Antizyme Inhibitor 2 : A Novel Regulator of Cellular Polyamine Homeostasis

Polyamines are organic polycations that participate in various physiological functions, including cell proliferation, differentiation and apoptosis. Cellular polyamines originate from endogenous biosynthesis and exogenous sources. Their subcellular pool is under strict control, achieved by regulating their uptake and metabolism. Polyamine-induced proteins called antizymes (AZ) act as key regulators of intracellular polyamine concentration. They regulate both the transport of polyamines and the activity and degradation of ornithine decarboxylase (ODC), the rate-limiting enzyme in polyamine biosynthesis. AZs themselves are negatively regulated by antizyme inhibitor (AZIN). AZIN functions as a positive regulator of cellular polyamine homeostasis, which by binding to AZs reactivates ODC and induces the uptake of polyamines. In various pathological conditions, including cancer, polyamine levels are misregulated. Polyamine homeostasis has therefore become an attractive target for therapeutic interventions and it is thus crucial to characterize the molecular basis underlying the homeostatic regulation. A novel human AZIN-resembling protein was previously identified in our group. The purpose of this study was to elucidate the function and distribution of this protein, termed as an antizyme inhibitor 2 (AZIN2). According to my results, AZIN2 functions as a novel regulator of polyamine homeostasis. It shows no enzymatic activity, but instead it binds AZs and negates their activity, which subsequently leads to reactivation of ODC and inhibition of its degradation. Expression of AZIN2 is restricted to terminally differentiated cells, such as mast cells (MC) and neurosecretory cells. In these actively secreting cell types, AZIN2 localizes to subcellular vesicles or granules where its function is important for the vesicle-mediated secretion. In MCs, AZIN2 localizes to the serotonin-containing subset of MC granules, and its expression is coupled to MC activation. The functional role of polyamines as potential mediators of MC activity was also investigated, and it was observed that the secretion of serotonin is selectively dependent on activation of ODC. In neurosecretory cells, AZIN2-positive vesicles localize mainly to the trans-Golgi network (TGN). Depletion of AZIN2 or cellular polyamines causes selective fragmentation of the TGN and retards secretion of proteins. Since addition of exogenous polyamines reverses these effects, the data indicate that AZIN2 and its downstream effectors, polyamines, are functionally implicated in the regulation of secretory vesicle transport. My studies therefore reveal a novel function for polyamines as modulators of both constitutive and regulated secretion. Based on the results, I propose that the role of AZIN2 is to act as a local in situ activator of polyamine biosynthesis.

Polyamiinit ovat pieniä, sähköisen varauksen omaavia molekyylejä. Nisäkkäiden solut tuottavat polyamiineita itse, mutta solut pystyvät ottamaan niitä myös ympäristöstään. Soluissa polyamiinit osallistuvat useisiin tehtäviin kuten solun kasvun säätelyyn. Tästä syystä polyamiineilla on merkittävä rooli syöpäsolujen synnyssä ja kasvainten kehityksessä. Solunsisäisten polyamiinien määrää säädellään monitasoisesti. Solut esimerkiksi muuntelevat omaa polyamiinituotantoaan sekä polyamiinien kuljetusta solun pintakalvon läpi. Syöpäsoluissa tämä säätely lakkaa toimimasta, mistä seuraa jatkuva polyamiinien ylituotanto ja kiihtynyt solun jakaantuminen. Polyamiinien määrää on pyritty rajoittamaan syöpäkasvaimissa estämällä niiden tuotantoa eli biosynteesiä. Tällä ei kuitenkaan ole saavutettu toivottuja tuloksia syövän hoidon kannalta. Jotta tehokkaampia hoitomuotoja voitaisiin kehittää, pitää polyamiinien tasapainon säätelymekanismit tuntea tarkasti. Soluissa toimii antitsyymi-inhibiittori proteiini, joka kiihdyttää polyamiinien biosynteesiä ja lisää niiden kuljetusta solun sisään. Väitöskirjatutkimuksessani olen kuvannut uuden polyamiinitasapainon säätelytekijän, joka nimettiin antitsyymi-inhibiittori 2:ksi (AZIN2). Tutkin työssäni AZIN2:n esiintymistä nisäkässoluissa, ja selvitin mihin toimintoihin se soluissa osallistuu. AZIN2:n havaittiin kiihdyttävän polyamiinien tuotantoa solutasolla. Sillä itsellään ei ole entsymaattista aktiivisuutta. Sen sijaan AZIN2:n vaikutus perustui sen kykyyn aktivoida polyamiinien tuotantoreittiä. AZIN2:n ilmentymisen havaittiin rajoittuvan solutyyppeihin, jotka erittävät aktiivisesti aineita ympäristöönsä. Tutkimusmalleina tällaisista soluista käytettiin syöttösoluja ja erilaisia neuroendokriinisiä solulinjoja. Syöttösolujen toiminnalla on merkittävä rooli allergioiden ja astman aiheuttajina. Aktivoituessaan solut vapauttavat sisältämänsä eriterakkulat ympäristöönsä aiheuttaen allergia- ja astmaoireita. Tutkimuksessa AZIN2 paikantui syöttösolujen serotoniinia sisältäviin eriterakkuloihin. Polyamiinien havaittiin säätelevän erityisesti syöttösolujen serotoniinin eritystä, mikä tapahtui ilmeisesti kiihtyneen AZIN2:n toiminnan välityksellä. Polyamiinien tuotantoa hillitsemällä pystyimme myös estämään solujen serotoniinin vapautumista. Myös neuroendokriinisissa solumalleissa AZIN2 paikantui solun eriterakkuloihin. AZIN2:n tai polyamiinituotannon heikentäminen johti solutasolla proteiinierityksen heikkenemiseen ja solun eritysreitin vaurioitumiseen. Tämä havainto viittaa siihen, että AZIN2:n toiminta ja siitä seuraava polyamiinisynteesin kiihtyminen säätelee solun sisäistä kuljetusta ja proteiinieritystä. Tulosteni pohjalta esitän, että AZIN2:n tehtävänä on toimia solun paikallisena polyamiinisynteesin aktivaattorina. Väitöskirjatyön tulokset tarjoavat uutta tietoa solun polyamiinitasapainon säätelyyn liittyvistä molekulaarisista mekanismeista. Alustavien tulosten pohjalta on arvioitu, että estämällä antitsyymi-inhibiittoreiden toimintaa voitaisiin tehokkaammin hillitä solun polyamiinien ylituotantoa. Työn tulokset saattavat siten auttaa tunnistamaan uusia kohteita lääkekehityksen tarpeisiin.