Projekti / Programi
Vpogled v mehanizem delovanja spajalnega telesca na atomskem nivoju: multiskalne
simulacije molekulske dinamike razkrivajo podrobnosti genskega izrezovanja in spajanja
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
Spajalno telesce, molekulske simulacije, metadinamika, zaviralci spajalnega telesca
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35380 |
dr. Jure Borišek |
Kemija |
Vodja |
2019 - 2021 |
60 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
21.007 |
Povzetek
Po desetletjih raziskovalnih prizadevanj je biologija spajalnega telesca (SPL) doživela preporod zaradi naraščajočega števila struktur krioelektronske mikroskopije (krio-EM) pri skoraj atomistični ločljivosti iz kvasovk in človeškega SPL, ki so se pojavile v zadnjih nekaj letih let. Prisotnost nekodirajočih zaporedij (intronov) v nastajajočih transkriptih RNA je značilnost genoma vseh organizmov. Pred translacijskim procesom nastanka proteinov se morajo introni odstraniti. SPL, makromolekularni stroj, sestavljen iz 5 majhnih jedrnih RNA in več sto proteinov, izvaja odstranitev intronov (tj. spajanje) v evkariontih. V SPL poteka spajanje v dveh zaporednih reakcijah, ki jih katalizirata dva Mg2+ iona. SPL je vseskozi podvržen številnim kompozicijskim in konformacijskim spremembam.
Iz številnih publikacij s visokim faktorjem vpliva, ki so se pojavili v zadnjih nekaj letih, je očitno, da strukturna biologija SPL doživlja preobrazbo in da je področje molekularnih simulacij dovolj zrelo, da lahko zagotovi mikroskopski vpogled v mehanizem takega ključnega biološkega stroja. Vendar pa glavni izziv ostaja kako v celoti pojasniti prepoznavanje in cepitev pre-mRNA intronov z nukleotidno natančnostjo, kako proteini, ki interagirajo s snRNA, modulirajo spajanje in mehanistične podrobnosti dveh spajalnih reakcij.
Rezultati tega projekta, pridobljeni z najsodobnejšimi molekularnimi simulacijami, bodo dopolni sedanjo vrzel v razumevanju mehanizma SPL z: (i) izboljšanjem izbranih struktur, ki so bile rešene s krio-EM pri skoraj atomski ločljivosti; (ii) pridobitvijo novih strukturnih intermediatov, (iii) razkritjem kemijskega mehanizma spajanja, (iv) razjasnitvijo mehanizma prepoznavanja intronov na atomistični ravni, (v) racionalizacijo vpliva karcinogenih mutacij na strukturne in dinamične lastnosti SPL, (vi) razkritjem molekulske osnove za delovanje majhnih molekulskih SPL modulatorjev in napovedovanjem njihovih učinkov na izoforme SPL. Za dosego omenjenih ciljev bom uporabil najsodobnejše metode molekulskih simulacij, od molekulskega sidranja do simulacij klasične molekularne dinamike in simulacij kvantnoklasične (QM/MM) dinamike v kombinaciji z naprednimi metodami vzorčenja. Mehanistične napovedi, pridobljene z molekulskimi simulacijami, bodo potrjene z eksperimentalnimi študijami (vezavni testi in mutacijske študije).
To pridobljeno znanje bo navdihnilo bodoče biokemične, biofizikalne in genetske eksperimente, katerih cilj je razkriti temeljne lastnosti tega starodavnega regulatorja genskega izražanja. Poleg razumevanja strukturne in funkcijske biologije SPL, lahko moja študija tudi doprinese informacije, ki bodo lahko uporabne za nove biomedicinske strategije zdravljenja in ciljane terapije na osnovi RNA spajanja, s potencialnim vplivom tako na osnovne, kakor tudi uporabne znanosti.
Pomen za razvoj znanosti
Razumevanje mehanizma spajanja je izredno pomembno iz mikrobiološkega, biotehnološkega in farmakološkega vidika. Nepravilen proces spajanja je namreč povezan s številnimi kompleksnimi boleznimi (rak in neurodegeneracija). Poleg prispevanja k temeljnemu razumevanju SPL strukturne in funkcijske biologije bo moja študija tudi doprinesla dragocene informacije za izkoriščanje procesa spajanja za revolucionarna orodja modulacije genov in novih terapevtskih pristopov s potencialnim vplivom tako na bazično kot tudi na aplikativno znanost. Gre za visoko interdisciplinarni projekt, ki meji na področja farmacevtske kemije, računalniške biologije, molekularne biologije, biologije raka in biotehnologije, ki lahko bistveno vpliva na področje medicine in biologije.
Pomen za razvoj Slovenije
Understanding the mechanism of splicing is of utmost microbiological, biotechnological, and pharmacological importance. Indeed, aberrant splicing is associated to numerous complex diseases (cancer and neurodegeneration). Besides contributing to the fundamental understanding of the SPL structural and functional biology, my study will also provide valuable information to harness splicing for revolutionary gene modulation tools and novel therapeutic approaches, with the potential of impacting both basic and applied sciences. This is highly interdisciplinary project as it is crossings the fields of medicinal chemistry, computational biology, molecular biology, cancer biology, and biotechnology, and can contribute to fundamentally impact the medicine and biotechnology fields.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
