Effects of polyamine pool manipulation on genes expressed during the cell cycle

Abstract

The polyamines - putrescine, spermidine and spermine - are polycations found within cells. They have been shown to be essential for optimal cell proliferation and cell survival. Cells maintain their polyamine levels in a well-regulated system involving biosynthesis, catabolism and uptake/excretion. The biosynthetic enzymes - ornithine decarboxylase (ODC) and S-adenosylmethionine decarboxylase (AdoMetDC) - showed a variation in their half-life activities during the cell cycle in Chinese hamster ovary (CHO) cells. ODC showed a biphasic pattern with prolonged half-life activities at the G1/S and S/G2 transitions, while the AdoMetDC half-life was only prolonged at the G1/S transition. Treatment with the spermine analogue N1, N11-diethylnorspermine (DENSPM) lowered the polyamine content and prolonged the S phase within one cell cycle in semisynchronously proliferating CHO cells. These effects were also observed in semisynchronously proliferating breast adenocarcinoma MCF-7 cells. The levels of several proteins involved in G1 and S phase progression were investigated by Western blots in DENSPM-treated MCF-7 cells. Cyclin A, which is required for proper S phase progression, was decreased by DENSPM treatment on both the mRNA and protein levels. cDNA microarray and 2D protein gel electrophoresis analyses showed altered expression of genes on both mRNA and protein levels after DENSPM treatment. A number of other genes related to cell proliferation, DNA synthesis/repair, protein metabolism, mitochondrial function and stress response were either upregulated or downregulated. DENSPM-induced decrease in polyamine pools caused inhibited cell cycle progression within one cell cycle of drug treatment and this was due to changed gene expression.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En cell förökar sig genom delning. Före delningen måste den växa och fördubbla cellinnehållet för att det ska finnas material till två nya celler. En cellcykel är de händelser som sker från det en cell delat sig tills den delar sig igen [Fig 1]. En cellcykel kan delas in i fyra faser som cellen måste genomgå innan den är mogen att dela sig. Under första fasen, G1, tillverkar cellen proteiner och andra ämnen som behövs för att cellen ska kunna fortsätta genom cellcykeln. I nästa fas som kallas syntesfasen (S-fasen) fördubblar cellen sin arvsmassa, DNA:t. Efter S-fasen fortsätter cellen in i G2-fasen där den förbereder sig för själva celldelningen som sker i mitosen (M-fasen). Cellen tillverkar kontinuerligt dels de proteiner och andra kemiska ämnen som ska ingå i de nya cellerna efter celldelningen, dels de proteiner och ämnen som behövs medan cellerna rör sig genom cellcykeln. Om det inte finns tillräckligt med signaler som talar om för cellen att den ska växa och dela sig kan cellen istället lämna cellcykeln och gå in i ett vilostadium som kallas för G0. Många celler i kroppen har lämnat cellcykeln och specialiserat sig på en viss uppgift, t. ex. att producera insulin. Om processer som styr cellcykeln rubbas kan olika sjukdomar uppstå som exempelvis cancer. Polyaminerna - putrescin, spermidin och spermin - är naturligt förekommande molekyler i bakterier, växtceller och djurceller. De har mellan två och fyra positiva laddningar vid fysiologiskt pH. Den positiva laddningen gör att de binder till ett flertal negativt laddade komponenter i cellen. Cellen reglerar själv sina polyaminnivåer och vid brist tillverkar cellen fler polyaminer eller transporterar in dem utifrån. Ett överskott av polyaminer kan vara giftigt för cellen. För att skydda sig slutar den att tillverka polyaminer och bryter istället ned dem, samt transporterar ut nedbrytningsprodukterna. Vid tillverkningen av polyaminer hjälper flera enzymer till, däribland ornitindekarboxylas (ODC) och S-adenosylmetionindekarboxylas (AdoMetDC). Ett enzym som heter spermin/spermidin N1-acetyltransferas (SSAT) hjälper till vid nedbrytningen av polyaminer. I denna avhandling har jag studerat vilken betydelse polyaminerna har för cellcykeln. Enzym finns inte alltid tillgängliga och aktiva i cellen. De kan tillverkas vid en viss tidpunkt för att vid en senare tidpunkt aktiveras. När enzymen uppfyllt sina funktioner, inaktiveras de och bryts slutligen ned. Den tid det tar för ett enzym att minska sin aktivitet till hälften, kallas för halveringstid. Enzymerna ODC och AdoMetDC visade sig halvera sina aktiviter med olika hastighet i cellcykeln. Den längsta halveringstiden för båda enzymernas aktivitet var i stadiet mellan G1- och S-fasen och ODC hade också en förlängning av sin aktivitet vid övergången mellan S- och G2-fasen. När man behandlar en cell med en substans som liknar polyaminen spermin - en analog - så tror cellen att den har får mycket spermin och börjar bryta ned polyaminerna. Cellen aktiverar enzymet SSAT för att minska polyaminnivåerna, samt minskar aktiviteten på ODC och AdoMetDC för att minska nybildningen av polyaminer. Detta gör att nivåerna av de naturliga polyaminerna minskar och cellen rör sig då långsammare genom S-fasen. Det visade sig att det fanns mindre av proteinet cyklin A som tillverkas vid början av S-fasen. När jag tittade nämare på denna tidpunkten i cellcykeln visade det sig att flera andra proteiner fanns i för stor eller för liten mängd. Det visade sig också att flera mRNA (mall för proteintillverkning) fanns i för stor eller för liten mängd. Sammanfattningsvis kan man säga att det är viktigt med rätt nivåer av polyaminer under cellcykeln. För låga nivåer av polyaminer gör att cellerna rör sig långsammare än normalt. Den sänkta hastigheten beror på att flera proteiner och mRNA inte har blivit tillverkade i tid p. g. a. polyaminbrist. Eftersom polyaminer behövs för att celler ska kunna växa, skulle man kunna använda ämnen som sänker polyaminhalterna vid behandling av cancer

• author: Berntsson, Pia
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Landberg, Göran, Dept. of Laboratory Medicine Division of PathologyMalmö University Hospital
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Animal physiology, cyclin A, ODC, MCF-7, mitotic shake off, DENSPM, CHO, cDNA microarray, cell cycle, spermine, Djurfysiologi, AdoMetDC, 2D gel electrophoresis, polyamines, spermidine, putrescine
• pages: 114 pages
• defense location: Zoofysiologiska husets hörsal Helgonav. 3B SE-223 62 Lund
• defense date: 2002-09-27 13:00:00
• ISBN: 91-628-5309-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Berntsson, P. S. H., Alm, K., and Oredsson, S. M. (1999) Half-lives of ornithine decarboxylase and S-adenosylmethionine decarboxylase activities during the cell cycle of Chinese hamster ovary cells. Biochem. Biophys. Res. Commun. 263, 13-16. Article: II. Alm, K., Berntsson, P. S. H., Kramer, D. L., Porter, C. W., and Oredsson, S. M. (2000) Treatment of CHO cells with the polyamine analog N1, N11-diethylnorspermine retards S phase progression within one cell cycle. Eur. J. Biochem. 267, 4157-4164. Article: III. Berntsson, P. S. H., and Oredsson, S. M. Early disturbance in S phase progression is associated with a decreased cyclin A level in N1, N11-diethylnorspermine-treated MCF-7 cells. Submitted. Article: IV. Berntsson, P. S. H., Wiklander, A. K., Gruvberger, S., Borg, Stanley, B. A., and Oredsson, S. M. Early changes in gene expression analysed by cDNA microarray and 2D protein gel electrophoresis in N1, N11-diethylnorspermine-treated MCF-7 cells. Manuscript. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Department of Cell and Organism Biology (Closed 2011.) (011002100), Animal Physiology (Closed 2011) (011011000)
• id: 25047a1b-1651-4b22-a965-485ee287936d (old id 464921)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:14:28
• date last changed: 2018-11-21 20:57:36