Dihydroceramide Desaturase Inhibition by a Cyclopropanated Dihydroceramide Analog in Cultured Keratinocytes

Most mammalian sphingolipids contain a 4,5-(E)-double bond. We report on the chemical synthesis of a dihydroceramide derivative that prevents the introduction of the double bond into sphingolipids. Minimal alteration of the parent structure by formally replacing the hydrogen atoms in the 5- and in the 6-position of the sphinganine backbone by a methylene group leads to an inhibitor of dihydroceramide desaturase in cultured cells. In the presence of 10–50 μM of compound (1), levels of biosynthetically formed dihydroceramide and—surprisingly—also of phytoceramide are elevated at the expense of ceramide. The cells respond to the lack of unsaturated sphingolipids by an elevation of mRNAs of enzymes required for sphingosine formation. At the same time, the analysis of proliferation and differentiation markers indicates that the sphingolipid double bond is required to keep the cells in a differentiated state

Der Stoffwechsel der Sphingolipide : Einfluss von Substratanaloga der Dihydroceramid-Desaturase auf den Sphingolipidstoffwechsel humaner Keratinozyten und Untersuchungen zum Lipidstoffwechsel bei Spinocerebellärer Ataxie Typ 2

Die Dihydroceramid-4-Desaturase ist ein membrangebundenes Enzym höherer Eukaryonten, das auf der zytosolischen Seite des Endoplasmatischen Retikulums lokalisiert ist. Sie katalysiert mit der Einführung der 4,5-(E)-Doppelbindung in das Sphingoid-Rückgrat den letzten Schritt der Ceramid-Biosynthese. Im ersten Teil der Arbeit wurde der Einfluss zweier Substratanaloga der Dihydroceramid-4-Desaturase auf den Sphingolipidstoffwechsel humaner Keratinozyten untersucht. Bei den beiden Verbindungen handelte es sich um modifizierte Dihydroceramide mit einem Cyclopropyl-Rest (Cp-DHC) bzw. einer Dreifachbindung (Db-DHC) zwischen den Positionen 5 und 6 der Sphingoidbase. Nach enzymatischer Bildung eines Radikals in Position 4 und Umlagerung der reaktiven Zwischenstufe ist die Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen Cp-DHC bzw. Db-DHC und der Dihydroceramid-4-Desaturase und damit eine Hemmung des Enzyms denkbar. Zunächst wurden metabolische Markierungsstudien mit L-[3-14C]-Serin, dem radioaktiv markierten Ausgangsmolekül der Ceramid-Biosynthese, und radiomarkierten zellgängigen Analoga von Dihydroceramid und Ceramid unter Zusatz verschiedener Konzentrationen Cp-DHC und Db-DHC an differenzierten Keratinozyten durchgeführt. Dabei konnte eine von der Konzentration der beiden Verbindungen abhängige Zunahme des Dihydroceramid- und eine Abnahme des Ceramidanteils nachgewiesen werden. Dieser Befund spricht für eine Inhibierung der Dihydroceramid-4-Desaturase. Bei der [3-14C]-Serin-Markierung differenzierter Keratinozyten zeigte sich in Gegenwart von Cp-DHC bzw. Db-DHC zudem eine Erhöhung der Menge biosynthetisierten Phytoceramids. Außerdem wurden als Stoffwechselprodukte von Cp-DHC und Db-DHC Sphingomyelin-Analoga und mit verschiedenen endogenen Fettsäure acylierte N-Acyl-Metabolite massenspektrometrisch identifiziert. Im Gegensatz zu Ceramid ruft Dihydroceramid in der Regel keine antimitogenen Effekte hervor. Daher wurde untersucht, welche Konsequenzen die durch Cp-DHC hervorgerufene Abnahme des Ceramid- zugunsten des Dihydroceramidanteils auf den Übergang von Proliferation zu Differenzierung in humanen Keratinozyten hat. Dazu wurde die Expression von Genen einiger Proteine, die am Ceramidstoffwechsel und an der Differenzierung von Keratinozyten beteiligt sind, mittels real-time Polymerase-Kettenreaktion untersucht. Dabei zeigte sich, dass während der durch 1.1 mM Ca2+ und 10 µM Linolsäure induzierten Differenzierung der Keratinozyten in Gegenwart von Cp-DHC die Expressionsraten von Differenzierungsmarkerproteinen herunter- und die eines Proliferationsmarkers hochreguliert wurde. Außerdem führte der Zusatz von Cp-DHC zu einer Hochregulierung der Expressionsrate aller untersuchten Ceramid-metabolisierenden Enzyme, wodurch der Zellstoffwechsel in Richtung einer vermehrten Bildung von Sphingosin dirigiert wurde, das nach Phosphorylierung mitogene Effekte vermittelt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Mangel an 4,5-ungesättigten Sphingolipiden zu einer Störung der Differenzierung führt, die zur Folge hat, dass die Keratinozyten in einem proliferierenden Zustand verbleiben. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Untersuchungen zur Spinocerebellärer Ataxie Typ 2 (SCA2) durchgeführt. SCA2 gehört zur Gruppe der neurodegenerativen Polyglutaminkrankheiten. Das bei SCA2 betroffene Protein Ataxin-2 wird ubiquitär exprimiert. Seine Funktion und der zur Erkrankung führende Pathomechanismus sind unbekannt. Da sich in jüngerer Zeit die Hinweise mehren, dass Polyglutaminkrankheiten mit Störungen des Lipidstoffwechsels verbunden sind, wurde die Lipidzusammensetzung in Hirngewebe einer SCA2-Patientin analysiert. Dazu wurden Proben aus dem Cortex, der bei SCA2 weitgehend erhalten bleibt, und aus dem Kleinhirn, das von der Krankheit hauptsächlich betroffen ist, untersucht. Dabei ergab sich als wichtigstes Ergebnis ein starker Mangel an Lipiden, die typischerweise im Myelin vorkommen, im Kleinhirn der Patientin. Nur unwesentlich verändert war dagegen der Gehalt an Gangliosiden, die nur in geringen Konzentrationen im Myelin, sondern hauptsächlich in der neuronalen Plasmamembran und damit in der grauen Hirnsubstanz zu finden sind. Die Ergebnisse sind Zeichen einer Demyelinisierung im Kleinhirn der Patientin. Während SCA2-Patienten u. a. an einer starken Reduktion des Unterhautfettgewebes leiden, zeigen drei Monate alte SCA2-knock out-Mäuse Fettleibigkeit und Insulinresistenz. Dies weist darauf hin, dass Ataxin-2 eine regulierende Funktion in den durch Insulin vermittelten Signalwegen haben könnte. Zur Klärung der Frage, ob die für SCA2 verantwortliche Expansion des Polyglutaminstrangs in Ataxin-2 zu einem Funktionsverlust des Proteins führt, wurden die Lipidzusammensetzung in Cortex und Kleinhirn der knock out-Mäuse analysiert. Dabei zeigte sich im Kleinhirn der knock out-Mäuse kein Mangel Myelin-typischer Lipide, sondern im wesentlichen ein deutlich erhöhter Gangliosidgehalt. Der Verlust von Ataxin-2 in Mäusen führt also nicht zu den gleichen Lipidveränderungen im Gehirn wie die Existenz von variantem Ataxin-2 mit expandierter Polyglutaminkette in SCA2-Patienten. Da jedoch erhöhte Konzentrationen von Ceramid oder höheren Sphingolipiden in verschiedenen Geweben häufig mit der Vermittlung von Insulinresistenz in Zusammenhang stehen, bekräftigen die im Kleinhirn der SCA2-knock out-Mäuse gefunden erhöhten Gangliosidmengen das Bild von Ataxin-2 als einen Regulator der durch Insulin vermittelten Signalwege

A Tissue-Specific Approach to the Analysis of Metabolic Changes in Caenorhabditis elegans

The majority of metabolic principles are evolutionarily conserved from nematodes to humans. Caenorhabditis elegans has widely accelerated the discovery of new genes important to maintain organismic metabolic homeostasis. Various methods exist to assess the metabolic state in worms, yet they often require large animal numbers and tend to be performed as bulk analyses of whole worm homogenates, thereby largely precluding a detailed studies of metabolic changes in specific worm tissues. Here, we have adapted well-established histochemical methods for the use on C. elegans fresh frozen sections and demonstrate their validity for analyses of morphological and metabolic changes on tissue level in wild type and various mutant strains. We show how the worm presents on hematoxylin and eosin (H&E) stained sections and demonstrate their usefulness in monitoring and the identification of morphological abnormalities. In addition, we demonstrate how Oil-Red-O staining on frozen worm cross-sections permits quantification of lipid storage, avoiding the artifact-prone fixation and permeabilization procedures of traditional whole-mount protocols. We also adjusted standard enzymatic stains for respiratory chain subunits (NADH, SDH, and COX) to monitor metabolic states of various C. elegans tissues. In summary, the protocols presented here provide technical guidance to obtain robust, reproducible and quantifiable tissue-specific data on worm morphology as well as carbohydrate, lipid and mitochondrial energy metabolism that cannot be obtained through traditional biochemical bulk analyses of worm homogenates. Furthermore, analysis of worm cross-sections overcomes the common problem with quantification in three-dimensional whole-mount specimens

Epidermal mammalian target of rapamycin complex 2 controls lipid synthesis and filaggrin processing in epidermal barrier formation

Background: Perturbation of epidermal barrier formation will profoundly compromise overall skin function, leading to a dry and scaly, ichthyosis-like skin phenotype that is the hallmark of a broad range of skin diseases, including ichthyosis, atopic dermatitis, and a multitude of clinical eczema variants. An overarching molecular mechanism that orchestrates the multitude of factors controlling epidermal barrier formation and homeostasis remains to be elucidated. Objective: Here we highlight a specific role of mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2) signaling in epidermal barrier formation. Methods: Epidermal mTORC2 signaling was specifically disrupted by deleting rapamycin-insensitive companion of target of rapamycin (Rictor), encoding an essential subunit of mTORC2 in mouse epidermis (epidermis-specific homozygous Rictor deletion [Ric(EKO)] mice). Epidermal structure and barrier function were investigated through a combination of gene expression, biochemical, morphological and functional analysis in Ric(EKO) and control mice. Results: Ric(EKO) newborns displayed an ichthyosis-like phenotype characterized by dysregulated epidermal de novo lipid synthesis, altered lipid lamellae structure, and aberrant filaggrin (FLG) processing. Despite a compensatory transcriptional epidermal repair response, the protective epidermal function was impaired in Ric(EKO) mice, as revealed by increased transepidermal water loss, enhanced corneocyte fragility, decreased dendritic epidermal T cells, and an exaggerated percutaneous immune response. Restoration of Akt-Ser473 phosphorylation in mTORC2-deficient keratinocytes through expression of constitutive Akt rescued FLG processing. Conclusion: Our findings reveal a critical metabolic signaling relay of barrier formation in which epidermal mTORC2 activity controls FLG processing and de novo epidermal lipid synthesis during cornification. Our findings provide novel mechanistic insights into epidermal barrier formation and could open up new therapeutic opportunities to restore defective epidermal barrier conditions.Peer reviewe

CerS6-dependent ceramide synthesis in hypothalamic neurons promotes ER/mitochondrial stress and impairs glucose homeostasis in obese mice

Dysregulation of hypothalamic ceramides has been associated with disrupted neuronal pathways in control of energy and glucose homeostasis. However, the specific ceramide species promoting neuronal lipotoxicity in obesity have remained obscure. Here, we find increased expression of the C$_{16:0}$ ceramide-producing ceramide synthase (CerS)6 in cultured hypothalamic neurons exposed to palmitate in vitro and in the hypothalamus of obese mice. Conditional deletion of CerS6 in hypothalamic neurons attenuates high-fat diet (HFD)-dependent weight gain and improves glucose metabolism. Specifically, CerS6 deficiency in neurons expressing pro-opiomelanocortin (POMC) or steroidogenic factor 1 (SF-1) alters feeding behavior and alleviates the adverse metabolic effects of HFD feeding on insulin sensitivity and glucose tolerance. POMC-expressing cell-selective deletion of CerS6 prevents the diet-induced alterations of mitochondrial morphology and improves cellular leptin sensitivity. Our experiments reveal functions of CerS6-derived ceramides in hypothalamic lipotoxicity, altered mitochondrial dynamics, and ER/mitochondrial stress in the deregulation of food intake and glucose metabolism in obesity

A keratin scaffold regulates epidermal barrier formation, mitochondrial lipid composition, and activity.

Keratin intermediate filaments (KIFs) protect the epidermis against mechanical force, support strong adhesion, help barrier formation, and regulate growth. The mechanisms by which type I and II keratins contribute to these functions remain incompletely understood. Here, we report that mice lacking all type I or type II keratins display severe barrier defects and fragile skin, leading to perinatal mortality with full penetrance. Comparative proteomics of cornified envelopes (CEs) from prenatal KtyI(-/-) and KtyII(-/-)(K8) mice demonstrates that absence of KIF causes dysregulation of many CE constituents, including downregulation of desmoglein 1. Despite persistence of loricrin expression and upregulation of many Nrf2 targets, including CE components Sprr2d and Sprr2h, extensive barrier defects persist, identifying keratins as essential CE scaffolds. Furthermore, we show that KIFs control mitochondrial lipid composition and activity in a cell-intrinsic manner. Therefore, our study explains the complexity of keratinopathies accompanied by barrier disorders by linking keratin scaffolds to mitochondria, adhesion, and CE formation

Human model of primary carnitine deficiency cardiomyopathy reveals ferroptosis as a novel mechanism

Primary carnitine deficiency (PCD) is an autosomal recessive monogenic disorder caused by mutations in SLC22A5. This gene encodes for OCTN2, which transports the essential metabolite carnitine into the cell. PCD patients suffer from muscular weakness and dilated cardiomyopathy. Two OCTN2-defective human induced pluripotent stem cell lines were generated, carrying a full OCTN2 knockout and a homozygous OCTN2 (N32S) loss-of-function mutation. OCTN2-defective genotypes showed lower force development and resting length in engineered heart tissue format compared with isogenic control. Force was sensitive to fatty acid-based media and associated with lipid accumulation, mitochondrial alteration, higher glucose uptake, and metabolic remodeling, replicating findings in animal models. The concordant results of OCTN2 (N32S) and -knockout emphasizes the relevance of OCTN2 for these findings. Importantly, genome-wide analysis and pharmacological inhibitor experiments identified ferroptosis, an iron- and lipid-dependent cell death pathway associated with fibroblast activation as a novel PCD cardiomyopathy disease mechanism

Distribution and daily oscillation of GABA in the circadian system of the cockroach Rhyparobia maderae

Gefördert im Rahmen des Projekts DEALDeutsche Forschungsgemeinschaft. Grant Numbers: HO 950/26-1, STE 531/26-1, STE 531/27-