Projekti / Programi
Molekulski mehanizem poškodbe membrane z mikrobnimi NLP citolizini
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.05.00 |
Naravoslovje |
Biokemija in molekularna biologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B191 |
Biomedicinske vede |
Rastlinska biokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.06 |
Naravoslovne vede |
Biologija |
porotvorni proteini, lipidna membrana, Nep1-podobni proteini, glikozilinozitol fosforilceramid, interakcija protein-lipid, mehanizem delovanja
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
30762 |
dr. Katja Pirc |
Biokemija in molekularna biologija |
Vodja |
2019 - 2021 |
46 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
21.023 |
Povzetek
Predstavniki družine NLP proteinov (proteini, podobni peptidu 1, ki povzročajo nekrozo in sproščanje etilena) sprožijo imunski odziv in celično smrt pri dvokaličnicah, ne pa tudi pri enokaličnicah. NLP-ji so široko razširjeni med taksonomsko nesorodnimi organizmi, kot so bakterije, glive in oomycete, ki te proteine izločajo v okolico. Ti mikroorganizmi lahko delujejo na širok spekter poljščin, kot so krompir, paradižnik, soja in tobak, ter po vsem svetu povzročajo enormno gospodarsko škodo. Pokazali so, da NLP-ji delujejo citolitično in porušijo integriteto plazemske membrane. Kristalna zgradba NLP-jev je pokazala, da so ti proteini strukturno podobni aktinoporinom, porotvornim citolitičnim toksinom iz morskih vetrnic.
Mehanizem preko katerega NLP proteini povzročajo nekrozo je slabo poznan. Nedavno smo pokazali, da tarčno molekulo za vezavo NLP-jev na rastlinsko plazemsko membrano predstavljajo glikozilinozitol fosforilceramidi (GIPC) (Lenarčič in sod., Science, 2017), ki so najbolj zastopani rastlinski sfingolipi. GIPCi so sestavljeni iz inozitol fosforilceramidnega dela in polarne glave, ki vsebuje raznoliko število sladkorjev. Tip in število terminalnih sladkorjev močno varira med različnimi vrstami rastlin in rastlinskimi tkivi. Ob vezavi NLP na terminalno heksozno skupino GIPC pride do konformacijskih sprememb proteina. Enokaličnice bi lahko bile neobčutljive na delovanje NLP-jev zaradi nizke zastopanosti GIPCev serije A, ki so sicer obogateni v plazemskih membranah dvokaličnic (Lenarčič in sod., Science, 2017). S tem smo pojasnili prve korake interakcije med NLP proteini in rastlinsko membrano ter molekulsko osnovo gostiteljske selektivnosti. Vendar pa celotni molekulski mehanizem preko katerega NLP proteini poškodujejo membrano ostaja nepojasnjen.
Glavni cilj predlaganega projekta je pojasniti molekulski mehanizem preko katerega NLP proteini poškodujejo lipidno membrano. Za ta namen bomo vzpostavili nove modelne membranske sisteme, ki vključujejo GIPC. V tem raziskovalnem predlogu želimo doprinesti nova spoznanja k razumevanju citotoksičnega mehanizma proteinov NLP na molekulskem nivoju. Na osnovi podobnosti zgradbe NLP-jev z zgradbo porotvornih aktinoporinov ter sposobnosti prepoznavanja specifičnih tarč na membrani (t.j. GIPC v primeru NLP-jev ter sfingomielina v primeru aktinoporinov), bomo testirali našo osrednjo hipotezo, da citotoksični predstavniki NLP-jev tvorijo pore v lipidni membrani. Rastlinska plazemska membrana je zelo kompleksna, njena sestava in struktura pa še vedno slabo poznani. NLP-ji predstavljajo prvo in edino mikrobno proteinsko družino, ki deluje citotoksično preko porušenja integritete rastlinske plazemske membrane. Zaradi tega in zaradi izjemne kompleksnosti rastlinske membrane, pričakujemo, da bomo odkrili nov, še nepojasnjen mehanizem poškodbe membrane.
Nedavno odkritje specifičnega rastlinskega receptorja za NLP-je bo omogočilo uporabo številnih biofizikalnih pristopov z namenom razumevanja lastnosti lipidnih membran, ki vsebujejo GIPC, in molekulskega mehanizma preko katerega se proteini iz družine NLP vežejo na membrano in jo poškodujejo. Tako bodo rezultati te študije (i) prispevali nov vpogled v strukturo membran, ki vsebujejo GIPC, in (ii) pomembno prispevali k našemu razumevanju interakcije med NLP-ji in gostiteljsko rastlino, kar predstavlja ključni korak v nastanku nekroze in drugih simptomov bolezni.
Pomen za razvoj znanosti
V tem raziskovalnem predlogu želimo pojasniti citotoksični mehanizem proteinov NLP, ki so zelo pomembni v patogenezi različnih mikroorganizmov na kmetijsko najpomembnih poljščinah. Rezultati te študije bodo imeli velik prispevek k razumevanju interakcij med proteini NLP in gostiteljskimi rastlinami, ki predstavljajo kjučno fazo v nastanku nekroze in drugih simptomov bolezni. Poznavanje molekularnih podrobnosti asociacije med NLP-ji in rastlinsko membrano bo pomembno za razvoj novih raziskovalnih smeri, saj se je izkazalo, da ne obstaja veliko družin virulenčnih dejavnikov, katerih predstavniki bi sodelovali v interakcijah s plazemsko membrano tarčne rastlinske celice.
Za NLP proteine je značilno, da delujejo le na dvokaličnice, ne pa tudi na enokaličnice. Nedavno smo pokazali, da lahko proti dvokaličnicam usmerjeno delovanje proteinov NLP razložimo z različnimi vzorci glikozilacije specifičnih lipidov GIPC, ki predstavljajo membranski receptor za vezavo NLP-jev (Lenarčič in sod., Science, 2017). Pričakujemo, da bomo opisali mehanizem porotvorne aktivnosti NLP-jev na molekulski ravni. Ni nam poznana nobena raziskava, ki bi že opisovala takšno citotoksično aktivnost patogenih elicitorjev na rastlinski membrani. Tako bo molekularni opis teh medsebojnih interakcij predstavljal temeljno podlago za delovanje drugih podobnih elicitorskih proteinov.
Zaradi njihove pomembne vloge pri okužbi rastlin ter široke zastopanosti v bakterijah, glivah in oomicetah, lahko NLP proteini predstavljajo pomembno tarčno molekulo za razvoj novih fitofarmacevtskih sredstev. Razumevanje molekulskega mehanizma interakcije med NLP proteini in lipidno membrano ter mehanizma poškodbe membrane in poznavanje razlik med toksičnimi in netoksičnimi predstavniki bo omogočilo načrtovanje novih sredstev usmerjenih proti tem proteinom. Seveda je to dolgoročni rezultat, ki zahteva osnovno znanje o dogodkih, povezanih s toksičnostjo proteinov NLP na molekulskem nivoju.
Rezultate bomo objavili v mednarodnih znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva in jih aktivno predstavljali na znanstvenih konferencah v obliki znanstvenih predavanj in postrov. Načrtujemo tudi predstavitev za splošno javnost preko socialnih omrežij, časnikov in drugih medijev (predavanja za splošno javnost, radijske oddaje itd.).
Pomen za razvoj Slovenije
This research proposal is aiming to clarify the cytotoxic mechanism of NLP proteins that are very important for the pathogenesis of diverse microorganisms on agriculturally most important crops. The results of this study will have a major contribution to our understanding of interaction between NLP proteins and host plants, which represent a crucial stage in the induction of necrosis and other symptoms of the diseases. Molecular details of NLP-membrane association will be important for new research directions in plant-microbe interactions, since not many families of pathogen virulence factors were shown to be involved in interactions involving plasma membrane of target plant cells.
NLPs damage only plasma membranes of eudicot but not monocot plants. We have recently proposed that differential glycosylation pattern distribution among NLP’s plant plasma membrane lipid receptors (i.e. GIPCs) of eudicot and monocot plants might explain NLP host selectivity (Lenarčič et al., Science, 2017). In this proposal we expect to decipher the mechanism of pore-forming activity of NLP proteins on the molecular level. To our understanding, molecular mechanism of membrane damaging activity of proteins upon plant plasma membrane has not yet been described before for pathogenic elicitors. Therefore, molecular description of this interaction will represent the groundwork for functioning of other related or similar elicitor proteins.
Due to their important role in the infection mechanisms of plant pathogens and their broad presence in bacteria, fungi and oomycetes, NLPs may represent an important molecular target for the development of new phytopharmaceutical products. Understanding the molecular mechanism of NLP - membrane interaction and damage and the difference between toxic and nontoxic NLP representatives will enable rational drug design directed against this proteins. This, however, is a long-term outcome that will require basic knowledge of events associated with NLPs toxicity at the molecular level.
We aim to publish the outcomes of our research in scientific journals of high impact and will also present them at scientific conferences, in forms of lectures and posters. We will also attempt to present our data to general public via publishing in social media, newspapers and other media (lectures for general public, radio, etc).
