Nové poznatky o struktuře komplexu FOXO4: p53 – klíčového faktoru v regulaci stárnutí buněk (22.4. 2022)

NOVÁ PUBLIKACE

Transkripční faktor p53 brání tomu, aby se vlivem stresu staly z normálních buněk buňky nádorové. Za stresových podmínek p53 interaguje s dalším transkripčním faktorem FOXO4 (Forkhead box O 4) a společně pak zvyšují produkci proteinu p21, což spouští proces stárnutí buňky (senescenci). Molekulární mechanismus zvyšování transkripce p21 je však stále nejasný. V práci  publikované v časopise Protein Science vědecké týmy Dr. Obšilové (FGÚ AV ČR), prof. Obšila (PřF UK a FGÚ AV ČR) a jejich kolegů z ÚOCHB AV ČR charakterizovali vzájemné interakce proteinů p53 a FOXO4 na molekulární úrovni. Nové poznatky o struktuře komplexu naleznou využití při vývoji specifických inhibitorů interakce mezi oběma proteiny, a následně pak při vývoji nových léčiv zaměřených na selektivní eliminaci senescentních buněk.

V této strukturní studii vědci provedli podrobnou charakterizaci interakcí v komplexu FOXO4:p53 pomocí integrovaného přístupu zahrnujícího analytickou ultracentrifugaci, nukleární magnetickou rezonanci a chemické zesítění spojené s hmotnostní spektrometrií. Protože FOXO4 i p53 mají více domén (viz. obrázek), studovali roli jednotlivých domén a neuspořádaných segmentů obou proteinů a zmapovali jejich interakční rozhraní. Zjistili, že zcela zásadní pro celkovou stabilitu komplexu p53:FOXO4 je interakce mezi transaktivační doménou TAD p53 a Forkhead doménou FOXO4. Na tvorbě komplexu se dále podílejí kontakty zahrnující N-koncový neuspořádaný segment FOXO4, C-koncovou negativní regulační doménu p53 a DNA-vazebné domény obou proteinů. Měřením vazby na DNA dále zjistili, že tvorba komplexu p53:FOXO4 blokuje vazbu p53 na DNA, aniž by však ovlivnila DNA-vazebné vlastnosti FOXO4.

Vlevo, analýza interakce mezi FOXO4 a p53 pomocí analytické ultracentrifugace, metodou sedimentační rychlosti. Uprostřed, změny v chemických posunech 15N-značeného FOXO4 v přítomnosti p53 získané z 1H-15N HSQC spekter namapované na krystalovou strukturu komplexu FOXO4 DBD:DNA. Vpravo, měření změn anisotropie fluorescence ukazující, že tvorba komplexu inhibuje vazbu p53 na DNA.

Mandal R, Kohoutova K, Petrvalska O, Horvath M, Srb P, Veverka V, Obsilova V and Obsil T. FOXO4 interacts with p53 TAD and CRD and inhibits its binding to DNA. Protein Sci. roč. 31, č. 5 (2022), č. článku e4287. IF = 6.725. DOI

Metabolomický atlas myši (14.1. 2022)

NOVÁ PUBLIKACE

Orální glukózový toleranční test (OGTT) je nejběžněji používaným nástrojem na diagnostiku cukrovky z kapky krve. Pomocí něj můžeme sledovat schopnost organismu snížit hladinu cirkulující glukózy, která byla podána nalačno. Přestože jsou dynamické změny hladiny glukózy v krvi během OGTT dobře známy, málo se ví o metabolických změnách v cílových orgánech nebo o jejich vzájemné komunikaci. V naší studii jsme zkoumali, co se děje s molekulami cukru v jednotlivých orgánech a jak cukr ovlivňuje metabolické dráhy v těle. Proto jsme na myším modelu provedli OGTT s využitím glukózy značené stabilním izotopem uhlíku (13C), analyzovali jsme distribuci 13C6-glukózy v tkáních a sledovali časové profily metabolitů a lipidů napříč 12 orgány a v plasmě. Zjistili jsme, že se během OGTT využití glukózy zapíná na úrovni jednotlivých orgánů se specifickou kinetikou, ale substráty hladovění, jako je β-hydroxybutyrát, jsou “vypnuty” ve všech orgánech najednou. Časové profily 13C značených mastných kyselin a triacylglycerolů v tkáních naznačují, že se hnědá tuková tkáň může výrazně podílet na hladinách cirkulujících mastných kyselin paradoxně v momentě, kdy jsou hodnoty glukózy v plazmě nejvyšší. Vytvořili jsme virtuální interaktivní atlas metabolitů (cukrů, aminokyselin, lipidů..), který popisuje vzájemné vztahy mezi orgány po požití dávky cukru. Metabolický osud glukózy byl sledován ve 12 tkáních a plasmě.

Navštivte interaktivní webovou aplikaci, kde můžete virtuální myš prozkoumat sami.

Lopes M, Brejchova K, Riecan M, Novakova M, Rossmeisl M, Cajka T, Kuda O. Metabolomics atlas of oral 13C-glucose tolerance test in mice. Cell Rep. 2021 Oct 12;37(2):109833. DOI. PMID: 34644567 IF = 9,423

Účinnost opioidních analgetik je potlačena chemokinem CCL2 (8.12. 2021)

Opioidní analgetika jsou standardně využívána při léčbě závažných bolestivých stavů. Velmi obtížná je ale léčba neuropatických bolestí, které vznikají při poškození nervového systému a opioidní analgetika jsou zde často neúčinná. Je známo, že za těchto neuropatických stavů dochází na úrovni míchy k zánětu a zvýšené produkci určitých signálních molekul (chemokinů), jako je CCL2. Současná práce ukazuje, že chemokin CCL2 je jedním z důležitých faktorů významně snižujících účinnost analgetik působících přes opioidní receptory. Pravděpodobně působí jak přímo na neurony, tak přes aktivaci mikrogliových buněk. Léčba opioidními analgetiky je spojena také s celou řadou závažných nežádoucích účinků. Jedním z nich je i paradoxní zvýšená bolestivost – hyperalgezie, po podání opioidů. Tato práce ukazuje, že zmíněná nežádoucí hyperalgezie může být způsobena aktivací TRPV1 receptorů. Celkově publikované výsledky naznačují, že cestou ke zlepšení účinnosti léčby opioidními analgetiky, zejména při neuropatických stavech, by mohlo být současné ovlivnění funkce chemokinu CCL2 a TRPV1 receptorů.

Vliv CCL2 na utlumení bolestivého (nociceptivního) signálu opioidními agonisty v zadním rohu míšním. Kontrolní modrá křivka ukazuje, jak je synaptický přenos nociceptivního signálu po přidání látky DAMGO výrazně utlumen a zhruba po 13 minutách naopak posílen. DAMGO je agonista µ opiodních receptorů a napodobuje tedy účinek opiodních analgetik. Analgetický účinek DAMGO je však zcela potlačen v přítomnosti chemokinu CCL2 (červená křivka). Fialová křivka ukazuje, že CCL2 působí prostřednictvím mikrogliálních buněk, protože ztrácí svůj účinek, pokud jsou mikroglie blokovány přídavkem minocyklinu.

Chemokine CCL2 preventsopioid‑inducedinhibitionofnociceptivesynaptictransmission in spinalcorddorsalhorn. Mario Heles, Petra Mrozkova, Dominika Sulcova, Pavel Adamek, Diana Spicarova and Jiri Palecek, JournalofNeuroinflammation (2021) 18:279, DOI, IF=8.23

Oddělení výzkumu bolesti, Fyziologický ústav AV ČR, Akademie věd České republiky, Vídeňská 1083, 142 20 Praha 4, Česká republika

Glifloziny – víc než jen antidiabetika (8.12. 2021)

Glifloziny se dnes běžně předepisují jako léčiva proti diabetu (pacienti možná budou znát např. empagliflozin pod obchodním názvem Jardiance). Glifloziny inhibují činnost transportéru pro sodík  a glukózu  v ledvinách, čímž zvyšují vylučování glukózy močí a pomáhají tak udržet hladiny krevního cukru. Vedle úlevy od zvýšené glykémie byla u pacientů pozorována i řada dalších příznivých účinků gliflozinů mj. snížení hmotnosti, krevního tlaku, či funkce ledvin a to nejen u lidí s diabetem ale i bez diabetu. Jak je to možné? Tady nastala ta pravá chvíle udělat krok zpět a charakterizovat účinky těchto léků znovu a důkladně u modelových zvířat. Výzkumný tým dr. Vaněčkové a její kolegové z dvou dalších oddělení z Fyziologického ústavu ve spolupráci s dr. Malínskou z IKEM zkoumali účinky empagliflozinu u různých nediabetických potkaních modelů vyznačujících se sklony k vysokému krevnímu tlaku (Ren-2 transgenní potkani, TGR) nebo k poruchám lipidového metabolismu (hereditárně triglyceridemičtí potkani). Ačkoli se přínos léčby u jednotlivých modelů v detailech lišil, dosažené výsledky ukazují, ze empagliflozin působí protizánětlivě, normalizuje hladiny krevních i tkáňových lipidů a u TGR potkanů navíc tlumí aktivitu sympatického nervového systému, čímž dochází ke snížení krevního tlaku. Tyto poznatky mohou v budoucnu přispět k rozšíření použití gliflozinu i na jiné diagnózy, než je stávající diabetes.

Hojná S, Rauchová H, Malínská H, Marková I, Hüttl M, Papoušek F, Behuliak M, Miklánková D, Vaňourková Z, Neckář J, Kadlecová M, Kujal P, Zicha J, Vaněčková I. Antihypertensive and metabolic effects of empagliflozin in Ren-2 transgenic rats, an experimental non-diabetic model of hypertension. Biomed Pharmacother. 2021 Dec;144:112246. Epub 2021 Oct 1. IF-5,98, DOI

Cílená modulace NMDA receptorů je klíčová pro efektivní léčbu neurologických a neurovývojových onemocnění (14.10. 2021)

N-methyl-D-aspartátové (NMDA) receptory jsou glutamátem aktivované iontové kanály, které se zásadně podílejí na excitačním synaptickém přenosu a jsou klíčové pro procesy učení a paměti. Jejich narušená funkce vede k závažným neurologickým, neurovývojovým a psychiatrickým chorobám jakými jsou například schizofrenie, poruchy autistického spektra, epilepsie či Alzheimerova choroba. Pro efektivní návrh nových léčiv schopných cíleně modulovat NMDA receptory je nezbytné detailně porozumět nejen struktuře receptoru na atomární úrovni, ale rovněž i odhalit konkrétní sekvenci konformačních změn, které se uplatňují při jeho aktivaci a alosterické modulaci.

Za využití metody single-molecule FRET jsme popsali a kvantifikovali sekvenci konformačních změn NMDA receptoru v jeho amino-terminální doméně, které za fyziologických podmínek vedou k aktivaci receptoru. V neposlední řadě jsme pak odhalili rozdílné úlohy receptorových podjednotek při aktivaci receptoru a identifikovali molekulární mechanismus, jakým snížení pH za patofyziologických podmínek (např. při mrtvici) vede ke snížení funkce receptoru.

Vyklický, Vojtěch - Stanley, Ch. - Habrian, Ch. - Isacoff, E. Y. Conformational rearrangement of the NMDA receptor amino-terminal domain during activation and allosteric modulation. Nature Communications. Roč. 12, č. 1 (2021), č. článku 2694. ISSN 2041-1723. E-ISSN 2041-1723, IF: 14.919, rok: 2020, DOI  

Strukturní podstata teplotní aktivace TRP kanálů (12.10. 2021)

TRPV3 je iontový kanál podílející se na detekci teplotních změn, bolesti, svědění, udržování kožní bariéry, hojení ran a růstu vlasů. Poruchy jeho funkce jsou příčinou mnoha závažných lidských kožních chorob, včetně genodermatózy známé jako Olmstedův syndrom, atopické dermatitidy, růžovky i psoriázy. Mezinárodní tým vědců vedených Prof. Alexandrem Sobolevským (Columbia University, New York, NY, USA) ve spolupráci s vědci z Fyziologického ústavu Akademie věd České republiky v Praze zjistil, jak se mění TRPV3 kanál působením tepla, a určil molekulární podstatu jeho aktivace. Studie prokazuje, že otvírání TRPV3 teplotami překračujícími fyziologický práh (vyššími než 40 °C) zahrnuje změny sekundární struktury specifických oblastí proteinového komplexu kanálu, ale také aktivní účast membránových lipidů. Výsledek je důležitým příspěvkem k pochopení obecných molekulárních mechanizmů teplotní aktivace TRP kanálů a nezbytným předpokladem k vyhledávání možných přístupů jejich farmakologické regulace. O významu výzkumu těchto pozoruhodných bílkovinných komplexů svědčí nedávno udělená Nobelova cena za fyziologii a lékařství 2021, kterou získali dva američtí vědci David Julius a Ardem Patapoutian.

Vlevo: vizualizace přechodu mezi zavřeným a otevřeným stavem TRPV3 iontového kanálu při aktivaci teplem získaná kryoelektronovou mikroskopií. Vpravo, vizualizace přechodů mezi strukturami zavřeného, senzitizovaného a otevřeného stavu TRPV3 kanálu při aktivaci teplem. Dynamické oblasti zodpovědné za změny konformačních stavů jsou vyznačeny růžovou barvou, oblasti s nejvýraznějšími strukturními změnami jsou vyznačeny tmavě rudou barvou.

Nadezhdin, K. D. - Neuberger, A. - Trofimov, Yu. A. - Krylov, N. A. - Sinica, Viktor - Kupko, N. - Vlachová, Viktorie - Zakharian, E. - Efremov, R. G. - Sobolevsky, A. I. Structural mechanism of heat-induced opening of a temperature-sensitive TRP channel. Nature Structural & Molecular Biology. Roč. 28, č. 7 (2021), s. 564-572. ISSN 1545-9993. E-ISSN 1545-9985, IF: 15.369, rok: 2020, DOI

Nové poznatky mohou pomoci zlepšit diagnostické metody u rakoviny prsu (23.8. 2021)

V důsledku onemocnění karcinomem prsu umírá každoročně v Čechách přes 1500 žen. V naší práci jsme se zaměřili na metabolismus 2-hydroxyglutarátu (2HG), onkometabolitu, který připomíná normální buněčný metabolit 2-oxoglutarát (2OG) a jehož akumulace v buňkách může vést k zesílení procesů ve vývoji rakoviny. 2HG je produkt anebo vedlejší produkt několika metabolických enzymů, včetně mitochondriálních. Zkoumali jsme, zda je produkce mitochondriálních 2HG zvýšena v buněčných liniích rakoviny prsu a identifikovali jsme aktivní kompetici o počáteční substrát, 2OG, mezi enzymy isocitrát dehydrogenázou IDH2 a alkohol dehydrogenázou ADHFE1. Také jsme zkoumali roli kofaktoru NADPH mezi dvěma molekulami IDH2 v mitochondriích. Charakterizovali jsme několik situací, kdy IDH2 a ADHFE1 produkují nezanedbatelné množství 2HG aktivně exportovaného z buněk. Hladiny 2HG jsme dále kvantifikovali v moči u skupiny pacientek po odstranění karcinomu prsu. Našli jsme jasnou korelaci mezi hladinami 2HG a stádii nemoci I-IV, jež se liší v množství a lokalizaci případných metastáz. Naše poznatky by mohly v budoucnu zlepšit diagnostické přístupy karcinomu prsu.

Špačková; Jitka - Gotvaldová; Klára - Dvořák; Aleš - Urbančoková; Alexandra - Pospíšilová; K. - Větvička; D. - Leguina-Ruzzi; Alberto A. - Tesařová; P. - Vítek; L. - Ježek; Petr - Smolková; Katarína . Biochemical Background in Mitochondria Affects 2HG Production by IDH2 and ADHFE1 in Breast Carcinoma . Cancers (Basel). 2021; 13(7)); 1709 . IF = 6.639 [ASEP] [ DOI ]

Palmitoylace ovlivňuje citlivost NMDA receptorů k neurosteroidům (3.5. 2021)

N-methyl-D-aspartátové (NMDA) receptory patří mezi ionotropní glutamátové receptory, které jsou klíčové pro synaptický přenos a procesy učení a paměti. Jejich nadměrná aktivace ale přispívá ke vzniku závažn‎ých patologick‎ých stavů souvisejících například s mozkovou mrtvicí či Alzheimerovou chorobou. Nadměrná aktivita NMDA receptorů může být inhibována řadou látek, mezi které patří i neurosteroidy.

Za využití elektrofyziologických a molekulárně-biologických technik jsme objasnili molekulární mechanismus, jakým dochází ke zvýšení citlivosti NMDA receptorů k inhibičním neurosteroidům.  Tato změna je vyvolána depalmitoylací tří cysteinů (C849, C854, C871) v intracelulární části receptorové podjednotky GluN2B, po přechodném zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+. Mimo farmakologických důsledků vede depalmitoylace receptoru ke změně kinetických parametrů ve prospěch zavřeného stavu. Zvýšená citlivosti NMDA receptorů k inhibičním neurosteroidům je tak dalším z neuroprotektivních mechanismů, které brání excitotoxickému poškození nervové tkáně.

Hubálková, Pavla - Ladislav, Marek - Vyklický, Vojtěch - Smejkalová, Tereza - Hrčka Krausová, Barbora - Kysilov, Bohdan - Krůšek, Jan - Naimová, Žaneta - Kořínek, Miloslav - Chodounská, Hana -Kudová, Eva - Černý, Jiří - Vyklický ml., Ladislav Palmitoylation Controls NMDA Receptor Function and Steroid Sensitivity. Journal of Neuroscience 2021. 41 (10) 2119-2134, F: 5.674 DOI

Hřebíčkový olej tlumí citlivost zubů na chlad působením na iontový kanál TRPC5 (30.4. 2021)

Zubní kaz může způsobit, že je pro nás dotek studeného nápoje utrpením. Mezinárodní tým vědců vedených Prof. Katharinou Zimmermannovou (Friedrich – Alexander University Erlangen – Nürnberg v Německu) ve spolupráci s vědci z Fyziologického ústavu Akademie věd České republiky v Praze zjistil, jak zuby detekují chlad, a určil molekulární podstatu vzniku dentální bolesti vyvolané chladem. U myší i lidí obsahují zubní buňky zvané odontoblasty speciální chladové senzory, iontové kanály TRPC5, které převádějí informaci o bolestivém podnětu a předávají ji do nervového systému. Studie nabízí vysvětlení, proč hřebíčkový olej, který je po staletí používán ve stomatologii, může zmírnit bolest zubů. Hřebíčkový olej obsahuje chemickou látku eugenol, která blokuje protein TRPC5 a brání mu v aktivaci nervů. Video

Odontoblasty obsahující iontový kanál TRPC5 (zeleně označený) těsně vyplňují oblast mezi zubní dření a zubovinou v myší stoličce. Vláskové výběžky vyplňují tenké kanálky zuboviny směrem ke sklovině. Senzorické neurony jsou označeny červeně (bIII-tubulin). Modře jsou označena buněčná jádra (Hoechst 33258) (Kredit: L. Bernal et al./Science Advances 2021)

Bernal, L. - Sotelo-Hitschfeld, P. - König, Ch. - Sinica, Viktor - Wyatt, A. - Winter, Z. - Hein, A. - Touška, Filip - Reinhardt, S. - Tragl, A. - Kusuda, R. - Wartenberg, P. - Sclaroff, A. - Pfeifer, J. D. -Ectors, F. - Dahl, A. - Freichel, M. - Vlachová, Viktorie - Brauchi, S. - Roza, C. - Boehm, U. - Clapham, D. E. - Lennerz, J. K. - Zimmermann, K. Odontoblast TRPC5 channels signal cold pain in teeth. Science Advances. Roč. 7, č. 13 (2021), č. článku eabf5567. ISSN 2375-2548. IF: 13.117, rok: 2019.  DOI

Nanocelulóza jako perspektivní nosič buněk pro aplikace v regenerativní medicíně (8.4. 2021)

Celulóza ve formě tkaniny je po stovky a tisíce let užívána jako tradiční obvazový materiál. V moderní době však může být využita nejen pro pasivní překrytí ran, ale i pro aktivní hojení ran, např. cílenou dodávkou léčiv i buněk pro regeneraci poškozené tkáně. K tomuto účelu je vhodná zejména nanocelulóza, tj. celulóza v podobě nanovláken či nanofibril, simulující přirozenou architekturu mezibuněčné hmoty. Tato forma celulózy je produkována např. určitými druhy bakterií, či může být izolována z rostlin včetně dřevin. Na experimentální úrovni jsme se soustředili na vytvoření „inteligentních“ krytů ran, schopných dodávat kožní a kmenové buňky do ran na kůži. Tyto materiály jsou založeny na přítomnosti elektricky nabitých nanofibril celulózy, nanesených na mikrovlákennou celulózovou tkaninu. Anionická nanocelulóza v našich buněčných kulturách in vitro představovala vhodný substrát pro adhezi a růst lidských kožních fibroblastů a lidských kmenových buněk tukové tkáně na svém povrchu, kdežto kationická nanocelulóza podporovala spíše adhezi buněk k sobě navzájem a tvorbu kulovitých buněčných shluků, což bylo nápadné zejména u fibroblastů (obr. 1). Rozdíl byl zřejmě způsoben přednostní adsorpcí albuminu ze séra kultivačního média, který je neadhezivní pro buňky, na kationickou nanocelulózu. Obojí typ nanocelulózy však nachází své uplatnění v regenerativní medicíně. Anionická nanocelulóza je vhodná pro vytváření souvislých buněčných vrstev, které se mohou v ráně uchytit buď spontánně, nebo je lze od nanocelulózy oddělit pomocí enzymů celuláz, zatímco kationická nanocelulóza je výhodná pro tvorbu buněčných sféroidů, důležitých struktur pro tvorbu organoidů a pro aplikace v tkáňovém inženýrství.

Obr. 1 Morfologie normálních lidských kožních fibroblastů (NHDFs; A) a lidských kmenových buněk tukové tkáně (ADSCs; B) po 7 dnech kultivace na celulózové tkanině pokryté anionickými (a600) a kationickými (c600) celulózovými nanofibrilami. 3D projekce mikroskopických obrázků buněk na materiálu (čelní a boční náhled). F-aktin buněčného cytoskeletu je obarven červeně, vinculin (protein zúčastněný v adhezi buněk) je obarven zeleně. Konfokální mikroskop, zvětšení objektivu 40x.

Pajorova J, Skogberg A, Hadraba D, Broz A, Travnickova M, Zikmundova M, Honkanen M, Hannula M, Lahtinen P, Tomkova M, Bacakova L, Kallio P. A cellulose mesh with charged nanocellulose coatings as a promising carrier of skin and stem cells for regenerative applications. Biomacromolecules, 2020, 21: 4857-4870, https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.0c01097; IF = 6.092; DOI