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Sphingolipids are major components of cellular membranes, and at steady-state level, their metabolic fluxes are tightly controlled. On challenge by external signals, they undergo rapid turnover, which substantially affects the biophysical properties of membrane lipid and protein compartments and, consequently, signaling and morphodynamics. In T cells, external cues translate into formation of membrane microdomains where proximal signaling platforms essential for metabolic reprograming and cytoskeletal reorganization are organized. This review will focus on sphingomyelinases, which mediate sphingomyelin breakdown and ensuing ceramide release that have been implicated in T-cell viability and function. Acting at the sphingomyelin pool at the extrafacial or cytosolic leaflet of cellular membranes, acid and neutral sphingomyelinases organize ceramide-enriched membrane microdomains that regulate T-cell homeostatic activity and, upon stimulation, compartmentalize receptors, membrane proximal signaling complexes, and cytoskeletal dynamics as essential for initiating T-cell motility and interaction with endothelia and antigen-presenting cells. Prominent examples to be discussed in this review include death receptor family members, integrins, CD3, and CD28 and their associated signalosomes. Progress made with regard to experimental tools has greatly aided our understanding of the role of bioactive sphingolipids in T-cell biology at a molecular level and of targets explored by a model pathogen (measles virus) to specifically interfere with their physiological activity.
In common with most viruses, measles virus (MV) relies on the integrity of the cytoskeleton of its host cells both with regard to efficient replication in these cells, but also retention of their motility which favors viral dissemination. It is, however, the surface interaction of the viral glycoprotein (gp) complex with receptors present on lymphocytes and dendritic cells (DCs), that signals effective initiation of host cell cytoskeletal dynamics. For DCs, these may act to regulate processes as diverse as viral uptake and sorting, but also the ability of these cells to successfully establish and maintain functional immune synapses (IS) with T cells. In T cells, MV signaling causes actin cytoskeletal paralysis associated with a loss of polarization, adhesion and motility, which has been linked to activation of sphingomyelinases and subsequent accumulation of membrane ceramides. MV modulation of both DC and T cell cytoskeletal dynamics may be important for the understanding of MV immunosuppression at the cellular level.
Measles virus (MV) efficiently causes generalized immunosuppression which accounts to a major extent for cases of measles-asscociated severe morbidity and mortality. MV infections alter many functions of antigen presenting cells (APC) (dendritic cells (DCs)) and lymphocytes, yet many molecular targets of the virus remain poorly defined. Cellular interactions and effector functions of DCs and lymphocytes are regulated by surface receptors. Associating with other proteins involved in cell signaling, receptors form part of receptosomes that respond to and transmit external signals through dynamic interctions with the cytoskeleton. Alterations in the composition and metabolism of membrane sphingolipids have a substantial impact on both processes. In this review we focus on the regulation of sphingomyelinase activity and ceramide release in cells exposed to MV and discuss the immunosuppressive role of sphingomyelin breakdown induced by MV.
Eine Masernvirus- (MV) Infektion induziert eine effiziente virus-spezifische Immunantwort. Aber parallel erfolgt eine generelle Suppression immunologischer Funktionen, die sekundäre Infektionen ermöglichen und verstärken kann. Eine Lymphopenie und die ex vivo beobachtete stark verminderte proliferative Antwort peripherer Lymphozyten auf polyklonale oder antigenspezifische Aktivierung gilt als zentraler Befund für diese Immunsuppression. Bislang konnte in vitro keine Interferenz mit dem von den MV-Glykoproteinen generierten negativen Proliferationssignal nachgewiesen werden. Die in der vorliegenden Arbeit dargestellten Befunde zeigen jedoch, daß der MV induzierte Proliferationsarrest unter bestimmten Bedingungen in IPP/IL-2 (Isopentenylpyrophosphat und Interleukin-2) stimulierten gd T Zellen aufgehoben werden kann. Die Sensitivität der gd T Zellen gegenüber dem von den MV-Glykoproteinen vermittelten Signal gleicht der der konventionellen T Zellen. Dennoch reicht der Kontakt zu Monozyten und mit dem MV Vakzinestamm Edmonston (ED)-infizierten B Zellen oder dendritischen Zellen (DC) aus, eine ungehemmte Expansion der g9d2 T Zellen zu induzieren. Durch eine Interaktion mit ED-infizierten B Zellen und DC reagieren Monozyten wahrscheinlich mit einer Regulation stimulatorischer oder inhibitorischer Oberflächenmoleküle, die bei dem Kontakt mit gd T Zellen einen additiven Stimulus liefert, der das negative Proliferationssignal von MV neutralisiert. Auch Funktionen antigenpräsentierender Zellen (APC) scheinen differentiell durch MV-Stämme regulierbar zu sein. Die Erkennung von molekularen Mustern von Pathogenen über die Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLR) ist eine wichtiger Schritt bei der Aktivierung einer Immunantwort durch APCs. Nachdem die Fähigkeit, mikrobieller Produkte APC über TLRs zu aktivieren, dokumentiert ist, sind nur zwei virale Proteine bekannt, die mit TLR4 interagieren. Mithilfe transgener Reporterzellen konnte demonstriert werden, daß MV-Wildtypstämme, nicht aber Vakzinestämme humanes und murines TLR2, wahrscheinlich mit CD14 als Korezeptor, und nicht TLR4, aktivieren. Die TLR2 agonistische Eigenschaft konnte dem MV-Wildtyp Hämagglutininprotein (H) zugeordnet werden. Der Austausch einer einzigen Aminosäure im WTF-H, Asparagin zu Tyrosin an der Positon 481, welche in an CD46 adaptierten Vakzinestämmen zu finden ist, reichte für den Verlust TLR agonistischer Aktivität aus. Auch in humanen Monozyten konnten Viren, die das authentische WTF-H Protein enthielten, die Expression TLR responsiver Gene wie IL-6 induzieren. Gleichzeitig verursachte die Aktivierung der Monozyten durch die TLR Agonisten, einschließlich der Wildtyp MV, die Expression des allgemeinen MV Rezeptors CD150, der von ruhenden Monozyten nicht exprimiert wird. Die Spezifität der WTF-H und TLR2 Interaktion konnte durch blockierende Antikörper und TLR2-/- Mäuse, die kein IL-6 nach Stimulation mit WTF freisetzen, gezeigt werden. Die Fähigkeit von MV-Wildtypstämmen TLR2 zu aktivieren, könnte wesentlich zu der Immunaktivierung, aber auch zur Ausbreitung und Pathogenese der Infektion beitragen und die Attenuierung von Vakzinestämmen erklären. Zusammenfassend liefern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit Hinweise auf eine MV-stammspezifische Aktivierung angeborener Immunantworten, welche die adaptive Immunität modulieren können.
Die MV-induzierte Immunsuppression ist unter anderem durch eine Leukopenie gekennzeichnet und so wurde in der vorliegenden Studie die Frage nach den Auswirkungen einer Interaktion des MV mit Knochenmarkszellen adressiert. Humane HSC, multipotente und oligopotente hämatopoetische Vorläuferzellen (HPC) können, im Gegensatz zu murinen, nicht anhand des SLAM-codes unterschieden werden. Während CD244 auf allen HS/PC exprimiert wird, markieren CD150 und CD48 eher humane HPC als HSC. Trotz vorhandener CD150+-HPC beschränkt sich die Infektion mit wildtypischen MV nicht auf diese Subpopulation, sondern erfolgt, wie bei CD150- Stromazellen, unabhängig von diesem Rezeptor. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die MV-Exposition von HS/PC in vitro weder deren Proliferation noch die Fähigkeit zur Koloniebildung stört. Dass sich eine MV-Infektion in Kokulturen von HS/PC mit Stromazellen vom jeweils einen auf den anderen Zelltypen überträgt, könnte als möglicher Mechanismus zur Ausbreitung und Etablierung einer Infektion im Knochenmark angesehen werden. Obwohl in vitro keine Inhibition der Expansion von HS/PC beobachtet wurde, stört eine vorangegangene MV-Exposition die Kurzzeitrekonstitution bestrahlter NOD/SCID-Mäuse massiv. Diese Inhibition der Hämatopoese ist jedoch transient und hat keine Auswirkungen auf die Langzeitrekonstitution. Da weder die Migration der transplantierten HS/PC zum Knochenmark gestört ist noch die Knochenmarkszellen der Maus permissiv für eine MV-Infektion sind, ist die beobachtete Inhibition auf einen direkten Einfluss der MV-Exposition auf die HS/PC zurückzuführen.
Measles is an ancient disease with historical records as early as the 9th century.
Extensive study as well as advances in scientific knowledge of virology have led to
identification of the viral pathogen and subsequent development of an effective vaccine
leading to global efforts towards measles elimination. In 2018, around 140,000 deaths were
reported due to measles with incomplete vaccine coverage being one of the leading causes
of resurgence. Measles is highly contagious and often regarded as a childhood illness.
However, measles is associated with a number of complications and persistent infections
like subacute sclerosing panencephalitis (SSPE), which have brought into focus the need
for specific anti-viral therapies.
The aim of this study was to target host and viral factors to optimize anti-measles virus
therapy. Our approach was to test a panel of compounds known to inhibit host cell
functions or viral factors for their antiviral effect on measles replication. Primary human
lymphocytes, persistently infected NT2 cells and post-mitotic neurons were used as in vitro
model systems of acute, persistent and neuronal infection respectively to test the inhibitors.
Using the inhibitors Ceranib-2 and SKI-II to target the sphingolipid metabolism enzymes
acid ceramidase and sphingosine kinase in infected human primary lymphocytes, we
observed a decreased protein translational capacity mediated by mTORC1, EIF4E and
ribosomal protein S6 phosphorylation that probably contributes to the antiviral effect. In
the persistently infected neural NT2 cells and post-mitotic neurons derived from LUHMES
cells, we observed effective infection inhibition and viral clearance upon treatment with a
small non-nucleoside inhibitor (ERDRP-0519) specifically targeting the Morbillivirus
large polymerase. Other inhibitors such as Ribavirin and Favipiravir were less effective. To
conclude, 1) we identified a mTOR associated protein translation axis associated with the
sphingolipid metabolism, which affects measles virus replication and 2) In vitro
persistently infected neuronal and post-mitotic neuron models were successfully used as a
rapid method to test antivirals against measles virus.
The bioactive sphingolipids ceramide and sphingosine-1-phosphate (S1P) are involved in the regulation of cell homeostasis and activity ranging from apoptosis to proliferation. We recently described that the two compounds ceranib-2 (inhibiting acid ceramidase) and SKI-II [inhibiting the sphingosine kinases 1 and − 2 (SphK1/2)] reduce mTORC1 activity and measles virus (MV) replication in human primary peripheral blood lymphocytes (PBL) by about one log step. We now further investigated whether mTORC1 downstream signaling and viral protein expression may be affected by ceranib-2 and/or SKI-II. Western blot analyses showed that in uninfected cells the phosphorylation of the eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E) was reduced by both inhibitors. Interestingly, MV infection led to an increase of rpS6 protein levels and phosphorylation of eIF4E. Treatment with both inhibitors reduced the rpS6 protein expression, and in addition, SKI-II reduced rpS6 phosphorylation. The phosphorylation of eIF4E was slightly reduced by both inhibitors. In addition, SKI-II led to reduced levels of IKK in MV-infected cells. Both inhibitors reduced the expression of viral proteins and the titers of newly synthesized MV by approximately one log step. As expected, SKI-II and rapamycin reduced also the virally encoded GFP expression; however, ceranib-2 astonishingly led to increased levels of GFP fluorescence. Our findings suggest that the inhibitors ceranib-2 and SKI-II act via differential mechanisms on MV replication. The observed effects on mTORC1 downstream signaling, predominantly the reduction of rpS6 levels by both inhibitors, may affect the translational capacity of the cells and contribute to the antiviral effect in human primary PBL.
Transmission of measles virus (MV) from dendritic to airway epithelial cells is considered as crucial to viral spread late in infection. Therefore, pathways and effectors governing this process are promising targets for intervention. To identify these, we established a 3D respiratory tract model where MV transmission by infected dendritic cells (DCs) relied on the presence of nectin-4 on H358 lung epithelial cells. Access to recipient cells is an important prerequisite for transmission, and we therefore analyzed migration of MV-exposed DC cultures within the model. Surprisingly, enhanced motility toward the epithelial layer was observed for MV-infected DCs as compared to their uninfected siblings. This occurred independently of factors released from H358 cells indicating that MV infection triggered cytoskeletal remodeling associated with DC polarization enforced velocity. Accordingly, the latter was also observed for MV-infected DCs in collagen matrices and was particularly sensitive to ROCK inhibition indicating infected DCs preferentially employed the amoeboid migration mode. This was also implicated by loss of podosomes and reduced filopodial activity both of which were retained in MV-exposed uninfected DCs. Evidently, sphingosine kinase (SphK) and sphingosine-1-phosphate (S1P) as produced in response to virus-infection in DCs contributed to enhanced velocity because this was abrogated upon inhibition of sphingosine kinase activity. These findings indicate that MV infection promotes a push-and-squeeze fast amoeboid migration mode via the SphK/S1P system characterized by loss of filopodia and podosome dissolution. Consequently, this enables rapid trafficking of virus toward epithelial cells during viral exit.
Neben dem bekannten Tropismus des Masernvirus für CD150-positive aktivierte Zellen des Immunsystems, spielt der Endothelzelltropismus für die akute Masernviruserkrankung einschließlich ihren nachfolgenden Komplikationen eine wichtige pathogene Rolle. Die Infektion der Endothelzellen steht in Zusammenhang mit dem Auftreten des MV-Exanthems. Es ist auch möglich, dass die „Akute Enzephalitits“ und der Viruseintritt ins zentrale Nervensystem wie im Falle der subakuten sklerosierenden Panenzephalitis (SSPE) durch Endothelzellinfektion vermittelt wird. Ziel der Arbeit war herauszufinden, wie und ob das MV Endothelzellbarrieren überwinden kann mittels Transport infizierter Leukozyten oder durch Infektion von EZs mit basolateraler Virusfreisetzung. Es wurde untersucht, ob die Fähigkeit von primären humanen T- Zellen durch polarisierte Zellschichten von „human brain microvascular endothelial cells“ (HBMECs) zu wandern durch die Infektion beeinflusst wird. Die Fähigkeit von infizierten Lymphozyten durch die Poren der Filter zu wandern war teilweise beeinträchtigt, jedoch war das Ergebnis statistisch nicht signifikant. Im Gegensatz dazu war die Fähigkeit der Zellen durch Endothelzellbarrieren zu wandern drastisch reduziert. Nach Infektion adhärierten die Leukozyten stärker auf den Endothelzellen. Bei dieser Adhäsion von PBMCs an Endothelzellen kam es trotz Infektion zur Ausbildung von sogenannten „transmigratory cups“ oder docking- Strukturen. Dieser enge Zell-Zell-Kontakt hatte zur Folge, dass die MV-Infektion vom Lymphozyten auf die Endothelzelle übertragen wurde. Die MV-Hüllproteine wurden auf der apikalen und basolateralen Seite infizierter Endothelzellen exprimiert wie anhand von Aufnahmen mit dem konfokalen Mikroskop am Beispiel des H-Proteins gezeigt werden konnte. Titrationen ergaben, dass das Virus auf beiden Seiten der Zellen freigesetzt wurde. Desweiteren wurde bestätigt, dass auch für polarisierte Endothelzellen die auf Tyrosin basierenden Transportsignale verantwortlich sind für die basolaterale Virusfreisetzung. Die Daten unterstützen die Hypothese, dass das Virus mit Hilfe der Infektion und der bipolaren Virusfreisetzung über Endothelzellbarrieren
Ceramide sind biologisch aktive Sphingolipide, die verschiedene zelluläre Signalwege regulieren, meist im Zusammenhang mit der Induktion von Apoptose oder der Regulation des Zellzyklus. Darüber hinaus wurde in der Literatur beschrieben, dass Ceramide die Zytoskelettdynamik unterschiedlicher Zelltypen beeinflussen, die Bedeutung von Ceramiden für die Funktion von T-Zellen wurde allerdings bisher wenig untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die exogene Akkumulation von Ceramiden ebenso wie die Generierung von Ceramiden durch bSMase die Adhärenz von T-Zellen an FN bzw. ICAM-1 beeinträchtigt. Des Weiteren konnte eine verminderte T-Zell-Polarisierung auf FN sowie eine reduzierte Chemotaxis und Motilität ceramidmodifizierter T-Zellen in Antwort auf SDF-1 nachgewiesen werden. In Übereinstimmung mit der Unfähigkeit ceramidmodifizierter Zellen morphologisch zu polarisieren wird ferner die Relokalisation von Oberflächenmolekülen und intrazellulärer Proteine durch die Akkumulation von Ceramiden gestört. Überdies konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Ceramide mit dem Aktivierungsstatus von Akt und ERM-Proteinen interferieren, da eine verminderte stimulationsabhängige Phosphorylierung von Akt und ERM-Proteinen in ceramidmodifizierten Zellen nachgewiesen wurde. Ein wesentlicher Schritt im Verlauf der T-Zell-Aktivierung ist die Ausbildung einer immunologischen Synapse mit dendritischen Zellen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass, obwohl ceramidreiche Membrandomänen von der Kontaktstelle ausgeschlossen werden, Konjugatfrequenz und Architektur der IS durch die Induktion von Ceramiden nicht beeinflusst werden, da eine normale Verteilung von CD3 und des MTOC beobachtet wurde. Allerdings wird die Funktionalität der Konjugate durch die Induktion von Ceramiden beeinträchtigt. Ceramidmodifizierte Zellen waren nur eingeschränkt in der Lage Orai1 und Stim1 zur Kontaktfläche mit DCs zu translozieren. In Übereinstimmung mit diesen Befunden wurde auch ein verminderter Calcium-Einstrom sowie eine verminderte Proliferation infolge der Akkumulation von Ceramiden detektiert. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Ceramide wesentliche Prozesse im Verlauf der T-Zell-Aktivierung beeinflussen, so dass die pathogeninduzierte Generierung von Ceramiden einen möglichen Mechanismus darstellt, die Funktion von T-Zellen zu beeinträchtigen.