Universität zu Köln

Palani Murugan, Rangasamy (2005). Regulation of polyamine biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Polyamines are essential organic cations with multiple cellular functions. Their synthesis is controlled by a feedback regulation whose main target is ornithine decarboxylase (ODC), the rate-limiting enzyme in polyamine biosynthesis. In mammals, ODC has been shown to be inhibited and targeted for ubiquitin-independent degradation by ODC antizyme. The synthesis of mammalian antizyme was reported to involve a polyamine-induced ribosomal frameshifting mechanism. High levels of polyamine therefore inhibit new synthesis of polyamines by inducing ODC degradation. In this work, a previously unrecognized sequence in the genome of Saccharomyces cerevisiae encoding an orthologue of mammalian antizyme was identified. Synthesis of yeast antizyme (Oaz1) involves polyamine-regulated frameshifting. New elements, termed OFRE (OAZ1 frameshifting repressor element) and OPRE (OAZ1 polyamine responsive element) that are necessary for the polyamines to regulate frameshifting were mapped in the OAZ1 mRNA. Degradation of yeast ODC by the proteasome depends on Oaz1. Oaz1 mediates the degradation by binding to ODC thereby exposing a degradation signal at the N-terminus of ODC. Using the novel transplantable yeast ODC degradation signal (ODS) identified in this work a new possible role of the shuttle factor Rad23 in ODC degradation was identified. In addition, ODS is shown to interact with multiple 19S lid subunits in the proteasome. Using this novel model system for polyamine regulation another level of its control was discovered. Oaz1 itself is subject to ubiquitin-mediated proteolysis by the proteasome. Degradation of Oaz1, however, is efficiently inhibited by polyamines. I propose a model, in which polyamines inhibit their ODC-mediated biosynthesis by two mechanisms, the control of Oaz1 synthesis and inhibition of its degradation. In a second part of the work, peptide aptamers were isolated that inhibit the ubiquitin-dependent turnover of test substrates of the proteasome. These aptamers appear to either inhibit ubiquitylation or the proteasome and thereby lead to a stabilization of test substrates. I Propose that ODS due to its ubiquitin-independent mode of degradation can be used as a tool in aptamer screens that are aimed at identifying additional peptide inhibitors of the proteasome with potential clinical relevance.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Regulation der Polyaminbiosynthese in Saccharomyces cerevisiae German
Translated abstract:	Abstract Language Polyamine sind essentielle organische Kationen mit vielfältigen zellulären Funktionen. Ihre Synthese wird durch eine "Feedback"-Regulation kontrolliert, deren hauptsächliches Ziel die Ornithindecarboxylase (ODC) ist. ODC ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym in der Polyaminbiosynthese. Es war bekannt, dass ODC in Säugerzellen durch ODC-Antizym inhibiert und der Ubiquitin-unabhängigen Proteolyse zugeführt wird. Die Synthese von Antizym in Säugerzellen beinhalten einen Polyamin-induzierte ribosomalen Leserastersprung. Hohe Polyamin-Konzentrationen inhibieren somit die de novo Synthese von Polyaminen, indem sie den Abbau von ODC induzieren. In dieser Arbeit wurde eine zuvor nicht bekannte Sequenz im Genom der Hefe Saccharomyces cerevisiae identifiziert, die für ein Antizym (Oaz1) in dieser Hefe kodiert. Sequenzelemente mit der Bezeichnung OFRE (OAZ1 Frameshifting Repressor Element) und OPRE (OAZ1 Polyamine Responsive Element), die für die Polyamine-Regulation des Leserastersprungs verantwortlich sind, wurden in der OAZ1 mRNA kartiert. Der Abbau von ODC der Hefe durch das Protein benötigt Oaz1. Oaz1 vermittelt den Abbau von ODC, in dem es an dasselbe bindet, wodurch ein Abbausignal (ODS für "ODC degradation signal") am N-Terminus exponiert wird, dass in dieser Arbeit identifiziert wurde. Mit Hilfe von Testproteinen, die dieses neue ODS-Abbausignal trugen, konnte eine Rolle des Transportfaktors Rad23 entdeckt werden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass ODS in vivo mit verschiedenen Untereinheiten des "Lid"-Komplexes des 19S-Aktivatorkomplexes des 26S-Proteasoms interagiert. Mithilfe des neuen Hefemodellsystems für das Studium der Polyaminregulation konnte ein neuer Kontrollmechanismus identifiziert werden. Oaz1 wird selbst durch Ubiquitin-abhängige Proteolyse durch das Proteasom reguliert. Der Abbau von Oaz1 wird durch Polyamine inhibiert. Diese Beobachtungen führten zu einem Modell, in dem Polyamine ihre Synthese durch zwei Mechanismen hemmen. Zum einen stimulieren sie die Synthese durch Erhöhung der Häufigkeit des Leserastersprungs bei der Translation der OAZ1-mRNA, zum anderen inhibieren sie den Abbau von Oaz1. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden sogenannte Peptid-Aptamere isoliert, die den Ubiquitin-vermittelten Abbau von Testsubstraten über das Proteasom inhibieren. Diese Aptamere inhibieren entweder die Ubiquitylierung oder direkt das Proteasom und führen so zu einer in vivo Stabilisierung der Testsubstrate. Testsubstrate mit dem ODS-Abbaussignal (siehe oben) können wegen ihres Ubiquitin-unabhängigen Abbaus in der Zukunft eingesetzt werden, um weitere potentiell klinisch relevante Peptidinhibitoren zu identifizieren, die spezifisch die Funktion des Proteasoms stören. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Palani Murugan, Rangasamy palani@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15373
Date:	2005
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Polyamine , ODC , Antizyme German Polyamine , ODC , Antizyme English
Date of oral exam:	26 May 2005
Referee:	Name Academic Title Dohmen, Jürgen R. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1537