Molekulární a buněčná biologie a genetika

Genome sequencing brings a huge amount of information regarding the genetic basis of life. While this information provides a foundation for our understanding of biology, it has become clear that the DNA code alone does not hold all the answers. Epigenetic modifications and higher order DNA structures beyond the double helix contribute to basic biological processes and maintaining cellular stability. Local alternative DNA structures are known to exist in all organisms. Negative supercoiling induces in vitro local nucleotide sequence-dependent DNA structures such as cruciforms, left-handed DNA, triplex and quadruplex structures etc. The formation of cruciforms requires perfect or imperfect inverted repeats of 6 or more nucleotides in the DNA sequence. Inverted repeats are distributed nonrandomly in the vicinity of breakpoint junctions, promoter regions, and at sites of replication initiation. Cruciform structures could for example affect the degree of DNA supercoiling, the positioning of nucleosomes in vivo, and the formation of other secondary structures of DNA. The three-dimensional molecular structure of DNA, specifically the shape of the backbone and grooves of genomic DNA, can be dramatically affected by nucleotide changes, which can cause differences in protein-binding affinity and phenotype. The recognition of cruciform DNA seems to be critical not only for the stability of the genome, but also for numerous, basic biological processes. As such, it is not surprising that many proteins have been shown to exhibit cruciform structure-specific binding properties or G-quadruplex binding properties. Contemporary we have developed easy accessible web tools for analyses of inverted repeats and G-quadruplexes and we have analyzed the presence of inverted repeats and G-quadruplexes in various genomic datasets, such as all sequences mitochondrial genomes, all bacterial genomes, in S.cerevisiae, in human genome etc. A deeper understanding of the processes related to the formation and function of alternative DNA structures will be an important component to consider in the post-genomic era.

Poznámky

Supervisor:
Doc. Mgr. Václav Brázda, PhD.; Biofyzikální ústav AVČR, Královopolská 135, 612 65 Brno, tel. 541517231, fax 541211293, e-mail: vaclav@ibp.cz
https://www.ibp.cz/en/research/departments/biophysical-chemistry-and-molecular-oncology/staff/5

Školitel

prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D.

Bakteriofágy zohrávajú kľúčovú úlohu vo vývoji bakteriálnych populácií, vytvárajú selekčný tlak, prispievajú k horizontálnemu transferu génov a samotné môžu vo svojich genómoch niesť faktory pre virulenciu či fitnes hostiteľa. Fágom indukovateľné chromozómové ostrovy (PICI), často označované ako molekulárny paraziti, využívajú bakteriofágy pre svoj transfer. Bakteriofágy a PICI druhu Staphylococcus epidermidis, a ich vplyv na evolúciu baktérii sú zatiaľ relatívne málo preštudované. S. epidermidis je pritom hlavný oportúnny patogén spôsobujúci nozokomiálne infekcie, charakteristický tvorbou biofilmu a častou rezistenciou k antibiotikám. Cieľmi práce bude identifikovať mechanizmy interferencie PICI s fágmi spolu so spôsobom prekonania interferencie fágom. PICI môžu interferovať na viacerých úrovniach s životným cyklom fága, čo vedie rezistencii alebo zníženej citlivosti hostiteľa na fága. Druhým cieľom bude charakterizovať úlohu PICI v horizontálnom prenose génov v kontexte evolúcie baktérií. Využité budú metódy NGS, editácie genómov, transkriptomiky, expresie proteínov a štúdia interakcií biologických makromolekúl.

Poznámky

Téma je vypsáno pro Adama Vinca.

Školitel

prof. RNDr. Roman Pantůček, Ph.D.

Actin cytoskeleton is a complex and dynamic network of filaments maintaining cell shape, tension, contractility, adhesion, migration, and intracellular trafficking. The dynamic properties of the actin cytoskeleton are regulated by variety of actin-binding proteins. Access of actin-binding proteins to actin filaments is controlled by tropomyosins (TPMs). In humans, four TPM genes produce by alternative splicing more than 40 isoforms. The aim of this project is to determine the interactions of Tpm2 isoforms with actin filaments and actin-binding proteins and thus reveal their function in regulation of actin dynamics, formation of cellular structures, mechanosensing, and control of cancer cell growth, metastasis and survival.

Aktinový cytoskelet představuje komplexní a dynamickou síť filament, které se podílejí na regulaci tvaru buněk, napětí, kontraktility, adheze, migrace a intracelulárního transportu. Dynamické vlastnosti aktinového cytoskeletu jsou regulovány řadou aktin-asociovaných proteinů. Přístup těchto proteinů k aktinovým vláknům je kontrolován tropomyosiny (TPM). U člověka byly popsány 4 TPM geny, které díky alternativnímu sestřihu produkují vice než 40 izoforem. Cílem projektu je popis interakcí izoforem Tpm2 s aktinovými filamenty a aktin-asociovanými proteiny a určení významu těchto izoforem v regulaci dynamiky aktinové sítě, tvorby buněčných struktur, vnímání mechanických podnětů a kontroly růstu, přežíváni a metastatické aktivity nádorových buněk.

Poznámky

Téma je vypsáno pro Andreu Rousovou.

Školitel

doc. Mgr. Petr Beneš, Ph.D.

Dolní čelist je mobilní, zuby nesoucí struktura důležitá pro mastikaci. Pro plnění jejich funkce je nezbytné správné ukotvení zubů v čelisti. Procesy související s vytvářením dentice tak musí být synchronizovány s dalšími, které probíhají u okolních struktur. Inovativní přístup je založen na solidních preliminárních datech pro zodpovězení důležitých otázek, které se týkají interakcí buněk a tkání při tvorbě funkčního mandibulárního komplexu. Projekt přinese originální data k buněčným a molekulárním mechanismům, které formují a udržují měkkou tkáň rozhraní zubu a kosti, a k dynamickému vztahu kosti a zubu, jejich vaskularizaci a inervaci. Projekt je realizován ve spolupráci s King's College London a s podporou GAČR.

The lower jaw is a mobile, tooth-bearing structure important for mastication. To fulfil their function, teeth must be properly anchored within the jaw. The processes of the dentition establishment thus need to be synchronized with those taking place within surrounding structures. The innovative approach is based on solid preliminary data for addressing important questions regarding cell and tissue interactions to create a functional mandibular complex. The research will bring original data on the cellular and molecular mechanisms that form and maintain the soft tooth-bone interface, and on the dynamic relationship between the bone and teeth, their vascularization and innervation. The project runs in cooperation with the King's College London and is supported by GAČR.

Školitel

prof. RNDr. Eva Matalová, Ph.D.

Zubní pulpa představuje cévní a nervové zásobení zubu obklopené jeho tvrdými komponentami. Jedná se o unikátní tkáň, která je klíčová pro vitalitu zubu, současně náchylná na působení zevních vlivů a vykazující omezenou míru regenerace. Kmenové buňky, které byly identifikovány v zubní pulpě, jsou proto atraktivním předmětem biomedicínského výzkumu. Obecně je známo, že výskyt kmenových buněk je asociován s vaskularizací a inervací tkání, většina poznatků ke kmenovým buňkám zubní pulpy však pochází z in vitro analýz. Cílem vědecko-výzkumné činnosti bude výzkum molekulárních faktorů týkajících se těchto asociací, a to v kontextu in vivo. Projekt zahrnuje zejména histologické a imunohistochemické metody, PCR techniky, statistickou analýzu dat a experimentální práci na myším modelu. K pozici je možné získat částečný úvazek na běžícím GAČR projektu. Kandidát na tuto pozici by měl samostatně pracovat s odbornou literaturou a být všeobecně orientován v oboru molekulární biologie. Znalost výše uvedených technik není nutná.

Poznámky

This project will be supervised by dr. Eva Švandová, Ph.D upon approval by Scientific Board of the Faculty of Science.

Školitel

Mgr. Eva Švandová, Ph.D.

Osteocyty jsou dominantní buněčnou populací v maturované kosti. Přestože jsou zabudovány v mineralizované matrix, vytvářejí sofistikované sítě a jsou esenciální pro kostní homeostázu. FasL (Fas ligand, CD178) má apoptotickou funkci v regulaci počtu osteoklastů (a remodelaci kosti) a jako takový je kandidátem v anti-osteoporotických strategiích. Aktuálně jsou však diskutovány také neapoptotické funkce FasL a související kaskády. U osteocytů byl ukázán vliv FasL na expresi jejich klíčového markeru, sklerostinu. Práce bude zaměřena na proces osteocytogeneze a modulaci Fas/FasL signalizace v jeho jednotlivých fázích s cílem určení molekulárních mechanismů neapoptotických funkcí FasL v osteogenních drahách. Projekt je realizován ve spolupráci s Medical University Vienna a University of Southern California, LA v rámci programu Inter-Excellence.

Osteocytes are the dominant bone population in matured bones. Despite being embedded in the mineralized matrix, they create sophisticated networks and are essential for bone homeostasis. FasL (Fas ligand, CD178) has apoptotic function in regulation of osteoclast number (and bone remodeling) and as such is a candidate in anti-osteoporotic strategies. Recently, emerging non-apoptotic functions of FasL and associated pathways have been discussed. In osteocytes, impact of FasL on expression of clerostin, their key marker was demonstrated. The research will focus on the process of osteocytogenesis and modulation of Fas/FasL signaling at its particular stages in order to identify molecular mechanisms underlying non-apoptotic functions of FasL in osteogenic molecular networks. The project proceeds in cooperation with the Medical University Vienna and the University of Southern California, LA within the Inter-Excellence programme.

Školitel

prof. RNDr. Eva Matalová, Ph.D.

Duplikace genomu a buněčné dělení jsou základní buněčné procesy pevně regulované mechanismem buněčného cyklu. Buněčná proliferace je iniciována signální dráhou G1-fáze řízenou specifickými cyklin-CDK komplexy, jejichž správné fungování je nezbytné pro prevenci nekontrolovaného buněčného dělení a rozvoje rakoviny. Předtím, než buňka vstoupí do S fáze, jsou tisíce replikačních počátků takzvaně "licencovány k replikaci" vazbou neaktivních helikáz MCM (z angl. minichromosome maintenance), které slouží jako základní prekurzory pro DNA replikační vidlice. Přesné licencování počátků replikace a jeho omezení na fázi G1 jsou základními aspekty zaručujícími bezchybnou duplikaci genomu. Zajímavě, předchozí studie ukázaly, že nedostatek počátků replikace v primárních buňkách zpožďuje vstup S fáze, zatímco rakovinné buňky replikují svůj genom se suboptimálním množstvím replikačních počátků, což vede k poškození DNA a buněčné smrti. Takový rozdíl v signální odpovědi na sníženou úroveň počátků replikace činí kontrolu licencování replikace atraktivním cílem pro léčbu rakoviny. Proto cílem tohoto projektu je prozkoumat mechanismus (mechanismy), které zprostředkují molekulární spojení mezi licencováním replikačních počátků a kontrolou buněčného cyklu. Pomocí fyziologicky relevantních modelů lidských buněk s nejmodernějšími technikami úpravy genomu CRISPR-Cas9, přístupy kvantitativní buněčné biologie, genomiky a proteomiky nejprve identifikujeme klíčové proteinové faktory a poté budeme studovat jejich roli při přenosu informací o úrovni licencovaných počátků replikace směrem ke kontrole buněčného cyklu. Navržený projekt má potenciál odhalit základní mechanismy zajišťující věrnou replikaci DNA a stabilitu genomu. Naše zjištění mohou také navíc odhalit nové terapeutické možnosti pro léčbu rakoviny charakterizované nevyváženou úrovní počátků replikace DNA.

Genome duplication and cell division are fundamental cellular processes tightly regulated by the cell cycle machinery. Cell proliferation is initiated by a G1-phase signaling pathway driven by specific cyclin-CDK complexes, the proper functioning of which is necessary to prevent uncontrolled cell division and cancer development. Before the cell enters the S phase, thousands of replication origins are licensed to replicate by loading inactive MCM (minichromosome maintenance) helicases that serve as essential precursors of DNA replication forks. Precise origin licensing and its restriction to the G1 phase are essential aspects guaranteeing error-free genome duplication. Interestingly, previous studies showed that the paucity of replication origins delays S phase entry in primary cells, while cancer cells replicate their genome with suboptimal replication origins leading to DNA damage and cell death. Such difference in signaling response to a reduced level of replication origins makes cell cycle-dependent control of replication licensing an attractive target for cancer therapy. Therefore, the aim of this project is to explore the mechanism(s) of molecular coupling between origin licensing and cell cycle control. Using physiologically relevant human cell models with state-of-the-art CRISPR-Cas9 genome editing, quantitative cell biology, genomics, and proteomics approaches we will identify key players and dissect their role in the transmission of information about the level of licensed origins to cell cycle control. The proposed project has the potential to uncover fundamental mechanisms safeguarding faithful DNA replication and genome stability. Our findings may also reveal novel therapeutic opportunities for the treatment of cancer characterized by a misbalanced level of replication origins.

Školitel

Mgr. Hana Polášek-Sedláčková, PhD.

Proteiny jsou základní molekuly života. Typicky jsou funkční pouze správně sbalené a rozpustné proteiny, zatímco chybné skládání proteinu obvykle vede k tvorbě biologicky neaktivních, nerozpustných proteinových agregátů. Rozpustnost proteinu je kritická pro udržení zdravé buněčné fyziologie a je hlavním zájmem jak pro základní biomedicínský výzkum, tak pro biotechnologický průmysl. V současné době máme však jen velmi omezené chápání rozpustnosti proteinů a vztahu ke strukturním charakteristikám od sekvence až po třídimenzionální organizaci. Cílem doktorského projektu bude studium rozpustnosti proteinů, zahrnujících modelové proteiny, ale i specifické proteiny s biomedicínským nebo biotechnologickým významem. Sekvenční a strukturní aspekty související se změnami v rozpustnosti proteinů a tendencí k agregaci budou experimentálně studovány s využitím metod řízené evoluce, moderních biofyzikálních technik zahrnujících mikrofluidiku. Získané experimentální datové sady budou zpracovávány pomocí metod strojového učení. Práce má ambici přinést pochopení kritických deskriptorů zodpovědných za rozpustnost proteinů a využití získaných znalostí k racionálnímu re-designu problematických proteinů s vylepšenou rozpustností pro moderní biotechnologické aplikace nebo pochopení evolučních aspektů nemocí souvisejících se strukturní patologií proteinů.

Poznámky

Téma je vypsáno pro Hanu Faldynovou, práce bude vypracována v anglickém jazyce.

Školitel

prof. RNDr. Zbyněk Prokop, Ph.D.

DNA double-strand breaks (DSBs) are abrasions caused in both strands of the DNA duplex following exposure to both exogenous and endogenous conditions. Such abrasions have deleterious effects on cells leading to genome rearrangements and cell death [1]. Several repair systems, including homologous recombination (HR) and non-homologous end-joining (NHEJ), have been evolved to minimize the fatal effects of these lesions in the cell. Growing amounts of evidence suggest that different types of RNAs can, independently from their protein-coding properties, directly affect chromatin conformation, transcription, and splicing, as well as promote the activation of the DNA damage response (DDR) and DNA repair. Therefore, transcription paradoxically functions to both threaten and safeguard genome integrity [2,3]. Non-coding RNAs (ncRNAs) and several protein factors involved in the RNAi pathway are well-known master chromatin regulators, while only recent reports show their involvement in DDR.
The Ph.D. candidate would focus on improving used methods and developing a novel for detecting selected ncRNAs within various cell lines using specific DNA probes. The methodology would be mainly built upon experiences with in situ hybridization within Dr. Bártová research group. The goal of the Ph.D. thesis would also be to determine changes in the localization of tested ncRNAs within normal and cancer cell lines after UV irradiation as well as detection of ncRNAs colocalization with DNA damage repair markers, such as y-H2AX, 53BP1, RIF1 or R-loop and others, together with protein-DNA and protein-RNA interactions using advanced methods of confocal microscopy. The Ph.D. candidate will also participate in the day-to-day running of the laboratory as well as in teaching activities.
Dvojřetězcové zlomy DNA (DSB) vznikají u obou vláknech duplexu DNA po vystavení exogenním i endogenním podmínkám. Poškození DNA má na buňky škodlivé účinky, které vedou k přestavbě genomu a buněčné smrti [1]. K minimaliaci fatálních účinků těchto lézí v buňce bylo vyvinuto několik opravných mechanizmů, včetně homologní rekombinace (HR) a nehomologního spojování konců (NHEJ). Rostoucí množství důkazů naznačuje, že různé typy RNA mohou nezávisle na svých vlastnostech (kódování proteinů) přímo ovlivňovat konformaci chromatinu, transkripci a sestřih a také podporovat aktivaci odpovědi na poškození DNA (DDR) a opravu DNA. Transkripce tedy paradoxně funguje tak, že ohrožuje i chrání integritu genomu [2,3]. Nekódující RNA (ncRNA) a několik proteinových faktorů zapojených do dráhy RNAi jsou dobře známými hlavními regulátory chromatinu, zatímco teprve nedávné studie ukazují jejich zapojení do DDR.
Doktorand by se zaměřil na zdokonalení používaných metod a vývoj nových, pro detekci vybraných ncRNA v různých buněčných liniích pomocí specifických DNA sond. Metodika by byla postavena především na zkušenostech s in situ hybridizací v rámci výzkumné skupiny Dr. Bártové. Cílem doktorské práce by bylo také stanovení změn v lokalizaci testovaných ncRNA v rámci normálních a nádorových buněčných linií po ozáření UV zářením a detekce kolokalizace ncRNA s markery reparace poškození DNA, jako jsou y-H2AX, 53BP1, RIF1 nebo R-loop a další, spolu s interakcemi protein-DNA a protein-RNA pomocí pokročilých metod konfokální mikroskopie. Doktorand se bude rovněž podílet na každodenním chodu laboratoře a na výuce.
1. Dianatpour, A.; Ghafouri-Fard, S. The Role of Long Non-Coding RNAs in the Repair of DNA Double-Strand Breaks. Int J Mol Cell Med 2017, 6, 1-12. 2. Sharma, V.; Misteli, T. Non-coding RNAs in DNA damage and repair. FEBS Lett 2013, 587, 1832-1839, doi:10.1016/j.febslet.2013.05.006. 3. Francia, S. Non-Coding RNA: Sequence-Specific Guide for Chromatin Modification and DNA Damage Signaling. Front Genet 2015, 6, 320, doi:10.3389/fgene.2015.00320.

Školitel

doc. RNDr. Eva Bártová, Ph.D., DSc.

V současné době více než polovina všech léků selhává v pokročilejších fázích klinických studií z důvodu nedostatečné účinnosti. Toto selhání může být důsledkem použití nevhodných modelů pro preklinické testy, např. buněčných monovrstev. Interakce mezi nádorem a střevním mikrobiomem ovlivňuje maligní transformaci a úspěšnost terapie, přesto je výzkum v této oblasti limitován nedostupností modelů pro kokultivaci rakovinných buněk a střevních bakterií. Z těchto důvodů se disertační práce zaměří na 3D systémy pro testování léčiv: sféroidy, organotypické plátkové kultury (OTPK) a kokultury bakterií a sféroidů. Tyto modely přesněji odrážející tkáňové prostředí in vivo, obsahují oblasti hypoxie, acidózy, koncentrační gradienty živin, interakce nádor-bakterie a další. Student standardizuje protokol pro tvorbu a kultivaci OTPK. Poté definuje signální dráhy deregulované v těchto kulturách a vybere kombinovanou terapii účinnou pro eliminaci rakovinných buněk a zachování životaschopnosti zdravé tkáně. Dále bude stanovena interakce mezi konkrétními bakteriálními druhy, sféroidy, OTPK a cílenou terapií.

Currently, more than half of all drugs fail in late-stage clinical trials due to a lack of efficacy. This failure might result from inappropriate models for pre-clinical drug testing, such as cell monolayers. The interaction between the tumor and the intestinal microbiome influences malignant transformation and the success of therapy, yet research in this area is limited by the unavailability of models for the co-cultivation of cancer cells and intestinal bacteria. Therefore, the dissertation will focus on 3D systems for drug testing: the spheroids, the organotypic slice cultures (OTSC), and bacteria-spheroid co-cultures. These models provide more accurate conditions reflecting the tissue environment in vivo, such as hypoxia, acidosis, concentration gradients for nutrients, tumor-bacteria interactions, and others. The student will standardize the protocol for OTSC generation and cultivation. Then, the student will define signaling pathways deregulated in OTSC and select combined therapy effective in eliminating cancer cells and preserving the viability of healthy tissue. Moreover, the interaction between specific bacterial species, spheroids, OTSC, and the targeted therapy will be determined.

Poznámky

Téma je vypsáno pro Matěje Přikryla.

Školitel

Mgr. Jarmila Navrátilová, Ph.D.