Institut für Organische Chemie
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Recently, we have shown that C6-ceramides efficiently suppress viral replication by trapping the virus in lysosomes. Here, we use antiviral assays to evaluate a synthetic ceramide derivative α-NH2-ω-N3-C6-ceramide (AKS461) and to confirm the biological activity of C6-ceramides inhibiting SARS-CoV-2. Click-labeling with a fluorophore demonstrated that AKS461 accumulates in lysosomes. Previously, it has been shown that suppression of SARS-CoV-2 replication can be cell-type specific. Thus, AKS461 inhibited SARS-CoV-2 replication in Huh-7, Vero, and Calu-3 cells up to 2.5 orders of magnitude. The results were confirmed by CoronaFISH, indicating that AKS461 acts comparable to the unmodified C6-ceramide. Thus, AKS461 serves as a tool to study ceramide-associated cellular and viral pathways, such as SARS-CoV-2 infections, and it helped to identify lysosomes as the central organelle of C6-ceramides to inhibit viral replication.
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.
SARS-CoV-2 variants such as the delta or omicron variants, with higher transmission rates, accelerated the global COVID-19 pandemic. Thus, novel therapeutic strategies need to be deployed. The inhibition of acid sphingomyelinase (ASM), interfering with viral entry by fluoxetine was reported. Here, we described the acid ceramidase as an additional target of fluoxetine. To discover these effects, we synthesized an ASM-independent fluoxetine derivative, AKS466. High-resolution SARS-CoV-2–RNA FISH and RTqPCR analyses demonstrate that AKS466 down-regulates viral gene expression. It is shown that SARS-CoV-2 deacidifies the lysosomal pH using the ORF3 protein. However, treatment with AKS488 or fluoxetine lowers the lysosomal pH. Our biochemical results show that AKS466 localizes to the endo-lysosomal replication compartments of infected cells, and demonstrate the enrichment of the viral genomic, minus-stranded RNA and mRNAs there. Both fluoxetine and AKS466 inhibit the acid ceramidase activity, cause endo-lysosomal ceramide elevation, and interfere with viral replication. Furthermore, Ceranib-2, a specific acid ceramidase inhibitor, reduces SARS-CoV-2 replication and, most importantly, the exogenous supplementation of C6-ceramide interferes with viral replication. These results support the hypotheses that the acid ceramidase is a SARS-CoV-2 host factor.
Einflüsse der Photophysik und Photochemie von Cyaninfarbstoffen auf die Lokalisationsmikroskopie
(2023)
In den letzten Jahren haben sich hochauflösende Fluoreszenzmikroskopiemethoden, basierend auf der Lokalisation einzelner Fluorophore, zu einem leistungsstarken Werkzeug etabliert, um Fluoreszenzbilder weit unterhalb der Auflösungsgrenze zu generieren. Hiermit können räumliche Auflösungen von ~ 20 nm erzielt werden, was weit unterhalb der Beugungsgrenze liegt. Dabei haben zahlreiche Optimierungen und Entwicklungen neuer Methoden in der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie die Genauigkeit der orstspezifischen Bestimmung einzelner Fluorophore auf bis zu ~ 1 – 3 nm erhöht. Eine Auflösung im molekularen Bereich, weit unterhalb von ~ 10 nm bleibt allerdings herausfordernd, da die Lokalisationsgenauigkeit nur ein Kriterium hierfür ist. Allerdings wurde sich in den letzten Jahren überwiegend auf die Verbesserung dieses Parameters konzentriert. Weitere Kriterien für die fluoreszenzmikroskopische Auflösung sind dabei unter anderem die Markierungsdichte und die Kopplungseffizienz der Zielstruktur, sowie der Kopplungsfehler (Abstand zur Zielstruktur nach Farbstoffkopplung), die sich herausfordernd für eine molekulare Auflösung darstellen. Auch wenn die Kopplungseffizienz und -dichte hoch und der Kopplungsfehler gering ist, steigt bei Interfluorophordistanzen < 5nm, abhängig von den Farbstoffen, die Wahrscheinlichkeit von starken und schwachen Farbstoffwechselwirkungen und damit von Energieübertragungsprozessen zwischen den Farbstoffen, stark an. Daneben sollten Farbstoffe, abhänging von der Lokalisationsmikroskopiemethode, spezifische Kriterien, wie beispielsweise die Photoschaltbarkeit bei dSTORM, erfüllen, was dazu führt, dass diese Methoden häufig nur auf einzelne Farbstoffe beschränkt sind. In dieser Arbeit konnte mithilfe von definierten DNA-Origami Konstrukten gezeigt werden, dass das Blinkverhalten von Cyaninfarbstoffen unter dSTORM-Bedingungen einer Abstandsabhängigkeit aufgrund von spezifischen Energieübertragungsprozessen folgt, womit Farbstoffabstände im sub-10 nm Bereich charakterisiert werden konnten. Darüber hinaus konnte diese Abstandsabhängigkeit an biologischen Proben gezeigt werden. Hierbei konnten verschiedene zelluläre Rezeptoren effizient und mit geringem Abstandsfehler zur Zielstruktur mit Cyaninfarbstoffen gekoppelt werden. Diese abstandsabhänigen Prozesse und damit Charakterisierungen könnten dabei nicht nur spezifisch für die häufig unter dSTORM-Bedingungen verwendeten Cyaninfarbstoffen gültig sein, sondern auch auf andere Farbstoffklassen, die einen Auszustand zeigen, übertragbar sein. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass hochauflösende dSTORM Aufnahmen unabhängig vom Farbstoffkopplungsgrad der Antikörpern sind, welche häufig für Standardfärbungen von zellulären Strukturen verwendet werden. Dabei konnte durch Photonenkoinzidenzmessungen dargelegt werden, dass aufgrund komplexer Farbstoffwechselwirkungen im Mittel nur ein Farbstoff aktiv ist, wobei höhere Kopplungsgrade ein komplexes Blinkverhalten zu Beginn der Messung zeigen. Durch die undefinierten Farbstoffabstände an Antikörpern konnte hier kein eindeutiger Energieübertragungsmechanismus entschlüsselt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Farbstoffaggregate bzw. H-Dimere unter dSTORM-Bedingungen destabilisiert werden. Durch die zuvor erwähnten DNA-Origami Konstrukte definierter Interfluorophordistanzen konnten Energieübertragungsmechanismen entschlüsselt werden, die auch für die Antikörper diverser Kopplungsgrade gültig sind. Des Weiteren konnten, ausgelöst durch komplexe Energieübertragungsprozesse höherer Kopplungsgrade am Antikörper, Mehrfarbenaufnahmen zellulärer Strukturen generiert werden, die über die spezifische Fluoreszenzlebenszeit separiert werden konnten. Dies stellt hier eine weitere Möglichkeit dar, unter einfachen Bedingungen, schnelle Mehrfarbenaufnahmen zellulärer Strukturen zu generieren. Durch die Verwendung des selben Farbstoffes unterschiedlicher Kopplungsgrade kann hier nur mit einer Anregungswellenlänge und frei von chromatischer Aberration gearbeitet werden. Neben den photophysikalischen Untersuchungen der Cyaninfarbstoffe Cy5 und Alexa Fluor 647 wurden diese ebenso photochemisch näher betrachtet. Dabei konnte ein neuartiger chemischer Mechanismus entschlüsselt werden. Dieser Mechanismus führt, ausgelöst durch Singulett-Sauerstoff (1O2), zu einer Photozerschneidung des konjugierten Doppelbindungssystems um zwei Kohlenstoffatome, was zu strukturellen und spektroskopischen Veränderungen dieser Farbstoffe führt. Auf Grundlage dieses Mechanismus konnte eine neue DNA-PAINT Methode entwickelt werden, die zu einer Beschleunigung der Aufnahmezeit führt.
As viruses are obligatory intracellular parasites, any step during their life cycle strictly depends on successful interaction with their particular host cells. In particular, their interaction with cellular membranes is of crucial importance for most steps in the viral replication cycle. Such interactions are initiated by uptake of viral particles and subsequent trafficking to intracellular compartments to access their replication compartments which provide a spatially confined environment concentrating viral and cellular components, and subsequently, employ cellular membranes for assembly and exit of viral progeny. The ability of viruses to actively modulate lipid composition such as sphingolipids (SLs) is essential for successful completion of the viral life cycle. In addition to their structural and biophysical properties of cellular membranes, some sphingolipid (SL) species are bioactive and as such, take part in cellular signaling processes involved in regulating viral replication. It is especially due to the progress made in tools to study accumulation and dynamics of SLs, which visualize their compartmentalization and identify interaction partners at a cellular level, as well as the availability of genetic knockout systems, that the role of particular SL species in the viral replication process can be analyzed and, most importantly, be explored as targets for therapeutic intervention.
Sphingolipids, including ceramides, are a diverse group of structurally related lipids composed of a sphingoid base backbone coupled to a fatty acid side chain and modified terminal hydroxyl group. Recently, it has been shown that sphingolipids show antimicrobial activity against a broad range of pathogenic microorganisms. The antimicrobial mechanism, however, remains so far elusive. Here, we introduce 'click-AT-CLEM', a labeling technique for correlated light and electron microscopy (CLEM) based on the super-resolution array tomography (srAT) approach and bio-orthogonal click chemistry for imaging of azido-tagged sphingolipids to directly visualize their interaction with the model Gram-negative bacterium Neisseria meningitidis at subcellular level. We observed ultrastructural damage of bacteria and disruption of the bacterial outer membrane induced by two azido-modified sphingolipids by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Click-AT-CLEM imaging and mass spectrometry clearly revealed efficient incorporation of azido-tagged sphingolipids into the outer membrane of Gram-negative bacteria as underlying cause of their antimicrobial activity.
Expansion microscopy (ExM) enables super-resolution imaging of proteins and nucleic acids on conventional microscopes. However, imaging of details of the organization of lipid bilayers by light microscopy remains challenging. We introduce an unnatural short-chain azide- and amino-modified sphingolipid ceramide, which upon incorporation into membranes can be labeled by click chemistry and linked into hydrogels, followed by 4x to 10x expansion. Confocal and structured illumination microscopy (SIM) enable imaging of sphingolipids and their interactions with proteins in the plasma membrane and membrane of intracellular organelles with a spatial resolution of 10-20nm. As our functionalized sphingolipids accumulate efficiently in pathogens, we use sphingolipid ExM to investigate bacterial infections of human HeLa229 cells by Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis and Simkania negevensis with a resolution so far only provided by electron microscopy. In particular, sphingolipid ExM allows us to visualize the inner and outer membrane of intracellular bacteria and determine their distance to 27.6 +/- 7.7nm. Imaging of lipid bilayers using light microscopy is challenging. Here the authors label cells using a short chain click-compatible ceramide to visualize mammalian and bacterial membranes with expansion microscopy.
Obligate human pathogenic Neisseria gonorrhoeae are the second most frequent bacterial cause of sexually transmitted diseases. These bacteria invade different mucosal tissues and occasionally disseminate into the bloodstream. Invasion into epithelial cells requires the activation of host cell receptors by the formation of ceramide-rich platforms. Here, we investigated the role of sphingosine in the invasion and intracellular survival of gonococci. Sphingosine exhibited an anti-gonococcal activity in vitro. We used specific sphingosine analogs and click chemistry to visualize sphingosine in infected cells. Sphingosine localized to the membrane of intracellular gonococci. Inhibitor studies and the application of a sphingosine derivative indicated that increased sphingosine levels reduced the intracellular survival of gonococci. We demonstrate here, that sphingosine can target intracellular bacteria and may therefore exert a direct bactericidal effect inside cells.
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.