Hub Molecules Of Life

I den innledende fasen av prosjektet etablerte vi først en detaljert plan for koordinering av våre felles aktiviteter under ISGSB-møtet i Innsbruck (sep 2022). Vi bestemte at i tillegg til vanlige digitale møter, skulle medlemmene i konsortiet møtes personlig minst 1-2 ganger i året. Dette har blitt vellykket implementert, delvis ved å kombinere HubMOL-møter med felles oppmøte på internasjonale konferanser og gjennom våre undervisningsaktiviteter. Alle fire Pis møttes i februar 2024 i Bergen og deltok i undervisningen i kurset om matematisk modellering av metabolske veier (gjennomført i samarbeid med forskerskolen NORBIS). Vitenskapelig har vi i denne perioden fokusert på utvikling og implementering av teknologier som vil være avgjørende i neste fase av prosjektet. Vi utviklet og utvidet analytiske metoder med høy presisjon for den tidsoppløste målingen som kreves for å etablere flukser i metabolske veier og omsetningshastigheter for posttranslasjonelle modifikasjoner. Dette har vært et samarbeid som har involvert alle fire partnere: Migaud-laboratoriet syntetiserer stabile isotopmerkede forløpere, nødvendige for å måle inkorporeringshastigheter i navmolekyler; Innsbruck-gruppen etablerer LC-MS-prosedyrer for påvisning og kvantifisering av stedsspesifikk proteinacetyleringsdynamikk; gruppen i Bergen utvikler cellebaserte modellsystemer og LC-MS-teknikker for å måle NAD-metabolitter og deres omsetning i celler og mitokondrier. De genererte dataene er korrigert for naturlig forekommende isotoper og gjenstand for bioinformatiske analyser og matematiske modelleringsmetoder av Tromsøgruppen. Denne "arbeidsflyten" er nå godt etablert og gir en sterk base for vår pågående felles forskning. De utviklede teknologiene har blitt brukt og validert i flere eksperimentelle tilnærminger og modellsystemer og brukes nå for å møte hovedmålene til HubMOL-prosjektet. Gitt de motsatte rollene til navmolekylene CoA og NAD i histonacetylering, er et viktig teknologisk fremskritt den nøyaktige kvantitative beskrivelsen av acetylerings-/deacetyleringshendelser i spesifikke histonmodifikasjonssteder. Ved å bruke både metabolsk og kjemisk stabil isotopmerking, kunne dynamikken i to nærliggende akseptorsteder etableres. Derved var det mulig å oppdage gjensidig avhengighet og forskjeller i dynamikken innenfor de to stedene, noe som indikerer hittil uoppdagede reguleringsmekanismer. Vi har også utviklet en rekke cellulære modeller for å modulere NAD-konsentrasjoner eller den subcellulære tilgjengeligheten til dette koenzymet. En tilnærming er målrettet overuttrykk av et NAD-forbrukende enzym i forskjellige subcellulære rom. Derved synker den cellulære NAD-konsentrasjonen som har varierende fysiologiske effekter, avhengig av det subcelluløre rommet. Ved å bruke den innhentede metabolske informasjonen og proteomikkdata ble det generert en metabolsk modell i genomskala som for første gang tar hensyn til reguleringen av NAD-avhengige enzymer ved NAD-konsentrasjonen. I kommende eksperimenter vil vi bruke disse modellsystemene til å studere konsekvensene av modulerte NAD-nivåer på andre navmolekyler. Spesifikt vil vi analysere innvirkningen på acetyl-CoA-nivåer og innvirkningen på histonacetyleringsdynamikk, og dermed etablere krysspåvirkningen av navmolekylavhengige metabolske og signaleringsfunksjoner.

Metabolic disorders are a major burden on the European population and health care systems. Moreover, metabolic perturbations contribute substantially to other pathologies such as neurodegenerative disorders and cancer. The causes of metabolic dysregulation are manifold and lead to pathological shifts in biochemical processes, often in response to imbalanced nutrition. Likewise, changes in metabolism affect signalling mechanisms and gene regulation, aggravating the pathology. The tight interconnection between metabolism and signalling is still not well understood. HubMOL will fill this knowledge gap and open new horizons by exploring the functional duality of a set of small molecules that are involved in all cellular functions - the Hub Molecules Of Life (HubMOLs) including ATP, SAM (S-adenosylmethionine) and the vitamin-derived cofactors, NAD, FAD, and CoA. They mediate both metabolic reactions, but also signalling, for example, through posttranslational protein modifications (PTMs). The complexity of this emerging area requires interdisciplinary scientists equipped with a comprehensive set of skills and competences covering synthetic and analytical chemistry, experimental, computational and systems biology as well as clinical medicine. In a highly interactive team of international experts in these areas, HubMOL will develop new chemical and analytical tools enabling experimental studies of the complex interplay of cofactor metabolism and the dynamics of the PTMs they mediate. Predictive mathematical models will be developed to capture this interconnectivity and duality of hub molecules. These models will be iteratively improved through experimental verification cycles and eventually validated based on clinical data and samples from patients with neurodegenerative disorders undergoing NAD supplementation therapy. Thereby, HubMOL will establish fundamentally new insights into cofactor biology and lay the ground for patient-tailored vitamin supplementation concepts.