Посещений:
СФИНГОЛИПИДЫ. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ



в норме и при патологии

Sphingolipids and their metabolism in physiology and disease
• Yusuf A. Hannun • & Lina M. Obeid
Nature Reviews Molecular Cell Biology volume19, pages175–191 (2018)

  • Bioactive sphingolipids constitute a family of lipids, including sphingosine, ceramide, sphingosine-1-phosphate (S1P) and ceramide-1-phosphate. These molecules act on distinct protein targets, including kinases, phosphatases, lipases and other enzymes and membrane receptors, and they exert distinct cellular functions.
  • This universe of sphingolipids, the sphingolipidome, is highly complex, with distinct molecular species of each of the bioactive lipids and metabolic interconnections that interconvert one bioactive lipid into others (for example, ceramide to sphingosine and then to S1P). Critically, these pathways demonstrate specific subcellular localizations that appear to dictate the specific functions of sphingolipids.
  • A plethora of cell biological processes are critically modulated by bioactive sphingolipids, including growth regulation, cell migration, adhesion, apoptosis, senescence and inflammatory responses.
  • At the tissue and organismal level, bioactive sphingolipids have been implicated in neurodegenerative processes, metabolic disorders, various cancers (and various cancer attributes), immune function, cardiovascular disorders and skin integrity.
  • Major advances have been made in defining the enzymes of sphingolipid metabolism, their mechanisms and their structures. However, a major challenge is to decipher the biochemical mechanisms by which these enzymes and their products are specifically regulated.
  • A key future challenge is to determine the molecular mechanisms of action for specific species or subgroups of bioactive sphingolipids (for example, distinct ceramides and distinct sphingoid bases).


    		•
    Биоактивные липиды функционально определяются как виды липидов, уровни которых реагируют (резко и/или tonically) на действие специфических стимулов. Эти липиды затем регулируют специфические нижестоящие эффекторы и мишени. Т.о., биоактивные липиды являются компонентами клеточных регуляторных circuits (таких как сигнальные сети), это отличает их от др. липидов, выполняющих структурные и/или энергетические функции.
    Учитывая огромное разнообразие и количество этих биоактивных липидов и производных от липидов продуктов (напр., diacylglycerol, phosphatidic acid, различные phosphatidylinositol phosphates, inositol trisphosphate, ceramides, sphingosine-1-phosphate (S1P), sphingosine, производные cholesterol, eicosanoids и leukotrienes ...), и в самом деле почти невозможно понять какой-либо ключевой клеточный путь без учета одного или более биоактивных липидов (Sup. S1 (box)).
    Sphingolipids представляют собой один из главных классов липидов эукариот. Впервые sphingolipids были выделены из головного мозга Thudicum, который и предложил название 'sphingosin' согласно созданию Греческой мифологии Sphinx, задававшему "the many enigmas which it presented to the inquirer" (Ref. 2). Биохимический и химический подходы вначале выяснили химическую структуру sphingosine, одну из главных sphingoid баз, лежащую в основе блоков всех sphingolipids (отличающих sphingolipids от остальных липидов). За этим открытием последовало обнаружение классов из комплексов sphingolipids (sphingomyelins и glycosphingolipids, включая gangliosides), которые были установлены как компоненты плазматической мембраны и как модуляторы межклеточных взаимодействий и распознавания клеток. Одновременно были открыты, sphingolipidoses - т.е. дефекты метаболизма sphingolipids (Fig. 1) - как нарушения лизосомных хранилищ у человека.

    Figure 1: Overview of sphingolipid metabolism.

    It is convenient to envision sphingolipid metabolism as organized into blocks. Aa | The de novo biosynthetic pathway is initiated in the endoplasmic reticulum by the action of serine palmitoyltransferase (SPT). Sequential reactions lead to the generation of ceramides. Preferential substrates include serine and palmitoyl-CoA, but alanine or glycine and stearate or myristate can also be used. Ab-Ad | Ceramides are then incorporated into various complex sphingolipids (predominantly in the Golgi) through modifications at the 1-hydroxyl position to generate ceramide-1-phosphate (C1P), sphingomyelin or glycoceramides, which in turn serve as the precursors for the various glycosphingolipids. Ae | Ceramides can be acylated to form 1-O-acyl-ceramides. Af | In sphingolipid catabolic pathways, sphingomyelin, C1P and glycosphingolipids are hydrolysed, resulting in the formation of ceramide (see parts b, c and d). Constitutive catabolism occurs in the lysosome. Ceramide can then be deacylated to generate sphingosine, which in turn is phosphorylated to sphingosine-1-phosphate (S1P). Ag | Exit from sphingolipids is initiated by the action of S1P lyase, which cleaves S1P (or dihydroS1P) to a fatty aldehyde and ethanolamine phosphate. The fatty aldehyde undergoes further metabolism, resulting in the formation of palmitoyl-CoA. Ah | The fatty acid (FA) elongation module is an important adjunct component of the sphingolipid pathway, as sphingolipids are the primary lipids with very-long (C22-26) and ultra-long (longer than C26) fatty acyl chains. B | As the precursor of all complex sphingolipids, ceramides constitute a family of closely related molecules that contain a sphingoid base and an amino-linked FA. Different enzymes introduce variations to the basic structure. Fatty acid 2-hydroxylase introduces an OH on the fatty acyl group (variation 1). Sphingolipid? (4)-desaturase DES1 (DEGS1) introduces a double bond in the 4-5 position of the sphingoid base (variation 2), whereas DEGS2 can introduce an OH on position 4 (not shown). Ceramide synthases introduce fatty acyl groups of distinct chain length (variation 3). SPT can utilize myristate or stearate instead of palmitate, thus introducing variations in the length of the sphingoid backbone (variation 4). SPT can also utilize alanine or glycine, thus introducing variation 5. For easy nomenclature of ceramides, the chain length of the fatty acyl group is indicated (for example, C18 Cer for the N-stearoyl ceramide). More complete nomenclature indicates the sphingoid base length and degree of FA chain desaturation, for example, 18:1C18 ceramide refers to ceramide with canonical sphingosine and stearate in amide linkage. Non-chemical terminology can also be used, for example, dihydroCer refers to ceramides lacking the 4-5 double bond. ELOVLs, elongation of very-long-chain fatty acids proteins.

    Исследования середины1980s установили биоактивные функции sphingosine, затем ceramide и S1P. Установление их ролей в разных аспектах регуляции клеточного роста позволило классифицировать sphingolipids в четкий класс биоактивных липидов. Основные биоактивные sphingolipids (Table 1; Supplementary information S2 (table)), которые привлекли к себе огромное внимание, это ceramide, sphingosine и S1P. Дополнительные доказательства указывают также на ceramide-1-phosphate (C1P), glucosylceramide, lactosylceramide и некоторые gangliosides в качестве кандидатов на биоактивные липиды.

    Table 1: Sphingolipid species and their key cellular functions



    Sphingolipid metabolism


    Биоактивные сфинголипиды регулируются различными энзимами и растворяют (fluxes) разные метаболиты (Fig. 1), при этом приблизительно 40 энзимов млекопитающих участвуют в их метаболизме (Sup. S3 (table)). Эти энзимы являются продуктами разных генов, могут возникать как сплайс-варианты и могут демонстрировать ряд пост-трансляционных модификаций, которые затрагивают их ферментативную активность и функции. Ключевые регуляторные энзимы в синтезе de novo и гидролизе обсуждаются в Boxes 1 и 2, соотв., а также в недавних обзорах обсуждается метаболизм sphingolipids3-5. Все ключевые энзимы метаболизма sphingolipid молекулярно идентифицированы и это выявило огромную сложность этих метаболических путей и их точную субклеточную компартментализацию.

    Box 1: Regulatory inputs and mechanisms of regulation of key enzymes involved in sphingolipid synthesis

    Serine palmitoyltransferase (SPT) serves as a critical node for regulating flux through sphingolipid metabolism158. Yeast Spt is a large protein complex comprising the main catalytic subunits Lcb1 (also known as Spt1) and Lcb2 (also known as Spt2) and regulatory proteins, including phosphoinositide phosphatase Sac1, the proteins Orm1 and Orm2 and the small subunit Spt-regulating protein Tsc3. Ceramide provides feedback inhibition through dephosphorylation of the Orms in a pathway involving protein phosphatase 2A and its regulatory subunit Cdc55. Orms are further regulated by the action of the serine/threonine protein kinases Ypk and Pkh, downstream of target of rapamycin complex 2 (TORC2)42,159,160 (see the figure, part a).
    A wide range of stimuli have been shown to regulate the expression of individual ceramide synthases (CerSs) (refer to tavle 2 in Ref. 11), and multiple mechanisms have been elucidated in the regulation of the CerSs. NAD-dependent protein deacetylase sirtuin 3, mitochondrial (SIRT3) directly deacetylates several CerSs, promoting CerS activity161. CerSs undergo casein kinase 2 (CK2)-dependent phosphorylation, which is suggested to increase CerS activity162. CerSs exist as homodimers and heterodimers, and their dimerization in the case of CerS2 and CerS6 is inhibited by binding to Bcl-2-like protein 13 (BCL2L13). This binding inhibits the activities of both synthases and consequently blocks apoptosis163. The pro-apoptotic protein Bcl-2 homologous antagonist/killer (BAK) activates CerS in vitro and in cells (by an unknown, indirect mechanism; see the figure, part b, dashed arrow with question mark), indicating an intimate interaction between ceramide synthesis and apoptosis78. Various chemotherapeutic agents have been developed that promote CerS activity. In yeast, CerS is also regulated by phosphorylation downstream of TORC2 (see the figure, part b).
    Sphingosine kinase 1 (SK1) is activated by growth factors, which, through downstream molecules such as protein kinase C (PKC) and phospholipase D (PLD), activate SK1 through the production of phosphatidic acid. SK1 can also be activated by phosphorylation, for example, through the kinases ERK1 and ERK2. SK1 mRNA is elevated in many cancers (partly owing to transcription activation through hypoxia-inducible factor 1 (HIF1) and HIF2 downstream of hypoxic stress), and it also undergoes translational suppression by microRNAs (miRNAs)100, whereas SK1 protein levels are regulated by proteolysis. In the context of the DNA damage response (DDR), SK1 protein is digested by cathepsin in a p53-dependent mechanism68, whereas various pharmacological drugs (such as SKi, PF543 and ABC294640 (Ref. 164)) can induce SK1 proteasomal degradation (see the figure, part c). SK1 activity is also influenced by its affinity for anionic membrane phospholipids and positive membrane curvature; these membrane-curvature-sensing properties of SK1 can be linked to its role in endocytosis64.
    These and additional (see also Box 2) results disclose complex signalling networks and specific inputs that regulate fluxes through the sphingolipid pathway and/or levels of specific bioactive sphingolipids.


    Box 2: Mechanisms of regulation of key enzymes of sphingolipid catabolism

    Neutral sphingomyelinase 2 (nSMase2) is regulated at the mRNA level by p53 in the context of the DNA damage response (DDR) or by epigenetic mechanisms, including a combination of DNA methylation and histone deacetylation, with histone deacetylation mediating induction by all-trans retinoic acid (ATRA)70,157. It is also regulated by serine phosphorylation promoted by reactive oxygen species (ROS) and tumour necrosis factor (TNF) signalling165. Mammalian nSMase has been shown to be allosterically activated by anionic phospholipids and to undergo palmitoylation on at least two distinct sites, which is critical for its association with the plasma membrane166 (see the figure, part a).
    Acid sphingomyelinase (aSMase) is encoded by the gene SMPD1, and its mRNA exists as various splice variants, resulting in considerable structural variation in the protein167; regulatory factors of SMPD1 transcription are currently unknown. Translation generates a precursor protein that undergoes glycosylation in the Golgi and can then be targeted to the lysosome or for secretion127. The lysosomal form binds tightly to Zn, which is required for enzymatic activity. Several cytokines, including TNF and interleukin-1 (IL-1), can induce the secretion of the enzyme (see the figure, part b)87. The activity of secreted aSMase is elusive, considering that the extracellular environment is not favourable for its action (neutral pH, absence of Zn).
    Like nSMase, alkaline ceramidase 2 (ACER2) is also a target of p53-mediated activation in the context of the DDR, where it is responsible for the generation of sphingosine69. ACER2 is also induced by ATRA and by the synthetic retinoid fenretinide (4-HPR)168. By contrast, neutral ceramidase (NCDase) is transcriptionally inhibited by ATRA169 and by the cytotoxic drug gemcitabine, which induces NCDase proteolysis170. The mammalian sphingolipid ?(4)-desaturase DES1 (DEGS1) introduces the critical cis 4-5 double bond into the sphingoid backbone (which imparts apoptotic bioactivity to ceramide), and its inhibition attenuates ceramide and increases dihydroceramide levels, which has been implicated in the induction of autophagy76. DEGS1 activity is negatively regulated by ROS and inhibited by the direct action of 4-HPR171 and by tetrahydrocannabinol (THC) (see the figure, part c)76.


    Согласно основным данным (Fig. 1A;Table 1; Supplementary information S2 (table)), совокупность сфинголипидов может рассматриваться как дискретный набор метаболически связанных путей, инициируемых с помощью конденсации аминокислоты serine и липида palmitate. Известен ряд энзимов, которые катализируют синтез de novo, катаболизм, рециклинг и взаимные превращения этих липидов. В конечном счете, действие lyase, действующей на фосфаты sphingoid base, представляют лишь известный 'выход' из этой сети сфинголипидов (Fig. 1A).
    Молекулярная эра позволила глубокое исследование функций энзимов ('enzyme-centric approach') путем использования современных инструментов биохимии, молекулярной биологии и генетики, которые завершили 'lipid-centric approach', который был сфокусирован на определении функции индивидуальных биоактивных липидов (Supplementary information S1 (box)). Концентрация на энзимах позволила более глубокие исследования того, как эти энзимы регулируются (Boxes 1,2), это, в свою очередь, оказалось существенным для понимания их активности, а также активности их продуктов - разнообразных типов sphingolipid (see below).
    Использование модельных организмов вместе с sphingolipidomic и с подходами системной биологии также внесло вклад в определение функции и механизмов биоактивных сфинголипидов (Sup.S1 (box)). Важно, что мутации лежащие в основе различных болезней, были найдены в нескольких генах для энзимов метаболизма сфинголипидов6 (Sup. S3 (table)).
    Novel metabolic inputs, outputs and extensions. Исследования последних лет существенно продвинули наше понимание некоторых аспектов метаболизма сфинголипидов, включая использование разных субстратов на путях метаболизма сфинголипидов посредством serine palmitoyltransferase (SPT), сложность типов ceramide и выход из метаболизма сфинголипидов (Fig. 1A). Они также привели к открытию ранее и неподозреваемых энзимов метаболизма сфинголипидов.
    Среди важных новых находок демонстрация, что др. субстраты могут принимать участие в метаболизме сфинголипидов в дополнение к каноническим, использующим serine и palmitate. Эти находки были инициированы исследованиями hereditary sensory and autonomic neuropathy (HSAN1) у людей, которые выявили мутации в гене, кодирующем SPTLC1 и SPTLC2, ключевые субъединицы SPT, в качестве главной причины этой болезни. Поразительно, эти мутации меняли специфичность к субстрату SPT, так что эти мутанты предпочитали аланиг и глицин, а не серин как у энзима дикого типа7. Эти результаты по формированию неканонических метаболитов, deoxysphingoid и 1-deoxymethyl sphingoid bases, соотв., и их ацилированных ceramides. В отсутствие 1-hydroxyl (1-OH) частицы, они давали в результате 'dead end' ceramides, которые не могли быть модифицированы в этой позиции (Fig. 1B). Эти молекулы были также обнаружены в качестве нормальных продуктов SPT, хотя и на очень низких уровнях. Пока неизвестно, действительно ли они обладают физиологическими функциями, но они сопричастны в качестве медиаторов нейротоксичности при HSAN1.
    Кроме того, недавно идентифицирована SPTLC3 субъединица SPT, которая обеспечивает специфичность энзима к myristate (помимо palmitate) в качестве субстрата в виде жирных кислот 8, в то время как малые субъединицы SPT могут способствовать использованию stearate в качестве субстрата из жирных кислот9 (Fig. 1).
    Т.о., SPT пособен генерировать массу sphingoid bases. Соотв., согласно инспирированной молекулярной генетикой номенклатуре SPT может быть лучше назван dubbed Sag/PmsT, чтобы показать его способность использовать alanine и glycine в дополнение к myristate и stearate, в добавок к каноническому серину и palmitate, соотв.
    Подобная изменчивость в sphingoid остове является составной за счет вариаций в acyl группах посредством действия разных ceramide synthases (CerSs)10,11. Более длинные жирные кислоты генерируются с помощью действия семейства elongases12 (Fig. 1A). Их комбинированное действие делает возможной столь удивительную сложность структуры ceramides, которые ещё больше усложняются за счет действия дополнительных hydroxylases и desaturases, которые действуют или на sphingoid base или fatty acyl группу. Т.о., ceramide не являются одиночным видом, а должны рассматриваться как семейство из близко родственных, но самостоятельных молекул с соотв. отличающимися функциями (множество ceramides вместо единичного ceramide; see Fig. 1B for nomenclature)3.
    Сравнительно недавние исследования идентифицировали также ферментативную активность, использующуюся в ω-ацилировании керамидов, чтобы сформировать трех-цепочечные ceramides и glycosphingolipids в коже, которые регулируют проницаемость эпителия и барьерную функцию кожи (see below). Гены кандидаты включают PNPLA1, который кодирует белок patatin-like phospholipase domain-containing 1, который обладает функциями phospholipase и transacylase13.
    Ceramides могут быть также ацилированы в позиции 1-OH и, как недавно было установлено, их присутствие в липидных каплях и в пути, ведущем к их образованию с использованием активности ранее наизвестной ceramide acyl transferase из diacylglycerol O-acyltransferase 1 (DGAT1) и DGAT2 (Ref. 14). Было также подтверждено, что DGATs формируют комплекс с CerS и с long-chain-fatty-acid-CoA ligase 5 (ACSL5), которые ацилируют субстраты в виде жирных кислот, необходимые для действия DGATs. В сходных исследованиях fatty acyl связывающий белок ACBP, как было установлено, специфически взаимодействует с CerS2 и CerS3 и с channel very-long-chain fatty acids, чтобы синтезировать керамид15. Это указывает на важную роль белковых комплексов в контроле метаболизма сфинголипидов.
    Имеются также заметные успехи в отслеживании судьбы fatty aldehyde, как они покидают sphingolipid путь. Эти исследования выявили dehydrogenase ALDH3A2, CoA synthases ACSL1-6, ACSBG1 и ACSVL1 (известна также как VLACS) и reductase TSC13 в качестве энзимов, участвующих в последовательном метаболизме fatty aldehyde продуктов при очистке от sphingolipid16 (Fig. 1).
    Два новых неизвестных энзима были также идентифицированы, что еще больше усложняет метаболизм сфинголипидов. Sphingomyelin synthase-related (SMSr) была идентифицирована в качестве гомолога SMS, но с сильно пониженной активностью и с предпочтением к использованию phosphatidylethanolamine в качестве донора ethanolamine phosphate и поэтому генерирует ceramide ethanolamine phosphate скорее, чем sphingomyelin (где phosphatidylcholine служит в качестве донора choline phosphate)17. Митохондриальная sphingomyelinase была идентифицирована как предпочтительная митохондриальная нейтральная sphingomyelinase, функции которой пока неизвестны18.
    Эти успехи предоставляют строгое основание для понимания биохимии метаболизма сфинголипидов, иллюстрируя его высокую сложность, но и также его интеграцию во многие аспекты липидного метаболизма и metabolomics в целом. Понимание этих энзимов и путей также открывает новые пути для разработки терапевтических воздействий при sphingolipid-related болезнях (Box 3; Supplementary information S3 (table)).

    Box 3: Therapeutic targeting of sphingolipids

    Pathways of sphingolipid metabolism have become important targets for the development of therapeutics. First, analogues of bioactive sphingolipids are proving to be of use in the treatment of immune and metabolic disorders, as well as cancer. The best developed of these is FTY720, an analogue of sphingoid bases, which has been used in clinical medicine for the treatment of multiple sclerosis. FTY720 is converted to its phosphate derivative by the action of sphingosine kinase 2 (SK2), and in this form, FTY720-Pi modulates immune cell kinetics (primarily the egress of lymphoid cells from lymphoid organs). Myriocin (ISP1), an analogue of sphingosine that functions as a potent inhibitor of serine palmitoyltransferase (SPT), has been evaluated in vivo as a metabolic modulator with favourable effects in diabetes and in metabolic syndrome. Short-chain analogues of ceramide, such as C6 ceramide, are being formulated in nano-liposomal particles for use in leukaemia.
    Many of the enzymes of sphingolipid metabolism have themselves become targets for therapeutics. As mentioned above, SPT has been targeted in animal studies by myriocin. SK1 has been studied extensively, and high-potency (and high-specificity) inhibitors are now available172,173. However, clear indications for use have yet to be determined174. Inhibitors of acid ceramidase are the subject of intensive development175.
    In the case of sphingosine-1-phosphate (S1P), its G protein-coupled receptors are receiving increasing attention as therapeutic targets. Ozanimod, an agonist of S1P receptor 1 (S1PR1) and S1PR5, has shown modest effects in human ulcerative colitis176. In addition, a monoclonal antibody against S1P has been developed and has shown moderate responses in a phase II trial in patients with metastatic renal cancer177.
    Notably, sphingolipids are present not only in mammalian cells but also in certain parasites, including fungi and protozoa. Some of the enzymes involved in their metabolism have no direct human counterparts, and thus they can serve as targets for the development of anti-parasitic drugs178.


    Compartmentalization of sphingolipids and their metabolism. Важным для метаболизма сфинголипидов является присутствие множественных изоформ энзимов, которые продуцируются с самостоятельных генов, со специфическим расположением и действием и/или обладают субстратной специфичностью. Напр., имеется, по крайней мере, 5 разных ceramidases и 5 разных sphingomyelinases, которые располагаются в плазматической мембране, эндоплазматическом ретикулуме (ER), аппарате Гольджи, ядре, лизосомах, митохондриях или во внеклеточном пространстве. Имеется также 6 разных CerSs, которые обнаруживают различные предпочтения к жирным кислотам разных длин (Fig. 1B), вносят тем самым удивительную сложность в керамиды (и их нижестоящие анаболические метаболиты). В то время как CerSs, по-видимому, локализуются прежде всего в ER, они были также обнаружены специфически в ядерных мембранах и митохондриях.
    Принимая во внимание, что церамиды, сфингомиелины и некоторые glycosphingolipids являются гидрофобными (glycosphingolipids с очень сложными головками (headgroups) является значительно более амфипатическими), очевидно, что эти молекулы будут располагаться в компартментах, где они генерируются (или гидролитически, или синтетически), тем не менее они специфически транспортируются. Соотв. специфические транспортеры были идентифицированы для церамидов (ceramide transfer protein (CERT)), S1P (protein spinster homologue 2 (SPNS2)), C1P (C1P transfer protein (CPTP)) и glucosylceramide (phosphatidylinositol-four-phosphate adaptor protein 2 (FAPP2; известен также как PH domain-containing family A member 8)) (Fig. 2). Ceramide, как нейтральный липид, по-видимому, легко проходит через листки мембран, по крайней мере, модельных мембран. Такое flipping имеет функциональные последствия. Напр., в Golgi, керамид д. flip, чтобы служить в качестве субстрата для SMSs в синтезе sphingomyelin, т.к. активный сайт SMS энзимов обращен лицом в просвет аппарата Golgi1. Напротив, синтез glucosylceramide из ceramide, по-видимому, происходит на цитозольной стороне Golgi. Это безусловно влечет за собой переворачивание (flipping) of glucosylceramide, чтобы служить как субстрат для синтеза высших glycosphingolipids (Fig. 2). Точный механизм, связанный с этими событиями flipping, неизвестен. В дополнение к керамидам, имеющиеся доказательства подчеркивают существование небольшого пула sphingomyelin на цитозольной стороне плазматической мембраны, который может служить в качестве субстратов для нейтральной sphingomyelinase 2 (nSMase2)19. В исследованиях заморозки-разломов этот пул sphingomyelin, по-видимому, чрезвычайно кластрирован20, но неизвестно, как этот пул генерируется (или путем медленного flipping of sphingomyelin с наружного листка или путем смешивания внутреннего и наружного листков, как это происходит во время эндоцитоза и экзоцитоза). Sphingomyelin также концентрируется в субнаборах секреторных пузырьков21.

    Figure 2: Intracellular compartmentalization and transport of sphingolipids.

    It is now becoming clear that the cellular actions of bioactive sphingolipids are 'local'. Therefore, the site of production of these lipids is critical, and it is determined by the location of the specific enzymes involved in the regulatory pathways. For details of the compartmentalization of these processes, please refer to box 1 in Ref. 1. Moreover, the metabolic and cellular functions of bioactive lipids are further controlled by specific translocases and lipid transport proteins. A strong case can now be made that ceramides (Cers) generated in the endoplasmic reticulum (ER) can reach the Golgi either by a vesicular route, where they are coupled to the synthesis of glucosylceramide, or by specific translocation via the action of ceramide transfer protein (CERT), which couples ceramides to the synthesis of sphingomyelin (SM)179. Likewise, the transfer protein phosphatidylinositol-four-phosphate adaptor protein 2 (FAPP2) can transfer glucosylceramide (GlcCer) between Golgi networks and couple it specifically to the synthesis of globosides (globo series of neutral glycosphingolipids) as opposed to the anionic ganglio series180. Ceramide-1-phosphate (C1P) is the target of the non-vesicular translocation activity of C1P transfer protein (CPTP), which is involved in transferring it from the Golgi to other compartments such as the plasma membrane35. Protein spinster homologue 2 (SPNS2) flips sphingosine-1-phosphate (S1P) across the plasma membrane to deliver it to exocytoplasmic leaflets, where it can access its receptors (a subfamily of G protein-coupled receptors (GPCRs))22. VAP, vesicle-associated membrane protein-associated protein.

    Чрезвычайно биоактивный S1P испытывает обеспечиваемую транспортером транслокацию внутрь клетки в результате действия SPNS2 (Fig. 2) и некоторых ABC транспортеров22 во внеклеточное пространство, где он может найти свой рецептор S1P. Потеря функции SPNS2 приводит к потере некоторых действий S1P, которые, по-видимому, необходимы для его flipping, чтобы достичь рецепторов.
    Становится ясным, что место действия биоактивных липидов и их метаболизма является предметом целенаправленной регуляции с помощью механизмов, контролирующих их транспорт и локализацию с листках мембраны.
    Structures of enzymes of sphingolipid metabolism and key transporters. Наше понимание молекулярной и структурной подноготной метаболизма sphingolipid стало возможным на основании кристаллических структур высокого разрешения ключевых компонентов этих путей, включая SPT23, кислые и щелочные sphingomyelinases24-27, кислую cerebrosidase28, sphingosine kinase 1 (SK1)29, нейтральную ceramidase (NCDase)30, nSMase, fatty acid α-hydroxylase31, adiponectin рецептор (который, как полагают, действует как ceramidase)32 и S1P рецептор 1 (S1PR1)33, а также белки, переносящие липиды CERT (для ceramide)34, CPTP (для C1P)35 и glycolipid transfer protein (GLTP; для lactosylceramide)36. Итак, эти исследования установили каталитические механизмы для этих энзимов, выявив, как они соединяются и распознают свои липидные субстраты, это помогает разработке лекарств и позволяет визуализовать непосредственно механизмы, с помощью которых sphingolipids могут быть транспортированы между мембранами. Общим свойством большинства этих sphingolipid энзимов и транспортеров является присутствие крупной гидрофобной полости внутри белковой структуры, которая используется, по крайней мере, частично чтобы экстрагировать липиды мишени из мембран

    Mechanisms and downstream targets


    Наше понимание механизмов действия биоактивных сфинголипидов довольно фрагментарно. S1P является наиболее изученным биоактивным sphingolipid. S1P в основном секретируется клетками и соединяется с одним из пяти S1PRs, которые являются G protein-coupled рецепторами (GPCRs)37. Эти рецепторы затем обеспечивают всем известные внеклеточные действия S1P посредством канонической передачи сигналов GPCR. S1P может также действовать внутриклеточно, где он соединяется с histone deacetylases (HDACs), подавляя их активность и тем самым модулируя ацетилирование гистонов38 (Fig. 3a).

    Figure 3: Examples of cellular functions and downstream targets of bioactive sphingolipids.

    a | Several factors, including insulin and growth factors, have been shown to activate sphingosine kinases (SKs) in a mechanism involving their phosphorylation in a phospholipase D (PLD)-dependent, protein kinase C (PKC)-dependent and ERK-dependent manner, resulting in the formation of sphingosine-1-phosphate (S1P) from sphingosine (Sph) intracellularly. S1P has to flip extra-cytosolically (with the involvement of protein spinster homologue 2 (SPNS2)) in order to interact with one (or more) of its five receptors (S1P receptor 1-5 (S1PR1-5)). S1P can also be released from the plasma membrane into the blood, and it is present in relatively high levels in the circulation. S1PRs transmit signals to key downstream targets such as serine/threonine protein kinase AKT, RHO and the Ras-ERK and tyrosine protein kinase JAK-signal transducer and activator of transcription (STAT) pathways. Signalling through S1PRs also has other cellular targets. For example, S1PR actions result in robust phosphorylation of ezrin, which affects actin dynamics, promoting filopodia formation and cell migration (including cancer cell invasion). S1P also has nuclear actions - it binds and inhibits histone deacetylases (HDACs), leading to alterations in protein (histone) acetylation38. Ceramides (Cers) can be formed in several compartments. At the plasma membrane, ceramide generation from the action of sphingomyelinases (SMases) results in activation of protein phosphatase PP1C?, which induces dephosphorylation of its substrates, including ezrin. Ceramide formed metabolically from the supply of palmitate can activate PP2A phosphatases to result in dephosphorylation and inactivation of AKT. Activation of PP2A by ceramide also occurs in the context of apoptosis. In this case, the pro-apoptotic protein Bcl-2 homologous antagonist/ killer (BAK) promotes ceramide synthesis (through activation of ceramide synthase (CerS)), followed by PP2A activation and dephosphorylation and inactivation of anti-apoptotic BCL-2 proteins. In addition, mitochondrial ceramide was shown to promote the activity of the apoptosis regulator BAX, a pro-apoptotic protein. b | Bioactive lipids are increasingly appreciated to regulate membrane dynamics. Formation of ceramide at the plasma membrane by acid SMase (aSMase) has been shown to induce formation of distinct membrane domains that affect endocytosis and receptor signalling (for example, tumour necrosis factor receptor superfamily member 6 (FAS)) signalling. Neutral SMase2 (nSMase) and ceramide have been implicated in exocytosis, and SK1 and S1P have been implicated in endocytosis. c | Egress of lymphocytes from lymphoid tissues to the blood is controlled by a gradient of S1P (high in blood and low in lymphoid tissue). The response to this gradient is primarily driven by S1PRs, especially S1PR1. The clinical compound FTY720 is converted to the active FTY720 phosphate through phosphorylation mediated by SK2 to suppress S1PR1 function and therefore lymphoid egress. ApoM, apolipoprotein M; ER, endoplasmic reticulum; HDL, high-density lipoprotein; TRK, tyrosine kinase receptor.

    Керамиды, как было установлено, активируют протеин фосфатазы семейств PP1 и PP2A in vitro и в клетках и тем самым выполняют важные роли в регуляции клеточного phosphoproteome. Некоторые phosphosubstrates были предопределены для их действия на ceramide, включая serine/threonine protein kinase AKT, protein kinase C и ezrin39 (Fig. 3a). Сравнительно недавно, ceramide-активируемые фосфатазы, как было установлено, обеспечивают эффекты palmitate на передачу сигналов сосудистого эндотелиального фактора роста, возможно путем вмешательства в активацию эндотелиальной nitric oxide synthase40. Кроме того, ceramide, как было установлено, регулирует взаимодействие PP2A с её ингибитором SET (известен также как I2PP2A), и это влияет на иммуносупрессивные функции регуляторных T клеток41. В случае дрожжей PP2A гомолог Sit4 выступает как мишень и медиатор большинства действий дрожжевых керамидов, включая регуляцию клеточного цикла и функции митохондрий42. Дополнительные исследования выявили участие лизосомных керамидов в запуске деградации X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP) апоптического пути путем активации cathepsin B43. В недавнем исследовании керамиды, склонные к митохондриям, как было установлено, индуцируют апоптоз44, подтверждая независимую роль пула митохондриальных керамидов45.
    Механизмы действия sphingosine остаются плохо изученными несмотря на огромное количество нижестоящих эффектов (Table 1; Supplementary information S2 (table)) и мишеней, включая protein kinase C. C1P, как было установлено, взаимодействует с несколькими мишенями, включая цитозольную phospholipase A2 (cPLA2) и acid sphingomyelinase (aSMase), существование поверхностных клеточных рецепторов для C1P было подтверждено, но более детальная механистическая информация для этого и др. типов sphingolipid пока отсутствует.

    Cellular functions


    Большое количество функций сегодня приписывается биоактивным sphingolipids, они затрагивают почти все основные аспекты клеточной биологии, включая роль в росте клеток, клеточном цикле, клеточной гибели, клеточном старении, воспалении, иммунных реакциях, клеточной адгезии и миграции, ангиогенезе, потреблении пищи, метаболизме, реакциях на стрессы и аутофагию (Table 1; Supplementary information S2 (table)). Изучение функций sphingolipid было ускорено благодаря инструментам высокой точности, таким как замалчивание РНК и недавно CRISPR-вызываемыми делециями специфических генов, кодирующих sphingolipid энзимы, также как и благодаря использованию модельных организмов1,39,46,47.
    Insights from yeast studies. Исследования на Saccharomyces cerevisiae впервые установили множественные роли sphingolipids в адаптивных реакциях на тепловые стрессы, которые увеличивали метаболический поток (flux) посредством de novo пути, скорее всего, благодаря повышенному потреблению серина. Последовательно генерируемые sphingoid bases, sphingoid base фосфаты и керамиды обнаруживают участие в ключевых реакциях на повышение температуры, включая временный арест клеточного цикла, арест трансляции и секвестрация мРНК и регуляция пищевых permeases42,48,49. В комбинированных 'omic' подходах специфические керамиды принимали участие в специфических транскрипционных ответах, регулируя экспрессию генов, участвующих в транспорте железа, чувствительности к кислотам и в метаболизме РНК, иллюстрируя сложность функций керамидов у дрожжей48. КПП (checkpoints) клеточного цикла, обеспечиваемые с помощью ингибитора митозов протеин киназы Swe1, были приписаны керамидам, в частности керамиду C18:1 50,51. Дополнительные функции дрожжевых керамидов включают регуляцию diauxic сдвига и митохондриальную функцию, реакцию на повреждения ДНК и регуляцию реакций реактивных видов кислорода42.
    Cell adhesion and migration. Критической ролью для биоактивных sphingolipids оказалась регуляция клеточной адгезии, миграции и инвазии. Недавние исследования участия SK1 и SK2 (энзимы, продуцирующие S1P) в формировании филоподий, клеточной миграции и инвазии в ответ на разные стимулы, включая эпидермальный фактор роста, участие в механизме, связанном с индукцией фосфорилирования ezrin, radixin и moesin (ERM) семейства белков ezrin52, который, как известно, участвует в регуляции клеточной подвижности53. Этот механизм использует активацию S1PR2 и участвует в транспортных функциях SPNS2 (Ref. 52). Удивительно недавнее исследование с использованием геномного скрининга in vivo мышей идентифицировало SPNS2 как важный промотор метастазирования54. Также интересно, что S1pr2-нокаутные мыши глухи55, подобно мышам, дефицитным по др. ERM белку, radixin56, также как и Spns2-нокаутные мыши57, это указывает на общий путь с вовлечением этих трех компонентов. Соотв., ezrin может быть дефосфорилирован с помощью механизма, использующего вызываемую керамидом активацию протеин фосфатазы PP1α58. Эти исследования иллюстрируют механистические и функциональные взаимодействия между биоактивными sphingolipids (Fig. 3a).
    Formation of membrane domains, exosomes and endosomes. Метаболизм sphingolipid, как известно, затрагивает организацию и динамику мембран, а также везикулярный транспорт (Fig. 3b). Известно. что существуют специализированные домены мембран, особенно в плазматической мембране, которые обогащены специфическими видами липидов, включая sphingolipids (с важным вкладом ceramides). Хотя точная природа и функции этих доменов, которые также включают плоты (rafts), всё ещё неясна, они могут играть важную роль в регуляции функции мембранных рецепторов. Т.о., керамиды могут влиять на передачу клеточных сигналов, внося вклад в (и потенциально способствуя) формирование мембранных доменов59.
    Подтвеждена роль sphingolipids в динамике и передаче сигналов мембранами, идентифицирована роль nSMase и возникающих в результате керамидов в формировании и секреции экзосом, специфических подтипов секретируемых пузырьков, участвующих в межклеточной передаче сигналов и коммуникациях60. Впоследствии несколько исследований установили, что подавление nSMase2 может мешать составлению грузов этих пузырьков, включая microRNA (miRNA)61, прионовые белки62 и др. белковые грузы с важной ролью в развитии и дегенерации нейронов. Однако, подавление SMS2 способствует секреции экзосом нейронами и может быть сцеплено с очисткой нейротоксического amyloid-β микроглией63, подтверждая терапевтические возможности болезни Алцгеймера путем модулирования метаболизма sphingolipids.
    Более того, SK1 участвует в регуляции эндосом (Fig. 3b), при этом нокдаун SK1 приводит к дефектам эндоцитотического рециклинга, подтверждая важную роль S1P в переносе эндоцитотических мембран, что, скорее всего, не зависит от его роли в передаче сигналов посредством S1PRs64. Sphingolipids также, по-видимому, используются в интернализации вирусов, как демонстрирует участие SMS2 в слиянии оболочки HIV вирусов с плазматической мембраной клетки хозяина65.
    Было также продемонстрировано, что специфический вид sphingomyelin, C18 sphingomyelin, распознается с помощью p24, компонента coatomer белка COPI, представляющего аппарат секреции и его взаимодействие является важным для доставки пузырков66. Этот пример подчеркивает важность самостоятельной клеточной роли молекулярных подвидов sphingolipids, упомянутых выше.
    Наконец, существование критического прирожденного общения между метаболизмом sphingolipid и динамикой мембран было продемонстрировано в клеточных исследованиях, обнаруживших тонко управляемый механизм с участием комбинированного действия CERT, SMSs и протеин киназы D, регулирующих как уровни sphingomyelin, так и везикулярного транспорта из аппарата Гольджи67.
    Implications in DNA damage response. Ранние исследования продемонстрировали, что многие цитотоксические и повреждающие ДНК агенты вызывают выраженные изменения в уровнях sphingolipids, в частности, приводя к повышению уровней ceramide. Соотв., enzyme-centric исследования идентифицировали SK1, alkaline ceramidase 2 (ACER2), nSMase2 и CerSs в качестве специфических игроков в реакции DNA damage response (DDR) (see also Boxes 1,2). Уровни белка SK1 зависят от p53-индуцированной деградации и это важно для регуляции клеточной жизнеспособности и воспалительных реакций. Эта связь была подтверждена с помощью in vivo исследований, продемонстрировавших, что нокдаун Sk1 (известна также как Sphk1) защищает мышей от лимфом тимуса, индуцированных путем потери p53 (Ref. 68). Напротив, уровни мРНК ACER2 индуцируются с помощью p53, и это защищает клетки с p53 дикого типа от ceramide-вызываемой клеточной гибели69. Сходным образом, nSMase2 индуцируется во время DDR и, по-видимому, играет роль в регуляции клеточного цикла70. Аналогичная роль была обнаружена для S. cerevisiae белка Isc1 (гомолога nSMase2)50. Дополнительные исследования выявили роль CerSs в качестве медиаторов цитотоксических реакций раковых клеток на различные химиотерапевтические и стрессовые агенты (rev. Ref. 11; see also Box 1).
    Roles in senescence, ageing, autophagy and apoptosis. У дрожжей, lag1 и lac1 были первыми идентифицированными генами в качестве важных детерминант продолжительности жизни. В конечном итоге было установлено, что продукты этих генов функционируют в качестве CerSs71. Параллельно исследования клеток млекопитающих выявили керамиды как ключевой регулятор клеточного старения5. Сравнительно недавно три CerSs у Caenorhabditis elegans, как было установлено, регулируют продолжительность жизни, причем в обоих направлениях в зависимости от энзима. Это исследование подчеркнуло сложность метаболизма, показа, что изменчивость состава керамидов, предопределяющая активностью разных CerSs, может существенно повлиять на продолжительность жизни; эти разные эффекты были в дальнейшем сцеплены с модуляцией реакции на пищевое ограничение и активацию аутофагии72. Анализ гаплотипов генов, ассоциированных с продолжительностью жизни у человека выявил CERS1 в качестве ключевого гена, усиливающего исключительную жизнеспособность (живущих десятую декаду)73.
    Аутофагия, как было установлено, является высоко регулируемым процессом, в этом sphingolipids принимают важное участие. Ceramides регулируют как жизнеспособность клеток, так и связанную с гибелью клеток аутофагию путем контроля за транспортерами питательных веществ, ER стрессами и mitophagy (rev. Ref. 74). Накопление dihydroceramide путем подавления десатурации керамидов (see Box 2) участвует в регуляции аутофагии75, в частности, в аутофагией вызванной гибели раковых клеток76.
    Др. высоко регулируемым процессов, в котором биоактивные sphingolipids выступают в качестве ключевых игроков, является клеточная гибель. Ceramide был идентифицирован в качестве ключевого регулятора апоптоза77, и эта клеточная активность керамидов активно исследовалась (revю Ref. 39) (Fig. 3a). Конечно, некоторые энзимы, регулирующие генерацию керамидов, включая CerSs, SMases, SK1 и SK2, распределены по разным клеточным компартментам, таким как митохондрии, плазматическая мембрана или лизосомы (Supplementary information S3 (table)), это может влиять на определенные механизмы клеточной гибели (apoptosis или necroptosis) в зависимости от активности этих энзимов44,78.

    Roles in (patho)physiology


    Увеличивается оценка ролей sphingolipids в физиологии и патофизиологии организма, как демонстрируется нокаутными мышами по большинству энзимов метаболизма сфинголипидов (Supplementary information S3 (table)). Точно также трансплантации дали высокую оценку критической роли sphingolipids в исследованиях sphingolipid домена (напр., беспристрастный скрининг, открывший роль SPNS2 в метастазировании54).
    Immune and inflammatory functions. Так, установлено участие S1P в функционировании иммунной системы46 (Fig. 3c). Это было установлено при непосредственном его применении для воздействия на множественный склероз FTY720 (fingolimod), аналога sphingoid base79. Короче, T cell egressis контролируется градиентом S1P между лимфой и плазмой80, это было установлено по секреции S1P гематопоэтическими и эндотелиальными клетками в плазму81. S1PR1 экспрессируется лимфоцитами, которые реагируют на этот градиент, это приводит к миграции лимфоцитов из лимфоидной ткани в циркуляцию82. Этот процесс подавляется с помощью FTY720, который превращается с помощью SK2 в FTY720 фосфат, который затем действует, чтобы tonically супрессировать S1PR1, приводя тем самым к секвестрации T клеток в тимусе и лимфотических узлах. В соотв. с этими находками, phospholipid phosphatase 3 (LPP3), S1P фосфатаза, которая гидролизует S1P, как было установлено, способствует выходу (egress) лимфоцитов, по-видимому, путем снижения уровней S1P в органах мишенях и тем самым поддерживает blood (high)-tissue (low) S1P градиент83. Кроме того, специфический пул S1P, связанный с high-density lipoprotein (HDL), как было установлено, регулирует лимфопоэз и воспаление нейронов не только путем регуляции высвобождения S1P в кровь, но и путем модуляции пути передачи сигналов его рецептора84.
    Выявилась также связь между биоактивными sphingolipids и путем cPLA2-cyclooxygenase 2 (COX2), который генерирует биоактивные prostaglandins. Исследования выявили участие SK1 и S1P в регуляции экспрессии COX2, хотя механизмы остаются неясными. Кроме того, C1P и энзим, который формирует его ceramide киназу, принимают участие в прямой активации cPLA2 в ответ на цитокины 85. Эти результаты подтверждают важную роль C1P и S1P в воспалительной реакции. Однако, было показано, что делеция SK1 из макрофагов не обязательна для воспалительных реакций , но сенсибилизирует эти клетки к аутофагией обусловленной гибели86.
    Текущие исследования также подтвердили роль aSMase в поддержании воспаления путем продукции воспалительных цитокинов, особенно interleukin-6 (IL-6) и CC-chemokine ligand 5 (CCL5) в ответ на действие tumour necrosis factor (TNF) и IL-1 (Ref. 87). Клинически уровни сывороточной aSMase, как было установлено, предсказывают смертность у пациентов в отделении интенсивной терапии при риске развития системного воспаления88, эффект, скорее всего, связанный с индукцией высвобождения aSMase с помощью TNF.
    Multilevel involvement of sphingolipids in cancer cell biology. Биоактивные sphingolipids оказались ключевыми регуляторами нескольких, если не большинства, ключевых атрибутов раковых клеток (Supplementary information S3 (table)). С одной стороны, S1P участвует в жизнеспособности опухолевых клеток, воспалительных путях при раке, в ангиогенезе, резистентности к химиотерапии и в инвазии раковых клеток. С др. стороны, ceramides участвуют в апоптозе раковых клеток, аресте роста, возникновению чувствительности к химиотерапии и в старении89,90.
    Веский факт связан с ролью SK1 в раке толстой кишки особенно при colitis-associated cancer (CAC). Эти исследования были вызваны находкой, что SK1 участвует в регуляции COX2 и в реакциях клеточного воспаления91. Рак толстой кишки человека обнаруживает активацию SK1 в 89% случаев и это коррелирует с высокими уровнями COX2. Высокие уровни SK1 при раке толстой кишки в Азиатских популяциях коррелируют с продвинутыми стадяими рака и предсказывают высокую смертность92. Sk1-нокаутные мыши оказались частично резистентными к химически индуцируемому колиту и они обнаруживали достоверное снижение рака толстой кишки у моделей CAC93. Механистические исследования определили роль SK1 в обеспечении индукции COX2 in vivo93, а также в регуляции экспрессии signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3), который является ключевым трансдуцером способствующих воспалению сигналов от некоторых типов рецепторов плазматической мембраны94. Более того, потеря SK1 также снижает рост аденом у модельных мышей рака кишечника95. В дополнение к увеличению SK1, подавляется S1P lyase в тканях рака толстой кишки, что ещё больше способствует передаче сигналов S1P96.Интересно, что нокаут SK2 приводит к реципрокному увеличению SK1, который участвует в увеличении риска рака толстой кишки у мышей94. Соотв., целенаправленное воздействие на SK1 ингибиторов обнаруживает активность против рака толстой кишки в xenografts97 и у мышиных моделей CAC98. Т.о., эти исследования подтверждают, что путь S1P вносит вклад в канцерогенез толстой кишки, скорее всего, путем регуляции синтеза prostaglandins и др. воспалительных медиаторов.
    В противоположность S1P, уровни керамидов, как было установлено, редуцированы при раке толстой кишки, это согласуется с общей противоположностью функции этих липидных медиаторов (Fig. 1A). По существу, делеция NCDase, которая увеличивает уровни ceramide, защищает мышей от возникновения рака толстой кишки у моделей99. Однако, необходимо отметить, что участие NCDase, по-видимому, отличается от роли SK1при CAC.
    Путь SK1-S1P также участвует и в некоторых др. раках, включая глиобластому, рак головы и шеи, рак почек и некоторые лейкемии100. Очевидно, что роль способствующая раку этого пути распространяется за пределы действия раковых клеток (такого как защита от апоптоза). Напр., S1P является ключевым регулятором ангиогенеза с важным значением для сосудистой биологии и рака100-102, и SK1 индуцируется во многих раках в ответ на гипоксию и в клеточной карциноме почек с мутациями в гене von Hippel-Lindau (VHL). Возникающее в результате паракринное увеличение S1P при гипоксии воздействует на ангиогенез и лимфангиогенез103.
    Acid ceramidase (ACDase) ещё один энзим, который привлек огромное внимание в контексте биологии рака, в особенности в контексте разработки лечения104,105. Уровни этих энзимов повышены при некоторых раках, включая рак головы и шеи, меланому и рак простаты, и коррелируют с прогрессированием патологии этого типа опухолей. ACDase служит для снижения уровней ceramide, а ингибиторы ACDase сенсибилизируют раковые клетки для химиотерапии и радиотерапии в культере клеток и в xenografts104. Вновь разработанные и мощные ингибиторы ACDase synergized с некоторыми химиотерапевтическими средствами, чтобы индуцировать гибель клеток меланомы106. Более высокие уровни ACDase коррелируют с повышенной агрессивностью меланом, тогда как экспрессия aSMase, способствующая генерации кераимдов, обратным образом коррелирует со стадией опухоли107, указывая на сильную корреляцию между низкими уровнями ceramide и продвинутой стадией болезни при большинстве раков. Однако, оценка экспрессии ACDase при раке груди показывает, что она экспрессируется на высоком уровне при low-risk, luminal A type раке груди, а высокая экспрессия ассоциирует с хорошим прогнозом108. В то время как ACDase, по-видимому, управляет злокачественностью рака головы и шеи, меланом и простаты, она скорее оказывает защитное действие на рак груди.
    В качестве др. примера, происходящая из тромбоцитов aSMase участвует в способствовании клеточной адгезии и метастазированию меланом109. Кроме того, aSMase в эндотелиальных клетках, как полагают, выполняет ключевую роль в ангиогенеза опухолей, повышая уровни ceramide110.
    Некоторые исследования указывают на пригодность уровней sphingolipid и активности их метаболических энзимов в качестве биомаркеров при раке. Недавнее metabolomic профилирование панкреатической аденокарциномы выявило изменения в уровнях sphingolipid, включая подъем уровня sphingomyelin, в качестве доминантного компонента и детерминанта 'lipogenic' подтипа, определяемого с помощью исследования, показывающего отличающийся метаболизм липидов111. Повышение уровней ceramide в плазме является прогнозирующим в отношении метастазирования опухоли в ответ на радиационную терапию112. Сходным образом, CerS6 оказывается строгим предсказателем выживания людей с раком толстой кишки113.
    Эти результаты показывают, что специфические пертурбации одного или более путей биоактивных сфинголипидов могут влиять на разные ключевые компоненты формирования опухоли (напр., рост, миграцию, ангиогенез и передачу иммунных сигналов ) и реагировать на терапию. Эти пертурбации возникают как специфические для рака возможно благодаря различиям функций разных энзимов в разных тканях и при разных условиях.
    Metabolic functions and connections to diabetes and the cardiovascular system. Веским фактом является возникновение участия керамидов в регуляции метаболических функций, а изменения уровней видов керамидов наблюдается в различных метаболических синдромах, таких как болезнь, ожирения печени114, тучность115 и устойчивость к инсулину47,116. Клеточные и in vivo исследования продемонстрировали, что повышение уровней керамидов приводит к ослаблению действия инсулина, скорее всего, в результате подавления AKT (Fig. 3a). Этот путь подавления, по-видимому, особенно задействован при повышенной доставке palmitic кислоты, которая может управлять непосредственно синтезом керамидов как субстрат предшественник. Повышение синтеза керамидов в контексте резистентности к инсулину, как было установлено, управляется с помощью воспалительных агентов (напр., агонистов Toll-like рецепторов, TNF и interleukins)47. Снижение генерации керамидов in vivo путем использования ингибиторов SPT или dihydroceramide desaturase или мышей, дефицитных по этим энзимам, улучшает передачу сигналов инсулина и глюкозы и метаболизм липидов при диабете и облегчает ассоциированные с ожирением метаболические изменения и нарушения функции сердца117,118. Более того, мыши, дефицитные по CerS6 защищены от избытка веса и непереносимости глюкозы119, вызываемых диетой с высоким содержанием жира, а избыточная экспрессия ACDase приводит к снижению печеночного steatosis120. Подобно керамидам и др. сфинголипиды, включая sphingomyelin и glucosylceramide, также обнаруживают подавление действия инсулина121. Соотв., Sgms2-нокаутные мыши, у которых уровни sphingomyelin снижены, обнаруживают повышенную чувствительность к инсулину и резистентность к вызывающей ожирение диете с высоким содержанием жира122. Очевидно, эти эффекты наблюдаются несмотря на ассоциированное увеличение уровней керамидов, подтверждая, что керамиды не являются первичными медиаторами подавления передачи сигналов инсулина или что в контексте нокаута Sgms2, повышение керамидов отводится др. путями. Интересно, что разные метаболические функции были обнаружены для SGMS1, делеция которого вызывает снижение секреции инсулина и вызывает оксидативный стресс в белой жировой ткани, приводя к деструкции и дисфункции белых адипоцитов123.
    Metabolic roles of S1P are also emerging. У мышей делеция гена, кодирующего S1P phosphatase 2 (Sgpp2), которая разрушает S1P, ассоциирует с базальным ER стрессом в панкреатических β-клетках и увеличивает чувствительность к диете с высоким содержанием жира124. В соотв. с этими результатами, делеция гена, кодирующего SK1,как было установлено, защищает от индуцированного диетой печеночного steatosis125. В подтверждение роли ER стресса в обеспечение этих метаболических эффектов S1P, исследования на клетках продемонстрировали участие передачи сигналов S1P в регуляции хитшоковых белков, в обеспечение реакции на неупакованные белки в ER и при ER стрессах126.
    Sphingolipids, и особенно ceramide и sphingosine, участвуют в возникновении сосудистых болезней, включая атеросклероз и ишемические повреждения. Повышенная активность aSMase и уровней керамидов связаны с атеросклерозом; механизм возможно использует секретируемые aSMase, которые могут действовать на ассоциированный с липопротеином sphingomyelin, чтобы превратить его в ceramide127. Соотв., снижение aSMase, как было установлено, осуществляет защиту от ишемических повреждений сетчатки у мышей128. В подтверждение этого генерального воздействия метаболизма sphingolipid на сосудистую систему выступает подавление синтеза de novo sphingolipids при повреждениях myriocin ослабленной миокардиальной реперфузии129.
    С точки зрения перспективы для клиники, довольно непреодолимым случаем является разработка для использования измерений сывороточных sphingolipids (в большинстве ceramides) в качестве индикаторов метаболических нарушений и атеросклеротических сердечно-сосудистых болезней. Напр., уровни в плазме C24 и C26 ceramides, а также deoxy-C24 ceramide связаны с диабетической нейропатией130. Повышение C18:0 и C18:1 ceramides, как было установлено, является прогностическим для крупных побочных сердечно-сосудистых эффектов у здоровых субъектов131. Сходным образом, C18:1 ceramide был обнаружен как ключевой предсказатель высоких количеств некрозов после процедуры коронарной ангиографии132. Др. исследование идентифицировало C24:1 ceramide и sphingomyelin как строго ассоциированных с сердечно-сосудистой гибелью133. Высокие уровни в плазме C22:0 и C24:0 ceramides также предсказывают незначительные улучшения словесной памяти в ответ на упражнения пациентов с болезнью коронарных артерий, при которой эти навыки снижаются134. В дополнение к использованию ceramides в качестве биомаркеров, уровни S1P в сыворотке скоррелированы обратным образом с атеросклеротической болезнью135, тогда как deoxysphingolipids,как было установлено, служат в качестве биомаркеров прогрессирования диабета136.
    Sphingolipids as drivers of neurodevelopment and neurodegeneration. Генетические эффекты различных энзимов метаболизма sphingolipid демонстрируют важные роли этих энзимов в развитии головного мозга и здоровья (rev. Ref. 6). Эти заключения исходят из исследований по нокауту у мышей и генетическому отслеживанию болезней человека. Сюда входят дефекты в fatty acid 2-hydroxylase (FA2H)137, ACER3 (Ref. 138), SPTSSB (малой субъединицы SPT)139, CerS1 (Ref. 140) и CerS2 (Refs 141,142) (Supplementary information S3 (table)). Эти недавние исследования подтверждают, что ключевые sphingolipid метаболиты являются критическими для нормального развития и функции головного мозга. В большинстве случаев виды sphingolipid, которые могут вызывать нейральную дисфункцию, неизвестны. Однако, в недавнем исследовании нокаутов Cers1, продукция нейронами C18:1 ceramides и др. sphingolipids была нарушена, что приводило к накоплению sphingoid bases и к нейродегенерации. Эти эффекты могут быть откорректированы с помощью избыточной экспрессии CerS2 (Ref. 143), подтверждая, что sphingoid bases являются кандидатами на роль медиаторов повреждений нейронов.
    Кроме того, дефицит nSMase2, как было установлено, снижает патологию, ассоциированную с болезнью Алцгеймера, у мышей144, тогда как делеция Asah2, который кодирует NCDase, ослабляет повреждения головного мозга, ассоциированные с травматическими повреждениями головного мозга145. Итак, эти исследования начинают выявлять некоторые причинные роли sphingolipids для функций нормального головного мозга и как медиаторов повреждений нейронов и нейродегенеративных нарушений.
    Skin-specific sphingolipids and their functions. Кожа характеризуется присутствием необычных sphingolipids, из-за ультра-длинных fatty acyl цепочек, а также fatty acyl групп, сцепленных с ω-концом N-связанных жирных кислот (тем самым генерируется трехцепочечная скорее, чем двухцепочечная молекула). Потеря функции некоторых энзимов, участвующих с метаболизме sphingolipid приводит к различным формам дефектов кожи и волос, которые часто результат фатальной потери CerS3 (Ref. 146), elongation of very-long-chain fatty acids protein 4 (ELOVL4), CYP4F22 (ω-hydroxylase)147, glucosylceramide synthase (UGCG)148 или PNPLA1 (Ref. 13) , это приводит к дефектам организации и функции эпителия кожи, тогда как потеря ELOVL3 и ELOVL4 (Refs 149,150), CerS4 (Ref. 151) или ACER1 (Ref. 152) приводит к потере волос. По крайней мере, для некоторых из этих энзимов дефекты возникают в результате их дефицита, возможно, механической природы, так что кожа оказывается неспособной формировать непроницаемый барьер благодаря потере специализированных длинно-цепочных керамидов.
    Tissue-specific sphingolipid metabolism in bone and cartilage development. Существует веский довод в пользу роли nSMase2 в развитии кости и хряща. Нокаут nSMase2 приводит к угнетению роста у мышей153. Независимо было установлено, что мыши fro/fro, моделирующие osteogenesis imperfecta, несут инактивированный укороченный Smpd3 (кодирующий nSMase2). Последующие исследования показали, что дефекты в развитии костей и хрящей, скорее всего, обусловлены ткане-автономными и клеточно-автономными действиями nSMase2 (Ref. 154). Соотв., в хондроцитах, nSMase2 оказался нижестоящей мишенью для bone morphogenetic protein 2 (Ref. 155) и для all-trans retinoic acid (ATRA)156,157, ключевых регуляторов развития кости и хряща.

    Conclusions and perspectives


    The extent to which mammalian cells have evolved the network of bioactive sphingolipids to control many critical cellular and organismal functions is remarkable. The complexity of this network makes sphingolipids extremely difficult to study, particularly in the context of the entire organism, where specific functions in individual tissues and organs crosstalk and converge. Much has been accomplished in terms of defining the basic biochemical components and tools for studying and modulating pathways in this network and in advancing our understanding of the multifaceted roles of sphingolipid species. However, much remains to be achieved. In particular, molecular and biochemical mechanisms that regulate the many enzymes of sphingolipid metabolism and the flux through the system, with its many nodes and interconnections and compartments, require further investigation and refining. Equally important, there is a compelling need to understand the mechanisms of actions of the many ceramide species and sphingoid bases, as well as other emerging bioactive sphingolipids. Only such a level of understanding, considering individual sphingolipid species and their changes in different physiological and pathological contexts, will allow a precise delineation of the specific roles and functions of these pathways and how they fit in the larger universe of cell regulation and biology.