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A fine balance of regulatory (T\(_{reg}\)) and conventional CD4\(^+\) T cells (T\(_{conv}\)) is required to prevent harmful immune responses, while at the same time ensuring the development of protective immunity against pathogens. As for many cellular processes, sphingolipid metabolism also crucially modulates the T\(_{reg}\)/T\(_{conv}\) balance. However, our understanding of how sphingolipid metabolism is involved in T cell biology is still evolving and a better characterization of the tools at hand is required to advance the field. Therefore, we established a reductionist liposomal membrane model system to imitate the plasma membrane of mouse T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) with regards to their ceramide content. We found that the capacity of membranes to incorporate externally added azide-functionalized ceramide positively correlated with the ceramide content of the liposomes. Moreover, we studied the impact of the different liposomal preparations on primary mouse splenocytes in vitro. The addition of liposomes to resting, but not activated, splenocytes maintained viability with liposomes containing high amounts of C\(_{16}\)-ceramide being most efficient. Our data thus suggest that differences in ceramide post-incorporation into T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) reflect differences in the ceramide content of cellular membranes.
Sphingolipids are essential components of eukaryotic cells. In this review, we want to exemplarily illustrate what is known about the interactions of sphingolipids with various viruses at different steps of their replication cycles. This includes structural interactions during entry at the plasma membrane or endosomal membranes, early interactions leading to sphingolipid-mediated signal transduction, interactions with internal membranes and lipids during replication, and interactions during virus assembly and budding. Targeted interventions in sphingolipid metabolism – as far as they can be tolerated by cells and organisms – may open novel possibilities to support antiviral therapies. Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) infections have intensively been studied, but for other viral infections, such as influenza A virus (IAV), measles virus (MV), hepatitis C virus (HCV), dengue virus, Ebola virus, and severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2 (SARS-CoV-2), investigations are still in their beginnings. As many inhibitors of sphingolipid metabolism are already in clinical use against other diseases, repurposing studies for applications in some viral infections appear to be a promising approach.
Bioactivity-guided isolation supported by LC-HRESIMS metabolic profiling led to the isolation of two new compounds, a ceramide, stylissamide A (1), and a cerebroside, stylissoside A (2), from the methanol extract of the Red Sea sponge Stylissa carteri. Structure elucidation was achieved using spectroscopic techniques, including 1D and 2D NMR and HRMS. The bioactive extract’s metabolomic profiling showed the existence of various secondary metabolites, mainly oleanane-type saponins, phenolic diterpenes, and lupane triterpenes. The in vitro cytotoxic activity of the isolated compounds was tested against two human cancer cell lines, MCF-7 and HepG2. Both compounds, 1 and 2, displayed strong cytotoxicity against the MCF-7 cell line, with IC\(_{50}\) values at 21.1 ± 0.17 µM and 27.5 ± 0.18 µM, respectively. They likewise showed a promising activity against HepG2 with IC\(_{50}\) at 36.8 ± 0.16 µM for 1 and IC\(_{50}\) 30.5 ± 0.23 µM for 2 compared to the standard drug cisplatin. Molecular docking experiments showed that 1 and 2 displayed high affinity to the SET protein and to inhibitor 2 of protein phosphatase 2A (I2PP2A), which could be a possible mechanism for their cytotoxic activity. This paper spreads light on the role of these metabolites in holding fouling organisms away from the outer surface of the sponge, and the potential use of these defensive molecules in the production of novel anticancer agents.
Sphingolipids are constituents of the cell membrane that perform various tasks as structural elements and signaling molecules, in addition to regulating many important cellular processes, such as apoptosis and autophagy. In recent years, it has become increasingly clear that sphingolipids and sphingolipid signaling play a vital role in infection processes. In many cases the attachment and uptake of pathogenic bacteria, as well as bacterial development and survival within the host cell depend on sphingolipids. In addition, sphingolipids can serve as antimicrobials, inhibiting bacterial growth and formation of biofilms. This review will give an overview of our current information about these various aspects of sphingolipid involvement in bacterial infections.
Einfluss der sauren Sphingomyelinase auf anti-virale T-Zellantworten im Masernvirus-Infektionsmodell
(2017)
Die saure Sphingomyelinase (Asm), ein Enzym des Sphingolipidmetabolismus,
spaltet Sphingomyelin zu Ceramid und Phosopocholin. Aktiviert wird die Asm unter
anderem durch Stimulation des CD28 Rezeptors. CD28 Signale werden auch für die
Aktivierung von konventionellen T-Zellen (Tconv) und für die Kostimulation benötigt
und sind essentiell für die Differenzierung von regulatorischen T-Zellen (Treg) im
Thymus und deren Erhalt in der Peripherie. Wir konnten zeigen, dass sich Tconv und
Treg Zellen hinsichtlich der Asm unterscheiden. Treg haben eine höhere "basale"
Asm Aktivität, widergespiegelt im höheren Ceramidgehalt und haben eine niedrigere
Lipidordnung als Tconv Zellen. Die Abwesenheit der Asm in defizienten Mäusen
bewirkt einen relativen Anstieg der Treg-Frequenz innerhalb der CD4+ T-Zellen.
Außerdem führt die Asm-Defizienz in Treg Zellen zu einer erhöhten Umsatzrate des
immunsupprimierenden Moleküls CTLA-4 und zu einer verstärkten Suppressivität
von Treg Zellen aus Asm-/- Mäusen gegenüber Wildtyp Zellen. Ein Anstieg in der
Treg-Frequenz, äquivalent zur genetischen Defizienz, kann auch durch Inhibition der
Asm, d. h. durch Wirkstoffe wie Amitriptylin und Desipramin erreicht werden. Es
konnte gezeigt werden, dass die Inhibitorbehandlung die absolute Anzahl der Tconv
Zellen selektiv verringert, da Treg Zellen gegenüber dem Asm Inhibitor-induzierten
Zelltod resistenter sind. Mechanistisch erklärbar sind die Unterschiede gegenüber
den proapoptotischen Inhibitoreffekten zwischen Tconv und Treg Zellen dadurch,
dass Treg Zellen durch die Anwesenheit von IL-2 geschützt sind. In Abwesenheit von
IL-2 sterben die Treg Zellen ebenfalls. Die gezielte Veränderung des Verhältnisses
von Treg zu Tconv durch den Einsatz von Asm-inhibitorischen Medikamenten kann
hilfreich bei der therapeutischen Behandlung von inflammatorischen- und
Autoimmunerkrankungen sein.
Inwiefern die Asm für die Funktion von T-Zellen in der anti-viralen Immunantwort
entscheidend ist, wurde im Masernvirus-Infektionsmodell näher untersucht. In Asm-/-
Mäusen und Amitriptylin-behandelten Mäusen konnte gezeigt werden, dass in
Abwesenheit der Asm die Kontrolle der Masernvirusinfektion verschlechtert ist. Treg
sind auch hier von entscheidender Bedeutung, da die Asm-abhängige, verstärkte
Masernvirusinfektion bei Fehlen der Asm nur in Gegenwart von Treg auftritt. In der
akuten Phase gibt es in Asm-/- Mäusen weniger masernvirusspezifische T-Zellen und dadurch eine verringerte Beseitigung der Viruslast. In der chronischen Phase ist die
Anzahl masernvirusspezifischer T-Zellen zwischen WT und Asm-/- Mäusen
vergleichbar. In Letzteren ist allerdings die Anzahl und Frequenz von T-Zellen im
Gehirn infizierter Mäuse noch deutlich erhöht, was die verstärkte Maserninfektion
widerspiegelt.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die Asm die Funktion von Treg moduliert und
einen Einfluss auf das Verhältnis von Tconv und Treg zueinander hat. Im
Masernvirus-Infektionsmodell kann die Veränderung des Tconv zu Treg
Verhältnisses in Abwesenheit der Asm ursächlich für die verringerte Viruskontrolle
sein. Die Asm Inhibitor-induzierte Treg-Aktivierung und die Beeinflussung des Treg
zu Tconv Verhältnisses können wiederum für therapeutische Zwecke genutzt
werden, wie beispielsweise bei Multipler Sklerose und Rheumatoider Arthritis.
Breakdown of sphingomyelin as catalyzed by the activity of sphingomyelinases profoundly affects biophysical properties of cellular membranes which is particularly important with regard to compartmentalization of surface receptors and their signaling relay. As it is activated both upon TCR ligation and co-stimulation in a spatiotemporally controlled manner, the neutral sphingomyelinase (NSM) has proven to be important in T cell activation, where it appears to play a particularly important role in cytoskeletal reorganization and cell polarization. Because these are important parameters in directional T cell migration and motility in tissues, we analyzed the role of the NSM in these processes. Pharmacological inhibition of NSM interfered with early lymph node homing of T cells in vivo indicating that the enzyme impacts on endothelial adhesion, transendothelial migration, sensing of chemokine gradients or, at a cellular level, acquisition of a polarized phenotype. NSM inhibition reduced adhesion of T cells to TNF-α/IFN-γ activated, but not resting endothelial cells, most likely via inhibiting high-affinity LFA-1 clustering. NSM activity proved to be highly important in directional T cell motility in response to SDF1-α, indicating that their ability to sense and translate chemokine gradients might be NSM dependent. In fact, pharmacological or genetic NSM ablation interfered with T cell polarization both at an overall morphological level and redistribution of CXCR4 and pERM proteins on endothelial cells or fibronectin, as well as with F-actin polymerization in response to SDF1-α stimulation, indicating that efficient directional perception and signaling relay depend on NSM activity. Altogether, these data support a central role of the NSM in T cell recruitment and migration both under homeostatic and inflamed conditions by regulating polarized redistribution of receptors and their coupling to the cytoskeleton.
Certain fatty acids and sphingoid bases found at mucosal surfaces are known to have antibacterial activity and are thought to play a more direct role in innate immunity against bacterial infections. Herein, we analysed the antibacterial activity of sphingolipids, including the sphingoid base sphingosine as well as short-chain C\(_{6}\) and long-chain C\(_{16}\)-ceramides and azido-functionalized ceramide analogs against pathogenic Neisseriae. Determination of the minimal inhibitory concentration (MIC) and minimal bactericidal concentration (MBC) demonstrated that short-chain ceramides and a ω-azido-functionalized C\(_{6}\)-ceramide were active against Neisseria meningitidis and N. gonorrhoeae, whereas they were inactive against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Kinetic assays showed that killing of N. meningitidis occurred within 2 h with ω–azido-C\(_{6}\)-ceramide at 1 X the MIC. Of note, at a bactericidal concentration, ω–azido-C\(_{6}\)-ceramide had no significant toxic effect on host cells. Moreover, lipid uptake and localization was studied by flow cytometry and confocal laser scanning microscopy (CLSM) and revealed a rapid uptake by bacteria within 5 min. CLSM and super-resolution fluorescence imaging by direct stochastic optical reconstruction microscopy demonstrated homogeneous distribution of ceramide analogs in the bacterial membrane. Taken together, these data demonstrate the potent bactericidal activity of sphingosine and synthetic short-chain ceramide analogs against pathogenic Neisseriae.
Staphylococcus aureus (S. aureus) infections are a major clinical problem and range from mild skin and soft-tissue infections to severe and even lethal infections such as pneumonia, endocarditis, sepsis, osteomyelitis, and toxic shock syndrome. Toxins that are released from S. aureus mediate many of these effects. Here, we aimed to identify molecular mechanisms how α-toxin, a major S. aureus toxin, induces inflammation. Methods: Macrophages were isolated from the bone marrow of wildtype and acid sphingomyelinase-deficient mice, stimulated with S. aureus α-toxin and activation of the acid sphingomyelinase was quantified. The subcellular formation of ceramides was determined by confocal microscopy. Release of cathepsins from lysosomes, activation of inflammasome proteins and formation of Interleukin-1β (IL-1β) and Tumor Necrosis Factor-α (TNF-α) were analyzed by western blotting, confocal microscopy and ELISA. Results: We demonstrate that S. aureus α-toxin activates the acid sphingomyelinase in ex vivo macrophages and triggers a release of ceramides. Ceramides induced by S. aureus α-toxin localize to lysosomes and mediate a release of cathepsin B and D from lysosomes into the cytoplasm. Cytosolic cathepsin B forms a complex with Nlrc4. Treatment of macrophages with α-toxin induces the formation of IL-1β and TNF-α. These events are reduced or abrogated, respectively, in cells lacking the acid sphingomyelinase and upon treatment of macrophages with amitriptyline, a functional inhibitor of acid sphingomyelinase. Pharmacological inhibition of cathepsin B prevented activation of the inflammasome measured as release of IL-1β, while the formation of TNF-α was independent of cathepsin B. Conclusion: We demonstrate a novel mechanism how bacterial toxins activate the inflammasome and mediate the formation and release of cytokines: S. aureus α-toxin triggers an activation of the acid sphingomyelinase and a release of ceramides resulting in the release of lysosomal cathepsin B and formation of pro-inflammatory cytokines.
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.