megértsük, mi a molekuláris alapja annak, hogy egyes búzafajták rosszul alkalmazkodnak a szárazsághoz, mások alapvetően menekülő stratégiát követnek, míg az ebből a szempontból legértékesebb termesztett fajták a növény normális életműködéseit fenntartva képesek elfogadható termést hozni erősen korlátozott vízellátás mellett is.

Eltérő módon adaptálódó búzák gyökér-fejlődése korlátozott (40%) és normál vízellátás (80%) mellett.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Annak, hogy feltárjuk a növények szárazságadaptációját megalapozó génexpressziós változásokat és megismerjünk új géneket, melyek ebben a folyamatban részt vesznek, több szempontból is jelentősége van. Egyrészt a vizsgált biológiai alapkérdésnek a mélyebb megértéséhez kerülünk közelebb, másrészt két módon is segítjük a gyakorlati nemesítő munkát: a megismert szárazság-adaptációt segítő gének, génvariánsok molekuláris markerként szolgálva segítik a szárazságtűrő fajták szelekcióját, ezzel gyorsítják a klasszikus nemesítést; illetve ilyen géneket visszajuttatva az érzékeny fajtákba, lehetőségünk lesz a szárazságtűrés célzott javítására is. 111

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Bottka Sándor Tel.: 62-599-70217 E-mail: [email protected]

GÉNCSILLAPÍTÁS SZINTETIKUS OLIGONUKLEOTIDOK ALKALMAZÁSÁVAL NÖVÉNYEKBEN A kémiai szintézis útján előállított rövid nukleinsav-szakaszok, azaz oligonuk leotidok nélkülözhetetlenek a génszerkezet elemzéséhez. Ezek a molekulák azonban az élő sejtben, illetve szervezetben is kölcsönhatásba léphetnek a nukleinsav metabolizmus során keletkező molekulákkal. Ez a kölcsönhatás, amely többnyire génkifejeződés gátlást eredményez az öröklődés molekuláris szabályai során megismert általános bázispárosodási elveken alapul. Ezért egy adott gén bázissorrendjének ismeretében olyan oligonuk leotidokat állíthatunk elő, amelyek szelektíven csak a célzott génre hatnak. Ez a megközelítés, amely antiszensz gátlás néven vált ismertté, a humán genomikai és a gyógyászati kutatásokban széleskörű alkalmazásra talált.

112

A növények körében a z onba n sz i ntet i k u s oligonukleotidok alkalmazására ezideig szinte egyáltalán nem került sor. Célkitűzésünk az volt, hogy megvizsgáljuk az antiszensz oligonukleotidok felhasználási lehetőségeit a növénybiológia területén is. A növényi alkalmazások körében alapvető nehézséget jelent a növényi sejtfal jelenléte, ami lehetetlenné teszi vagy igen megnehezíti a vizsgálandó molekulák bejutását. Ezért széles körben vizsgáltuk az oligonukleotidok bejuttatásának módjait. Fluoreszcens jelölés útján demonstráltuk, hogy különböző sebzési utakon keresztül a molekulák a szállítónyalábokba és onnan a sejtekbe jutnak. A jól mérhető hatást kifejtő riportergének ellen tervezett antiszenz oligonukleotidjaink szelektíven gátolták a génkifejeződést, bizonyítva ezzel, hogy a módszer növények körében is felhasználható.

Előá l lítot tunk olya n kémiai módosításokat tartalmazó oligonuk leotidokat, amelyek biológia i élet tar ta ma lega lább eg y nag yságrenddel megnövekedett, ugyanakkor bázispár-képzési potenciáljuk nem változott. Ezek a kémiai analógok hatékonyabban csillapították a búza fotoszintézis rendszer egyes génjeinek kifejeződését, mint természetes szerkezetű párjaik.

A

B

Növénybiológia


Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk, hogy az antiszenz oligonukleotidokat a növénygenomikai kutatások á lta lánosan használható, hatékony eszközévé teg yük. Újabb kémiai módosítások beépítésével vizsgáljuk a célzott mutációkeltés lehetőségeit. Módszerünk ily módon lehetővé teheti a kutatott gének szelektív, reverzibilis avag y irreverzibilis csillapítását, és hozzájárulhat az adott gén élettani szerepének megállapításához. Az új genomikai ismeretek a haszonnövények nemesítésében találnak közvetlen és gyors gyakorlati alkalmazásra.

A/ fluoreszcens jelöléssel ellátott oligonukleotid felvétele búzalevélen B/ fotoszintézis gátlás antiszensz oligonukleotiddal búzalevélen

113

Növénybiológia

Sejtosztódási És Stressz Adaptációs Csoport

Témavezető:

Dr. Dudits Dénes Tel.: 62-599-768 E-mail: [email protected]

TERMÉSÖSSZETEVŐK OPTIMALIZÁLÁSA A SEJTEK OSZTÓDÁSÁNAK SZABÁLYOZÁSÁVAL A betakarított búzaszem mérete, felépítése elsődlegesen függ a megtermékenyítést követő osztódások során kialakult sejtszámtól. Hasonlóan fontos agronómiai sajátosság a gyökerek növekedése a kiszáradt, vízszegény talajban. A sejtek osztódási képességének fennmaradása az aszály okozta stressz körülményei között hozzájárulhat a termésbiztonsághoz.

1. Növényi retinoblasztoma-szerű fehérjék A növények esetében az osztódási ciklust szabályozó molekuláris folyamatok megismerésében jelentős előrehaladás történt az utóbbi évtizedekben. A sejtek osztódásának befolyásolásában mind több gén és fehérjekomplex szerepe tisztázódik, és ezzel lehetővé válik új géntechnológiai stratégiák kidolgozása a növénytermesztés sikerének megalapozása érdekében. Laboratóriumunk különösen fontos szabályozó komponensnek tekinti a retinoblasztoma (Rb) tumorgátló fehérjék növényi homológjait. Kiemelt figyelmet érdemel az a tény, hogy amíg a kétszikű növények genomjában egyetlen Rb gén azonosítható, addig az egyszikű fűfélék mint a búza és a rizs két, működésben eltérő Rb génnel rendelkeznek. A rizs Rb gének klónozásával lehetővé tettük rizs GM növények előállítását, amelyekben csökkent az Rb1 gén kifejeződése. A CropDesign (Gent, Belgium) biotech-

114

nológiai céggel közösen végzett kutatások igazolták a rizsvonalak jobb tulajdonságait (1. Táblázat). Tulajdonságok Átlagos levélfelület 2 (mm ) Növénymagasság (mm) Növényenkénti szemszám (db) Átlagos magméret (pixel) Magsúly (g)

Cisz-gén +

Cisz-gén -

29724

21302

707

681

105,8

52,4

2404,68

2385,83

2,397

1,18

1. Táblázat. Az Rbr;1 gén kifejeződésének mérséklése javítja a rizs genotípus agronómiai bélyegeit. Ezek a megfigyelések stabil alapot adnak ahhoz, hogy egy OTKA pályázat támogatásával kiterjedt K+F programot indítsunk az Rb fehérjékhez kötődő szabályozó rendszerek megismerésére, és a hálózat egyes elemeinek módosításával érjünk el előnyös változásokat. Az Rb fehérjék foszforiláltságuktól függően szabályozzák számos osztódási gén működését. Igazoltuk, hogy a ciklin-függő növényi kinázok (CDK) képesek az Rb fehérjét foszforilálni. Kimutattuk az Rb fehérjék kölcsönhatását foszfatázregulátor alegységekkel. Ezek az adatok mind segíthetik az Rb funkció megváltoztatását eredményező génbeépítési megoldások kidolgozását.

2. Ciklin-függő kinázt gátló fehérjék (KRP) Mai tudásunk alapján biztosan állíthatjuk, hogy a növényi KRP fehérjék központi szerepet játszanak a sejtciklus szabályozásában, a sejtméret kialakulásában, az endoreduplikációban, a programozott sejthalálban és a különböző szervek, mint a levél és a virág kialakulásában. Mivel a gének kifejeződésének vizsgálata gyakorta közelebb visz funkciójuk megértéséhez, részletesen analizáltuk egy, a lucernából származó CDK-gátló fehérje génjének (KRPMt) a működését. Azt tapasztaltuk, hogy növényi stresszhormonnal, az abszcizinsavval (ABS) kezelve a lucerna sejtszusz penziót csaknem nyolcszorosára emelkedett az mRNS szint (1. ábra). Nem meglepő az sem, hogy a só stresszre is jelentősen megemelkedett a KRPMt gén kifejeződése, mintegy tizenötszörös mértékben. Ismert, hogy az abszcizinsav (ABS) sok stresszszignál közvetítésében vesz részt, többek között az ozmotikus- és sóstresszében is. A KRPMt gén működésének fokozódása a stresszelt sejtekben, illetve az ABS okozta ciklin-függő kinázaktivitás csökkenése közötti ös�szefüggés alapján önként adódik a feltételezés, hogy a környezeti stressszhatások és a sejtosztódás leállítása közötti fontos kapcsolóelem éppen a ciklin-függő kinázt gátló (KRP) fehérje. A növényekben a Ca 2+közvetített jelátviteli utak és a sejtciklust összekapcsoló molekulák még nem ismertek. A sok lehetséges szabályzó rendszer közül eddigi eredményeink alapján azt valószínűsíthetjük, hogy a lucerna Ca2+-függő, kalmodulin-független kináz, az ún. kalmodulinszerű doménfehérje kináz (MsCPK3) képes fokozni a KRPMt fehérje gátló képességét. Kimutattuk, hogy

a lucerna KRP fehérje Ca 2+ -függő MsCPK3 kináz általi foszforilációja kisebb CDK-aktivitást eredményezett, feltételezhetően így akadályozva meg a sejtek osztódási ciklusban való előrehaladását. A környezeti stresszhatások jelátviteli mechanizmusai, illetve az abszcizinsav és a kalciumionok koncentrációjának megváltozása által szabályozott sejtosztódási folyamat analízise közelebb vezet a gyakorlati alkalmazáshoz, különösképpen az aszálystressz körülményei között a termésbiztonság növelését szolgáló géntechnológiai stratégiák kidolgozásához.

Növénybiológia

Sejtosztódási És Stressz Adaptációs Csoport

1.ábra A lucerna KRP gén kifejeződése megnő só- és abszcizinsavkezelés hatására.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A növényi sejtosztódás alapvető szabályozóinak megváltoztatásával és az előállított GM-növények agronómiai jellemzésével tovább szélesítjük a jobbító technológiák alkalmazását a folyó nemesítési programokban.

115

Növénybiológia

Funkcionális Sejtbiológia Csoport

Témavezető:

Dr. Fehér Attila


A NÖVÉNYI EGYEDFEJLŐDÉS SZABÁLYOZÁSÁNAK SAJÁTOSSÁGAI Az állatok és a növények életmódja, szósze-rint értve is, „gyökeresen” eltér. Míg az állatok képesek aktív helyváltoztatásra, addig a növények helyhez kötött életmódot folytatnak. Ennek köszönhető, hogy a növények szervezete állandóan alakul, változik. Míg a magasabb rendű állatok jellegzetes szervei már az embrionális fejlődés során kialakulnak, és ezek száma és alapvető formája a későbbiekben nem változik, addig a szervképződés a növények egész élete alatt folyamatos. A tápanyagok, a víz elérése megköveteli új gyökérelágazások kialakulását, a hajtások elágazva a fény felé törekednek, és „szükség szerint” leveleket vagy virágokat fejlesztenek. A növényevők és egyéb károsító hatások elől elmenekülni képtelen növények a lerágott, lelegelt, letört, leégett levelek, ágak, gyökerek helyett újabbakat tudnak növeszteni. Hogyan lehetséges ez? Úgy, hogy a növények olyan speciális sejtcsoportokat tartanak fenn, amelyek megtartják osztódó (szaporodó) képességüket. Ezek a sejtcsoportok az úgynevezett merisztémák („rügyek”). De nem csak a merisztémákban csoportosuló növényi sejtek képesek osztódni, hanem szinte bármelyik növényi sejt osztódásra bírható. Ezzel szemben a kifejlett állatok testét felépítő sejtek többsége véglegesen elveszti képességét az osztódásra. Sőt, ha valamely okból azt mégis visszaszerzi, kóros folyamatok indulnak el, melyek eredménye a rákos daganatok kialakulása, amely a sejtek közötti összhang megbontásával a szervezet pusztulását eredményezi. A növények esetében is létrejöhetnek sejtburjánzások, például sebzés, egyes kórokozók, vagy élősködők hatására (gondoljunk a „gubacsokra” például). Ez azonban a növényi szervezet egészének működésére nincs olyan drasztikus hatással, 116

mint az állatok esetében. A növények világában a „rák” nem végzetes betegség. Kutatócsoportunkban néhány olyan molekuláris folyamatot vizsgálunk, amelyek a környezeti hatások és a növényi egyedfejlődés közötti kapcsolatot biztosítják. Különösen azokra vagyunk kíváncsiak, amelyek a növények és az állatok esetében különböznek, és felelősek lehetnek a növényi egyedfejlődés rugalmasságáért. Ide tartoznak például a „receptor kináz” molekulák, amelyek a sejt környezetéből érkező jeleket a sejten belül érzékelhető és továbbítható jellé alakítják oly módon, hogy bizonyos célfehérjékre foszfor csoportot kapcsolnak, így megváltoztatva annak szerkezetét és funkcióját, illetve egyes „GTPkötő” fehérjék, amelyek molekuláris kapcsolóként ki-be kapcsolják ezeket a „kinázokat”. Egy további általunk kutatott fehérje a gének működésének szintjén hat úgy, hogy befolyásolja a gének „hozzáférhetőségét” a szabályozó faktorok számára.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ezek az ismeretek hozzájárulhatnak olyan új növényfajták nemesítéséhez (akár hagyományos akár géntechnológiai módszerekkel), melyek fokozottan képesek ellenállni a környezeti változásoknak, illetve amelyek fejlődése jobban megfelel az emberi céloknak. Az egyik általunk vizsgált fehérje szintjének mesterséges megemelése pl. rizs növényekben mintegy 15-20%-os termésnövekedést eredményezett laboratóriumi és szántóföldi kísérletekben egyaránt. Az eljárást nemzetközi szabadalom védi.

Témavezető:

Dr. Fehér Attila

MEGTERMÉKENYÍTÉS ÉS EMBRIÓFEJLŐDÉS NÖVÉNYEKBEN Az állati szervezetekben a sejtek sorsa „eleve elrendeltetett” az egyedfejlődési program által megszabott módon. Csak bizonyos, a szervezet által megkövetelt funkciók ellátására képesek. Ez alól csak néhány sejttípus a kivétel. A növények testi sejtjei azonban átprogramozhatóak. Érdekes módon, nem csak a növények helyhez kötöttek, hanem maguk a sejtjeik is. Míg az állati sejtek egy része képes arra, hogy a szervezeten belül vándorolva jusson el arra a helyre ahol működésére szükség van, illetve ahol az egyedfejlődési program szerint egy meghatározott sejttípussá kell alakulnia („differenciálódnia”), addig a növényi sejtek szilárd sejtfala megakadályoz mindenfajta helyváltoztatást. A növényi sejteknek, akár csak a növények egészének, ott kell élnie vagy halnia, ahol létrejöttek. Ezzel is magyarázható, hogy a növényi sejteknek átprogramozhatóaknak kell maradniuk. Ha a növény például sérülést szenved, a megmaradó sejteknek kell a sebzésre válaszolniuk, akár funkciójuk teljes megváltoztatásával is. Ennek talán a legközismertebb példája a dugványokkal való szaporítás. Ha egy ágat levágva vízbe, vagy nedves földbe dugunk, az ág alján lévő sejtek megváltoztatják „sorsukat”, osztódni kezdenek és „ágsejtekből” „gyökérsejtekké” válnak. Ez a példa jól szemlélteti, hogy a növények esetében a sejtek sorsa rugalmasan változtatható. Az ebben a tekintetben talán legmeggyőzőbb bizonyítékok az ún. „apomixis” illetve a „szomatikus embriogenezis”. Az állatok esetében embrió kizárólag a megtermékenyített petesejtből fejlődhet. A növényeknél nincs ilyen egyértelmű korlát. A legkülönbözőbb növénycsaládokhoz tartozó, több mint 350 növényfaj esetében írták le, hogy megtermékenyítés nélkül is képesek embriót tartalmazó magot létrehozni, amelyből utódok is fejlődnek. Ez az „apomixis” jelensége, amely tehát egyáltalán nem tekinthető ritkának a növények között. Egyes növényfajok pedig ún. „elevenszülők”, azaz testükön, pl. a leveleik szélén embriókat hoznak létre, melyek még ott növénykévé fejlődnek, majd lehullva a talajra új egyeddé válnak. Ez a testi („szomatikus”) sejtekből kiinduló embriófejlődés („embriógenezis”). Ez a jelenség sok növényfaj esetében mesterségesen kiváltható tenyésztett sejtekben. Termé-

Növénybiológia

Funkcionális Sejtbiológia Csoport

szetesen az „apomixis” és „szomatikus embriogenezis” eredményeként létrejött utódok a szülő tökéletes genetikai másolatai, azaz ezek a növények „klónozzák” önmagukat. A növényeknél a „genetikai klónozás” természetes folyamat, amit az ember is kihasznál a növények vegetatív szaporításán keresztül (lásd pl. burgonya gumó). Laboratóriumunkban azokat a molekuláris és élettani változásokat próbáljuk meg feltárni, amelyek közösek a szomatikus embriogenezis kiváltása és a megtermékenyítés között. Együttműködő partnerünk az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézete (Prof. Dr. Barnabás Beáta, Martonvásár).

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Nagyon sok termesztett növényfaj (pl. a gabonafélék) termésmennyisége a megtermékenyítés sikerességén múlik. Ezért ennek a folyamatnak a megismerése elsőrendű fontosságú. Az embriófejlődés első lépéseinek ismerete hozzájárulhat az „apomixis” molekuláris hátterének feltárásához. Az „apomixis” jelenségének kiterjesztése gazdaságilag jelentős növényfajokra lehetővé tenné a kiváló egyedek gyors felszaporítását, a fajták (hibridek) magjainak évről évre való visszavethetőségét. A „szomatikus embriogenezis” széleskörű alkalmazása hasonló előnyökkel kecsegtet a növények in vitro (kémcsőben) való felszaporításán keresztül („mesterséges mag”).

Osztódó, szomatikus embriogenezisre képes lucerna testi sejt és megtermékenyített kukorica petesejt (zigóta) morfológiai hasonlósága.

117

Növénybiológia

Funkcionális Sejtbiológia Csoport Témavezető:

Dr. Fehér Attila

A BÚZASZEM BIOLÓGIÁJA A növények termésmennyiségét az örökletes tulajdonságokon kívül a környezeti tényezők is befolyásolják. Különösen fontos a kedvezőtlen külső feltételek, így elsősorban a szárazság stressz melletti termésbiztonság. A Kárpát-medencében hirtelen beköszöntő hőség és szárazság még az ellenállóbb fajtákon is érezteti hatását. Ennek megfelelően, a biztonságos termesztés alapja a földrajzi helynek megfelelő, ellenálló fajta kiválasztása. Fontos, hogy a kalászos gabonák a különböző fejlődési fázisukban jól tűrjék a szárazságot. A búzaszemek fejlődése és tápanyag (szénhidrát, fehérje) felhalmozása („szemfeltöltődés”) szintén rendkívül stresszérzékeny folyamatok, különösen a kezdeti stádiumban. Hazánk klímája mellett a szemfejlődés a legmelegebb és legszárazabb időszakra esik, ami komoly terméscsökkenést okozhat. A virágzást követő 6-14 nap közötti periódus különösen meghatározó jelentőségű a termésmennyiség szempontjából. Ekkor olyan folyamatok játszódnak le, amelyek alapvetően befolyásolják a búzaszem tápanyagokkal való feltöltődését. Az ebben az időszakban előforduló száraz és túl meleg időjárás egyértelműen negatív hatású a fejlődő szem tápanyagraktározó képességére. A folyamat molekuláris hátterének tanulmányozása a búza esetében különösen nehéz, hiszen a búza genetikai állománya rendkívüli méretű és ráadásul ún. hexaploid növény, azaz három növényfaj genetikai állományának (genomjának) keveredése eredményeként jött létre. Ennek következtében minden génből több változat van jelen a búza genomban, amelyeknek a működése eltérő lehet. A modern ún. genomikai módszerek lehetővé teszik ma már egyszerre nagyszámú gén működésének a nyomonkövetését is. Laboratóriumunkban, az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézetével (Prof. Dr. Barnabás Beáta, Martonvásár) és a szegedi Gabonatermesztési Kht. munkatársaival (Cseuz László), ezeket a modern megközelítéseket alkalmazzuk annak a megválaszolására, hogy a környezeti tényezők (szárazság, hő) hogyan befolyásolják a búza szem fel-

118

töltődésének folyamatait. Ennek során elsősorban a keményítő szintézisben szerepet játszó enzimek génjeinek a működését vizsgáljuk a szárazságra kevésbé illetve kifejezetten érzékeny búzafajták összehasonlításával.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatásaink eredményeként olyan géneket illetve folyamatokat próbálunk feltárni, amelyek a búzák szárazságtűréséhez és a szemfeltöltődés folyamatához egyaránt kapcsolódnak. Ezzel segíteni kívánjuk a búzanemesítőket olyan új ún. „molekuláris markerek” illetve „agronómiai gének” azonosításával, amelyek lehetővé teszik a z ok na k a bú z aegyedeknek a korai kiválasztását, amelyek a szemfeltöltődés tekintetében kevésbé érzékenyek a v í z h iá n nya l és hőséggel szemben.

Különböző fejlődési periódusban alkalmazott szárazság és hőstressz együttes hatása a búzakalász fejlődésére (Barnabás Beáta és Jäger Katalin kísérlete, MTA MGKI).

Témavezető:

Dr. Gombos Zoltán Tel.: 62-599-704 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

Növényi Lipid Funkció és Szerkezet Csoport

ANIONOS (NEGATÍV TÖLTÉSŰ) LIPIDEK SZEREPE FOTOSZINTETIKUS SZERVEZETEK ÉLETFOLYAMATAIBAN Létrehoztunk foszfatidilglicerin (FG) szintézisében gátolt cianobaktérium mutánsokat. Ezekben a lipid mutánsokban tanulmányoztuk az FG fotoszintetikus folyamatokban betöltött szerepét. Eredményeink megerősítették azt, hogy a fotoszintetikus membránok egyetlen foszfáttartalmú lipidje az egyes és kettes fotokémiai rendszerekben is meghatározó szerepet játszik. Az egyes fotokémiai rendszerben az FG molekulák szerepe elsősorban szerkezeti: meghatározó jelentőségű a trimer szerkezet kialakításában. A kettes fotokémiai rendszerben az FG funkcionális szerepét mutattuk ki. Megállapítottuk, hogy a kettes fotokémiai rendszerben az elektron transzportlánc akceptor oldalán érvényesül a funkcionális jelentősége. Nélküle az energia továbbadása lelassul, és hos�szabb FG kiürülés esetén gátolt. Ez a gátlás együtt jár a cianobaktérium sejtek fénnyel szembeni érzékenységének növekedésével. Ezekkel a méréseinkkel a fény és alacsony hőmérséklet stresszek molekuláris szintű folyamatait szeretnénk felderíteni. Ez a cianobakteriális modell a magasabb rendű növények stresszfiziológiájának megértését teszi lehetővé.

Az egyes fotokémiai reakció centrumok trimer szerkezete FG hiányában monomer szerkezetűvé alakul.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Újabban az FG cianobakteriális sejtosztódásában betöltött szerepét ig yekszünk meghatározni, és ezen az úton továbbhaladva igyekszünk felderíteni a lipidek szerepét a kloroplasztisz osztódásában. Kimutattuk, hogy az osztódási gyűrű kialakításában az FG-nek meghatározó szerepe van. A fehérje lipid kölcsönhatások sejtfunkciókban betöltött jelentőségét vizsgáljuk.

119

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Kis Mihály


BIODÍZEL ELŐÁLLÍTÁS ALGÁK SEGÍTSÉGÉVEL A modern civilizációk jelenleg szinte teljesen a fos�szilis eredetű (szén, kőolaj, földgáz) energiahordozók elégetéséből származó energiától függenek. Ezek mennyisége azonban véges, és ráadásul az elégetés során felszabaduló gázok, legnagyobb mennyiségben a szén-dioxid, a levegőbe kerülve fokozzák a földi légkör üvegházhatását. A legáltalánosabban elfogadott vélemény szerint nagyrészt ez a felelős a globális felmelegedésért. A problémára a megújuló energiaforrások növekvő mértékű felhasználása lehet az egyik válasz. Megújulónak nevezzük azokat az energiaforrásokat, amelyek folyamatosan rendelkezésre állnak, vagy belátható időn belül újratermelődnek. A fotoszintetizáló élőlények a nap energiájának felhasználásával, széndioxidból és vízből szerves anyagokat állítanak elő. A mikroszkopikus méretű algák is ilyenek. Ráadásul egyes típusaikban az előállított szerves anyag egy jelentős része olyan olaj, mely biodízelként használható.

120

A Balatoni Limnológiai Kutatóintézet kutatóival együttműködve elsősorban magyarországi algákat gyűjtünk, és megvizsgáljuk olajtartalmukat. A tenyésztési körülmények optimalizálásával, valamint anyagcseréjük módosításával gyorsan növő nagy olajtartalmú törzseket hozunk létre.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Nagy teljesítményű fermentorokat kifejlesztve, és azokban a biodízel termelésére képes algákat nagy mennyiségben tenyésztve, a többi bioüzemanyaggal versenyképes termék állítható elő. Tovább növelheti a gazdaságosságot, ha a fosszilis energia-hordozók elégetése során keletkező széndioxidot használjuk fel a tenyésztés során. Ez egyúttal csökkenti a környezetbe kerülő legveszélyesebb üvegházhatású gáz mennyiségét is, ami a környezet megóvása szempontjából kiemelkedően fontos.

Témavezető:

Dr. Kis Mihály

A GABONAFÉLÉK FAGYÁLLÓSÁGÁNAK NÖVELÉSE A búza az emberiség legfontosabb kultúrnövénye, a világon a legnagyobb területen termesztett gabonaféle. Az élelmezésben játszott kiemelkedő szerepével csak a rizs vetélkedhet. Élelmiszerként legnagyobbrészt kenyeret készítenek belőle. A búzakenyér még ma is a magyarság alapvető élelmiszere. Ezért is olyan jelentős ágazata mezőgazdaságunknak a búzatermesztés, amelynek mindenki által elvárt feladata, hogy a hazai termelés biztosítsa a hazai kenyérgabona-szükségletet. Magyarország búza-vetésterületén majdnem kizárólagosan őszi búzát termesztenek. Ennek oka, hogy nálunk a kontinentális éghajlat következtében az őszi gabonafélék 15-25%-kal többet teremnek a tavasziaknál. Ráadásul termesztésük nemcsak gazdaságosabb, hanem környezetkímélőbb is. Azonban a növényeknek képeseknek kell lenniük elviselni a tél viszontagságait amelyek közül az egyik legveszélyesebb a fagypont alatti hőmérséklet. Sok mérsékelt égövi növényfaj fagytűrő képessége megnövekszik alacsony, de fagypont feletti hőmérséklet hatására. Ezt a jelenséget hidegedződésnek hívjuk. Az edződés folyamatának megismerése igen fontos, mert e tudás birtokában feltehetően növelhető a mezőgazdasági szempontból fontos növények fagyállósága. Fagytűrésükben központi szerepe van a sejtmembránoknak és különösen a plazmamembránnak. A csökkenő hőmérséklet veszélyezteti a membránok szerkezetét és működőképességét. Védekezésül a

Növénybiológia


növények a hidegedződés során megváltoztatják membránjaik lipidösszetételét. Ez magában foglalja egyes lipidek lebontását, valamint mások szintézisét és membránba építését is. Az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézetében, Martonvásáron, a fagyállóság kutatása több mint 20-éves múltra tekint vissza. Csoportunk, az MTA SZBK Növényélettani intézetében alakult Növényi Lipid Funkció és Szerkezet Csoport a növényeket érő káros környezeti hatások által kiváltott membránszerkezeti változások vizsgálatában szerzett gyakorlatot. A két intézet együttműködésében célunk, hogy feltárjuk a lipidek anyagcseréjének a fagyállóságban betöltött szerepét. A következő kérdésekre keressük a választ: – a hidegedződés során megváltozott lipidösszetétel hogyan hat a membránok szerkezetére? – a megváltozott szerkezet hogyan befolyásolja működésének hőmérséklet függését?

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk a lipidanyagcserében szerepet játszó új gének felfedezése és jellemzése. Az azonosított gének a későbbiek során lehetővé tehetik a fagyállóság növelését a molekuláris genetika eszköztárának alkalmazásával. A gének térképezése segítheti a nemesítést a kívánt gének tervezhető átvitelével.

121

Növénybiológia

Arabidopsis Molekuláris Genetikai Csoport Témavezetők:

Dr. Szabados László Tel.: 62-599-715 E-mail: [email protected]

Dr. Ábrahám Edit


A PROLIN ÉS A NÖVÉNYEK SZÁRAZSÁGTŰRÉSE A szárazság és a szikesedés prolin felhalmozódást eredményez a virágos növényekben. Az elmúlt évek során izoláltuk a prolin bioszintézisét meghatározó P5CS1 és P5CS2 géneket, és tanulmányoztuk a génműködés szabályozásának különböző aspektusait. Megállapítottuk, hogy a két P5CS gén meglehetősen eltérő szabályozás alatt áll. A P5CS1 gén aktivitása a szárazság vagy só stressz során sokszorosára nő, és ezt az indukciót többféle növényi hormon, például az abszcizinsav (ABA) befolyásolja. A P5CS2 gén működése inkább folyamatos jellegű, de bizonyos bakteriális fertőzésekre magasabb lesz a szintje. A normális génműködést megakadályozó mutánsok segítségével bebizonyítottuk, hogy a P5CS1 gén jelenléte elengedhetetlen a szárazság során megfigyelhető prolin felhalmozódásához, míg a P5CS2 gén a normális életműködéshez elengedhetetlen, mivel mutációja az embriók, illetve a fejlődő magvak elpusztulásához vezet. A p5cs1 mutánsok szárazság és só érzékenyek, fokozott sejtkárosodás jellemző rájuk. A prolin felhalmozódás tehát igen fontos a megfelelő szárazságtűrés, illetve a szikes talajokon a növény túlélése szempontjából. A mutánsok mellett olyan növényeket is létrehoztunk, amelyekben a prolin koncentrációja magasabb a normális növényeknél. Az ilyen növények némileg megnövekedett só és szárazság ellenállóképességet mutattak. Egy zöld fluoreszcenciát mutató, mikroszkópban megfigyelhető fehérjét (GFP) kapcsoltunk a P5CS fehérjékhez, és ezek segítségével kimutattuk, hogy a P5CS fehérjék jelen vannak a gyökérben, levélben, virágban illetve az embriókban is. A levél sejtekben

122

mindkét fehérje elsősorban a citoplazmában látható, de a sejten belül a sejt állapotától függően vándorolnak a citoplazma és a zöld kloroplasztiszok között.

A prolin bioszintézist szabályozó, zöld fluoreszcens proteinnel (GFP) jelölt P5CS enzimek felhalmozódása a virágbimbóban, virágban, portokban és embrióban.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célzottan megemelt, és megfelelő módon szabályozott prolin felhalmozódás a só és szárazságtűrés növekedését eredményezheti. Ehhez mind a bioszintetikus, mind a lebomlást szabályozó géneket, enzimeket módosítani kell, és lehetővé tenni, hogy csak megfelelő körülmények között kapcsoljon be a prolin felhalmozó biokémiai mechanizmus.

Témavezető:

Dr. Szabados László

ÚJ MÓDSZEREK A SÓ ÉS SZÁRAZSÁGTŰRÉST BEFOLYÁSOLÓ GÉNEK AZONOSÍTÁSÁRA A munkánk célja olyan, eddig még nem, vagy kevésbé ismert stressz gének azonosítása, amelyek valamilyen módon szabályozzák a szárazság és só (szikesedés) tűrést. Egy új molekuláris genetikai módszert dolgoztunk ki, amellyel véletlenszerűen nagyszámú gént tudunk egyik növényből a másikba vinni, és tesztelni. Megnövekedett só rezisztenciát vagy szárazságtűrést mutató növényekből molekuláris módszerekkel izoláljuk a stressz géneket, és ezeket többféle növény fajban újra teszteljük. A módszer lehetőséget ad arra is, hogy szárazságűrő vagy magas sótűréssel rendelkező növény fajokban találjuk meg azokat a kivételesen fontos géneket, amik ezen fajok stressztűréséhez elengedhetetlenek. Ilyen például a sziki zsázsa nevű, az alföldi szikeseken élő keresztes virágú növény, vagy a Thellungiella nevű, Kínából származó növény, ami az eddig ismert legmagasabb szintű sótűréssel rendelkezik, ugyanakkor a repce és a káposztafélék rokona. A munkánk eredményeként több olyan stressz gént izoláltunk, amelyek egyértelműen fontosak a só ellenállóképesség szempontjából, illetve az abszcizinsav (ABA) érzékenység módosítása révén a szárazságtűrést is befolyásolják. Új, eddig nem jellemzett vagy alig ismert, génműködést szabályozó faktorokat, hősokk fehérjét vagy a jelátvitelben fontos szabályozó funkciókat betöltő fehérjéket kódoló géneket találtunk. Ezeknek a géneknek a tesztelését jelenleg az Arabidopsis (lúdfű) modellnövényen végezzük. Reményeink szerint az alkalmazott módszerrel sikerül olyan Thellungiella, esetleg más fajokból származó géneket is azonosítani, amelyek segítenek a só és más környezeti stresszhez való alkalmazkodó képesség javításában.

Növénybiológia

Arabidopsis Molekuláris Genetikai Csoport

Magas só jelenlétében növekedő, só rezisztenciát mutató Arabidopsis csíranövény a vad típusú, átlagos érzékenységgel rendelkező, kifehéredett és elpusztult csíranövények között.

A só rezisztenciát egy eddig ismeretlen működésű transzkripciós faktor okozza, amit laboratóriumunkban azonosítottunk

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az olajrepce (Brassica oleracea) közeli rokona az Arabidopsis és a Thellungiella fajoknak. Ezért a modellként alkalmazott növényfajokon kapott kutatási eredmények jó eséllyel alkalmazhatók a repce nemesítésénél. A jellemzett Arabidopsis és Thellungiella stressz gének repcében történő tesztelése fontos gyakorlati felhasználást eredményezhet: azok a gének, amelyek egy modell fajban segítik a környezeti stresszel szembeni ellenállóképességet, valószínűleg a termesztett rokon növényfaj stressz toleranciáját is megnövelik.

Stressztűrő, illetve modell növényből származó gének felhasználása a repce stressztűrő képességének javítása céljából.

123

Növénybiológia

Arabidopsis Molekuláris Genetikai Csoport Témavezetők:

Dr. Szabados László Tel.: 62-599-715 E-mail: [email protected]

Zsigmond Laura


A MITOKONDRIÁLIS FOLYAMATOK SZEREPE NÖVÉNYI STRESSZ REAKCIÓKBAN A korábbi T-DNS inszerciós mutagenezis programunk során azonosítottunk egy lassú növekedésű mutánst, amiben az inszerció egy PPR domén fehérjét kódoló génbe épült be. A mutáns megnövekedett érzékenységet mutatott só és ozmotikus stresszre, valamint hiperszenzitív volt ABA kezelésre is. A megnövekedett H 2 O2 és prolin tartalom, valamint a lipid peroxidáció szintjének megnövekedése arra utal, hogy a mutáció a stresszválaszt befolyásoló szabályozási rendszert változtatja meg. A gén által kódolt fehérjét a mitokondriumban sikerült lokalizálni. Kimutattuk, hogy a fehérje a légzési lánc III. komplexéhez kapcsolódik. A mutánsban a légzés hatékonysága 40%-ra esett vissza, valószínüleg ezzel kapcsolatos a megnövekedett reaktív oxigén termelés és környezeti stresszre való érzékenység. Kutatásainkat a mitokondriális légzés és oxidatív

124

foszforiláció, valamint a stresszválasz és ABA szabályozás kapcsolatának további vizsgálatával kívánjuk folytatni.

A vadtípusú, PPR fehérjét hordozó Arabidopsis (Col-0) és egy PPR fehérjét túltermelő, megemelt stressz toleranciával rendelkező vonal összehasonlító (Col/BC7) csírázási tesztje.

Dr. Cséplő Ágnes

Témavezetők:


Rigó Gábor


Növénybiológia

Arabidopsis Molekuláris Genetikai Csoport

Dr. Szabados László

AZ SNRK2 ÉS CRK TÍPUSÚ KINÁZOK SZEREPE A STRESSZ REAKCIÓK SZABÁLYOZÁSÁBAN A fehérje foszforiláció a poszt transzlációs szabályozás, illetve jelátvitel fontos eleme. Csoportunkban az elmúlt években részletesen tanulmányoztuk a CDPK kinázokhoz közeli CRK típusú kinázok működését, mivel a géncsoport által kódolt egyik kinázt a cukor és ABA jelátvitelben, valamint fehérje lebontásban fontos szerepet játszó PRL1 fehérje kölcsönható partnereként azonosítottuk. Az inszerciós mutánsok analízise révén kiderült, hogy a CRK5 kináz nem csak a stressz jelátvitelben, hanem valószínűleg a geotrópikus válasz szabályozásában is résztvesz. A SNF1 típusú 2. csoportba tartozó protein kinázok (SnRK2) több tagja a környezeti stresszválasz szabályozásában vesz részt. Egy összehasonlító vizsgálat keretében T-DNS inszerciós mutánsokat azonosítottunk az összes SnRK2 génre, és elvégeztük a mutánsok előzetes

morfológiai vizsgálatát. A már ismert ost1 mutáns mellett több mutánsról derült ki, hogy bizonyos fokú ABA vagy stressz érzékenységet mutatnak. Az eddig nem jellemzett SnRK2.10 gén mutációja például enyhe ABA érzékenységgel járt. További vizsgálataink a kinázok szubsztrátjainak azonosítására illetve a sejten belüli lokalizáció meghatározására irányulnak.

A CRK5 protein lokalizálása Arabidopsis gyökércsúcsban

125

Növénybiológia

Magyar – Német Stresszgenomikai Laboratórium

Témavezető:

Dr. Törjék Ottó Tel.: 62-599-723 E-mail: [email protected]

SZÁRAZSÁGTŰRÉSBEN SZEREPET JÁTSZÓ GÉNJELÖLTEK ASSZOCIÁCIÓS (ALLÉL-TÁRSULÁS) VIZSGÁLATA ÁRPÁBAN Magyarországon rendszerint a szemtelítődés idején jelentkező szárazság okozza a legnagyobb terméskiesést gabonafélékben. Az árpatermesztésben nagy termőképességű és egyben szárazságtűrő fajták nemesítésével lehet az aszálykárokat legsikeresebben enyhíteni. Ennek előfeltétele a szárazságtűrésben szerepet játszó számos genetikai faktor és a természetes populációkban meglévő génvariánsainak ismerete. Az utóbbi évtizedben génexpressziós kísérletekben, mennyiségi jellegek térképezésével, valamint ismert abiotikus stresszválaszban szerepet játszó jelátviteli gének vizsgálatával több árpa-szárazságtűrésben potenciálisan szerepet játszó génjelöltet azonosítottak. Kutatásunk központi feladata ezeknek az irodalomból és a Szegedi Biológiai Központban korábban elvégzett vizsgálatokból ismert szárazságtűréssel kapcsolatos génjelöltek asszociációs vizsgálata. A vizsgálatokhoz ismert szárazságtűrő és szárazságra érzékeny genotípusokat tartalmazó populációt állítunk össze. A génvariánsok (haplotípusok) elkülönítésére az ún. EcoTILLING módszert használjuk, amely lehetővé teszi a vizsgált génjelöltek szekvenciáiban előforduló különbségek kimutatását. A szárazságtűréssel kapcsolatos morfológiai és fiziológiai tulajdonságokat üvegházban, kontroll (70%-os vízellátás virágzástól a betakarításig) és stresszelt (30%-os vízellátás virágzástól a betakarításig) körülmények

126

között stresszmonitorozó rendszer segítségével követjük. A genotípusos és fenotípusos adatok asszociációs tesztekkel történő kiértékelésével funkcionális génvariánsok azonosíthatók.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az eredményes vizsgálatok lehetővé teszik a szárazságtűréssel kapcsolatos génjelöltek és génvariánsaik jellemzését. Az azonosított funkcionális génvariánsok közvetlenül felhasználhatók az árpafajták szárazságtűrésének javítására.

EcoTILLING vizsgálattal azonosított génvariánsok.

A 36 különböző genotípust tartalmazó populációban 6 különböző haplotípus különíthető el.

Központi Laboratóriumok 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

Központi laboratóriumok

SZBK

127


Funkcionális Genomika Csoport

Témavezető:

Dr. Puskás László Tel.: 62-599-782 E-mail: [email protected]

FEHÉRJECSIPEK Munkánk során olyan fehérje microarrayeket, vagy más néven fehérjecsipeket használtunk, illetve fejlesztettünk ki, amelyek különböző antitesteket tartalmaztak felülethez rögzítve. Az antitest microarrayek során a szilárd hordozóhoz kötött antitestek „fogják ki” a vizsgált mintából preparált, majd fluoreszcensen jelölt fehérjéket. Ezzel a technikával lehetőség nyílik egyrész több száz különböző fehérje kifejeződésének vizsgálatára, másrészt több fehérje másodlagos módosításainak elemzésére is. Egy fehérjecsip tulajdonképpen több száz Westernblot (illetve dot-blot) kísérletnek felel meg. A fehérjecsipek kel különböző tüdőtumorok (nem kis-sejtes tüdőkarcinóma, 1. és 2. stádiumok) proteomikai jellemzését végeztük el forgalomban lévő szignáltranszdukciós csippel. A fehérjék teljes kinyerését a leírt protokollok alapján végeztük el, azonban a jelölést optimalizáltuk. Ezzel a módosítással lehetőség van kisebb fehérjemennyiség jelölésére, és annak fehérjecsipes elemzésére is. A jelölt fehérjéket a gyári lemezen inkubáltuk, mostuk, szárítottuk. A konfokális lézerszkennerrel történő leolvasás után kapott képet a mellékelt ábra szemlélteti. Mivel a gyári csipek csak korlátozott számú fehérjének az analízisét teszik lehetővé, célzott szűrést nem tudunk végrehajtani és a magas költségek miatt csak kis számú minta analízisére van mód, ezért szükség van saját gyártókapacitás létrehozására. Ehhez első lépésben a fehérjecsipek gyártásának körülményeit kellett optimalizálnunk.

128

Sikerült a körülményeket úgy beállítanunk (megfelelő szilárd hordozó, mintafelvevő puffer, pára és hőmérséklet optimális megválasztásával), hogy már viszonylag kis mennyiségű fehérjék analízisét is el tudtuk végezni az általunk létrehozott fehérjecsippel. Monoklonális és poliklonális antitestek kikötését és kötőképességét is teszteltük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérjecsipek alkalmazásának legnagyobb korlátja a rendelkezésre álló jó minőségű és nagy számú antitest. Mivel az alaptechnika (a fehérjecsipek készítése) és a hozzátartozó know-how rendelkezésünkre áll a megfelelő műszerekkel (csipkészítő robot, csipleolvasó lézerszkenner) együtt, a továbbfejlesztés az antitestek beszerzése és jellemzése lenne. Felhasználási terület: alapkutatás molekuláris biológiai laboratóriumok számára, diagnosztikai alkalmazás k linikák számára, diagnosztikai és kutatási alkalmazás gyógyszerkutató gyárak és cégek számára.

Témavezető:

Dr. Medzihradszky F. Katalin Tel.: 62-599-773 E-mail: [email protected],

FEHÉRJE-ANALITIKA tÖMEGSPEKTROMETRIÁVAL A proteomika az eg y ik legizga lmasabb és legdinamikusabban fejlődő kutatási terület napjainkban. Miután a befejezett genom-szekvenciák rengeteg kérdésre nem adtak választ, világszerte gomba mód r a sz aporod na k a jól fel sz erelt proteomikai központok, amelyek a legkülönbözőbb módszerekkel frakcionált, tisztított fehérjék analízisével remélnek választ adni olyan fontos kérdésekre, mint pl. milyen fehérjék, milyen mennyiségben, milyen poszt-transzlációs módosításokkal vannak jelen bizonyos sejtekben; egy adott sejtben bizonyos fázisokban; mely fehérjék képeznek együttműködő hálózatot, és ezek kölcsönhatása hogyan szabályozott stb. Ennek a kutatásnak egyik legfontosabb eszköze a tömegspektrometria, amely épp úgy alkalmas nag y érzékenységű fehérjeazonosításra, mint de novo szekvenálásra, poszt-transzlációs módosítások jellemzésére, kovalens jelölések helyének és kémiai szerkezetének meghatározására, és így pl. egy fehérje térszerkezetének feltárására is. A biológiai mintaelőkészítést eg yüttműködő


Proteomikai Kutatócsoport

partnereink végzik, a mi feladatunk az analitikai mintaelőkészítés, a tömegspektrometriai mérések és az adatok kiértékelése. Természetesen foglalkozunk 1D- vagy 2D-gélelektroforézissel frakcionált fehérjék azonosításával. Számos hazai kutatócsoport számára biztosítjuk a szükséges proteomikai hátteret. Dolgozunk diszulfid-hidak, proteolitikus hasítási helyek, foszforiláció és ubiquitinálás jellemzésén is. Továbbá O-hez kötött cukrot tartalmazó glikopeptidek szelektív dúsítását szeretnénk megvalósítani.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatásaink során egy MALDI-TOF és egy QTOF tömegspektrométert használhatunk a Szegedi Egyetem kutatóival közösen. Ez a felállás lehetővé teszi egyszerűbb rendszerek fentebb vázolt jellemzését. A rendelkezésünkre álló műszerpark bővítése elengedhetetlen nagyobb volumenű és változatosságú proteomikai projektek bevezetéséhez.

129


Bioinformatikai Csoport

Témavezető:

Dr. Pongor Sándor Tel.: 62-599-783 E-mail: [email protected]

MOLEKULÁRIS HÁLÓZATOK STABILITÁSA A modern biológiát az óriási adatmennyiség jellemzi. Egyes kísérletekben, például gyógyszermolekulák tesztelésénél, baktériumok vagy növényfajok jellemzésekor olyan hatalmas adatmennyiség keletkezik, hogy a nehézséget egyre inkább az adatok értelmezése jelenti. Csoportunk új, általánosítható tudásábrázolási módszereket kutat, amelyekkel az adatok jobban érthetővé válnak, mind a kutatás, mind az innováció számára. A kísérleti adatok ábrázolásának legáltalánosabb formája a hálózat, melyben az alkotóelemeket és a köz-

tük lévő viszonylatokat grafikusan, pontokkal vonalakkal ábrázoljuk. Ilyen ábrázolás a vegyületek szerkezeti képlete, vagy a teljes genomok szabályozási hálózata.. A hálózatok megzavarhatóságának, sebezhetőségének vizsgálata a gyógyszerek, hatóanyagok alkalmazási stratégiáinak elméleti modellje. A természetben található szabályzási hálózatok igen sebezhetők többpontos gyenge támadásokkal, ami egyértelműen a több, enyhe hatóanyagot alkalmazó kezelések előnyeit mutatja, szemben például az egyetlen, hatóanyagot alkalmazó kezelésekkel.

MOLEKULÁRIS HÁLÓZATOK EVOLÚCIÓJA Foglalkozunk a stabilis hálózatok evolúciójával, ami a modern szervezetek szabályozási hálózatainak általános tulajdonságaira kíván választ adni. Kifejlesztettük a hálózatok evolúciójának matematikai modelljét, amellyel modellezhető a hálózatoknak különböző külső hatásokhoz való alkalmazkodása. A legtöbb biológiai folyamatot – a gének bein130

dítását, a DNS lemásolását - molekuláris komplexek irányítják. Ezek fizikai értelemben igen labilisak, hatásukat mégis nagy pontossággal tudják kifejteni mind térben, mind időben. Modellezzük azokat a folyamatokat, ahogy ezek a molekuláris együttesek felépülnek, hogy ezáltal választ kapjunk egyrészt a mechanizmus stabilitásának okaira, másrészt a gyógyszeres beavatkozási stratégiák lehetőségeire.

Témavezető:

Dr. Hegedűs Zoltán Tel.: 62-599-766 E-mail: [email protected]

GÉNCSALÁDOK FUNKCIONÁLIS ANNOTÁCIÓJA Napjainkban a nagykapacitású molekuláris biológiai kísérleti technikák egyre általánosabbá váló alkalmazása hatalmas mennyiségű feldolgozatlan adat felhalmozódásához vezetett a különféle biológiai adatbázisokban. A csoport hosszabb ideje foglalkozik olyan metódusok, bioinformatikai adatfeldolgozási és adatbányászati munkafolyamatok ki-



fejlesztésével, amelyek különböző géncsaládok szisztematikus bioinformatikai jellemzésére alkalmasak. Az új adatfeldolgozási sémák felhasználásával az elmúlt időszakban értékes új információkat sikerült kinyerni a gyulladásos folyamatokban fontos szerepet játszó Tribbles molekula család evolúciójával és molekuláris működésével kapcsolatban.

Genom-informatika A csoport munkatársai a Szegedi Egyetem Genetika Tanszékével és a Zenon Bio Kft.-vel közösen részt vesznek egy, az Európai Unió 6. keretprogramjához tartózó pályázat keretében, a biológiai kutatás szempontjából nagyon fontos modellorganizmus, a zebrahal genomikai vizsgálatában. A kutatás célja, hogy azonosításra kerüljenek azok a

gének, melyek szerepet játszhatnak a rákos folyamatok, illetve az ellenük kialakuló immunválasz folyamataiban. Tevékenységünk során létrehozunk egy olyan komplex adatháztartási rendszert, mely alkalmas a vizsgálatok során összegyűjtött genomikai adatok tárolására és bioinformatikai kiértékelésére. 131

Központi laboratóriumok 132


Témavezető:

Dr. Hegedűs Zoltán

ÁLTALÁNOS BIOINFORMATIKAI SZOLGÁLTATÁSOK Csoportunk kialakította, fenntartja, és folyamatosan fejleszti a több száz olda las BRC BioNet intranetes portált (http://bionet.brc.hu), amely szerteágazó szakmai szolgáltatásaival a Szegedi Biológiai Központban dolgozó kutatóknak megteremti a labormunkát kiegészítő elengedhetetlen informatikai munkakörnyezetet. A portál a biológiai jellegű K + F tevékenység során nélkülözhetetlen szakmai információk és szolgáltatások gyűjteménye. Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül felsorolunk néhányat a BRC BioNet szakmai szolgáltatásai közül:

• az intézet által előfizetett on-line tudományos folyóiratok elérése • automatizált kulcsszavas irodalomfigyelő szolgáltatás • belső intézeti citációs adatbázis • helyi telepítésű biológiai adatbázisok • helyi HTML felszínen elérhető bioinformatikai szoftverek gyűjteménye • több ezer, a biológiai K + F tevékenység számára hasznos internetes link gyűjteménye • több száz, a biológiai K + F tevékenységgel kapcsolatos szakmai információkat tartalmazó HTML dokumentum gyűjteménye.

Témavezető:

Dr. Ferhan Ayaydin Tel.: 62-599-600/528 E-mail: [email protected]

MIKROSZKÓPOS KÉPFELDOLGOZÁS ÉS A SEJTOSZTÓDÁS MIKROSZKÓPOS ELEMZÉSE Egyetlen kép, tartja a mondás, ezer szóval felér. Az új mikroszkópiás technikák kifejlesztésének köszönhetően napjaink biológiai és orvosi kutatása egyre inkább függővé vált a mikroszkópos képanalízistől. Ezek a technikák lehetővé teszik szinte bármelyik molekula, annak specifikus jelölése mellett, funkciójának közvetlen analízisét élő sejtekben, élőlényekben. Mindezen új fejlesztések egyedi módon teszik lehetővé az alapvető sejtfolyamatok bonyolult tér-idő dinamikájának direkt megjelenítését és vizsgálatát. Laboratóriumunk egyik célja, hogy a legújabb optikai képalkotó technikák bevezetésével, valamint azok továbbfejlesztésével lehetővé tegye magunk és mások számára a komplex sejtbeli és sejtek közötti rendeződések és folyamatok megértését és vizsgálatát. Mikroszkópos Sejtanalízis Laboratóriumunkban csúcstechnológia: lézer-pásztázó konfokális mikroszkóp, fluoreszcens sztereo mikroszkóp és valósidejű élősejt-analízist lehetővé tevő mikroszkópos állomás található. Ezekkel a modern műszerekkel például háromdimenziós fehérje lokalizációt és mobilitás vizsgálatot, valamint időbeli dinamikai analízist végezhetünk élő sejtekben, szövetekben, szervekben. A biológiai és orvosi alkalmazások mellett, a lézer-pásztázó mikroszkópiának ipari alkalmazásai is vannak, mint például a mikroelektromechanikai rendszerek vizsgálata, meghibásodás illetve hajszálrepedések tesztelése, ellenőrzése, valamint, számos alkalmazhatósága van az anyagtudományok terén. Laboratóriumunk egyik speciális kutatási területe a sejtosztódásban résztvevő fehérjék


Mikroszkópos Sejtanalízis Laboratórium

funkcionális analízise mind humán rákos sejtekben, mind növényi tumor-szerű kallusz szövetekben. A humán ráksejtekben egy SUMO (small ubiquitin-related modifier) nevű fehérje szerepét kutatjuk. Különösen érdekes számunkra a rákos áttételek kialakulásában játszott szerepük vizsgálata.

Humán SUMO1 dinamikus analízise osztódás közben

Laboratóriumunk számos kollaborációban is részt vesz kutatócsoportokkal, illetve cégekkel, különböző témákban. Az állati eredetű szöveteken kívül laboratóriumunknak tapasztalata van növényi eredetű szövet vizsgálatában is. Ezen témák közül megemlítendő a retinoblasztoma-rokon fehérjék funkcionális analízise, és a P5CS Arabidopsis fehérjék vizsgálata stresszválasz során.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A rendelkezésünkre álló új képalkotó technikákkal és modern mikroszkópos berendezésünkkel eddig nem látható részleteket és folyamatokat tehetünk láthatóvá és érthetünk meg. Nemcsak a biológia és orvostudomány területén, hanem az ipar és gyógyszerfejlesztésben is számos területen alkalmazhatóak.

133

Spin-off cégek 134

Az SZBK-hoz kötődő spin-off vállalkozások

Vállalat megnevezése

Kapcsolattartó megnevezése

Acheuron Hungary Kft.

Dr. Oláh Zoltán

AVICOR Kft.

Dr. Puskás László

AVIDIN Kft.


BIOCENTER Kft.

Ábrahám Tamás

Biochip Bt.

Dr. Ormos Pál

Biofotonika Kft.

Dr. Garab Győző

Creative Labor Kft.

Dr. Tubak Vilmos

Delta Bio 2000 Kft.

Dr. Haracska Lajos

LipidArt Kft.

Dr. Török Zsolt, Dr. Vígh László

MUSGENEX Kft.

Dr. Oláh Zoltán

Planta Cosmetix Kft.

Dr. Horváth V. Gábor, Dr. Dudits Dénes

TRANSMENTIX Kft.


T-sejt Kft.

Dr. Tubak Vilmos, Dr. Monostori Éva

Impresszum

Az SZBK megközelíthetősége: Debrecen

Budapest

47

5

Koss u

th La

jos su

gárú

t

Ko s

su

th L

ajo

ug

ár

út rta Be lan

55

Be lvá ro

íd

Liget

Temes

si h

vári kö rút

híd

Baja

ss

SZBK

Tis z

a

De

rko vit s fa

so

Tisza

Belgrád

r

5

Újszeged

Szeged

Arad

Tisz a

43

Első kiadás, 2007 A kiadásért felel: Páy Anikó és Csordás-Tóth Éva Telefon: 62/599-600 Email: [email protected] Tervezés: http://www.edomo.hu [email protected] Nyomtatta: Juhász Nyomda, Szeged

135

Jegyzetek 136

Jegyzetek

Tartalomjegyzék. Információ...2 Ajánlás...3 Igazgatók...4 Tudományos titkárság...6

Recommend Documents