Role of sphingolipids in inflammatory carciongensis

Sphingolipide in der entzündlichen Kanzerogenese

  • Ceramide synthase (CerS) is the enzyme responsible for the de novo synthesis of ceramide. In this process, the different CerS isoforms are substrate-specific and produce ceramides of different chain lengths. Ceramides form the backbone for other sphingolipids and are enriched in membrane microdomains called lipid rafts. Lipid rafts are important signaling platforms for many transmembrane proteins, but can also act as bioactive lipids. Depending on the chain length, the effects on signaling pathways can vary. The aim of this work was to further investigate the chain length-specific effects by CerS4 on the progression of inflammatory colon cancer. To understand the tissue-specific effects of CerS4 deficiency on the progression of acute colitis and colitis-associated cancer (CAC), CerS4 knockout models were used. Disease progression of wild-type CerS4 (WT) was compared with that of mice with global CerS4 knockout (CerS4 KO) and mice in which CerS4 deficiency was restricted to T cells (CerS4 LCK/Cre) or intestinal cells (CerS4 Vil/Cre). Acute colitis was induced with sodium dextran sulfate (DSS), whereas azoxymethane (AOM)/DSS combinations were used to induce CAC in mice. The results showed a different disease progression depending on the specific knockout. While CerS4 KO mice were sensitive to DSS. AOM/DSS treatment was lethal for these mice, indicating an important role of CerS4 in other tissues. CerS4 Vil/Cre mice were protected from tumor formation. In contrast, CerS4 LCK/Cre mice experienced increased tumor formation and pan-inflammation. The mechanism behind this is due to the absence of cytotoxic T cells and the increase of regulatory T cells in the CerS4 LCK/Cre mice, demonstrating that CerS4 is critical for T cell function and development. To understand the role of CerS in humans, organoids were prepared from patients and the CerS profile in the different organoids was elucidated. This work provides, for the first time, insights into the CerS profile in human organoids and demonstrates a link between differentiation markers and stem cell markers with CerS. In addition, the role of CerS4 was investigated in vitro using three different colon cell lines-Caco-2 cells, HCT116 cells, and HCT15 cells. Hypoxia induced downregulation of CerS4 in all cell lines. Using the luciferase promoter assay, hypoxia-induced downregulation could already be detected at the promoter. Downregulation of CerS4 and CerS5 in Caco-2 cells and HCT116 cells resulted in different metabolic changes and mitochondrial dynamics after hypoxia. In conclusion, the results show that the role of CerS4 depends on the tissue cell type and stage of colorectal carcinoma, which complicates the consideration of CerS4 as a target in patients.
  • Die Inzidenz von entzündlichen Darmerkrankungen steigt seit dem Ende des letzten Jahrhunderts weltweit an – mit den höchsten Inzidenzen in Nord-Amerika und Nord-Europa. Die Ätiologie ist komplex und beruht auf einem Zusammenspiel von genetischen Faktoren und Umweltfaktoren. Vor allem rezidivierende Darmentzündungen, in der Fachsprache Kolitis genannt, beeinträchtigen die Lebensqualität der Patienten stark und erhöhen das Risiko, an Darmkrebs zu erkranken. Eine gestörte Homöostase der Darmbarriere oder ein Missverhältnis zwischen entzündungsfördernder und antiinflammatorischer Reaktion sind nicht nur ursächlich für das Fortschreiten der Krankheit, sondern auch Angriffspunkte für die Therapie. Die Regeneration des Darmepithels nach einer Entzündung ist durch die Proliferation und Differenzierung von pluripotenten adulten Stammzellen in verschiedene Darmzelltypen möglich. Die kontinuierliche Erneuerung erfordert einen höheren Energiestoffwechsel, der im Dickdarm aufgrund der geringen Sauerstoffverfügbarkeit eine Herausforderung darstellt. Die metabolische Anpassung der Zellen und die Dynamik der Mitochondrien sind jedoch wichtige Faktoren, welche die Homöostase der Darmzellen aufrechterhalten. Sowohl in entzündlichem Darmgewebe als auch in Dickdarmtumoren wurden Veränderungen in verschiedenen Sphingolipidkonzentrationen beobachtet. Ceramide (Cer) sind die zentralen Moleküle für komplexe Sphingolipide und können in Abhängigkeit ihrer Kettenlänge, die physikochemischen Eigenschaften von Membranen beeinflussen. Sie beeinflussen die Membranzusammensetzung und sind in Mikrodomänen, den sogenannten Lipid Rafts, angereichert, welche für die Akkumulation und Aktivierung von Rezeptoren und integrale Membranproteine wichtig sind. Cer und andere Sphingolipide agieren außerdem als „second messengers“, die an verschiedenen Signalwegen beteiligt sind. Je nach Kettenlänge der Cer können sie zelluläre Signalwege wie Proliferation, Apoptose oder Autophagie unterschiedlich beeinflussen. Cer können durch die Hydrolyse von komplexen Sphingolipiden oder durch de novo Synthese gebildet werden. Die de novo Synthese wird von Ceramidsynthasen (CerS) im endoplasmatischen Retikulum durchgeführt. Bei diesem Prozess fügen CerS Fettsäuren unterschiedlicher Kettenlänge an das Sphingosin-Rückgrat an, um Cer zu bilden. CerS umfassen eine Familie von 6 Isoformen, die eine Substratspezifität für verschiedene Fettsäurekettenlängen aufweisen und in verschiedenen Geweben unterschiedlich exprimiert werden. Eine ubiquitär exprimierte CerS Isoform ist CerS4, die langkettige Cer (Cer d18:1/18:0 und Cer d18:1/20:0) bildet. Patientendaten zeigen, dass das Gleichgewicht von Sphingolipiden mit unterschiedlichen Fettsäurekettenlängen und die Expression von CerS-Isoformen bei Dickdarmkrebs verändert sind. CerS spielen daher eine Rolle bei der Veränderung des Sphingolipids-Gleichgewichts während der Tumorprogression. Der Einfluss der kettenlängenspezifischen Cer auf das Fortschreiten des Dickdarmkrebses ist trotz mehrerer Studien nicht ausreichend geklärt. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der CerS4 auf die Progression von entzündlichem Dickdarmkrebs zu erforschen. Um die Effekte von CerS4 auf das Fortschreiten der akuten Kolitis und des kolitisassoziierten Krebs (CAC) zu verstehen, wurde CerS4 bei Mäusen global und gewebespezifisch ausgeschaltet. Mäuse mit globalem CerS4-Knockout (CerS4 KO) und Mäuse, bei denen die CerS4-Depletion auf T-Zellen (CerS4 LCK/Cre) oder Darmepithelzellen (CerS4 Vil/Cre) beschränkt war, wurden anschließend hinsichtlich des Krankheitsverlaufs bei Dextransulfat-Natrium (DSS) und Azoxymethan/Dextransulfat-Natrium (AOM/ DSS) induzierter CAC mit Wildtyp Mäusen (WT) verglichen. CerS4 KOMäuse litten stärker unter DSS-induzierter Kolitis als WT- und CerS4 LCK/Cre-Mäuse. Das Lipidprofil veränderte sich nach der akuten Kolitis: Cer d18:1/16:0, Cer d18:1/20:0, Cer d18:1/24:1 und GlcCer d18:1/16:0, GlcCer d18:1/ 24:1 stiegen im Dickdarm und in anderen Geweben einschließlich der lymphatischen Organe Milz und Thymus an. Dies deutet darauf hin, dass eine durch DSS ausgelöste Entzündung den Sphingolipidspiegel nicht nur lokal im Dickdarmgewebe, sondern auch in anderen Geweben verändert. Mechanistisch gesehen beeinträchtigte die globale CerS4-Depletion nicht die Darmbarriere. Dies konnte daraus abgeleitet werden, dass sowohl die histologische Analyse der „tight junction“-Proteine im Dickdarm von CerS4 KO-Mäusen als auch die in vitro-Analysen mit Caco-2-Zellen keinen Unterschied in der Barrierefunktion zeigten. Caco-2-Zellen sind eine Dickdarmkrebs-Zelllinie, die ein gängiges Darmbarrieremodell darstellt. Die Barrierefunktion wurde durch den transepithelialen elektrischen Widerstand (TEER) und die Durchlässigkeit eines fluoreszierenden Zuckers bestimmt. Die Herabregulierung von CerS4 in Caco-2-Zellen veränderte weder denWiderstand noch die Permeabilität in Caco-2-Zellen, erhöhte jedoch die Zellkapazität...

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Metadaten
Author:Khadija El-HindiGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-719498
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.71949
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Achim SchmidtkoORCiDGND, Sabine GröschORCiDGND
Advisor:Sabine Grösch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2023/02/02
Year of first Publication:2022
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2023/01/30
Release Date:2023/02/28
Tag:Ceramide Synthase; Colitis assoziate colorectal cancer; Inflammatory Bowel Disease; Sphingolipids
Page Number:264
HeBIS-PPN:505040050
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
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