Probing heterogenous cell signaling with mass spectrometry
- Reference number
- ICA16-0010
- Start and end dates
- 170901-210831
- Amount granted
- 3 996 696 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
I propose to lead a research team and develop methods where mass spectrometry is used to probe induced peptide hormone secretion, with temporal resolution in mammalian model systems down to the single-cell level. This has never been done before. This label-free detection approach will give a comprehensive understanding of the "secretome" across selected target tissues. In addition, these single-cell studies will unravel information about cellular heterogeneity, and will determine how much variability there is within a certain cell type in a tissue compared to others. I recently showed how peptide hormone processing differs between gamma-cells located in different sites of the rat pancreas with single-cell mass spectrometry, and I expect that more studies of other tissues will be fruitful. These efforts are also very likely to result in the findings of novel neuropeptides. Furthermore, I will use fluorescent assays and patch-clamp electrophysiology as a tool to further investigate cellular heterogeneity, and to unravel the biological function of discovered peptides. We will develop methods to determine structure–function relationships between neuropeptides and their cognate receptors with hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry. GPCRs remain one of the largest groups of druggable targets by the pharmaceutical industry. An improved understanding of the regulatory mechanisms of these receptors and how they can differ at the single-cell level are key to future drug design.
Popular science description
Cellulär heterogenitet, d.v.s. att det bland celler med likadana genetiska förutsättningar trots allt finns variation i beteende och kemiskt innehåll, anses vara grundläggande för korrekt funktion hos högre system. Variationen antas bidra med möjligheten för systemet att gradvis svara på externa signaler, till skillnad från "allt eller inget". Vår förståelse av cellulär heterogenitet är fortfarande begränsad. I detta forskningsprogram kommer vi utveckla nya metoder baserade på masspektrometri som tillåter oss att undersöka hur vanligt förekommande heterogenitet är och andra aspekter av cell-till-cell signalering, t.ex. frisättning av neuropeptider och hormoner. Projektet kommer sannolikt även leda till upptäckt av nya neuropeptider. Vi kommer även att utveckla metoder inom masspektrometri för att undersöka molekylära interaktioner mellan utsöndrade neuropeptider och deras målreceptorer. Detta görs genom att exponera receptorer för tungt vatten, både i när- och frånvaro av olika sorters molekyler som binder till dem. Genom att under kontrollerade former bryta ner receptorerna i mindre bitar kan dessa analyseras med masspektrometri. Exponeringen mot tungt vatten gör att delar av receptorn som är tillgänglig från ytan byter ut sina väteatomer mot deuterium (tungt väte), samtidigt som inbindning av en molekyl (t.ex. en neuropeptid) till receptorn kan blockera utbytet. Således agerar inmärkningen med deuterium som en flaggning för att skilja mellan de delar av receptor som är eller inte är involverade i inbindningen av neuropeptiden. Delarna av receptorn identifieras genom analys med masspektrometri. På så vis kan många molekylers bindningssäten till receptorer kartläggas. Eftersom masspektrometri behöver mycket mindre material för analys i jämförelse med andra tekniker för strukturanalys som t.ex. NMR och röntgenkristallografi, kommer projektet kunna öka hastigheten med vilken vi kan kartlägga molekylära interaktioner på strukturnivå. Sammanfattningsvis kommer projektet bidra med nya tekniker och öka vår kunskap om cell-till-cell signalering, cellulär heterogenitet, samt struktur–funktion förhållanden. På lång sikt kommer detta bidra till framtagandet av nya biologiska läkemedel.