FTO

 

 

 

 

 

 

Role of the FTO dioxygenase in development of obesity - multidisciplinary study on selected model systems.

Acronim: FTO - ID: 196258

 

 

Promotor projektu:

prof. Elżbieta Grzesiuk, Institut Biochemii i Biofizyki PAN, Warszawa, Polska

 

Partnerzy projektu:
prof. Arne Klungland, Oslo University Hospital, Department of Molecular Biology, Institute of Microbiology, Oslo University Hospital, Oslo, Norway
prof. Romuald Zabielski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Medycyny Weterynaryjnej, Warszawa, Polska

 

Wysokość finansowania:  998 785 euro

 

Okres realizacji projektu:  04/2013 – 31.03/2017

 

Streszczenie:
Projekt FTO został skonstruowany na podstawie danych wskazujących na udział tego białka w rozwoju otyłości I cukrzycy typu 2. Wykorzystaliśmy kilka modeli: prosięta IUGR, z niską wagą urodzeniową, świnie dorosłe ze zmienionym statusem energetycznym, z insulinoopornością, otyłe po operacji bariatrycznej jako modele dla badania roli FTO w fizjologii ludzi.
Badając lokalizację FTO w poszczególnych tkankach świni stwierdziliśmy wysoki poziom tego białka w specyficznych tkankach (móżdżku, nerkach, śliniankach i wątrobie) ale również specyficznych obszarach np. wyspach Langerhansa w wątrobie.
W ramach Projektu odkryliśmy, że FTO i inne dioksygenazy ALKBH są nadeksprymowane w przypadkach raka głowy i szyi (HNSCC). Syntetyzowane przez nas pochodne antrachinonów wykazywały aktywność anty ALKBH i FTO wobec tego otwierając nowe możliwości dla terapii antynowotworowej.
Skonstruowaliśmy myszy transgeniczne, pojedyncze i podwójne knockout’y w genach Alkbh5 i Fto dla dalszej analizy, szczególnie modyfikacji N6meA w mRNA.
Nasze badania in vitro pokazały, że aktywną formą FTO jest dimer, w komórce eukariotycznej ufosforylowany w domenie N-końcowej. Stwierdziliśmy również, że FTO jest zdolne do tworzenia kompleksów z małym białkiem sygnałowym – kalmoduliną. To odkrycie daje wskazówkę o szlakach regulacji białka FTO.

 

Zespoły badawcze:
ZB numer 1: Rola, struktura I biologiczne właściwości białek FTO i ALKBH5.
Lider: Prof. Elżbieta Grzesiuk - Instytut Biochemii i Biofizyki Polskiej Academii Nauk
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2017

ZB numer 2: Mutanty mysie w Fto i Alkbh5; modele chorób.
Lider: Prof. Arne Klungland – Zakład Biologii Molekularnej, Instytut Mikrobiologii Szpitala Uniwersyteckiego w Oslo
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2016

ZB numer 3: Białko FTO w insulino opornych szczurach po operacji bariatrycznej
Lider: Prof. Romuald Zabielski, DVM – Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Medycyny Weterynaryjnej
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2017

ZB numer 4: Charakterystyka biochemiczna białek FTO i ALKBH5 – aktywność hydroksylacji DNA/RNA
Lider: dr Agnieszka Maciejewska - Instytut Biochemii i Biofizyki Polskiej Academii Nauk
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2016

ZB numer 5: Molekularne podstawy specyficzności substratowej FTO i ALKBH5
Lider: Prof. Jaroslaw Poznanski - Instytut Biochemii i Biofizyki Polskiej Academii Nauk
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2017

ZB numer 6: Lokalizacja FTO, rola ALKBH5 w bezdechu sennym
Lider: Prof. Andrzej Kukwa – Uniwersytet Medyczny, Warszawa
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2016

ZB numer 7: FTO u pacjentów po operacji bariatrycznej
Lider: Prof. Wojciech Lisik - Uniwersytet Medyczny, Warszawa
Data rozpoczęcia 2013; data zakończenia 2016

 

Planowane wyniki Projektu:
Instytut Microbiologii Medycznej Szpitala Uniwersyteckiego w Oslo łączy wiodące grupy badawcze rozwiązujące nowe mechanizmy demetylacji i niestabilności genomowej wiążąc je z kancerogenezą. Członkowie Zespołu kierowanego przez prof. Arne Klunglanda mają doświadczenie w badaniach nad oksydatywną demetylacją, post translacyjnymi modyfikacjami w RNA i białkach, oczyszczaniem białek, bioinformatyką oraz inżynierią znokautowanych myszy. Niezbędne dla Projektu są zmutowane myszy z wydeletowanymi genami kodującymi białka FTO i ALKBH5. Partner norweski poza zwierzęcym modelem badawczym odkrył i stosuje różne wyszukane techniki biologii molekularnej, które w ramach Projektu będzie udostępniał poszczególnym grupom w celu eksploracji epigenetycznej roli mRNA.


Grupa prof. Elżbiety Grzesiuk w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN przewodzi badaniom nad biologiczną funkcją ostatnio odkrytych białek: FTO i ALKBH5 wiązanych z otyłością i cukrzycą typu 2 oraz hypoksją. Stosując techniki biochemiczne i biofizyczne planujemy oczyścić białko FTO, określić jego strukturę, zależność tej struktury od stężenia 2-oksoglutaranu i Fe (II), badać tworzenie kompleksów, a także poszukiwać nowych substratów dla  FTO. W badaniach in vivo planujemy pokazać lokalizację FTO w tkankach świni i powiązać obecność FTO z zastosowaną dietą. Stworzenie interdyscyplinarnego zespołu złożonego z biologów molekularnych, chirurgów, weterynarzy i bioinformatyków oferuje więcej możliwości rozwiązania problemów i odpowiedzi na pytania, które powstają podczas prowadzenia eksperymentów.


Projekt FTO jest inicjatywą pomiędzy Instytutem Biochemii I Biofizyki PAN i Instytutem Mikrobiologii Medycznej Szpitala Uniwersyteckiego w Oslo. W sumie współpracować będzie  30 naukowców w pięciu laboratoriach wraz z doktorantami, którzy będą odbywać krótkie staże w Norwegii i Polsce. Ta współpraca pozwoli stworzyć nowy, międzynarodowy I interdyscyplinarny zespół dla rozwiązywania ważnych problemów związanych z chorobami cywilizacyjnymi I nowoczesną diagnostyką. Podczas nieformalnych dyskusji dotyczących szczegółów planowanych badań w obrębie projektu FTO postanowiliśmy wymieniać materiał biologiczny obejmujący próbki tkanek, płyny ustrojowe, organy znokautowanych myszy itp. Ta bezkosztowa wymiana próbek zwiększa prawdopodobieństwo rozwiązania molekularnych podstaw chorób cywilizacyjnych jak otyłość, cukrzyca typu 2 i nowotwory.

Publikacje:

  1. K. Ferenc, P. Pietrzak, M. M. Godlewski, J. Piwowarski, R. Kiliańczyk, P. Guilloteau, R. Zabielski
    Intrauterine growth retarded piglet as a model for humans - studies on the perinatal development of the gut structure and function
    Reproductive Biology, 2014; 14: 51-60
  2. A. B. Robertson, J. Robertson, M. Fusser, A. Klungland
    Endonuclease G preferntally cleaves 5-hydroxymethylcytosine-modified DNA creating a substrate for recombination
    Nucleid Acids Research,  2014, 42(21):13280-93. doi: 10.1093/nar/gku1032.
  3. A. Klungland, J. A. Dahl
    Dynamic RNA modifications in disease
    Current Opinion in Genetics & Development, 2014;26:47-52. doi: 10.1016/j.gde.2014.05.006
  4. W. Kukwa, E. Migacz
    Selected Cardiologic Aspects of Sleep Apnea in Children – New Findings
    Experimental and Clinical Cardiology, 2014, 20:1,  2598-2605
  5. M. Fusser, S. Kernstock, V. K. Aileni, W. Egge-Jackobsen, P. Falnes, A. Klungland
    Lysine Methylation of the Valosin-containing protein (VCP) is dispensable for development and survival of mice
    Plos One, 2015 Nov 6;10(11):e0141472. doi: 10.1371/journal.pone.0141472.
  6. W. Kukwa, E. Migacz, K. Druc, E. Grzesiuk, A. M. Czarnecka
    Obstructive sleep apnea and cancer: effect of intermittent hypoxia?
    Future oncology, 2015; 11(24):3285-98. doi: 10.2217/fon.15.216
  7. J. Radzikowska, Z. Gronkiewicz, A. Kukwa, W. Lisik, A. M. Czarnecka, A. Krzesicki, W. Kukwa
    Nosopharyngeal chordoma in a patient wit severe form of sleep-disorderer breathing: a case report
    Oncology letters, 2015 Sep; 10(3): 1805–1809. Published online 2015 Jun 19. doi:  10.3892/ol.2015.3393
  8. R. Ougland, I. Jonson, M. N. Moen, G. Nesse, G. Asker, A. Klungland, E. Larsen   
    Role of ALKBH1 in the Core Transcriptional Network of Embryonic Stem Cells.
    Cell Physiol Biochem. 2016;38(1):173-84
  9. M. Landfors, S. Nakken, M. Fusser, J. A. Dahl, A. Klungland, P. Fedorcsak
    Sequencing of FTO and ALKBH5 in men undergoing infertility work-up identifies an infertility-associated variant and two missense mutations.
    Fertil Steril. 2016 May;105(5):1170-1179.e5
  10. E. Alemu, C. He, A. Klungland
    ALKBHs-facilitated RNA modifications and de-modifications.
    DNA Repair (Amst). 2016 Aug;44:87-91
  11. F. Liu, W. Clark, G. Luo, X. Wang, Y. Fu, J. Wei, X. Wang, Z. Hao, Q. Dai, G. Zheng, H. Ma, D. Han, M. Evans, A. Klungland, T. Pan, C. He
    ALKBH1-Mediated tRNA Demethylation Regulates Translation.
    Cell. 2016 Oct 20;167(3):816-828
  12. A. Klungland, J. A. Dahl, G. Greggains, P. Fedorcsak, A. Filipczyk
    Reversible RNA modifications in meiosis and pluripotency.

 

 

 

 

 


Role of the FTO dioxygenase in development of obesity - multidisciplinary study on selected model systems.

Acronim: FTO - ID: 196258

 

 

Project promotor:

prof. Elżbieta Grzesiuk, Institute of Biochemistry and Biophysics, PAS, Warsaw, Poland

 

Project partners:
prof. Arne Klungland, Oslo University Hospital, Department of Molecular Biology, Institute of Microbiology, Oslo University Hospital, Oslo, Norway
prof. Romuald Zabielski, Warsaw University of Life Sciences, Faculty of Veterinary Medicine, Warsaw, Poland

 

Project grant:  998 785 euro

 

Project duration:  04/2013 – 31.03/2017

 

Project summary:
FTO project was constructed on the basis of data indicating involvement of FTO protein in obesity and type 2 diabetes development. We used several pig’s model: IUGR, with low birth body mass, adult pigs with changed energy status, pigs with insulin resistant, and obese pigs after bariatric surgery as a model for studying FTO role in human physiology.
Searching for FTO distribution, we found high FTO level in specific tissues where FTO was abundantly expressed (cerebellum, kidney, salivary gland and pancreas) in the specific areas e.g. in pancreas’s Langerhans islands.
Within the Project, we discovered FTO and other ALKBH proteins overexpressed in head and neck cancer (HNSCC). Synthetized by us antraquinone derivatives demonstrated anti-ALKBH+FTO activity, opening new possibilities for anticancer therapy.
We have prepared transgenic mice with single and double knockout in Alkbh5 and Fto genes for further analysis, especially N6meA modification in mRNA.
Our in vitro study showed active form of FTO as a dimer, phosphorylated in eukaryotic cell on N-terminal domain. We have also found that FTO forms complexes with small signaling protein – calmodulin, influencing its calcium binding domains. This findings gave us information about pathways of FTO protein regulation.

 

Work Pakages:

WP number 1: Overall role, structure and biological features of FTO and ALKBH5.
WP leader: Prof. Elżbieta Grzesiuk - Institute of Biochemistry and Biophysics, Polish Academy of Sciences
Start date 2013; End date 2017

WP number 2: FTO and ALKBH5 mutant mice; disease models.
WP leader: Prof. Arne Klungland - Oslo University Hospital, Department of Molecular Biology, Institute of Microbiology
Start date 2013; End date 2016

WP number 3: FTO in insulin resistant rats following bariatric surgery
WP leader: Prof. Romuald Zabielski, DVM - Warsaw University of Life Sciences – Faculty of Veterinary Medicine
Start date 2013; End date 2017

WP number 4: Biochemical characterisation of FTO and ALKBH5 DNA/RNA hydroxylation activity
WP leader: Agnieszka Maciejewska, Ph.D - Institute of Biochemistry and Biophysics, Polish Academy of Sciences
Start date 2013; End date 2016

WP number 5: Molecular backgrounds of substrate specificity of FTO and ALKBH5
WP leader: Prof. Jaroslaw Poznanski - Institute of Biochemistry and Biophysics, Polish Academy of Sciences
Start date 2013; End date 2017

WP number 6: FTO distribution, ALKBH5 in sleep apnea.
WP leader: Prof. Andrzej Kukwa - Medical University of Warsaw
Start date 2013; End date 2016

WP number 7: Salivary FTO in bariatric patients
WP leader: Prof. Wojciech Lisik - Medical University of Warsaw
Start date 2013; End date 2016

 

Project planned results:
Oslo University Hospital, Department of Molecular Biology Institute of Medical Microbiology, connects world leading research groups striving to elucidate new mechanisms of demethylation concerning the repair and regulation of the mammalian genome and addresses genome instabilities associated with cancer development. Members of the Laboratory for Genome Repair and Regulation led by prof. Arne Klungland are experienced in oxidative demethylation research, post translational modifications in RNA and proteins, enzyme purification, bioinformatics and knockout mice engineering. Essential to this project is a mutant mouse with deleted genes encoding FTO and ALKBH5 proteins. The Norway partner, apart from this model animal, has developed and uses a variety of sophisticated molecular biology techniques that will be shared in order to explore the foundations of mRNA epigenetics.
   
The group of prof. Elżbieta Grzesiuk in the Institute of Biochemistry and Biophysics PAS is the leader in finding the biological function of the recently discovered proteins: FTO and ALKBH5, which are related to obesity/type 2 diabetes and hypoxia. Using biochemical and biophysical technics, we plan to purify FTO protein, resolve its structure, dependence of its activity on 2-oxoglutarate and Fe (II) concentration, complexes formation, as well as looking for new FTO substrates. In in vivo studies, we plan to show FTO localization in pig tissues and connect FTO presence with applied diet. Creation a multidisciplinary team of molecular biologists, surgeons, veterinarians and bioinformaticians offers more possibilities to resolve problems and questions that arise during the course of the experiments.

The FTO project is an initiative between the Institute of Biochemistry and Biophysics PAS and the Department of Molecular Biology Institute of Medical Microbiology Oslo University Hospital. Total of 30 researchers will be involved, with 5 bilateral laboratories and phD students to take part in exchange trips to Norway or Poland. This collaboration allows us to create a new international, interdisciplinary team for solving important problems of lifestyle diseases and modern diagnostics.


During informal discussions concerning the details of planned research within the FTO project, we have found the possibility to exchange biological material that includes tissue samples, biofluids, knockout mice organs etc. This costless sharing of samples increases the possibility of resolving the molecular basis of modern-day diseases including obesity, type 2 diabetes, and cancer.

 

Publications:

  1. K. Ferenc, P. Pietrzak, M. M. Godlewski, J. Piwowarski, R. Kiliańczyk, P. Guilloteau, R. Zabielski
    Intrauterine growth retarded piglet as a model for humans - studies on the perinatal development of the gut structure and function
    Reproductive Biology, 2014; 14: 51-60
  2. A. B. Robertson, J. Robertson, M. Fusser, A. Klungland
    Endonuclease G preferntally cleaves 5-hydroxymethylcytosine-modified DNA creating a substrate for recombination
    Nucleid Acids Research,  2014, 42(21):13280-93. doi: 10.1093/nar/gku1032.
  3. A. Klungland, J. A. Dahl
    Dynamic RNA modifications in disease
    Current Opinion in Genetics & Development, 2014;26:47-52. doi: 10.1016/j.gde.2014.05.006
  4. W. Kukwa, E. Migacz
    Selected Cardiologic Aspects of Sleep Apnea in Children – New Findings
    Experimental and Clinical Cardiology, 2014, 20:1,  2598-2605
  5. M. Fusser, S. Kernstock, V. K. Aileni, W. Egge-Jackobsen, P. Falnes, A. Klungland
    Lysine Methylation of the Valosin-containing protein (VCP) is dispensable for development and survival of mice
    Plos One, 2015 Nov 6;10(11):e0141472. doi: 10.1371/journal.pone.0141472.
  6. W. Kukwa, E. Migacz, K. Druc, E. Grzesiuk, A. M. Czarnecka
    Obstructive sleep apnea and cancer: effect of intermittent hypoxia?
    Future oncology, 2015; 11(24):3285-98. doi: 10.2217/fon.15.216
  7. J. Radzikowska, Z. Gronkiewicz, A. Kukwa, W. Lisik, A. M. Czarnecka, A. Krzesicki, W. Kukwa
    Nosopharyngeal chordoma in a patient wit severe form of sleep-disorderer breathing: a case report
    Oncology letters, 2015 Sep; 10(3): 1805–1809. Published online 2015 Jun 19. doi:  10.3892/ol.2015.3393
  8. R. Ougland, I. Jonson, M. N. Moen, G. Nesse, G. Asker, A. Klungland, E. Larsen   
    Role of ALKBH1 in the Core Transcriptional Network of Embryonic Stem Cells.
    Cell Physiol Biochem. 2016;38(1):173-84
  9. M. Landfors, S. Nakken, M. Fusser, J. A. Dahl, A. Klungland, P. Fedorcsak
    Sequencing of FTO and ALKBH5 in men undergoing infertility work-up identifies an infertility-associated variant and two missense mutations.
    Fertil Steril. 2016 May;105(5):1170-1179.e5
  10. E. Alemu, C. He, A. Klungland
    ALKBHs-facilitated RNA modifications and de-modifications.
    DNA Repair (Amst). 2016 Aug;44:87-91
  11. F. Liu, W. Clark, G. Luo, X. Wang, Y. Fu, J. Wei, X. Wang, Z. Hao, Q. Dai, G. Zheng, H. Ma, D. Han, M. Evans, A. Klungland, T. Pan, C. He
    ALKBH1-Mediated tRNA Demethylation Regulates Translation.
    Cell. 2016 Oct 20;167(3):816-828
  12. A. Klungland, J. A. Dahl, G. Greggains, P. Fedorcsak, A. Filipczyk
    Reversible RNA modifications in meiosis and pluripotency.