Az MBL-hez kapcsolódó szerin proteázok szubsztrát specificitása és fiziológiai jelentősége = Substrate specificity and physiological relevance of MBL-associated serine proteases

A komplement rendszer aktiválódásának lektin útja az egyik első védelmi vonalnak tekinthető a szervezet fertőzések elleni védekezésében. A mannóz kötő lektin (MBL) baktérium felszínhez való kötődése után szerin proteáz zimogének (MASP= MBL-kötött szerin proteáz) aktiválódnak, melyek többféle mechanizmus révén járulnak hozzá az idegen mikroorganizmus megsemmisítéséhez ill. eltávolításához. Munkánk során felderítettük, a proteolitikus kaszkádrendszer beindításáért felelős MASP-2 enzim autoaktiválódásásnak mechanizmusát atomi szinten. Felfedeztük a MASP-2 egy eddig ismeretlen biológiai funkcióját, amely kapcsolatot teremt a véralvadási és a komplement kaszkád között. A MASP-2 hasítja és aktiválja a protrombint. Ugyancsak részletesen tanulmányoztuk a MASP-1 trombin-szerű aktivitását is. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a vérben lévő két proteolitikus kaszkádrendszer szoros evolúciós és funkcionális kapcsolatban van egymással, a komplement lektin útja által indukált limitált koaguláció az immunvédekezés egy ősi formájának tekinthető. | The lectin pathway of the complement system forms one of the first defence lines against the infections in our body. Upon MBL (mannose-binding lectin) binds to the bacterial surface serine protease zymogens (MASP=MBL-associated serine protease) become activated, and the active MASPs contribute to the inactivation and elimination of the foreign microorganism in several ways. In the course of our work we revealed the detailed atomic mechanism of the autoactivation of MASP-2 that is responsible for the initiation of the complement cascade. We discovered a new biological function of MASP-2 which makes contact between the complement and the coagulation cascades. MASP-2 cleaves and activates prothrombin. We also studied the thrombin-like activity of MASP-1 in detail. These results suggest that the two proteolytic cascade systems are in close evolutionary and functional relationship. The limited coagulation induced by the lectin pathway of the complement system can be regarded as an ancient form of immunity

Szerin proteázok az immunrendszerben: szerkezet, funkció, fiziológiai jelentőség = Serine proteases of the immune system: structure, function, physiological significance

A komplement rendszer egy szerin proteázokból álló kaszkádrendszer, amely a természetes immunitás részeként fontos szerepet tölt be a fertőzések elleni védekezésben. Munkánk során tanulmányoztuk a komplement aktiválódás klasszikus és lektin útjában résztvevő szerin proteáz enzimek szerkezetét, működését és fiziológiai jelentőségét. Meghatároztuk a lektin út kulcsenzimének, a MASP-2-nek a térszerkezetét aktív és zimogén formában. Jellemeztük a két forma enzimatikus tulajdonságait is. A szerkezetekből és mérésekből kiindulva modelleztük a MASP-2 szubsztrát-indukálta autoaktiválódási mechanizmusát atomi szinten. Ugyancsak meghatároztuk a C1r, a klasszikus aktiválódási út során autoaktiválódó, szerin proteáz térszerkezetét. A térszekezet és mérési adatok alapján egy új modellt alkottunk a klasszikus út iniciációs lépésére, a C1r autokativálódására a C1 komplexen belül. NMR spektroszkópia segítségével vizsgáltuk, hogy a C1r molekula mely szegmense felelős a funkcióhoz szükséges konformációs flexibilitásért. A komplement proteázok szubsztrátspecificitásának tanulmányozása során megerősítettük, hogy a vérben található két proteolitikus kaszkádrendszer, a véralvadás és a komplement, nem függetlenek egymástól, hanem több ponton is kölcsönhatásban állnak. Sikerült meghatároznunk a korai komplement proteázok közös fiziológiás inhibitorának, a C1-inhibitornak a térszerkezetét. A térszerkezet alapján megmagyaráztuk a heparin inhibitor-moduláló hatását, valamint a betegséget (örökletes angioödéma) okozó mutációk szerkezeti hátterét. | The complement system is a proteolytic cascade system that plays an essential role in the innate immunity. We studied the structure, function and physiological relevance of the serine proteases involved in the classical and lectin activation pathways of complement. We determined the 3D structures of the zymogen and active forms MASP-2 which is the key enzyme of the lectin pathway. We also characterized the enzymatic properties of the two forms. Using the structural and experimental data we built an in silico model for the mechanism of the substrate-induced autoactivation of MASP-2. We also solved the crystal structure of Cr, which is the autoactivating protease of the classical pathway. Based on our data we built a new functional model for the initiation step of the classical pathway: the autoactivation of C1r in the C1 complex. We used NMR to study the conformational flexibility of C1r in solution. Our study concerning the substrate specificity of the complement proteases reinforced our view that the two proteolytic cascade systems that are present in the blood plasma (ie the complement and the coagulation systems) are not independent, but interact with each-other in several ways. We managed to determine the 3D structure of the C1-inhibitor, which is the common inhibitor of the early complement proteases and some other proteases in the blood. The structure revealed the background of the inhibitor function modulating effect of heparin and we could explain the structural basis of some mutation which lead to the development of the disease, hereditary angioedema

Enzimreakciók vizsgálata a moduláris szerveződés, az atomi kölcsönhatás és a kvantummechanika szintjein. A fehérje biofizika tudományos iskolája = Insight into the Enzyme Action at Levels of modular Organization, Atomic Interactions and Quantum-Mechanics. School of Protein Biophysics

Az elmúlt 3 év koherens kutató munkája során születtek speciális tudományos eredmények és levontunk ezekből általános következtetéseket is. Munkánk mérlege a nemzetközi folyóiratokban megjelent 30 közlemény összesen 130 IF-al. Molekuláris immunológiai kutatásaink keretében meghatároztuk 4 komplement proteáz és a C1-inhibitor szerkezetét, különösen az utóbbi hozott számunkra nagy nemzetközi elismerést. A szerkezetek és funkcionális eredményeink alapján általánosan elfogadott aktiválási modellt dolgoztunk ki a komplement rendszer lektin útjának szabályozási mechanizmusára. Jelentősnek tartjuk a C1-inhibitor heparin által történő potencirozásának mechanizmusára javasolt, szerkezeti alapú modell kidolgozását, a flagellin fehérje egyik rendezetlen szakaszának export szignálként történő azonosítását (szabadalom is született belőle), a foszfoglicerátkináz enzim domén záródásban résztvevő allosztérikus jeltovábbító hálózat azonosítását, az enzimaktivitás rendhagyó hőmérsékletfüggésének a konformációs flexibilitás alapján történő értelmezését a izopropilmalát dehidrogenáz esetében, átmeneti zóna felfedezését a rendezett és rendezetlen szerkezetet kódoló aminósav szekvencák között. A komplement fehérjék és funkcionális komplexeik, a flagelláris rendszerek, multidomén enzimek együttes vizsgálata lehetővé tette a fehérjék önszerveződésével, a molekuláris szintű felismeréssel és az allosztérikus jeltovábbítás mechanizmusával kapcsolatos általános következtetések levonását. | We have determined the structure of C1-Inhibitor and four complement proteinases: C1r, MASP1, MASP2 in zymogen form and MASP2 in activated form. Based on our structural and functional studies we concluded a mechanistic model for the activation of the lectin pathway of the complement system. We also devised a structure based model for the heparin potentiation of C1-Inhibitor. An intrinsically disordered sequence of the bacterial flagellin protein was identified as an export signal (patented). Other significant achievements: the mapping of an allosteric network involved in the ligand induced hinge closure of phosphoglycerate kinase, the interpretation of the odd temperature dependence in the catalytic activity of isopropylmalate dehydrogenase in terms of concerted conformational fluctuations, discovery of the twilight zone between amino acid sequences encoding ordered and disordered conformations. Our coherent studies on the functional protein complexes of the complement system, on flagellar systems, multidomain enzymes enabled us to make some general conclusions regarding the self assembly, recognition and allosteric behaviour of proteins and protein complexes

A versatile modular vector set for optimizing protein expression among bacterial, yeast, insect and mammalian hosts

We have developed a unified, versatile vector set for expression of recombinant proteins, fit for use in any bacterial, yeast, insect or mammalian cell host. The advantage of this system is its versatility at the vector level, achieved by the introduction of a novel expression cassette. This cassette contains a unified multi-cloning site, affinity tags, protease cleavable linkers, an optional secretion signal, and common restriction endonuclease sites at key positions. This way, genes of interest and all elements of the cassette can be switched freely among the vectors, using restriction digestion and ligation without the need of polymerase chain reaction (PCR). This vector set allows rapid protein expression screening of various hosts and affinity tags. The reason behind this approach was that it is difficult to predict which expression host and which affinity tag will lead to functional expression. The new system is based on four optimized and frequently used expression systems (Escherichia coli pET, the yeast Pichia pastoris, pVL and pIEx for Spodoptera frugiperda insect cells and pLEXm based mammalian systems), which were modified as described above. The resulting vector set was named pONE series. We have successfully applied the pONE vector set for expression of the following human proteins: the tumour suppressor RASSF1A and the protein kinases Aurora A and LIMK1. Finally, we used it to express the large multidomain protein, Rho-associated protein kinase 2 (ROCK2, 164 kDa) and demonstrated that the yeast Pichia pastoris reproducibly expresses the large ROCK2 kinase with identical activity to the insect cell produced counterpart. To our knowledge this is among the largest proteins ever expressed in yeast. This demonstrates that the cost-effective yeast system can match and replace the industry-standard insect cell expression system even for large and complex mammalian proteins. These experiments demonstrate the applicability of our pONE vector set

Cutting Edge: A New Player in the Alternative Complement Pathway, MASP-1 Is Essential for LPS-Induced, but Not for Zymosan-Induced, Alternative Pathway Activation

The complement system is a sophisticated network of proteases. In this article, we describe an unexpected link between two linear activation routes of the complement system: the lectin pathway (LP) and the alternative pathway (AP). Mannose-lectin binding-associated serine protease (MASP)-1 is known to be the initiator protease of the LP. Using a specific and potent inhibitor of MASP-1, SGMI-1, as well as other MASP-1 inhibitors with different mechanisms of action, we demonstrated that, in addition to its functions in the LP, MASP-1 is essential for bacterial LPS-induced AP activation, whereas it has little effect on zymosan-induced AP activation. We have shown that MASP-1 inhibition prevents AP activation, as well as attenuates the already initiated AP activity on the LPS surface. This newly recognized function of MASP-1 can be important for the defense against certain bacterial infections. Our results also emphasize that the mechanism of AP activation depends on the activator surface

Fehérjék konformációs dinamikája mint a biomolekuláris felismerés és jelátvitel meghatározó eleme = Protein conformational dynamics as a key determinant in biomolecular recognition and signal transmission

A térszerkezet alapján, a konformációs dinamika figyelembevételével kíséreltük meg az intramolekuláris és molekulák közötti jelátvitel megértését atomi felbontással. Kísérleti objektumok: a komplement rendszer, azon belül is a nemrég felfedezett lektin út fehérjekomplexei, a flagelláris exportrendszer valamint moduláris monomer, dimer és oligomer felépítésű enzimek álltak. Megállapítottuk, hogy FliI ATPáz, amely képes az exportálandó fehérjéje kitekerésére, a FliJ, FliH és FliS komponensekkel együtt képez olyan szupramolekuláris komplexet, amely képes az export szubsztrátumok felismerésére. Leírtuk a foszfoglicerát kináz enzim alloszterikus működési mechanizmusát, atomi felbontással. Feltártuk az izopropilmalát dehidrogenáz molekuláris csuklóinak működését és szerepét az alegységek kölcsönhatásaiban. Szelektív inhibitorokkal a tankönyvi tézissel ellentétes felismerésre jutottunk, miszerint a komplement rendszer lektin útjának meghatározó aktivátora a MASP-1 szerin proteáz. Így a komplement aktiválással összefüggő betegségek új gyógyszercélpont molekuláját azonosítottuk. Felfedeztük, hogy a MASP-1 képes a kininogén hasítása útján, bradikinint felszabadítva, komplement függő gyulladást keltésére. Felfedeztük, hogy a trombinhoz hasonlóan a MASP-1, PAR-4 receptoron keresztül endotél sejteket aktivál. Bizonyítékot találtunk arra, hogy a fehérjék konformációs dinamikája meghatározza a szerkezet evolúciójának lehetséges irányait, több milliárd éves időskálán is. | The CUB2 domain of C1r without calcium has disordered structure. This flexibility, necessary for autocativation of C1r inside the C1 complex, is regulated by calcium. Using MASP-selective inhibitors we proved that, in contrast to the previous textbook picture, MASP-1 is the exclusive activator of MASP-2. Blocking the proteolytic activity of MASP-1 prevents activation of the lectin pathway, therefore MASP-1 is a new target in treating complement related diseases. We solved the structure of the catalytic region of MASP-1. The structure explains the special enzymatic characteristics of this complement protease. We discovered a new, inflammation related function of the complement system: MASP-1 is able to directly activate endothelial cells through cleaving protease activated receptor-4. We discovered that MASP-1 is able to cleave kininogen and liberates bradykinin. In this way MASP-1 can contribute to the local inflammatory reaction triggered by complement activation. The allosteric mechanismnof human PGK has been explored at atomic details. In the dimeric enzyme IPMDH structural and site-directed mutagenesis studies revealed the operation of the two main molecular hinges and their relationship with the subunit interactions. We have shown that conformational motions are linked to protein evolution by producing structural variants that can be evolutionarily stabilized. This process is exemplified by segment-swapped proteins, a new group of proteins discovered by us

Serum MASP-1 in complex with MBL activates endothelial cells.

The complement system plays an important role in the induction of inflammation. In this study we demonstrate that the initiation complexes of the lectin pathway, consisting of mannose-binding lectin (MBL) and associated serine proteases (MASPs) elicit Ca2+ signaling in cultured endothelial cells (HUVECs). This is in agreement with our previous results showing that the recombinant catalytic fragment of MASP-1 activates endothelial cells by cleaving protease activated receptor 4. Two other proteases, MASP-2 and MASP-3 are also associated with MBL. Earlier we showed that recombinant catalytic fragment of MASP-2 cannot activate HUVECs, and in this study we demonstrate that the same fragment of MASP-3 has also no effect. We find the same to be the case if we use recombinant forms of the N-terminal parts of MASP-1 and MASP-2 which only contain non-enzymatic domains. Moreover, stable zymogen mutant form of MASP-1 was also ineffective to stimulate endothelial cells, which suggests that in vivo MASP-1 have the ability to activate endothelial cells directly as well as to activate the lectin pathway simultaneously. We show that among the components of the MBL-MASPs complexes only MASP-1 is able to trigger response in HUVECs and the proteolytic activity of MASP-1 is essential. Our results strengthen the view that MASP-1 plays a central role in the early innate immune response

Polyphosphate nanoparticles enhance the fibrin stabilization by histones more efficiently than linear polyphosphates.

IntroductionBeyond the three-dimensional fibrin network, the mechanical and lytic stability of thrombi is supported by the matrix of neutrophil extracellular traps (NETs) composed of polyanionic DNA meshwork with attached proteins including polycationic histones. Polyphosphates represent another type of polyanions, which in their linear form are known to enhance the fibrin stabilizing effects of DNA and histones. However, in vivo polyphosphates are also present in the form of nanoparticles (PolyP-NP), the interference of which with the fibrin/NET matrix is poorly characterized.AimsTo compare the effects of linear and nanoparticulate polyphosphates, and their combinations with relevant NET components (DNA, histone H3) on fibrin formation, structure, and lysis in in vitro assays focusing on histone-polyphosphate interactions.MethodsTransmission electron microscopy and dynamic light scattering for stability of the PolyP-NP preparations. Turbidimetry for kinetics of fibrinogen clotting by thrombin and fibrin dissolution by tissue-type plasminogen activator/plasminogen. Scanning electron microscopy for fibrin structure. Surface plasmon resonance for strength of histone-PolyP interactions.ResultsBoth linear PolyP and PolyP-NP accelerated the fibrin formation and slowed down its dissolution and these effects were strongly dependent on the number of individual PolyP particles and not on their size. Addition of DNA did not modify significantly the PolyP-NP effects on fibrin formation and lysis. Both linear and nanoparticulate PolyP counteracted the effect of histone in the acceleration of fibrinogen clotting by thrombin. PolyP-NP, but not linear PolyP enhanced the prolongation of lysis time in fibrin containing histone and caused more pronounced thickening of the fibrin fibers than the linear form. Finally, PolyP-NP bound weaker to histone than the linear form.ConclusionsThe interaction of PolyP with histone was a stronger modulator of fibrin formation and lysis than its interaction with DNA. In addition, the PolyP nanoparticles enhanced the thrombus stabilizing effects of histone more effectively than linear PolyP