Üldine ja mikroobibiokeemia
Õppetooli juhataja: prof. Juhan Sedman 
Kontaktandmed: Riia 23b-218, Tel: 737 5837, juhan.sedman [ät] ut.ee juhan.sedman [ät] ut.ee ( )
Pärmi uurimisgrupp
Uurimisgrupi juht: prof. Juhan Sedman
Kontaktandmed: Riia 23b-218, Tel: 737 5837, juhan.sedman [ät] ut.ee
Uurimissuunad:
• Mitokondriaalse DNA replikatsioon ja rekombinatsioon
• DNA helikaaside struktuur ja funktsioonid
Uurimistöö kirjeldus
Inimesed
Juhan Sedman, PhD, juhan.sedman [ät] ut.ee
Tiina Sedman, teadur, PhD, tiina.sedman [ät] ut.ee
Sirelin Sillamaa, doktorant,
Vlad-Julian Piljukov, doktorant
Natalja Garber, doktorant (akadeemilisel puhkusel)
Teadustöö
Mitokondrid on organellid, millel on oma genoomne DNA. Meid huvitab see, milliste mehhanismide abil mitokondriaalne genoom rakutsüklivältel paljundatakse. Püüame aru saada, millised muutused DNA molekulide struktuuris toimuvad sünteesi käigus ning kuidas on seotud mitokondriaalse DNA replikatsioon ja rekombinatsioon. Samuti huvitavad meid ensüümid, mis osalevad mitokondriaalse DNA metabolismis- DNA polümeraas, ,mis sünteesib mitokondriaalse DNA; nukleaasid, mida vajatakse DNA stabiilsuse tagamiseks ja helikaasid, mis on nukleiinhappe struktuuri moduleerivad mootorensüümid.
Mitokondriaalse DNA topoloogia ja stabiilse pärandumise analüüs
Meie rühma analüüsi tulemusel on selgunud, et mitokondriaalne DNA moodustab pärmides keerukaid kõrgemat järku võrkstruktuure ning ei ole kirjeldatav õpikutes kujutatud lihtsate rõngasstruktuuridega. Meie andmed näitavad, et sellised DNA struktuurid tekivad tõenäoliselt rekombinatsiooni tagajärjel ja pärmide mitokondrites puuduvad spetsiifilised DNA sünteesi initsiatsiooni-struktuurid, mis peaksid esinema RNA praimerite kasutamise korral.
S. cerevisiae mudelorganism võimaldab meil analüüsida süstemaatiliselt erinevate ensüümide mõju mitokondriaalse DNA stabiilsusele, sest pagaripärm võib kasvada ka ilma funktsionaalse hingamisahelata. Oleme konstrueerinud pärmitüved, kus RNA süntees mitokondrites on välja lülitatud, võimaldades identifitseerida rekombinatsioonilises DNA sünteesis olulisi faktoreid.
Mitokondriaalsete DNA helikaaside funktsioon
DNA replikatsioonil osaleb erinevates süsteemides reeglina mootorensüüm DNA helikaas, mille ülesanne on ahelate lahti harutamine. Meie labori töö tulemusel on identifitseeritud kaks DNA helikaasi mitokondris, ent on selgunud ka, et klassikaline replikatiivne helikaas pärmi mitokondrites nähtavasti puudub. Mitokondriaalsete DNA helikaaside funktsioonaalseks analüüsiks kasutame kombineeritult eksperimente puhastatud valkudega ja in vivo analüüsi. Nii oleme näidanud, et nendel ensüümidel on spetsiifika hargnenud ahelaga DNA molekulide suhtes, mis viitab nende rollile rekombinatiivsetes protsessides.
Valik publikatsioone
1. Piljukov VJ, Garber N, Sedman T, Sedman J.(2020) Irc3 is a monomeric DNA branch point-binding helicase in mitochondria of the yeast Saccharomyces cerevisiae. FEBS Lett. 594(19):3142-3155.
2. Sedman T, Garber N, Gaidutšik I, Sillamaa S, Paats J, Piljukov VJ, Sedman J. (2017) Mitochondrial helicase Irc3 translocates along double-stranded DNA. FEBS Lett. 591(23):3831-3841.
3. Wanrooij PH, Engqvist MKM, Forslund JME, Navarrete C, Nilsson AK, Sedman J, Wanrooij S, Clausen AR, Chabes (2017) Ribonucleotides incorporated by the yeast mitochondrial DNA polymerase are not repaired. Proc Natl Acad Sci U S A. ;114(47):12466-12471.
4. Gaidutšik I, Sedman T, Sillamaa S, Sedman J (2016) Irc3 is a mitochondrial DNA branch migration enzyme. Sci Rep. 6:26414.
5. Sedman T, Gaidutšik I, Villemson K, Hou Y, Sedman J. (2014) Double-stranded DNA-dependent ATPase Irc3p is directly involved in mitochondrial genome maintenance. Nucleic Acids Res. 42(21):13214-27.
6. Gerhold JM, Sedman T, Visacka K, Slezakova J, Tomaska L, Nosek J, Sedman J. (2014) Replication intermediates of the linear mitochondrial DNA of Candida parapsilosis suggest a common recombination based mechanism for yeast mitochondria.J Biol Chem. 289(33):22659-70.
7. Aun A, Tamm T, Sedman J. (2012) Dysfunctional mitochondria modulate cAMP-PKA signaling and filamentous and invasive growth of Saccharomyces cerevisiae. Genetics. 2013 : 467-81.
8. Reimand J, Aun A, Vilo J, Vaquerizas JM, Sedman J, Luscombe NM.(2012) m:Explorer: multinomial regression models reveal positive and negative regulators of longevity in yeast quiescence. Genome Biol. 13(6):R55
9. Viikov K, Jasnovidova O, Tamm T, Sedman J. (2012) C-terminal extension of the yeast mitochondrial DNA polymerase determines the balance between synthesis and degradation. PLoS One. 2012;7(3):e33482.
10. Gerhold JM, Aun A, Sedman T, Jõers P, Sedman J. (2010) Strand invasion structures in the inverted repeat of Candida albicans mitochondrial DNA reveal a role for homologous recombination in replication.. Mol.Cell. 2010:851-61
11. Lõoke M, Reimand J, Sedman T, Sedman J, Järvinen L, Värv S, Peil K, Kristjuhan K, Vilo J, Kristjuhan A. (2010) Relicensing of transcriptionally inactivated replication origins in budding yeast. J. Biol Chem. 285(51):40004-11.
12. Viikov K, Väljamäe P, Sedman J. (2011) Yeast mitochondrial DNA polymerase is a highly processive single-subunit enzyme. Mitochondrion. : 20;119-26.
Tselluloosi uurimisrühm
Uurimisrühma juht: kaasprofessor Priit Väljamäe
Kontaktandmed: Riia 23b – 202, Tel: 737 5823, priit.valjamae [ät] ut.ee 
Uurimissuunad:
• Tõrksate polüsahhariidide (tselluloos ja kitiin) ensümaatiline lagundamine
• Redoksreaktsioonid lignotselluloosi lagundamisel
Uurimistöö kirjeldus
Inimesed
Priit Väljamäe, kaasprofessor, PhD, priit.valjamae [ät] ut.ee
Silja Kuusk, teadur, PhD, silja.kuusk [ät] ut.ee
Jürgen Jalak, teadur, PhD, jyrgen.jalak [ät] ut.ee
Alexander Rannar, magistrant
Alexey Nesterovich, bakalaureusetudeng
Alisa Kamnerov, bakalaureusetudeng
Teadustöö
- Struktuursed polüsahhariidid - tselluloos ja kitiin - kätkevad endas tohutut taastuvsüsiniku varu. Nende ensüüm-vahendatud väärindamine pakub rohelist ja jätkusuutlikku alternatiivi traditsioonilisele, nafta kasutamisel põhinevale tööstusele. Paraku muudab tselluloosi ja kitiini kristalliline ehitus nad ensüümidele raskesti lagundatavaks, sellest ka koondnimetus tõrksad polüsahhariidid. Optimaalsete ensüümsegude väljatöötamine eeldab üksikute ensüümide toimemehhanismide põhjalikku tundmist. Ensüümide toimemehhanismi ja kineetika detailne kirjeldamine ongi meie uurimistöö põhisuunaks.
- Tõrksate polüsahhariidide (tselluloos ja kitiin) ensümaatiline lagundamine
Tulenevalt tselluloosi ja kitiini kristallilisest ehitusest on nende ensümaatiline lagundamine tahke-vedelik piirpinnal toimuv heterogeenne katalüüs, mis hõlmab rea erinevaid vaheetappe. Oluliseks sammuks kogureaktsiooni kiiruse suurendamise suunas on kiirust piirava vaheetapi (n.ö pudelikaela) välja selgitamine. Meie uurimisrühma n.ö. tugevuseks on üksikute vaheetappide kiiruse mõõtmist võimaldavate uudsete meetodite välja töötamine ja juurutamine. Eeltoodud lähenemine on meil võimaldanud määrata glükosiid hüdrolaaside (erinevad tsellulaasid ja kitinaasid) protsessiivsust ja erinevate vaheetappide nagu, assotsiatsioon, dissotsiatsioon ja glükosiidse sideme hüdrolüüs, toimumise kiirust iseloomustavate konstantide väärtusi. Lisaks traditsioonilistele glükosiid hüdrolaasidele oleme keskendunud ka lüütilistele polüsahhariid monooksügenaasidele (LPMOd). LPMOd on hiljuti avastatud tõrksate polüsahhariidide lagundamises osalevad redoksensüümid. Nende toimimise ja kineetika mõistmine kätkeb endas suurt potentsiaali tõrksate polüsahhariidide lagundamise ja modifitseerimise efektiivsuse tõstmisel.
- Redoksreaktsioonid lignotselluloosi lagundamisel
LPMOd vajavad oma toimimiseks nii elektrone (redutseeriat), kui ka H2O2/O2 kosubstraati (oksüdeeriat). LPMOde olulisuse teadvustamine on kõrgendatud tähelepanu alla tõstnud redoksreaktsioonide osaluse lignotselluloosi (taime rakukesta põhikomponent) lagundamisel. Siin keskendume ensüümkaskaadide väljatöötamisele, mis võimaldaks optimaalseid tingimusi LPMOde aktiivsuse ja stabiilsuse tagamiseks keerulises redoksaktiivses keskkonnas. Lisaks LPMOdele oleme huvitatud ligniinil ja tema laguproduktidel aktiivsetest ensüümidest nagu erinevad lakaasid, peroksüdaasid ja oksüdaasid.
Valik publikatsioone
1. Kont, R., Bissaro, B., Eijsink, V. G. H., and Väljamäe, P. (2020) Kinetic insights into the peroxygenase activity of cellulose-active lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs). Nat. Commun. 11:5786
2. Vermaas, J. V., Kont, R., Beckham, G. T., Crowley, M. F., Gudmundsson, M., Sandgren, M., Ståhlberg, J., Väljamäe, P., and Knott, B. C. (2019) The dissociation mechanism of processive cellulase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116, 23061-23067
3. Kont, R., Pihlajaniemi, V., Borisova, A. S., Aro, N., Marjamaa, K., Loogen, J., Büchs, J., Eijsink, V. G. H., Kruus, K., and Väljamäe, P. (2019) The liquid fraction from hydrothermal pretreatment of wheat straw provides lytic polysaccharide monooxygenases with both electrons and H2O2 co-substrate. Biotechnol. Biofuels 12:235
4. Kuusk, S., Kont, R., Kuusk, P., Heering, A., Sørlie, M., Bissaro, B., Eijsink, V. G. H., and Väljamäe, P. (2019) Kinetic insights into the role of the reductant in H2O2-driven degradation of chitin by a bacterial lytic polysaccharide monooxygenase. J. Biol. Chem. 294, 1516-1528
5. Kuusk, S., Bissaro, B., Kuusk, P., Forsberg, Z., Eijsink, V. G. H., Sørlie, M., and Väljamäe, P. (2018) Kinetics of H2O2-driven degradation of chitin by a bacterial lytic polysaccharide monooxygenase. J. Biol. Chem. 293, 523-531
6. Kuusk, S., and Väljamäe, P. (2017) When substrate inhibits and inhibitor activates: implications of β-glucosidases. Biotechnol. Biofuels 10:7
7. Kurašin, M., Kuusk, S., Kuusk, P., Sørlie, M., and Väljamäe, P. (2015) Slow off-rates and strong product binding are required for processivity and efficient degradation of recalcitrant chitin by family 18 chitinases. J. Biol. Chem. 290, 29074-29085
8. Kuusk, S., Sørlie, M., and Väljamäe, P. (2015) The predominant molecular state of bound enzyme determines the strength and type of product inhibition in the hydrolysis of recalcitrant polysaccharides by processive enzymes. J. Biol. Chem. 290, 11678-11691
9. Jalak, J., Kurašin, M., Teugjas, H., Väljamäe, P. (2012) Endo-exo synergism in cellulose hydrolysis revisited. J. Biol. Chem. 287, 28802-28815.
10. Kurašin, M., Väljamäe, P. (2011) Processivity of cellobiohydrolases is limited by the substrate. J. Biol. Chem. 286, 169 – 177.
Veel publikatsioone.
Drosophila mitokondri uurimisgrupp
Uurimisgrupi juht: üldise ja mikroobibiokeemia dotsent Priit Jõers
Kontaktandmed: Tel: 737 5037, priit.joers [ät] ut.ee
Uurimistöö suunad:
1. Mitokondriaalse DNA sünteesi ja transkriptsiooni omavahelised suhted
2. Mitokondriaalse DNA stabiilsuse mõju organismi üldisele ainevahetusele
3. Keskkonna ja indutseeritud stressi mõju loomsete organismide ainevahetusele ja metabolismi tasakaalule.
Teadustöö:
1. Mitokonder on kõige paremini tuntud kui peamine ATP sünteesi koht, kuid lisaks sellele osaleb ta ka paljudes teistes metaboolsetes protsessides, sünteesides mitmeid raku elutegevuseks olulisi metaboliite. Selleks on vaja tagada kõikide vajaminevate valkude transport mitkondrisse, kuna mitokondri proteoomist sünteesitakse vaid väike osa (13) selles organellis. Need valgud on aga absoluutselt vajalikud elektronide transpordiahela (ETA) komplekside osad, ilma milleta see mehhanism ei tööta. Antud süsteem tagab ATP sünteesi läbi prootongradiendi genereerimise, mille tulemusena tekib ka mitokondriaalne membraanpotensiaal, mis on omakorda vajalik valkude transpordiks mitokondrisse. Neid 13-t valku kodeeritakse mitokondris oleva nn. mitokondriaalse DNA (mtDNA) poolt, mis on jäänuk kunagise mitokondri eelorganismi genoomist. Seega sõltuvad kõik mitokondri funktsioonid mtDNA normaalsest funktsioneerimisest, mistõttu põhjustavad mtDNA-ga seotud häired raskeid, tihtipeale letaalseid patoloogiaid. Minu selle uurimistöö teemaks on välja selgitada, kuidas on koordineeritud mtDNA süntees ja transkriptsioon ning millisel määral on need kaks protsessi omavahel põimunud. Oma töö tulemusena olen avastanud, et DNA ja RNA sünteesi üheaegseks probleemideta kulgemiseks on vajalik nende protsesside reguleerimine, et vältida nende omavahelisi kokkupõrkeid mtDNA matriitsil. Selle toimumisel on häiritud mõlemad protsessid, avaldades Drosophila mudelorganismis tugevalt negatiivset mõju elulemusele ja metabolismile. Veel enam, need kaks protsessi täiendavad üksteist, sest replikatsioon saab kulgeda häireteta vaid siis, kui transkriptsiooni poolt sünteesitud RNA ahel paardub mahajääva DNA ahelaga, võimaldades selle ahela sünteesi praimeerimist.
2. Mitokondriaalne DNA eksisteerib mitokondris analoogselt tuuma kromatiiniga kompleksis mitmete valkudega, moodustades struktuuri, mida nimetatakse mitkondriaalseks nukleoidiks. Mitmeid nendest valkudest on otseselt seotud DNA sünteesi ja geenide ekspressiooniga – DNA ja RNA polümeraasid, transkriptsioonifaktorid, helikaas jne. Kuid üllatavalt kombel leidub seal ka hulgaliselt ensüüme, millel on keskne roll mitmetes olulistes metaboolsetes radades. Seepärast on võimalik, et mtDNA stabiilsus ja in vivo kontekst võivad mõjutada ainevahetust ka otseselt, mitte ainult läbi ETA. Siiani on aga vaid kaudseid tõendeid selliste seoste kohta. Mina olen konstrueerinud bakteriaalsel endonukleaasi EcoBI-l baseeruva mehhanismi, mis on võimeline mõjutama mtDNA-d in vivo Drosophila mudelorganismis. Selle tulemusena olen avastanud uudse seose mtDNA ja üldise metabolismi vahel, kus häired mtDNA stabiilsuses põhjustavad võimetust tarbida süsivesikuid ja orienteerivad ainevahetuse ümber lipiidide oksüdeerimisele. See on põhjustatud kahe fenomeni poolt – nii glükoosi transport rakku kui ka järgnev katabolism glükolüüsil on inhibeeritud. Antud fenomen on väga sarnane inimeste tüüp I diabeeti põhjustavate protsessidega, mistõttu on minu avastus mtDNA rollist väga tähtis just selle metaboolse patoloogia põhjuste väljaselgitamise vaatenurgast.
3. Lisaks eelpool mainitule uurin ma ka muutuvatest keskkonnatingimustest tuleneva stressi mõju Drosophila ja teiste putukate üldisele metabolismile. Need stressitingimused võivad olla kas looduses toimuvad (näit. antropogeensed muutused keskkonnale) või indutseeritud laboratoorsetes tingimustes. Viimaste hulgast võib esile tõsta minu ja minu kolleegide jätkuvat uurimust kiskjastressi mõjust äädikakärbeste ainevahetusele, mis viib oluliste muutusteni nii ajuspetsiifilises kui ka üldises, süsteemses metabolismis. Minu hetkel veel publitseerimata tulemused viitavad kausaalsetele seostele mitmete keskkonnatingimuste ja patoloogiaid põhjustavate muutuste vahel.
Üldine ja mikroobibiokeemia - näituse materjal 2010