Genom Metabolizmus és Biostruct Kutatócsoport

Vezető: Dr. Grolmuszné Dr. Vértessy Beáta

Honlap: https://www.biostruct.org/

Instagram bemutatkozás: itt

Kompetencia térkép: itt

Székhely: 1111, Budapest, Szent Gellért tér 4. Ch épület 1. emelet 161-164., 2. emelet 241, alagsor Biostruct Labor

Külsö székhely: Hun-Ren TTK Molekuláris Élettudományi Intézet, Budapest 1117, Magyar Tudósok körútja 2. (Q2 épület) 3. em.

Rövid bemutatás:

Kutatócsoportunk alapvető fókuszában a genomi integritás fenntartásáért felelős főbb mechanizmusok állnak. Ezek közül kiemelten foglalkozunk a DNS-ben megjelenő uracil kialakulásával, fenntartásával és eltávolításával kapcsolatos élettani folyamatokkal. Az uracil-DNS lényegi kórélettani jelentőséggel is bír több népbetegségnek számító kóros elválatozásban (TBC, malária és rákos megbetegedések), így alapkutatási tevékenységeink egyben orvosbiológiai jelentőséggel is járnak, és fontos gyógyszercélpontokat és gyógyszerjelölt molekulákat is azonosítanak. Sejtbiológiai kutatásainkat ecetmuslica, zebrahal és egér állatmodellekre is kiterjesztjük. In vitro mechanisztikai vizsgálatainkhoz lényegi módszereink felölelik a szerkezeti és molekuláris biológia széles eszköztárát.  A csoport indulását a 2001-től kétszer öt évre elnyert, nagy presztizsű Howard Hughes International Scholar díj tette dinamikussá. Csoportunk két helyszínen működik, egyrészt a HUN-REN TTK Molekuláris Élettudományi Intézetben (a volt Enzimológiai Intézetben), másrészt a BME ABÉT tanszékén.

Kutatásainkban kiemelkedően számítunk a fiatal diákok (egyetemisták, PhD diákok, posztdokok) tevékenységére is, csoportunkban évente mintegy 5-6 díjazott TDK dolgozat, és sok szakdolgozat / diplomamunka születik, továbbá évente 1-2 diákunk jut el a PhD fokozat megszerzéséig.

Tagok: Dr. Békési Angéla, Dr. Nagy Gergely Nándor, Dr. Nyíri Kinga, Kelemenné Dr. Nagy Kinga, Dr. Sveiczer Ákos, Leveles Ibolya, Emődi Nikolett, Telek András, Tóth Otília, Perey-Simon Viktória Berta, Szajkó Milda Blanka

Hun-Ren TTK-s tagok: Tóh Judit, Hirmondó Rita, Pálinkás Hajnalka Laura, Nagy Nikolett, Tóth Zoé Sára, Holub Eszter, Oláh Eszter, Döbrőssy Gergely, Tankó Éva

Főbb kutatási témák:

1. A DNS-beli uracil és egyéb nem kanonikus bázisok lehetséges kromatinszervezési és fejlődésbiológiai szerepének vizsgálata

Az uracil a DNS-ben egy timinanalóg, ritkán előforduló, nem-kanonikus bázis, mely egyrészt a DNS megkettőződésekor timin helyett épülhet be amennyiben a sejtbeli nukleotid-trifoszfátok aránya megengedi, másrészt a DNS-beli citozin oxidatív dezaminálást szenvedhet, akár spontán, akár enzimek által katalizált módon, mely folyamat szintén uracilt eredményez.  Utóbbi esetben ez az uracil egy jelentésváltozást hordoz: amennyiben javítás nélkül marad, a következő replikáció után fixált pontmutációt eredményez. Az uracil hibára hatékony DNS javítási útvonal evolválódott, mely azonban nem tesz különbséget a timin helyett beépülő „ártatlan” és a citozinból átalakult „mutagén” uracil között. A timinhelyettesítő beépülés általában a sejtbeli dUTP/dTTP alacsonyan tartásával gátolt, ezzel a „hiábavaló” DNS-javítás minimalizálódik. A csoportunkban a kezdetektől kutatjuk azokat az eseteket, ahol a DNS-beli uracil nem pusztán hibaként jelenik meg, hanem valamiféle biológiai szereppel bír. Egyrészt részletesen tanulmányoztuk a genomi uracilosodásnak a teljes átalakulással fejlődő rovarok egyedfejlődésében, a metamorfózisban betöltött szerepét (PMID: 14996835, 17306761, 22685418, 23238493). Másrészt gerincesek (zebrahal) korai embrionális fejlődésében is számottevő uracilos DNS-t detektáltunk, aminek jellegzetes genomi profilját, bizonyos szatellita DNS szakaszokkal való ko-lokalizációját is meghatároztuk. Ez az uraciltartalom a zigotikus génaktivációig drasztikusan lecsökken. Ennek a folyamatnak specifikus faktorok mikroinjektlásával való meggyorsítása és lelassítása egyaránt súlyos fejlődési defektusokhoz és letalitáshoz vezet.

2. A dUTPáz sejtosztódásbeli szerepének, sejtbeli partnereinek és dUTP-t bontó aktivitásának szerkezeti szempontú vizsgálata

A közelmúltban azonosítottak egy bakteriofág dUTPázzal kölcsönhatásba lépő, bakteriális eredetű Stl fehérjét, amelyről kimutattuk, hogy számos különböző fajból származó dUTPáz enzimatikus aktivitását gátolja (PMID: 25274731, 25841100, 29531348, 31174420). Ezáltal az Stl ígéretes eszköz lehet a dUTPáz sejtbeli funkcióinak vizsgálatához. A dUTPáz:Stl komplex kristályszerkezeteinek meghatározása (PDB: 8C8I, 8P8O), valamint az Stl fehérje módosulatainak dUTPáz-reakcióra gyakorolt hatásának elemzése révén feltártuk az enzimatikus gátlás és a kölcsönhatás kulcsfontosságú elemeit (PMID: 39511242, 39924564). Jelenleg a humán dUTPáz potenciális sejtbéli partnereit validáljuk, amelyeket élesztő kéthibrid módszerrel azonosítottunk.

Ezen túlmenően vizsgáljuk a dUTPáz sejtosztódásban, illetve embrionális fejlődésben betöltött szerepét humán sejtvonalakon, illetve egér embriókban. Kimutattuk, hogy az egér embriók a dUTPáz CRISPR/Cas módszerrel történő eltávolítása következtében a beágyazódást követően elpusztulnak (PMID: 30987342). Továbbá, az egérszövetekben végzett expressziós analízis alapján megállapítottuk, hogy a dUTPáz az embrionális fejlődés minden szakaszában jelentős mennyiségben van jelen az agyi szövetekben, ami arra utal, hogy szerepet játszhat az agy fejlődésében és az agyi sejtek differenciálódásában (PMID: 38849394).

Az emlős dUTPáz sejtbeli funkcióit vizsgálva az enzim két új izoformáját is azonosítottuk (PMID: 37173337).

3. Timidilát bioszintézist gátló rákterápiás szerek hatásmechanizmusa

Több rákgyógyászatban használt kemoterápiás szer célozza a sejtbeli de novo timidilát bioszintézis útvonalát. Ezen szerek összetett hatásmechanizmusának lényeges eleme, hogy a gátolt dTMP bioszintézis révén a sejtbeli dUTP/dTTP arány megnövekszik, ami az aktívan osztódó sejtekben a DNS szintézis során gyakoribb uracilbeépüléshez vezet. A DNS-beli uracil több úton is citosztatikus, illetve citotoxikus hatást eredményezhet: egyrészt egy felerősödött DNS javítási folyamat során DNS száltöréses intermedierek képződnek, másrészt interferrálhat a transzkripcióval, vagy más DNS-kötő fehérjék funkciójával. Annak ellenére, hogy ezek a szerek a klinikumban elterjedten használatosak, gyakori a rezisztencia is, és a pontos hatásmechanizmus is kevéssé ismert. Csoportunkban vastagbélrák sejtvonalakon vizsgáljuk két timidilát szintáz gátló (5FdUR és RTX) hatására bekövetkező genomi uracil mintázatokat, amihez kifejlesztettük az U-DNA-Seq eljárást (PMID: 32956035). A genomi uracilmintázatok a gyógyszeres kezelésre adott sejtválasz molekuláris lenyomatainak bizonyultak. Az S-fázisban feltartóztatott sejtekben a genomi uracilosodás leginkább a korai replikációs időzítésű régiókban jelentkezik lekövetve a DNS szinézis mintázatát. A két gyógyszer hasonló, de nem azonos mintázatot eredményez, amelyet a sejtek DNS-javítási kapacitása eltérő módon befolyásol. Feltártuk továbbá a nagydózisú 5FdUR kezelés mutagenikus hatását és csökkent citotoxicitását, ami a rezisztencia megértéséhez járul hozzá.

4. Proteoglikánok bioszintézise és szulfatációja

A heparán-szulfát és a kondroitin-szulfát glükózaminoglikánok (HS és CS GAG-ok) ismétlődő diszacharid egységekből felépülő poliszacharidok, melyek magfehérjékhez kapcsolódva az extracelluláris mátrix lényeges proteoglikánjainak funkcionális összetevői. E molekulák a sejtes és szöveti szintű homeosztázis lényeges szabályzói, jelátviteli molekulákkal, extracelluláris mátrix összetevőkkel valamint sejtfelszíni receptorrokkal kialakított dinamikus külcsönhatásaik egyedfejlődési, szövet regeneráció és betegség progresszió folyamatokban vesznek részt. A heparán és kondroitin szulfátok funkcionális sokféleségét a poliszacharidok rendkívül változatos poszt-szintetikus szulfatációs és epimerizáció módosításai biztosítják. Egy jó példaként nemrégiben egy fehérjeszerkezettől egér kísérletes vizsgálatokig terjedő kutatás során igazoltuk, hogy Semaphorin-5A sejtfelszíni jelzőmolekula specifikus HS és CS kölcsönhatásai idegi progenitor sejtek vándorlásának szabályozzák a memória kialakulásáért felelős agyi területen (PMID: 38548715, Nagy GN et al (2024) Nature Communications).  A HS és CS GAG-ok bioszintézise és a bioszintetikus útvonal által létrehozható rendkívül nagyszámú struktúra kevéssé ismert. Kutatásunk célja, hogy a HS/CS bioszintézis egyes fiziológiás és patológiás folyamatokban kulcsszerepet játszó enzimek működésének jobb megértése. Az enzim poliszacharid módosításainak specificitását integratív megközelítéssel vizsgáljuk, rekombináns fehérje expresszió, enzimaktivitás, poliszacharid kölcsönhatás vizsgálat, és szerkezeti biológiai módszerek (röntgendiffrakció, krio-EM) együttesével. Kutatásainkat vezető nemzetközi glikomikai kutatócsoporttal (Koppenhágai Glikomikai Központ, Dánia) együttműködödésben végezzük, az enzim-módosított HS és CS részletes analitikai vizsgálatához.

5. Biokatalízis, fehérjemérnökség

A biokatalízis kulcsfontosságú technológiává vált a vegyiparban, mivel enzimes eljárásokkal lehetséges értékes vegyületek hatékony és fenntartható előállítása. A biokatalízis ipari alkalmazása speciális tudást és interdiszciplináris gondolkodásmódot igényel. Csoportunk együttműködik a Servier Kutatóintézettel, hogy új enzimekkel és variánsokkal bővítse a cég biokatalitikus eszköztárát. A gyógyszeriparban gyakran használt kémiai rekciókhoz keresünk hatékony biokatalizátorokat, mint plédául a reduktív aminálás és az amidkötés kialakítása.  A kutatás két fő irányba halad: új enzimek felfedezése és enzimmérnökség.  A felfedezés során bioinformatikai módszerekkel azonosítunk potenciális biokatalizátorokat genomikai és metagenomikai adatbázisokból, majd a laborban rekombináns módon előállított enzimeket karakterizáljuk. Az ipari alkalmazáshoz a természetes enzimeket gyakran tovább kell fejleszteni (enzimmérnökség), hogy megfelelő aktivitást érjenek el, vagy hogy képesek legyenek ellenállni az ipari eljárás körülményeinek. Munkánk során fókuszált variánskönyvtárak tervezésével, előállításával és tesztelésével is foglalkozunk, elősegítve az enzimek mielőbbi ipari alkalmazását. Ez a projektünk jól példázza az akadémiai-ipari együttműködésekben rejlő lehetőségeket, amelyekkel ki lehet építeni egy zöldebb vegyipar új technológiáinak megvalósításához szükséges alapvető tudásbázist.

6. A nukleotid metabolizmus, mint antibakteriális, antivirális és rákterápiás célpont vizsgálata

7. Mycobactérium rezisztencia mechanizmusok vizsgálata

Kiemelt publikációk: 

1. Nagy N, Hádinger N, Tóth O, Rácz GA, Pintér T, Gál Z, Urbán M, Gócza E, Hiripi L, Acsády L, Vértessy BG. Characterization of dUTPase expression in mouse postnatal development and adult neurogenesis. Sci Rep. 2024 Jun 7;14(1):13139. doi: 10.1038/s41598-024-63405-0. PMID: 38849394; PMCID: PMC11161619.
2. Pálinkás HL, Békési A, Róna G, Pongor L, Papp G, Tihanyi G, Holub E, Póti Á, Gemma C, Ali S, Morten MJ, Rothenberg E, Pagano M, Szűts D, Győrffy B, Vértessy BG. Genome-wide alterations of uracil distribution patterns in human DNA upon chemotherapeutic treatments. eLife. 2020 Sep 21;9:e60498. doi: 10.7554/eLife.60498. PMID: 32956035; PMCID: PMC7505663.
3. Molnár D, Surányi ÉV, Trombitás T, Füzesi D, Hirmondó R, Toth J. Genetic stability of Mycobacterium smegmatis under the stress of first-line antitubercular agents. eLife. 2024 Nov 20;13:RP96695. doi: 10.7554/eLife.96695. PMID: 39565350; PMCID: PMC11578590.
4. Nagy GN, Zhao XF, Karlsson R, Wang K, Duman R, Harlos K, El Omari K, Wagner A, Clausen H, Miller RL, Giger RJ, Jones EY. Structure and function of Semaphorin-5A glycosaminoglycan interactions. Nat Commun. 2024 Mar 28;15(1):2723. doi: 10.1038/s41467-024-46725-7. PMID: 38548715; PMCID: PMC10978931.
5. Telek A, Molnár Z, Takács K, Varga B, Grolmusz V, Tasnádi G, Vértessy BG. Discovery and biocatalytic characterization of opine dehydrogenases by metagenome mining. Appl Microbiol Biotechnol. 2024 Dec;108(1):101. doi: 10.1007/s00253-023-12871-z. Epub 2024 Jan 13. PMID: 38229296; PMCID: PMC10787698.
6. Róna G, Scheer I, Nagy K, Pálinkás HL, Tihanyi G, Borsos M, Békési A, Vértessy BG. Detection of uracil within DNA using a sensitive labeling method for in vitro and cellular applications. Nucleic Acids Res. 2016 Feb 18;44(3):e28. doi: 10.1093/nar/gkv977. Epub 2015 Oct 1. PMID: 26429970; PMCID: PMC4756853.
7. Nagy GN, Marton L, Contet A, Ozohanics O, Ardelean LM, Révész Á, Vékey K, Irimie FD, Vial H, Cerdan R, Vértessy BG. Corrigendum: Composite Aromatic Boxes for Enzymatic Transformations of Quaternary Ammonium Substrates. Angew Chem Int Ed Engl. 2015 Jul 27;54(31):8866. doi: 10.1002/anie.201505314. Erratum for: Angew Chem Int Ed Engl. 2014 Dec 1;53(49):13471-6. doi: 10.1002/anie.201408246. PMID: 26199125.
8. Muha V, Horváth A, Békési A, Pukáncsik M, Hodoscsek B, Merényi G, Róna G, Batki J, Kiss I, Jankovics F, Vilmos P, Erdélyi M, Vértessy BG. Uracil-containing DNA in Drosophila: stability, stage-specific accumulation, and developmental involvement. PLoS Genet. 2012;8(6):e1002738. doi: 10.1371/journal.pgen.1002738. Epub 2012 Jun 7. PMID: 22685418; PMCID: PMC3369950.
9. Pancsa R, Fichó E, Molnár D, Surányi ÉV, Trombitás T, Füzesi D, Lóczi H, Szijjártó P, Hirmondó R, Szabó JE, Tóth J. dNTPpoolDB: a manually curated database of experimentally determined dNTP pools and pool changes in biological samples. Nucleic Acids Res. 2022 Jan 7;50(D1):D1508-D1514. doi: 10.1093/nar/gkab910. PMID: 34643700; PMCID: PMC8728230.
10. Vértessy BG, Tóth J. Keeping uracil out of DNA: physiological role, structure and catalytic mechanism of dUTPases. Acc Chem Res. 2009 Jan 20;42(1):97-106. doi: 10.1021/ar800114w. PMID: 18837522; PMCID: PMC2732909

Kiemelt eredmények, elismerések:

• 2001-2005 és 2006-2010 - Howard Hughes International Research Scholar (Howard Hughes Medical Institutes, USA)
• 2007 - Welcome Award (Biostruct Labor)
• 2008-2013 – NIH/Fogarty International Center GRIP grant
• Vértessy G. Beáta:
  •    1998-2001 - Bolyai János Kutatási ösztöndíj 
  •    2000 - Scientia Europaea Award (Institute de France and Aventis)
  •    2004 - Qualitas Biologica, 1. helyezés, MTA
  •    2012 – Nőkért és a Tudományért, L’Oréal-UNESCO
  •    2015 – Mestertanár Aranyérem, OTDT
  •    2016 – Tankó Béla Díj, MBKE
  •    2021 – Member of Academia Europaea
  •    2022 – MTA levelező tagja
  •    2023 – Magyar Köztérsaság Érdemrend Tiszti Keresztje
  •    2024 - Diplome d'Honneur, FEBS
• Akadémiai Ifjúsági Díjak: Békési Angéla (2005), Tóth Judit (2008), …
• Bolyai János Kutatási Ösztöndíjak: Tóth Judit (2009-2012 és 2016-2019), Békési Angéla (2022-2025), Nagy Gergely (2024-2027)
• Bolyai Plakett: Tóth Judit (2019)
• Junior Prima Díj, magyar tudomány kategória: Tóth Judit (2010)
• Talentum Díj: Tóth Judit (2012)
• Pro Scientia Díj: Tóth Judit (2012)
• Richter Gedeon Doktori Ösztöndíj: Holub Eszter (2022-2026)
• ÚNKP, EKÖP, DKÖP: Nyíri Kinga (2016, 2020), Békési Angéla (2022-2024), Emődi Nikolett (2024), Szajkó Milda (2024, 2025-2026), Holub Eszter (2024), Tóth Judit (2018-2019)
• KDP, NVKDP: Telek András (2021-2025), Emődi Nikolett (2024-)
• Számos OTKA-PD (134324, …), OTKA-FK (137867…), OTKA-K (…)

Fontosabb együttműködések:

Nemzetközi együttműködések:

• Hilde Nilsen, University of Oslo, Norvégia
• Shailja Pathania, Boston University, USA
• Grant Brown, University of Toronto, Kanada
• Melissa LaBonte Wilson, Queen's University Belfast, UK
• Edina Rosta, King's College London, UK
• Rachel Cerdan & Kai Wengelnik, University of Montpellier, Franciaország
• Simak Ali, Imperial College London, UK
• Martha S. Field, Cornell University, Ithaca NY, USA